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Ihr Spezialist für optische Polymerfasern (POF) und POF – Systemtechnik

Was sind Seitenlichtfasern?

Seitenlichtfasern sind Lichtwellenleiter, die so hergestellt werden, dass das in ihrem Kern geführte Licht nicht nur entlang der Faser weiter geleitet sondern gezielt seitlich abgestrahlt wird.

Seitenlichtfasern sind ein Konzept zur Vermeidung der direkten Lichtstrahlung von der Lichtquelle auf das menschliche Auge. Oftmals wirkt der direkte Blick in eine sehr hell strahlende LED Lichtquelle, etwa in einen LED Chip, unangenehm und blendend. Über Seitenlichtfasern wird das Licht räumlich verteilt in seiner Leuchtdichte reduziert. Für Ambiente – Beleuchtung ist die Beleuchtung mit Seitenlichtfasern eine elegant designte, angenehm empfundene Beleuchtungsmethode.

Als Folge ihrer Bruchunempfindlichkeit sind Seitenlichtfasern aus polymeren Materialien (SL  POF, Seitenlicht POF) einfach zu handhaben und in verschiedenartigen Textilien ingetrierbar.

 

Das Bild rechts zeigt übereinander eine 3mm Endlichtfaser (unten) und eine 3mm Seitenlichtfaser (oben), in die jeweils gleiche Lichtleistung eingestrahlt wird. Das aus der Endfläche der Seitenlichtfaser abgestrahlte Licht ist sichtbar schwächer, da es über die Länge der Faser bereits seitlich ausgekoppelt wurde.

Unterschiedliche Herstellungsverfahren

Polymere Seitenlichtfasern, SL POF, sind in einer Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen verfügbar. Drei grundsätzlich voneinander verschiedene Typen unterscheiden sich im Herstellungsverfahren, bei der Verarbeitbarkeit im beleuchteten Objekt, den notwendigen LED Strahlern für die Lichteinkopplung und nicht zuletzt der optischen Wirkung.

 

- Extrudierte oder gezogene Fasern

Gezogene oder extrudierte Seitenlichtfasern werden ähnlich wie die bekannten POF Endlichtfasern aus thermoplastischem Material
hergestellt und auf der Mantelfläche mit einem niedriger brechenden Lack beschichtet. Bei dem thermoplastischen Material handelt es
sich oft um PMMA, so dass sich diese Fasern mechanisch und thermisch ähnlich verhalten wie die bekannten PMMA POF Endlichtfasern.
Die seitliche Abstrahlung kann über den Lack oder eine aufgeraute Manteloberfläche realisiert werden. Die SL POF Faserdämpfung ist
deshalb deutlich höher im Vergleich zu Endlichtfasern.

 

Seitenlichtfasern
Seitenlichtfasern
Seitenlichtfasern 7-faches Faserbündel

Faserbündel aus 0.25mm (oben) und 0.5mm (unten) SL -POF in vergossener und polierten Ferrule

PMMA Seitenlichtfasern gibt es vorwiegend in Durchmessern von 0,25mm bis 3mm. Schon eine 3mm dicke PMMA POF ist nur noch mit großen Radien zu biegen, noch größere Durchmesser sind in vielen Anwendungen nicht möglich. Im Vergleich zu gegossenen Fasern sind diese Fasern preiswert. Für die Lichteinkopplung in dünne Fasern mit Durchmessern von 1mm und weniger ist die Ankopplung eines LED Moduls pro Faser wenig effektiv; man bräuchte zur Beleuchtung des Gesamtobjektes eine große Anzahl LED Module, die aufgrund des kleinen Faserdurchmessers nur wenig Licht in die Faser koppeln könnten. Deshalb fasst man mehrere Einzelfasern zu einem Faserbündel zusammen. Alle Fasern des Faserbündels werden dann aus einer LED Lichtquelle versorgt. Das LED Modul muss jede Faser des Faserbündels mit etwa gleicher optischer Intensität versorgen, damit im beleuchteten Objekt alle nebeneinander liegenden Fasern gleich hell leuchten. Diese Forderung nach gleichmäßiger Beleuchtung stellt besondere Anforderungen an die zu verwendenden LED Module: sie müssen über einen internen Lichtmischer verfügen wie die hierfür entwickelten DieMount LED Module (Leuchtmittel für faseroptische  Beleuchtung).

Bei der Konfektionierung von Faserbündeln sollte man sich bemühen, eine Anzahl rundsymmetrisch anordbarer Fasern, also 3, 7, 19, 37, .. , in einer Ferrule mit exakt passendem Innendurchmesser einzupassen, damit die optischen Verluste durch Zwickel zwischen den Fasern nicht zu groß werden. Bei großen Faseranzahlen ist das, wie das Bild oben links zeigt, nicht ganz einfach.
Die Wirkung eines Faserbündels aus 2 mal 19 SL POF zeigt das Bild oben rechts (Farbband der Fa. F. J. Rammer GmbH).

- Gegossene Fasern

Textile Fläche (0,7m x 0,6m) mit integrierten 3mm gegossenen SLPOF; in Zusammenarbeit mit dem Textilforschungsinstitut TITV, Greiz

Seitenlichtfaser
Textile Fläche (1,2m x 0,6m) mit integrierter 6mm gegossener SL-POF, eingebettet in ein Passepartout mit gesticktem Logo; in Zusammenarbeit mit dem Textilforschungsinstitut TITV, Greiz

Alternativ können Seitenlichtfasern im Reaktionsgußverfahren durch Befüllung eines geeigneten Kunststoffschlauches mit Flüssigkunststoff hergestellt werden. Der Flüssigkunststoff härtet aus und bildet den Kern des Wellenleiters. Gegossene SL POF aus sehr flexibel gewählten Materialien für Kern und Mantelschlauchmaterial sind sehr flexibel.

Fasern ab 1mm Kerndurchmesser und Krümmungsradien von wenigen Millimetern werden z.B. aus mit PUR gefüllten Fasern hergestellt.
Dickere, gegossene Fasern bestehen aus Acrylat gefüllten PTFE Schläuchen mit Kerndurchmessern von etwa 2mm bis deutlich über
6mm. Der PTFE Schlauch kann transparent oder weiß eingefärbt sein, so dass die optische Wirkung im beleuchteten wie im unbeleuchteten Zustand unterschiedlich ist. Gegossene SL POF mit weiß eingefärbten Mantel zeigen bei Beleuchtung mit weißem Licht gleichmäßig weiße Abstrahlung, gegossene SL POF mit transparentem Mantel werden bei nicht eingeschalteter Beleuchtung optisch nicht wahrgenommen und wirken bei Einstrahlung einfarbigem Lichts elegant. Beispiele

Durch das aufwendige Herstellungsverfahren ist der Preis gegossener SL POF höher als der extrudierter PMMA SL POF. Gegossene SL
POF strahlen meist auf kurzen Strecken mehr Licht ab im Vergleich zu extrudierten SL POF, sie sind als Folge ihrer hohen Flexibilität
mechanisch stark belastbar. Das robuste Mantelmaterial PTFE erlaubt die Reinigung mit mechanisch und chemisch „groben“ Verfahren.

Nachteilig an gegossenen Fasern ist die durch den großen Durchmesser bedingte schwierige bzw. unmögliche Integration durch
Verarbeitung mit Webmaschinen und anderen in der Textilfertigung verwendeten Standardmaschinen. Hierin liegt der Vorteil der
extrudierten, dünnen SL POF

- Halbwertslänge

Beim Design eines Seitenlichtfaser Objektes taucht die Frage auf, auf welche Länge die Faser ausgelegt werden sollte, damit sie für das Auge des Betrachters als gleichmäßig hell wahrgenommen wird. Eine reduzierte Helligkeit am Ende der Faser sollte nicht erkennbar sein. Wird die Faser zu kurz gewählt, wird ein großer Teil des eingekoppelten Lichtes an der gegenüber liegenden Endfläche abgestrahlt, das Seitenlichtfasersystem ist also wenig effizient. Wird Licht beidseitig in die Faser eingestrahlt, verlängert sich die Faserlänge gleicher Helligkeit.

Der Gedanke, die maximale Länge gleichmäßiger Helligkeit einer SL POF durch LED Strahler mit besonders hoher Lichtleistung zu vergrößern, ist leider nicht richtig. Das Auge nimmt Helligkeitsunterschiede dann als deutlich erkennbar wahr, wenn der Helligkeitsunterschied mehr als Faktor 2 beträgt, unabhängig vom Helligkeitsniveau des Leuchtobjektes insgesamt. Diese Beobachtung führt zur folgenden, in der Praxis nützlichen Festlegung:

Bezeichnet man mit der Halbwertslänge einer SL POF diejenige Faserlänge, nach der das seitlich abgestrahlte Licht auf die Hälfte des seitlich abgestrahlten Lichts an der Lichteinkoppelstelle abgefallen ist, als Halbwertslänge, dann sollte eine SL POF in ihrer Länge so dimensioniert werden, dass sie bei einseitiger Einkopplung nicht länger als die Halbwertslänge, bei beidseitiger Einkopplung nicht deutlich länger als die doppelte Halbwertslänge ist.

Hält man sich an diese Regel, so wird ineffizienter Lichtverlust durch zu kurze Fasern, wie auch als ungleichmäßig hell empfundene Faserlängen vermieden. Die Halbwertslänge einer SL POF ist eine charakteristische Größe der Faser und sollte bei Systementwurf bekannt sein. Die Halbwertslänge hängt vom Herstellverfahren, dem Faserdurchmesser und dem verwendeten Material ab. Sie liegt zwischen wenigen 10cm und 10m. Häufig sind Halbwertslängen von 2 bis 3m.

Aktuell sind standardmäßig lieferbar:

PMMA Seitenlichtfaser:

Gegossene Seitenlichtfaser:

PUR-SL-POF mit Silikonmantel sind nicht für Weißlicht verwendbar, da die spektralen Anteile des weißen Lichtes unterschiedlich stark abgestrahlt werden. Sie sind deshalb nur monochromatisch zu beleuchten.