Вторичная оптика компании Ledlink Optics
На российском рынке с каждым годом появляется все больше и больше производителей и поставщиков вторичной оптики для мощных светодиодов. Статья посвящена вторичной оптике тайваньской компании Ledlink Optics Inc, рассматриваются достоинства и недостатки продукции.
На российском рынке с каждым годом
появляется все больше и больше
производителей и поставщиков вторичной
оптики для мощных светодиодов.
Все стараются соответствовать требованиям
и пожеланиям клиентов, а это приводит к постоянному
увеличению разнообразия вариантов
исполнения вторичной оптики. Кроме
технических характеристик самих оптических
элементов, немаловажную роль при разработке
светильников играет стоимость вторичной
оптики, ведь разработанный в конечном итоге
продукт должен быть конкурентоспособным
и востребованным на рынке. Иногда, стремясь
удешевить разрабатываемое устройство, производители
светотехники используют дешевую
вторичную оптику низкого или сомнительного
качества, тем самым снижая эффективность
и работоспособность своего же продукта.
Статья посвящена вторичной оптике тайваньской
компании Ledlink Optics Inc. Одна из главных
целей, которую ставит перед собой производитель,
— разработка и производство
высококачественной вторичной оптики, которая
призвана обеспечить оптимальное соотношение
цена/качество.
Компания Ledlink специализируется на разработке
и производстве вторичной оптики для
ведущих производителей мощных светодиодов:
Cree, Samsung LED, Nichia, OSRAM, Lumileds,
Edison, Seoul Semiconductor. Кроме стандартной
(серийной) продукции, фирма, имея собственную
производственную базу и опытных инженеровоптиков,
обеспечивает проведение полного цикла
разработки вторичной оптики по заданию клиента
(ориентировочная цена разработки $15000).
Компания Ledlink по праву занимает одно из ведущих
мест на рынке производителей вторичной
оптики, продукция прошла сертификацию
ISO:9001 и ISO:14001 и была признана ведущими
производителями светодиодов.
Преимущества вторичной оптики компании
Ledlink Optics Inc: высокая оптическая эффективность
(более 90%); совместимость некоторых
линз с разными типами светодиодов, благодаря
чему упрощается подбор вторичной оптики для
разработки светодиодных источников света;
использование для изготовления оптических
элементов качественных пластиковых материалов
(РММА – полиметилметакрилат, РС — поликарбонат),
которые надежны и долговечны,
что очень важно при разработке и использовании
светотехнической продукции.
Продукцию компании Ledlink можно разделить
на следующие группы:
- единичные линзы (single lens);
- овальные линзы (oval lens);
- сборки линз (multi-cluster lens);
- линзы для уличного освещения (street lighting
lens); - наборы для сборки светодиодных ламп
(semi-module).
Единичные линзы
Единичные линзы довольно широко распространены
и выпускаются разных серий,
в больших количествах и почти для всех
мощных светодиодов известных брендов.
Некоторые линзы изготавливаются сразу
для нескольких типов светодиодов. Установить
их можно, либо приклеив линзу к корпусу
светодиода, либо используя держатель
(«холдер») специально для нужного типа
светодиода. Холдеры могут выпускаться
трех видов и делятся по цвету: белые, черные,
прозрачные.
Характеристики самых распространенных
единичных линз для мощных светодиодов
фирмы Cree приведены в табл. 1.
Таблица 1. Единичные линзы
Линзы для мощных светодиодов
Одним из неоспоримых преимуществ светодиодов перед традиционными источниками света является возможность формирования практически любого распределения светового потока для максимально эффективного использования энергии. Осуществляется это формирование с помощью вторичной оптики — отражателя (рефлектора) или линзы.
Для обозначения формы распределения света в светотехнике используется термин «кривая силы света» или сокращенно КСС. Светодиоды в большинстве случаев имеют первичную линзу (из прозрачного силикона, или стеклянную), которая формирует КСС, показанную на рисунке ниже.
Как видно по графику – интенсивность света плавно уменьшается с увеличением угла отклонения от центральной оси. Для получения распределения другого вида на светодиод накладывается линза или рефлектор соответствующего типа. Отсюда и название – вторичная оптика. Рефлекторы имеют достаточно ограниченную область применения – они позволяют работать только на концентрацию светового потока, т.е. уменьшение угла излучения. Линзы же дают более широкий диапазон возможностей, поэтому на их рассмотрении стоит остановиться поподробнее.
Из чего и как сделаны?
Наиболее распространенные материалы для изготовления линз – полиметилметакрилат (в простонародье – оргстекло) и поликарбонат. Изготавливаются они методом литья под давлением, при строгом соблюдении технологических норм. Так что об изготовлении линзы своими руками не может быть и речи. При попытке механической обработки этих материалов, всё чего вы сможете достигнуть – это мутный исцарапанный кусочек оргстекла.
Способы сопряжения со светодиодом
Существуют несколько способов крепления линз. Самый простой – приклейка. Линзы, маленького размера могут приклеиваться непосредственно на плату со светодиодом. Более габаритные и массивные требуют держателя. Держатель имеет клейкое основание с защитной пленкой (по сути – двухсторонний скотч), а линза в него просто защелкивается. Идеальный вариант для изделий, изготавливаемых своими руками в домашних условиях, но недостаточно надежный для жестких условий эксплуатации (перепады температур, механическая тряска и вибрация). Второй способ – крепление с помощью винтов – более надежный, но требует наличия соответствующих конструктивных элементов у линзы. И, наконец, можно закрепить вторичную оптику, используя корпусные элементы изделия (светильника, фонаря и пр.). Например, придавить защитным стеклом. В любом случае большое значение имеет точная центровка линз относительно светодиодов, для этого в некоторых линзах и держателях предусмотрены специальные стоечки (штырьки). Естественно при этом на плате должны быть предусмотрены соответствующие отверстия. При установке, нельзя касаться рабочих поверхностей линзы руками.
Виды линз
Обычно классификация линз у производителя идет по двум основным признакам – по типу светодиодов и по типу светораспределения. Также оптика бывает одиночная и групповая, когда на несколько светодиодов надевается единый линзовый модуль, прозрачная и матовая, симметричная и ассиметричная и т.д.
В настоящее время производители вторичной оптики «идут в ногу» с производителями светоизлучающих диодов и после появления нового типа или семейства светодиодов, практически через пару месяцев мы уже можем приобрести для него соответствующие новые линзы.
Наиболее распространенной формой распределения света является круглосимметричное. Такие линзы дают круглое световое пятно. Угол светового пучка может быть совершенно разным: от 3˚ до 150˚. Концентрирующие линзы с углом менее 10˚ обычно называют «спотовыми» (от англ. Spot – пятно).
Существует оптика со специальным распределением света.
Ниже на рисунке представлена линза для уличного освещения и ее КСС.
Светотехнический шедевр своими руками
Многообразие линз для светодиодов и их широкая доступность дает возможность реализовывать достаточно сложные светотехнические решения своими руками. Линзованные светодиоды могут дать самые замысловатые формы КСС, некоторые из них представлены на рисунках ниже.
Комбинируя различные линзы в одном светильнике можно добиться светораспределения практически любой сложности.
Простые задачи с помощью вторичной оптики решаются также более эффективно. Так светодиодный фонарик, собранный своими руками на одноваттном светодиоде CREE, с одной узкоградусной линзой LEDIL будет «пробивать» темноту на несколько сотен метров, давая при этом четко очерченное световое пятно. В то время как его покупной собрат, родом из юго-восточной Азии, с кучкой мелких светодиодов и блестящим отражателем, едва ли «осилит» и половину этого расстояния.
Возможности вторичной оптики впечатляют!
Как изготавливается оптика для светодиодов
Светотехнические устройства – важные элементы большого числа технических систем, включающих дорожное, жилое, промышленное освещение, светотехнические системы транспортных средств. В статье рассмотрены оптические системы для светодиодов и проанализированы особенности применения вторичных оптических элементов в виде линз и отражателей для получения различных диаграмм направленности излучения светодиодов в пространстве. Сформулированы требования, предъявляемые к оптическим элементам. Рассмотрены особенности и проблемы расчета вторичных оптических систем.
До недавнего времени основными используемыми источниками света являлись лампы накаливания. В настоящее время эволюция светотехнических устройств направлена на переход от ламп к светодиодам. Это связано с принятием договоренностей в странах Евросоюза, США и Канады на законодательный запрет использования неэффективных ламп накаливания. В ноябре 2009 года в России утвержден законопроект об энергосбережении и повышении энергетической эффективности, предполагающий полный отказ от ламп накаливания с 2014 года.
Светодиодная промышленность во всем мире стала в последние годы одним из самых быстро развивающихся секторов экономики. Каждые полгода параметры светодиодов (СД) и светотехнических устройств на их основе становятся на новый количественный уровень по световой отдаче, мощности излучения и световому потоку, цветовым характеристикам. По оценке компании Philips [1], ожидается снижение себестоимости СД и прогнозируется, что к 2020 году светодиодные источники света и световые приборы на их основе займут 75% светотехнического рынка.
Задачи и перспективы развития светодиодов
Светодиоды (рис.1) как источники света начали применяться в 60-х годах ХХ века. Принцип действия светодиодов как полупроводниковых приборов основан на преобразовании электрической энергии непосредственно в световое излучение. Механическая конструкция светодиода определяет распределение света в пространстве. Для обычного освещения интерес представляют только светодиоды, излучающие белый свет, ток питания которых более 100 мА, а световой поток – более 10 лм.
Основные свойства светодиодов, которые в ближайшем будущем сделют их самыми экономичными из всех источников света:
• высокая световая отдача (100–150 лм/Вт);
• малое энергопотребление (единицы ватт);
• высокие значения КПД световых приборов и коэффициентов использования светового потока в осветительных установках;
• малые габариты (возможность использования в точечных или плоских приборах);
• высокая долговечность (десятки тысяч часов);
• отсутствие пульсации светового потока;
• возможность получения излучения различного спектрального состава;
• возможность снижения коэффициента запаса осветительных установок благодаря стабильности характеристик и высокому сроку службы;
• возможность использования для освещения выцветающих объектов (произведений искусств, продукции полиграфии, текстильного производства);
• высокая устойчивость к внешним воздействиям (температуре, вибрации, ударам, влажности);
• электробезопасность и взрывобезопасность;
• возможность резкого уменьшения размера, материалоемкости и трудоемкости производства световых приборов;
• возможность создания необслуживаемых светильников;
• высокая степень управляемости (возможность построения систем многоуровневого управления освещением);
• высокая технологичность при массовом производстве;
• низкие затраты на упаковку и транспортировку.
Широкое применение светодиодов в системах подсветки, освещения и индикации делает актуальным расчет и проектирование светодиодных оптических систем, обладающих высокой световой эффектностью и широкими возможностями контроля энергетических характеристик излучения.
Использование светодиодов в системах освещения требует применения вторичной оптики, назначение которой – направлять излученный светодиодом световой поток в заданную область пространства и обеспечивать формирование в этой области требуемое распределение освещенности [2–4]. В последнее время стремительно нарастает заинтересованность ведущих мировых производителей и потребителей источников света в замене традиционных ламп накаливания и люминесцентных ламп дневного света светодиодными световыми приборами, основу которых составляют полупроводниковые светодиоды, объединенные в светодиодные модули (СДМ) (рис.2). Развитие в данном направлении затруднено в связи с отсутствием методов расчета светотехнических характеристик СДМ и систематизированной информации по световой эффективности СД, что также вызвано недостаточным прогрессом в международной стандартизации и наличием дефицита в специальном измерительном оборудовании. Поэтому актуальной является задача моделирования светотехнических характеристик СД и СДМ на стадии проектирования световых приборов (СП) [5].
В настоящее время можно выделить основные направления исследований и разработок светодиодов:
• уменьшение падения световой эффективности при больших плотностях тока;
• улучшение световой отдачи и цветовых характеристик белых СД;
• уменьшение теплового сопротивления и отвода тепла от СД;
• исследование восприятия светодиодного освещения человеческим зрением;
• автоматизация производства светодиодов и светодиодных ламп.
Вторичная оптика для светодиодов
Известно, что СП должны выполнять две основные светотехнические задачи: нужным образом перераспределять световой поток источника света и ограничивать его слепящее действие. СД – источники света, излучающие в одну полусферу, и это требует особого подхода к конструированию СП с СД.
Светодиод обладает косинусным светораспределением (кривая силы света (КСС) типа Д с углом раскрытия светового потока 120˚) (рис.3). КСС – график зависимости силы света светового потока от меридиональных и экваториальных углов, получаемый сечением его фотометрического тела плоскостью. Но для освещения помещений с высокими пролетами или улиц такое светораспределение не подходит. Для создания энергоэффективного освещения требуется специализированная оптика.
Вторичная оптика – линза или зеркальный отражатель из пластика, монтирующийся на один или группу светодиодов, представляет отдельный компонент, не являющийся частью светодиода. Использование вторичной оптики позволяет:
• изменять светораспределение СД, например, сосредоточить излучение в нужном угле или сделать его несимметричным;
• перенаправлять весь световой поток от светодиода в освещаемую область, повышая эффективность светотехнического устройства и понижая его стоимость;
• формировать требуемое распределение освещенности, соответствующее всем стандартам освещения.
Первым параметром, по которому осуществляется подбор вторичной оптики для решения той или иной задачи, является угол светового пучка, формируемый оптическим элементом. Чаще всего это значение является углом половинной яркости, который определяется как угол, при котором сила света в этом направлении падает на 50% от максимального значения (рис.4).
Сегодня большинство мощных СД по разным причинам производится лишь с одним-двумя вариантами светораспределения. Задача оптической системы, используемой в паре со светодиодом – как можно более рационально распределить световой поток в пространстве. Правильно подобранная оптика позволяет существенно увеличить плотность светового потока диода и более точно приспособить его работу для решаемой технической задачи.
Оптические системы можно разделить на два основных типа – линзовые и отражательные (рис.5). Все они создают различные диаграммы направленности излучения в пространстве. Наиболее распространенные диаграммы (рис.6):
• узкая диаграмма – угол эффективного излучения 5–20°;
• средняя диаграмма – угол эффективного излучения 20–50°;
• широкая диаграмма – угол эффективного излучения от 50°.
Линза полного внутреннего отражения (ПВО) – коллиматор (рис.7) – работает по следующей схеме. Большие углы от светодиода собираются боковыми сторонами линзы, представляющими собой отражатель полного внутреннего отражения. Малые углы собираются линзовидной поверхностью расположенной в ПВО. Практически весь свет от СД эффективно используется и не теряется. Одним из критериев, влияющих на эффективность оптики и, в частности, линзы, является соотношение между ее размером и излучающей поверхностью светодиода. На рис.8 приведена стандартная схема коллиматора. Часть 1 внутренней поверхности полости соответствует гиперболоиду вращения и обеспечивает коллимацию центральных лучей от источника. Лучи, преломлённые на боковой поверхности внутренней полости, испытывают полное внутреннее отражение на наружной параболической поверхности 2. За счёт использования ПВО эффективность коллиматора составляет около 90%.
Не последнюю роль в увеличении коэффициента пропускания играет материал, из которого изготовлена оптика. Он не должен мутнеть со временем и под действием окружающих факторов или излучения. В настоящее время линзы для СД изготавливаются в основном из полиметилметакрилата, оптического поликарбоната с коэффициентом пропускания 95–98% или кремнийорганических соединений (силикона) [6]. Компания LEDiL предлагает изготавливать линзы из полиметаметилакрилата, но покрывать их сверху тонким слоем силикона [7]. С одной стороны, это позволяет использовать уже отработанную технологию, подходящую для линз любой формы, с другой – линза с силиконовым покрытием получает многие полезные свойства, характерные для линз из цельного силикона. Это и высокая прочность, и возможность герметизации. Такие линзы могут работать без защитного плафона.
Популярность линз объясняется большим удобством и относительной простотой формирования требуемого светового пучка, так как управление излучением осуществляется тремя плоскостями: двумя преломляющими поверхностями на входе и выходе излучения и одной отражающей поверхностью линзы. Однако проектирование таких коллиматоров представляет достаточно сложный процесс. Кроме того, проблематичным оказывается их применение для больших СД.
Рефлекторы (рис.9) имеют лишь одну отражающую поверхность, задача которой – сформировать требующийся световой пучок. Чаще всего они применяются совместно со светодиодами, имеющими излучающую поверхность увеличенного размера, или с группой СД.
Немаловажной характеристикой оптики является ее эффективность, то есть способность трансформировать световой пучок СД с как можно меньшими потерями при его пространственном преобразовании. Важным параметром также является собирательная способность систем (отношение светового потока внутри угла эффективного излучения ко всему световому потоку, прошедшему через систему). У линзовых систем эффективность, как правило, меньше.
Отражательная оптика в СП со СД имеет несколько большие размеры, чем линзовая. Отражатели делаются или из алюминия с высоким коэффициентом отражения или из пластика с напылением зеркального слоя и защитой его от внешних воздействий.
Как вторичные линзы, так и вторичные отражатели требуют очень точного расположения относительно светящего тела. Поэтому обычно к ним прилагаются специальные фирменные держатели.
В настоящее время выпускается линзовая и отражательная вторичная оптика с широкими, полуширокими, косинусными, глубокими и концентрированными КСС [6]. Для уличных светильников с СД производятся линзы с асимметричным светораспределением (широким в поперечной плоскости и концентрированным боковым в продольной).
Проблемы расчета вторичной светодиодной оптики
Проектирование и производство современных оптических систем требует моделирования сложных физических явлений. Модели распространения света в светорассеивающих элементах являются частью систем оптического моделирования.
Расчет вторичной оптики светодиодов является одной из наиболее сложных задач, возникающих в светотехнике. Это связано с большим количеством требований, одновременно предъявляемым к таким оптическим элементам:
• обеспечение высокой световой эффективности;
• минимальное расстояние от светодиода до освещаемой области при максимальном угловом размере освещаемой области;
• высокая равномерность формируемого распределения освещенности.
Вторичная оптика рассчитывается под определенный тип светодиода и заданное светораспределение. С другими светодиодами она не будет обеспечивать требуемую ширину пучка. Кроме того, освещаемая область может быть неравномерной, и возможно появление дополнительных колец. Поэтому с появлением на рынке новых светодиодов возникает задача расчета и моделирования вторичной оптики, совместимой с ними.
На сегодняшний день предлагается несколько десятков универсальных пакетов программ для проектирования оптических систем различного назначения и ряд систем, предназначенных для проектирования специализированных систем [8].
Использование светодиодов в системах освещения требует применения вторичной оптики – линзовой и отражательной, которая позволяет изменить светораспределение светодиода, повышает эффективность светотехнического устройства в целом, формирует требуемое распределение освещенности. Актуальной является задача расчета и моделирования светотехнических характеристик светодиодов и светодиодных модулей на стадии проектирования световых приборов.
1. Боровков С.А. Опыт Philips Lighting в применении светодиодов для освещения объектов различного назначения.– Светотехника, 2011, № 3, c.18–22.
2. Байнева И.И., Байнев В.В. Аспекты разработки энергоэффективных светотехнических изделий для решения задач повышения энергосбережения. – Вестник Мордовского университета, 2014, № 1–2, c. 76–80.
3. Байнева И.И., Байнев В.В. Энергоэффективные источники света и световые приборы для решения задач повышения энергосбережения: Справочник. Инженерный журнал с приложением, 2014, № 9 (206), c. 62–64.
4. Байнева И.И. Байнев В.В. Продукция светотехнической промышленности России: проблемы энергосбережения и энергоэффективности. – Научные исследования и разработки. Экономика фирмы, 2014, № 2 (7), c.4–7.
5. Bayneva I.I. Concerns Of Design Of The Energy-Efficient Fixtures. – International Journal of Applied Engineering Research, 2015, v.10, № 3, p. 6479–6487.
6. Варфоломеев Л.П. Уровень конструирования осветительных приборов со светодиодами и целесообразные области их применения. – Светотехника, 2011, № 3, c.4–11.
7. LEDiL [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.ledil.com/ – Загл. с экрана.
8. Байнева И.И., Байнев В.В. Применение программ оптического моделирования в учебной и научной деятельности. – Сборка в машиностроении, приборостроении. 2015, № 4 (28),с. 53–62
Отражатели и линзы для использования в системах с твердотельными источниками света (SSL)
Светодиодные точечные источники света коренным образом изменили индустрию оптики. Проектировщикам, работающим с системами на основе твердотельных источников света SSL (англ. SSL — solid-state lighting), необходимо принимать во внимание не только отражатели и линзы как самостоятельные компоненты, но и их сочетание в конструкции конечного изделия.
От обычных источников света, к которым все привыкли за долгие годы, светодиоды отличаются значительно, в том числе и особенностями применения в них оптических элементов. Так, устаревшие источники излучают свет во всех направлениях и для формирования светового потока требуют отражатель, а светодиодные точечные источники излучают световой поток лишь в одной полусфере. Поэтому им часто необходимы коллиматоры в виде линзы полного внутреннего отражения, в современной технической литературе известной под аббревиатурой TIR (англ. TIR — total internal reflection optics) и предназначенной для направления их светового потока. Но конструкция конечного оптимального твердотельного излучателя требует особого понимания совместного действия таких гибридных систем, выполненных на основе отражателей и линз (рис. 1). Здесь мы опишем физическую основу такого вида оптики и дадим некоторые рекомендации не только для их оптимального выбора, но и для самого процесса проектирования подобной оптики.
Рис. 1. Стеклянные отражатели и линзы от компании Auer Lighting
Из-за обычно слоистой структуры светодиодных кристаллов и встроенной в их корпус первичной оптики излучение света светодиодами весьма близко к распределению по закону Ламберта. Светодиод представляет собой приближенный полусферический Ламбертовский излучатель. Иногда это основное базовое излучение светодиода преобразуется под влиянием дополнительных оптических средств, интегрированных в светодиод, но в таком случае очень часто наблюдается уменьшение угла распространения его лучей. Задачей для разработчика твердотельных источников света становится последующее управление этим предварительно сформированным потоком светового излучения.
Задание необходимых оптических характеристик часто реализуется при помощи коллиматорных линз, использующих эффект полного внутреннего отражения. Второй вариант — хорошо известные и широко распространенные в обычных осветительных системах зеркальные отражатели-рефлекторы. Доля таких решений на рынке, похоже, возрастает по весьма уважительным причинам — повышению плотности потока мощности излучения и увеличению размеров современных светодиодов. Настоящая статья представляет обзор свойств различных видов оптики и дает описание преимуществ и недостатков каждого из них, в том числе и относительно используемых материалов. Особое внимание будет уделено материалам, из которых эти оптические устройства могут быть изготовлены.
Варианты оптики
Оптические компоненты могут быть классифицированы по физическим принципам, на основании которых они функционируют. Воздействие на распространение света достигается различными способами. Цель всех манипуляций со свойствами света, а предлагаемая статья и посвящена этому вопросу, — формирование необходимого направления потока светового излучения. В соответствии с положениями геометрической оптики, излучение источников света представлено отдельными лучами видимого света, линзы осуществляют преломление света, в то время как отражатели используются, чтобы изменить его направление распространения путем отражения от зеркальной поверхности.
В случае линз можно воспользоваться тем фактом, что поведение света при распространении через материалы зависит от их оптической плотности и является детерминированным, то есть имеет причинно обусловленную зависимость. Самый простой, но, тем не менее, достаточно общий случай этого варианта, когда одной из сред является воздух с показателем преломления h ≈ 1, а второй средой может быть, например, такой материал, как полиметилметакрилат (англ. PMMA — polymethyl methacrylate) или поликарбонат (англ. PC — polycarbonate). С успехом также может быть использовано и стекло, поскольку оно имеет чрезвычайно хорошие оптические характеристики. Показатели преломления обычно применяемых в оптике стекол находятся в диапазоне 1,3–2,2. Боросиликатное стекло, которое используется компанией Auer в системах освещения под торговым названием Suprax, имеет показатель преломления 1,482, а его число Аббе равно 64,5. Последний показатель говорит об очень хороших свойствах этого типа стекла в части передачи видимой области светового спектра. Рис. 2a, б наглядно показывают ход лучей в некоторых типовых линзах.
Рис. 2. Ход лучей:
а) в двояковыпуклой линзе;
б) ввогнуто-выпуклой линзе Френеля
Отражатели
Есть несколько способов реализации эффективной отражающей поверхности, начиная с металлов с высоким коэффициентом отражения. Другим вариантом является применение специальных отражающих покрытий, нанесенных на материал подложки. Для этих целей стекло в качестве подложки также будет достаточно хорошим вариантом. Так, стекло Suprax имеет весьма низкий коэффициент теплового расширения (4,3×10 –6 ) и легко поддается нанесению покрытий. Для систем освещения в компании Auer используется нанесение покрытий методом осаждения отражающего материала из паровой фазы его плазмы — технология PICVD (англ. PICVD — Plasma Impulse Chemical-Vapor Deposition). Этот процесс позволяет легко нанести необходимое покрытие, причем достаточно быстро и экономно. С помощью данного метода слои окислов кремния и титана SiO2 и TiO2 осаждаются из парогазовой фазы плазмы поочередно. Спектральные характеристики покрытия могут быть эффективно предопределены варьированием толщины нанесения покрытия, а при необходимости и числом таких слоев. Рис. 3а демонстрирует принцип и физику работы такого оптического отражателя.
Рис. 3.
а) Отражатель рассеивает лучи и направляет их в заданном направлении лишь частично;
б) коллиматор направляет лучи в строго определенном направлении
Кроме того, есть решения для некоторых оптических задач, использующих преимущества и линзы, и отражателя путем их объединения в одно целое. Будем называть это гибридной оптикой. Специальная форма такой гибридной оптики — коллиматор, который широко применяется для светодиодных приложений. Такое устройство представлено на рис. 3б. Оно выполнено в виде линзы, но обладает свойствами как линзы, так и отражающей оптической поверхности.
Обычно в большинстве случаев отражающая способность достигается не за счет специального покрытия, а с помощью такого феномена, как эффект полного внутреннего отражения TIR. Этот эффект является следствием базовых физических принципов оптики и проявляется, когда световые лучи сталкиваются с поверхностью раздела сред. Лучи, поступающие из оптически более плотного вещества под углом не выше некоторого определенного свойствами вещества критического угла (рис. 4), эффективно отражаются. Призмы, нанесенные на внешней поверхности, обеспечивают данный эффект, даже если геометрия самого коллиматора не позволит лучам иметь угол падения выше критического. В принципе, этот эффект не имеет потерь на отражение. Так коллиматоры могут рассматриваться как некоторая толстая линза с отражающими свойствами.
Рис. 4. Механизм полного внутреннего отражения TIR позволяет рассчитать траекторию лучей при их прохождении через оптическую среду
Концепция рефлектора с использованием свойств линз работает в обратном порядке. Здесь структуру типа линзы добавляют в центральной области размещения светодиода по отношению к собственно отражателю, что дает возможность получить контроль над прямым лучом света от его источника — светодиода (рис. 5).
Рис. 5. Принцип работы гибридной оптики, использующей одновременно и коллиматор, и рефлектор
Аргументы за и против
Если сравнивать преимущества и недостатки линз и отражателей, то при решении конкретных оптических задач линзы и отражатели показывают весьма существенные различия. Это делает их более или менее пригодными для различных применений. Давайте рассмотрим эти моменты.
До сих пор в оптике существовало разграничение между линзами и отражателями. Тем не менее в светодиодных приложениях классические толстые линзы используются нечасто, еще реже — тонкие линзы Френеля. Вместо этого, как уже отмечалось, широкое распространение получают коллиматоры, поэтому сосредоточим внимание именно на них.
В общем случае, из-за своего основного оптического принципа простые отражатели ограничиваются лишь непосредственным взаимодействием между светом и отражающей поверхностью. Если взвешивать все pro и contra, эффект может быть положительным. Поскольку свету не нужно проходить через материал подложки, он взаимодействует непосредственно с поверхностью отражателя, а коэффициенты отражения до 98% можно легко получить путем напыления соответствующих отражающих покрытий. Это справедливо и для описанного выше метода осаждения паров вещества из плазмы (PICVD), который на таких диэлектрических материалах, как стекло или пластик, дает покрытия с очень высокой отражающей способностью.
Прямое взаимодействие между светом и отражающим веществом позволяет также ограничить и уменьшить влияние неизбежных производственных допусков (геометрических отклонений и шероховатости поверхности), держать их под контролем или даже компенсировать. Другим важным критерием для эффективного производства и качества оптического элемента являются его размеры и, следовательно, количество материала, используемого для него. Для отражателя на основе стекла важен только материал, примененный для нанесения покрытия, а потому есть возможность минимизировать толщину отражателя. Прямое следствие данного факта — простая масштабируемость такого решения в соответствии с габаритами первичного источника света.
Поскольку многие новые светодиоды имеют относительно большую светоизлучающую поверхность, масштабируемость в последнее время становится важным преимуществом при использовании стекла. Действительно, тенденция к распространению светодиодов типа «чип-на-плате», именуемых в технической литературе аббревиатурой COB, делает решения с применением отражателей еще более привлекательными.
Ограничивающие факторы для использования отражателей
Несмотря на все преимущества отражателей, у них есть и недостатки. Только прямое, непосредственное взаимодействие между светом и поверхностью, будучи положительным аспектом, ограничивает возможности в изменении направления лучей, когда дело доходит до допусков. Это означает, что многие оптические функции должны быть реализованы лишь на одной поверхности. Здесь имеются в виду такие функциональные возможности, как заданное отклонение лучей, которое обычно реализуется путем нанесения фасетов (специальных граней), управляющих рассеянием, и (или) фильтрация спектра через покрытие. Все это приводит к значительному увеличению сложности изделия.
Недостатком открытой и облегченной конструкции отражателя является ее неспособность использовать световой поток, в частности тот поток, который излучается от светодиода в прямом направлении. С поверхностью рефлектора будет взаимодействовать лишь та часть светового потока которая излучается в боковые стороны от направления прямого светового потока и только этой частью можно манипулировать при помощи рефлектора. Данный факт негативно влияет на характер конечного излучения такого светильника, использующего в качестве первичного источника светодиоды, его характеристика светового излучения (плотность светового потока) будет иметь заметный уклон к центру луча. Подобные негативные моменты в части характеристики распределения света, как нередко можно видеть, приводят к нежелательным эффектам, связанным с распределением цвета, или к нежелательной размытой, ослабленной паразитной боковой подсветке. Последний эффект особенно заметен в системах с небольшим телесным углом светового пучка (например, в лампах), образованным плоским углом менее 20° по уровню половины максимальной силы света, что описано в спецификациях как FWHM (англ. FWHM — Full Width at Half Maximum). Одна из возможностей противодействовать такому явлению — повышение отношения глубины к диаметру отражателя для ограничения телесного угла прямого излучения и сокращения бокового рассеивания. Поскольку это не всегда удается выполнить из-за физических или производственных ограничений, определенный негативный эффект все равно сохраняется. Открытая апертура отражателя также может потребовать дополнительных мер по инкапсулированию (закрытию) в случае, когда необходима защита светильника от вредного влияния окружающей среды.
Преимущества коллиматоров
С другой стороны, коллиматоры, когда они разработаны соответствующим образом, имеют неотъемлемое преимущество в возможности защищать источник света от вредного воздействия окружающей среды. Концепция коллиматора опирается на способность его объемной оптической структуры захватить большую часть (если не все) излучения светодиода и, соответственно, получить полный контроль над ним. Формирование замкнутого пространства вокруг точечного источника света обеспечивает его экранирование от внешнего воздействия. При таком подходе уже две поверхности готовы взять на себя управление распределением и направлением света (речь идет о двух отражающих поверхностях, имеющихся на входе и выходе коллиматора). Это осуществляется посредством геометрии самого коллиматора, микролинз или линз Френеля.
Еще одну важную роль в этом процессе играет то, что оптически активной является и отражающая способность границ коллиматора. Чаще всего полное внутреннее отражение TIR используется для обеспечения высокоэффективного отклонения лучей. Для этого все поверхности должны быть изготовлены очень точно и тщательно, чтобы достичь максимальной эффективности без нежелательных внутренних потерь света или его рассеивания. Описанная здесь сложность изготовления и есть потенциальный недостаток коллиматоров.
Кроме того, свет должен войти в среду с более высокой оптической плотностью, а затем покинуть ее. Оба процесса характеризуются таким параметром, как потери Френеля, или потери на поглощение. Они могут быть уменьшены только с помощью дополнительных просветляющих покрытий, которые должны охватывать две различные поверхности, — а это потенциально дорогостоящая процедура. Разработчикам подобных систем также нужно принять во внимание следующее: световым лучам необходимо пройти и относительно большие расстояния в самом оптическом материале, что неизбежно приводит к их внутреннему поглощению. Таким образом, разумно достигаемая эффективность в части себестоимости может обернуться их недостатком.
Весь излучаемый светодиодом свет позволяет собрать включенный в систему светоизлучателя такой оптический элемент, как коллиматор, но требуется, чтобы его размеры по меньшей мере были настолько же большими, как и сам конечный источник света. Как уже говорилось, коллиматоры представляют собой разновидность толстой оптики. Однако вместе с увеличением размера современных светодиодов это приведет к еще большему росту габаритов оптических систем, которые будет очень сложно отрегулировать, снизить общие затраты, а также повысить производительность труда при их изготовлении.
Еще один важный момент, о котором стоит упомянуть, — яркие блики. Поскольку в основном используются малоразмерные линзы, то имеют место очень высокие уровни яркости, что приводит к дискомфорту или к неспособности что-либо видеть. В то же время можно легко создать достаточно большие отражатели, чтобы распределить световой поток и, следовательно, снизить общий уровень яркости до комфортной степени.
Настоящее и будущее твердотельных источников света
Опираясь на опыт в реальных проектах на базе твердотельных излучателей SSL с использованием отражателей и линз, мы можем поделиться некоторыми наблюдениями о современном состоянии решений в части конструкции оптики и ее будущего. Одна из главных целей проекта — развитие семейства отражателей, которые будут использоваться в Zhaga-совместимых светодиодных источниках света. Это семейство отражателей разработано для 10, 15, 25 и 40° углов светового пучка соответственно. Авторы проекта стремились использовать такие рефлекторы для светодиодов и их оформление, чтобы они могли заменить обычные лампы MR16.
Граничные условия, заданные в виде общей высоты и диаметра, были специфицированы для четырех систем оптики. Излишне говорить, что требуется и уменьшение негативных цветовых эффектов светодиода. В конце концов мы пришли к предложениям, которые выполнили все поставленные задачи и выявили интересные детали в части ограничения применения отражателей, как описано в разделах этой статьи, приведенных выше.
Рис. 6. Сила света по отношению к ширине телесного угла луча изменяется в зависимости от ширины луча, для которой предназначен отражатель
Рис. 6 иллюстрирует силу света различных отражателей в зависимости от телесного угла луча. Все эти оптические системы показали высокую степень смешивания цветов и превосходную эффективность. Отражатели на 40 и 25°, например, демонстрируют очень хорошие характеристики в распределении интенсивности света, с успехом превосходя стандартные лампы MR16. Даже притом что оптика на 10 и 15° также показывает выраженный пик и хороший спад интенсивности света, с меньшими углами излучения все же становится заметным небольшой ореол паразитной боковой засветки (рис. 7). Это эффект вызван светом, излучаемым от светодиода, той части его светового пучка, которая не попадает на поверхность рефлектора и выходит из лампы непосредственно без отражения.
Рис. 7. Гибридная оптика уменьшает рассеяние света в конструкциях с узким световым лучом
Мы также наблюдали аналогичный эффект ореола и в другом нашем проекте с телесным углом луча в 10°. Проводили исследования и работали над тем, чтобы преодолеть эту проблему. Когда дело доходит до больших, более мощных светодиодных модулей, таких как COB, состоящих из светодиодов с несколькими десятками отдельных чипов под общим слоем люминофора, оптика с полным внутренним отражением TIR становится менее пригодной из-за ее большого веса. Хотя отражатель в данной ситуации будет лучшим выбором, наличие прямого света от светодиодов всегда ограничивает его применение при малых углах луча из-за присутствия паразитной боковой подсветки.
Гибридная оптика
Одним из способов решения этой дилеммы является ранее упомянутый гибридный оптический элемент, которому в последнее время уделяется повышенное внимание. Именно он позволит сделать шаг вперед в ее решении. Отражатель, служащий в качестве основного оптического элемента, модифицирован добавлением к нему передающей толстой линзы, расположенной непосредственно при световом входном отверстии. Основная идея заключается в том, чтобы оказать влияние на прямое излучение света светодиодом, сохраняя без изменений общий световой поток на заданном пониженном уровне. Если конструкция разработана и выполнена правильно, то гибридные оптические элементы могут быть изготовлены как единое целое, что делает их максимально удобными для использования в качестве отражателя или TIR-линзы.
В отличие от выходной линзы, помещенной в верхней части отражателя (на выходе светового пучка), эта гибридная конструкция оказывает влияние на различные части светового пучка раздельно. Выходная линза передает весь световой поток независимо, исходит он от поверхности отражателя или от светодиода. Из-за разницы в углах падения на такую линзу очень трудно спроектировать ее геометрию с заданными свойствами. Линзе, расположенной в нижней части рефлектора, может быть придана такая форма, что свет, как правило, попав на отражатель, пройдет практически свободно. Оставшаяся часть светового потока (прямого от светодиода), не попадающая прямо на отражатель, первоначально будет отражена линзой, и эти лучи станут предварительно преломляться в нужном направлении, а уже потом могут быть или отражены, или еще раз соответствующим образом преломлены совместно с лучами основного светового потока.
Есть два пути создания подобной гибридной оптики. Линза может либо сфокусировать прямой свет от светодиода в достаточной степени так, чтобы он попал в телесный угол отраженного света, или направить всю энергию светового потока на отражатель. Оба принципа имеют свои преимущества и недостатки. Выполнить непосредственную фокусировку светового потока становится все труднее из-за увеличения размеров светодиодных источников, что связано с таким параметром, как используемый в англоязычной технической литературе étendue («ограничение»). Направление света на отражатель требует либо достаточно громоздкой оптики, если используется принцип TIR, либо дополнительной стадии нанесения покрытия. Кроме того, свет должен быть направлен на отражатель под правильным углом, чтобы он отражался таким же образом, как и часть светового потока, не проходящая через толстую линзу.
Хотя оба приведенных способа и создают некоторые проблемы в процессе проектирования, результат стоит приложенных усилий. С такой системой, как «отражатель-линза», хорошо коллимированное пятно может быть реализовано таким образом, что приведет к значительному сокращению паразитного рассеяния света, и мы получим результат, практически сравнимый с засветкой от классического прожектора, содержащего лампу накаливания. Пятно не только не будет иметь выраженного светящегося круга от действия прямых лучей светодиода, но и достигнет более высокой мощности, измеряемой в канделах (рис. 7).
В то время как линзы и отражатели и даже их гибридные разновидности имеют свои плюсы и минусы, все большее распространение в качестве первичных источников структуры типа COB также приводит к еще одной важной проблеме — материалы. Еще недавно было достаточно применять относительно дешевые прозрачные пластики для коллиматоров и металлы или пластмассы с покрытием для отражателей. Но последние достижения в области технологии изготовления светодиодов привели к более плотной упаковке их кристаллов и повышению плотности излучаемой ими энергии, которая будет все более выходить за рамки привычных спецификаций. Как результат, в основном это окажет влияние на температурные характеристики используемых материалов.
Например, в автомобильной промышленности распространены высокопроизводительные светодиоды, способные генерировать достаточно мощный световой поток, что требуется в системах автомобильных фар. Здесь применяются световоды длиной в несколько сантиметров. Но малейшие вариации характеристик поглощения внутри такого световода, выполненного из полиметилметакрилата (PMMA) или поликарбоната (PC), приведут к локальной аккумуляции мощности и, как следствие, к повышению температуры материала, которая легко может оказаться выше его точки плавления.
С другой стороны, стекло может с успехом работать при температурах до нескольких сотен градусов по Цельсию и, следовательно, будет легко выдерживать указанные явления. Все изложенное также верно и для систем, предназначенных для индустрии развлечений, где производители стараются использовать все более мощные светодиоды.
С началом широкого распространения светодиодов можно ожидать, что в ближайшее время будут востребованы только дешевые оптические системы, поскольку эти приборы в основном настолько малы и маломощны, что едва нагреваются. Однако они постепенно совершенствуются, и никто не сомневается в том, что их яркость и мощность в дальнейшем будут только повышаться. Кроме того, они увеличиваются по габаритам, одновременно производя все больше тепла. Эта тенденция может привести к тому, что твердотельные источники света, используемые в промышленности, снова вернутся к традиционным отражателям и стеклу как к наиболее приемлемому выбору в части их оснащения вспомогательной оптикой.