Направлять или отражать: вот в чем вопрос. Выбор оптимальной оптической конфигурации


PDF версия

При разработке оптических систем для осветительных приложений выбор прямой или непрямой конфигурации определяется рядом конкурирующих факторов и приоритетами решения. В статье рассматриваются преимущества и недостатки той и другой компоновки систем, а также даются практические рекомендации по оптимальному выбору, в зависимости от конкретного приложения.

Светоизлучающие диоды (СИД) — твердотельные источники света будущего — во многих аспектах отличаются от любых других традиционных источников света. Мы остановимся на одном из этих аспектов. СИД являются плоскостными источниками излучения. Располагаясь на подложке, кристалл излучает в полупространство. Следовательно, все светодиодные приложения можно разделить в целом на две группы с прямой и непрямой конфигурацией (см. рис. 1).

Рис. 1. В зависимости от того, как расположен отражатель по отношению к СИД, приложения делятся на соответствующие группы. Короткими стрелками указаны оптические оси источника света (пунктирные линии) и светильника (сплошные линии)

Прямая конфигурация. В прямой оптической конфигурации оптическая ось источника света параллельна главной оптической оси отражателя. При этом не требуется, чтобы они совпадали. Кроме того, в некоторых случаях необходимо обеспечить прямую видимость источника света (в пределах требуемого углового диапазона излучения). В качестве наглядного примера использования прямой конфигурации можно привести проектор, в котором для создания изображения используются асферические линзы. Оптические системы этой группы в значительной мере ограничивают зону видимости излучателя.

Непрямая конфигурация. В противоположность системам прямой конфигурации, в этих проектах источник света нельзя непосредственно увидеть — излучение полностью управляется отражателями произвольной формы. В исходном представлении непрямой конфигурации вектор оптической оси источника света противоположен вектору оптической оси отражателя.

Возможны также и промежуточные (полупрямые) конфигурации оптической системы.

Такая классификация относится в основном к приложениям с отражателем. В решениях, где применяются коллиматоры с оптическими элементами полного внутреннего отражения (TIR — total internal reflection), проекторы и преломляющие системы, как правило, используется прямая конфигурация, и лишь в некоторых случаях — непрямая. Обычно разработчики не выбирают между этими конфигурациями, сообразуясь, в первую очередь, с определенными параметрами проекта, поскольку существуют ограничения на произвольное использование той или иной ориентации излучателя.

Выбор

Выбор конфигурации во многих случаях не делается моментально — сначала следует решить вопрос о назначении проектируемого решения: будет ли это прожектор заливающего света, система уличного или общего освещения. Небольшой анализ разрабатываемого приложения позволяет понять, какую конфигурацию целесообразнее использовать. Для этого необходимо ответить на следующие вопросы.

– Имеются ли определенные ограничения на тип применяемых светодиодов?

– Каковы размеры и геометрия решения?

– Каковы средства управления светом?

– Что важнее для излучаемого светового потока: эффективность или соответствие кривой силы света?

– Требуется ли создать прямой световой поток? Следует ли его ограничить для видимости человеческим глазом? Каким образом это сделать?

Характеристики СИД

Несмотря на большое разнообразие мощных СИД, необходимо учесть два аспекта при выборе прямой или непрямой компоновки системы.

Во-первых, следует учесть тип первичной оптики. Важно понять, как этот выбор повлияет на параметры излучения светодиодов. При диффузном свете 50% потока испускается в передний конус с половинным углом 30° (числовая апертура 0,5). В результате отражатель (в прямой комбинации), не охватывающий другой угол в 30°, эффективно управляет только половиной светового потока (см. рис. 2). При использовании СИД торцевого излучения достигается иной результат.

Рис. 2. При диффузном свете 50% потока испускается в передний конус с половинным углом 30°

При проектировании необходимо в точности учесть распределение света: даже небольшие отклонения между различными способами задания параметров т.н. диффузных излучателей сказываются на освещении.

Во-вторых, размер СИД. Преимущество использования небольших кристаллов заключается в возможности обеспечить более точное управление светом и качеством формирования изображений (если они небольшого размера). В данном случае чем выше яркость излучения СИД, тем в большей мере его можно считать точечным источником. Однако не следует забывать о том, что в некоторых приложениях по архитектурному и особенно уличному освещению самый главный недостаток очень ярких СИД в том, что их свет ослепляет.

Наоборот, мощные светодиоды с невысокой яркостью не пригодны для приложений, в которых требуется точечный источник света. К этому типу диодов относятся преимущественно многокристальные СИД, в которых применяются встраиваемые технологии, стандартные люминофоры с улучшенными параметрами или схожие технологические методы. Благодаря низкой яркости, эти диоды предпочтительно применять в системах прямой конфигурации, в случаях если нельзя скрыть излучатель. Эти светодиоды особенно хорошо подходят для городского и внутреннего освещения. Моделирование твердотельных излучателей в таком, например, программном обеспечении как LucidShape, позволяет быстро оценить, а также провести достаточно полный анализ различных источников света для оптимального выбора компонентов для проекта.

Размеры

Конкретные размеры осветительной системы могут ограничить те возможности, которыми пользуется разработчик. Нередко внешние размеры решения инженеры узнают незадолго до того, как приступают к проектированию источника света. Осветительные установки с непрямой конфигурацией почти во всех случаях требуют большей глубины, а также внеосевого монтажа источников света или их установки в пределах оптического пути (при обратной ориентации). Системы с прямой конфигурацией намного лучше пригодны при ограниченных размерах установки.

Управление световым потоком

Как правило, в СИД применяется первичная оптика диффузного типа. Она позволяет собрать излучаемый диодом свет и сформировать из него луч, а вторичная оптика гомогенизирует излучение. Системы с прямой конфигурацией, генерирующие небольшие пучки света, обычно велики, что сводит на нет их первое преимущество: большая апертура позволяет проходить большему количеству света, что уменьшает долю отраженного от рефлектора потока. Большие системы с непрямой конфигурацией наилучшим образом обеспечивают управление световым потоком. При разработке осветительного приложения важно знать фактическое угловое распределение излучения СИД, особенно если требуется установить хорошее управление световым потоком. Эти аспекты значительно усложняют решение задачи.

Прямой поток источника света

Вопрос о том, следует ли использовать прямой поток света от СИД, рассматривается в зависимости от реализуемой картины распределения света — насколько полезными могут оказаться параметры излучения диода для конкретного приложения. Если они востребованы, прямое излучение источника света усиливает светоотдачу системы за счет снижения потерь на отражение. Решение на основе только первичной оптики также может оказаться более экономичным. В методе, направленном на улучшение управления системы с прямым световым потоком, применяются небольшие линзы, непосредственно установленные на диоды и играющие вспомогательную роль для элементов первичной оптики. Эти линзы произвольной формы позволяют изменить распределение света таким образом, что в определенных случаях не требуются другие оптические элементы. Однако этот вопрос выходит за рамки обсуждения типов конфигураций системы с отражателем.

Пример управления светом с помощью параболического отражателя

Давайте сравним две установки с прямой ориентацией отражателя, изображенные на рисунке 3. Мы проведем виртуальный эксперимент с использованием программного обеспечения LucidShape, предназначенного для разработки оптических систем.

Рис. 3. Два параболических светодиодных отражателя с разными диаметрами основания (d1 = 20 мм и d2 = 6 мм), предназначенные для создания идеально круглого пятна света.
Изображение получено с помощью САПР LucidShape, модель светодиода — Luxeon K2

Оба отражателя (R = 85%) глубиной 20 мм предназначены для создания идеально круглого пятна света. Они различаются диаметром основания: у первого из них он равен 20, у второго — 6 мм. Передние апертуры отражателей — 46 и 25 мм, соответственно. Оба приспособления используются в качестве отражателей света белого СИД Luxeon K2 TFFC, излучающего световой поток величиной около 85 лм. Одним из удобств моделирования оптической системы является возможность воспользоваться многими методами и средствами проведения анализа. Так, например, при анализе распределения силы света в каждой из конфигураций (см. рис. 4) становится очевидной роль управления световым потоком (прожектором). Верхние изображения показывают распределение света от рефлектора, а нижние — распределение прямого светового потока от источника однородного излучения с угловым размером, определяемым апертурой.

Рис. 4. Диаграмма распределения силы света, полученная при моделировании функций большого (слева) и малого (справа) отражателей в LucidShape UVData. Диаграммы распределения потока от отражателя (вверху) в диапазоне ±15° и от источника света (внизу) в диапазоне ±45°

Величина прямого (неуправляемого) светового потока от диода с большим отражателем составляет около 50 лм, тогда как на долю отражателя приходится лишь 35 лм. Таким образом, он не управляет даже половиной светового потока от диода К2. Соотношение между управляемой и излучаемой частями потока характеризует меру управления светом. Напротив, сила света прямого излучения небольшого прожектора составляет лишь 25 лм за счет небольшой апертуры: он управляет большей долей светового потока диода. Пучки света диодов, формируемые этими двумя отражателями, значительно различаются по угловым размерам и, соответственно, фокусирующие способности у этих установок разные. Сила света большого отражателя достигает примерно 10000 кд при управлении 41% излучения диода. Сила света малого отражателя составляет 4000 кд при управлении 70% потока. Эти базовые соотношения верны и в случае более сложных компонентов, например PS-отражателей, управляющих излучением отдельных сегментов установки.

Видимость источника света

В качестве наглядного примера, дающего представление об этой характеристике, можно привести искусственное звездное небо на потолке в детской. Главная задача данного решения — создать визуальное впечатление на основе нескольких десятков или сотен маломощных светодиодов, которые должны быть различимы, как, например, в системе оповещения. Такое декоративное освещение должно быть приглушенным, а не ярким.

Напротив, при подсветке рекламы излучение направляется в сторону рекламного щита или стены. Главная цель в данном случае — создать однородное или комфортное освещение демонстрируемой поверхности.

Критерий видимости источника света непосредственно связан с его яркостью. Если проект требует исключить яркий свет, прямая конфигурация системы предпочтительна только в том случае, если это предусмотрено геометрией освещаемого пространства, например окружающей обстановкой и возможным положением наблюдателя. Важность этого аспекта зависит от яркости источника света.

Однако использование вторичной оптики не означает автоматического снижения яркости. Например, многократные отражения, неправильно созданные фацеты (грани) на отражателе или несоосно расположенный источник света могут привести к возникновению ярких пятен при определенных углах зрения. Картину распределения яркости отражателя можно воссоздать с помощью виртуальной трассировки лучей. Имея представление об этой картине при разных углах зрения, можно получить не только информацию об источнике света, но и об источниках рассеянного излучения.

На рисунке 5 представлена диаграмма яркости PS-отражателя. В частности, широкий ряд приложений, в которых применяется много источников света, а также системы внешнего освещения автомобилей требуют, чтобы излучаемый свет был однородным и не раздражал глаза.

Рис. 5. Три профиля геометрической модели PS-отражателя (слева) в установке с прямой конфигурацией и угловым диапазоном ±10°. Моделирование в LucidShape под тем же углом зрения показывает (справа), как видит светящийся рефлектор наблюдатель вне оптической оси

Уличное светодиодное освещение

Одной из животрепещущих тем светотехники наших дней является уличное светодиодное освещение. На примере этого приложения ясно видны преимущества и недостатки того или иного типа конфигурации: в настоящее время почти все системы уличного светодиодного освещения относятся к первой группе, что до некоторой степени продиктовано наличием на рынке готовых компонентов (в основном, это TIR-оптика и специальные отражатели). Несмотря на то, что выбор компонентов, не учитывающий особенностей оптической системы, существенно ограничивает возможности ее разработки, это довольно-таки распространенный случай.

Основой оптического решения для многих уличных фонарей на светодиодах составляют линзы или рефлекторы. К сожалению, такие инновационные оптические элементы по формированию направленного пучка света как TIR-коллиматоры, слепят, и потому нуждаются в доработке. Широкоугольные линзы (размером, например, 120°×60°), позволяющие установить в горизонтальной плоскости идентичные источники света с идентичной оптикой, похоже, станут решением этой проблемы. Излучательная способность такой установки ниже, чем у СИД с оптикой для формирования направленного пучка. Таким образом, системы с широкоугольными линзами позволяют устранить один главный недостаток прямой компоновки, и в то же время обеспечивают требуемое управление световым потоком (например, в приложении по однородному освещению дороги). Возможно, в будущем для освещения продольных коротких и средних дистанций станут использоваться сложные линзы произвольной формы.

Системы с непрямой конфигурацией обеспечивают лучшее управление световым потоком, и потому их рекомендуется выбирать для освещения улиц большой протяженности. Полупрямое гибридное решение, в котором прямые лучи освещают прилегающую к уличному фонарю площадь, а отражатель направляет свет под более широкими углами, сочетает в себе преимущества той и другой конфигураций.

Литература

1. Andreas Bielawny. Direct or Indirect: That is the question for optical configurations//LEDs Magazine. September/October 2009.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *