Фокусируя свет: оптика от Carclo

Проектирование любого светового прибора (СП) ставит перед разработчиком вопрос о его светотехнических характеристиках, важнейшей из которых является светораспределение. Оно обусловлено формой фотометрического тела и описывается кривыми силы света (КСС). Все СП делятся на две большие категории: осветительные приборы (ОП) и светосигнальные приборы (ССП). В свою очередь ОП по характеру светораспределения подразделяются на три группы с присущими каждой особенностями: светильники, прожекторы и проекторы. Их главное отличие состоит в телесном угле, в котором осуществляется распределение светового потока. Для светильников это большие углы вплоть до 4π ср, прожекторы перераспределяют световой поток внутри малых телесных углов, проекторы - на поверхность малого размера. Любой из этих приборов обладает той или иной КСС, зачастую отличной от собственной кривой светоизлучающего диода (СИД). Большинство из таких светодиодов без дополнительных оптических систем образуют угол половинной яркости, примерно равный 120 градусам.

Перераспределение светового потока в пространстве осуществляется светотехнической арматурой. Это может быть отражатель, конструктивно совмещенный с корпусом прибора, и/или специальные дополнительные оптические элементы. Для светодиодов такими дополнительными элементами является вторичная оптика. На сегодняшний день существует множество производителей вторичной оптики для СИД, выпускающих большой перечень изделий, с помощью которых можно сформировать ту или иную диаграмму направленности.

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. Однако это не полная информация о характере пространственного распределения светового потока оптическим элементом: она ничего не говорит о световом потоке, который распространяется за пределами этого угла. Можно лишь утверждать, что значения силы света за пределами угла половинной яркости будут составлять менее половины от максимального. На рисунке 1 представлен пример кривой силы света одной из линз компании Carclo с углом половинной яркости 19 градусов, однако, кроме центральной части, присутствует значительная периферийная, которая выразится в виде яркого ореола вокруг центрального пятна. Поэтому производители дополнительно приводят угол, при котором сила света падает до 10%, или форму кривой силы света. В частности, эту информацию приводит компания Carclo, примеры продукции которой приведены в данной статье. Кривая, изображенная на рисунке 1, является неприемлемой для приборов с концентрированным световым пучком. Также неприемлемо для низко расположенного светильника общего освещения распределение светового потока, при котором угол половинной яркости будет менее 50...60 градусов, а углы на уровне 50% и 10% от максимального значения силы света окажутся близкими.

Рис. 1. КСС линзы Carclo 10193 с СИД SCW1653US

Следующие вопросы, которые могут возникнуть, относятся к выбору размера оптического элемента и предпочтению линзы отражателю или наоборот. Наиболее широко в номенклатуре изделий всех производителей вторичной оптики, и компании Carclo в частности, представлены линзы. Отражательные элементы также присутствуют, но в гораздо меньшей степени. Популярность линз объясняется большим удобством и относительной простотой формирования требуемого светового пучка, т. к. управление излучением осуществляется тремя плоскостями: двумя преломляющими поверхностями на входе и выходе излучения и одной отражающей поверхностью линзы. Рефлекторы 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 СИД.

Диаметр линз в большинстве составляет 20 и 26,5 мм. Эти размеры уже стали стандартными, поскольку являются компромиссным решением между стоимостью элементов и их характеристиками. Оптика диаметром 20 мм удовлетворяет большинству задач при использовании современных осветительных светодиодов. Изменение диаметра линзы в сторону уменьшения сначала приведет к падению соотношения кд/лм, а затем и к некоторому уменьшению эффективности элемента до 80...85% и менее, так как светящаяся поверхность увеличится относительно линзы, и испускаемый световой поток не сможет быть полностью ей захвачен. Однако оптика небольшого диаметра вплоть до 10 мм (рисунок 2) часто применяется, когда требуется разместить большое количество светодиодов на ограниченной площади и сделать изделие компактным.

Оптические элементы диаметром 26,5 мм находят применение в случае увеличенной светящейся площадки, например, для четырехкристального светодиода Cree MC-E, или когда необходимо добиться очень узкого светового пучка размером в единицы градусов. Так, линза 10048 диаметром 26,5 мм, представленная на рисунке 3, совместно со светодиодом Cree XP-E сформирует световой пучок с углом половинной яркости 6 градусов. В свою очередь, линза 10193 диаметром 20 мм обеспечит угол 8 градусов.

Рис. 3. Линза Carclo 10048

Carclo выпускает широкий ассортимент линз, наибольшее количество которых формирует осесимметричный световой пучок. Компания осуществляет классификацию этих линз по углу половинной яркости, который они формируют:

• очень узкий (tight). Формируется световой пучок в единицы градусов- до 10;
• узкий (narrow). Угол половинной яркости лежит в диапазоне от 10 до 20 градусов;
• средний (medium). Угол лежит в пределах от 20 до 30 градусов;
• широкий (wide). Формируется угол светового пучка более 30 градусов.

Дополнительная классификация отражает характеристики поверхности линзы: чистая поверхность (plain), матированная (frosted) и концентрическая ребристая поверхность (рисунок 4).

Рис. 4. Линзы Carclo с чистой, матированной и ребристой поверхностью

В номенклатуре Carclo присутствуют примечательные изделия. Например, оптика, формирующая угол половинной яркости 180 градусов с равномерным распределением силы света во всех направлениях (10620). Также существует решение, формирующее диаграмму направленности излучения, которая позволяет равномерно осветить область под источником света. На рисунке 5 представлены кривая распределения силы света в пространстве линзой Carclo 10403 и распределение освещенности поверхности на расстоянии 2,5 м от нее. То есть производители предлагают широкий выбор оптических элементов для решения той или иной задачи.

Рис. 5. Распределение силы света линзой Carclo 10403 и освещённость поверхности под ней

Немаловажной характеристикой оптики является ее эффективность, то есть способность трансформировать световой пучок СИД с как можно меньшими потерями при его пространственном преобразовании. Одним из критериев, влияющих на эффективность оптики и, в частности, линзы, как было изложено выше, является соотношение между размером линзы и излучающей поверхностью светодиода. Но далеко не последнюю роль в борьбе за увеличение 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 СИД изготавливаются из полиметилметакрилата (ПММА). Он обладает невысокими показателями преломления и поглощения. Именно они в первую очередь обуславливают снижение светового потока при использовании линзовой оптики. Это проявляется в виде потерь излучения на отражение при переходе границ раздела двух сред и поглощения в толще материала линзы. Так, при нормальном падении излучения на материале линзы потери на френелевское отражение могут быть оценены по формуле

,

где n₂ - показатель преломления ПММА, равный 1,49; n₁ - показатель преломления воздуха. Подставив значения, получим потери на отражение на одной границе 3,9%, соответственно потери на двух границах раздела сред составят 7,6% без учета рассеяния и поглощения светового потока. Поглощение излучения в толще материала линзы выводится из закона Бугера:

,

где a - показатель поглощения PMMA, равный 0,03 см^-1, l - толщина материала линзы. Отсюда следует, что при прохождении слоя ПММА толщиной 1 см будет поглощено 3% светового потока. Вывод: в общем случае оптическая эффективность линз для СИД не превышает 89...90%.

Теоретически коэффициент отражения рефлекторов может быть выше коэффициента пропускания линз, но на практике он также составляет около 90%. Отражатель следует применять с источниками света с большой светящейся поверхностью, например, со светодиодами MP-L компании CREE. В этом случае линза должна обладать большими габаритными размерами и массой, поэтому более целесообразно применение отражателя. Немного ухудшенные оптические характеристики элемента компенсируются его невысокой стоимостью.

Определившись с выбором оптики, необходимо решить вопрос о ее установке. Специфика поставки вторичной оптики компании Carclo состоит в том, что оптические элементы изначально не комплектуются держателями, и разработчик может выбрать его, исходя из собственных нужд. Производитель предлагает на выбор несколько вариантов для установки линз с разными посадочными отверстиями - это круглые держатели под установку трех линз, одиночные круглые, шестигранные или универсальные на ножках. Держатели могут быть черного или белого цвета, а также прозрачные. В таблице 1 приведено сочетание популярных оптических элементов диаметром 20 и 26,5 мм с некоторыми наиболее распространенными держателями фирмы Carclo для различных современных осветительных светодиодов.

Фотометрические данные для расчета и моделирования представляются в виде файлов двух форматов *.ies и *.ldt. Эти файлы содержат в себе всю информацию о распределении силы света в пространстве (фотометрическом теле) и эффективности элемента. На сайте компании Carclo (http://www.carclo-optics.com/) можно получить измеренные для большинства популярных осветительных светодиодов фотометрические данные в формате *.ies практически на весь ассортимент вторичной оптики. Не потеряться в огромном количестве оптических элементов поможет удобно организованный поиск, результатом которого будет полная информация по искомой линзе, отражателю или держателю к ним.

В настоящее время на рынке представлен широкий ассортимент вторичной оптики от самых различных производителей. Порой разработчику осветительной системы довольно сложно сделать выбор в пользу той или иной компании. Очевидно, что в этом случае следует отдавать предпочтение производителям, имеющим хорошую репутацию, давно и успешно работающим в области систем освещения, и поставляющим заведомо качественную продукцию. К таким компаниям, несомненно, относится и компания Carclo, основанная еще в 1924 г. А непосредственно разработкой и производством оптических систем и элементов компания занимается с 1936 г. Сегодня это один из ведущих производителей вторичной оптики для светодиодов, выпускающий широкий ассортимент продукции высокого качества практически для всех возможных приложений. В рамках одной статьи невозможно представить всю продукцию компании Carclo. Заинтересованный читатель может найти всю необходимую информацию, обратившись к сайту производителя.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка - e-mail: [email protected]