Многофункциональная оптика открывает новые границы для использования твердотельных источников света (SSL)
Новые приложения приводят к появлению и новой оптики для твердотельных источников света SSL (англ. SSL — solid-state lighting), которые расширяют возможности освещения небольших пространств и позволяют не только регулировать освещенность, но и управлять лучами, исходящими от такого источника, и цветом освещения в целом.
Например, при освещении торговых площадей с помощью светодиода с большой светоизлучающей поверхностью может быть использован крупный отражатель или несколько более мелких светодиодов, чтобы сосредоточить внимание посетителей на конкретных, особо привлекательных областях. Тем не менее современная светодиодная оптика является чем-то большим, чем просто освещение некоего пространства, — она предоставляет и предлагает интеллектуальное средства. Так, в уличном освещении можно сократить световое загрязнение с помощью акцентирования лишь заданных участков. Или организовать освещение, повышающее восприятие живописи в галереях или в студии, формируя прямоугольный поток света, направленный на картину, а не на окружающее пространство, что позволит исключить темные пятна и блики на поверхности художественного полотна.
Бертран Беркот (Bertrand Bercot), инженер по оптике компании Carclo Optics, считает, что последние достижения в области светодиодных технологий предоставляют весьма широкий выбор средств, позволяющих реализовать намеченные цели в области освещения. Он отмечает, что до недавнего времени светодиоды не были достаточно эффективными при преобразовании электрической энергии в световую и не могли конкурировать с более старыми технологиями, такими как галогенные источники света, люминесцентные и газоразрядные лампы. Однако ситуация в корне изменилась, как только светодиодные технологии вышли на новый уровень и дали совершено новые преимущества. Большинство компаний, работающих в области освещения, сегодня проектируют новые изделия на основе светодиодов последнего поколения. Выбор в качестве основного источника света данных приборов основан на их меньшем потреблении энергии и более длительном сроке службы, что означает снижение затрат на техническое обслуживание.
В течение последних шести лет, подчеркивает Беркот, наметилась тенденция в необходимости использования заданных заказчиком общих конструкторских решений в части дизайна для каждого конкретного приложения. «Ранее в своих разработках мы использовали исключительно оптические системы с полным внутренним отражением TIR (англ. TIR — total internal reflection optics), которые предоставляли производители светодиодов. Теперь мы проектируем много самостоятельных дизайнерских решений на основе индивидуальных требований клиентов».
Сложные линзы
Изменения в области разработки светодиодов привели к структурной сложности линз, что побудило перейти от систем с полным внутренним отражением TIR к системам свободной формы, выбираемым в зависимости от конечной конструкции изделия, сказал Беркот. Такой подход к гибкому произвольному дизайну в оптических изделиях является относительно новой тенденцией. Как пояснил Беркот, «подобные тенденции позволяют иметь одну линзу для выполнения той же самой комплексной функции, которая раньше предполагала наличие нескольких линз, например, это часто наблюдается в уличных фонарях».
Эволюционирование компании Carclo Optics в области твердотельных источников света SSL, выполненных на основе светодиодов, привело к применению и развитию такого направления, как алмазная обработка, или высокоскоростное точение, позволяющего изготавливать оптику, нуждающуюся в точной полировке и подгонке. Хотя компания разрабатывает и производит оба типа оптики, как TIR, так и оптику произвольной формы, в последних конструкциях были использованы и оптика, и отражатели именно произвольной геометрии. Беркот в своем выступлении говорит, что видит общую тенденцию развития оптики сложных или произвольных форм, которые создаются в соответствии со спецификациями заказчика или требованиями конкретных приложений. «Глядя на разработанное мною в течение последних двух лет, я могу с уверенностью сказать, что это были изделия исключительно свободной формы», — сказал он. Линзы свободной геометрии хорошо управляют светом и при этом дают сложный рисунок лучей. Кроме того, по мнению Беркота, «каждое приложение имеет свою нишу на рынке».
В результате применения оптики произвольной геометрии возникает потребность в ее незначительной полировке после изготовления. Это необходимо для формирования гладкой, чистой и прозрачной поверхности. Последние проекты предусматривали создание оптики произвольной формы для ламп уличных фонарей, а также оптики, предназначенной для европейского и североамериканского рынков. В частности, были выполнены источники света для фонарных столбов, которые должны давать равномерное освещение; большие рефлекторы свободной формы с нанесенными узкими гранями (фасетами) для источников света на основе крупных светодиодов; лампы с оптикой произвольной геометрии для освещения дорожных знаков и системы офисного освещения (рис. 1).
В 2012 году компания провела ребрендинг своего подразделения, отвечающего за светодиодное направление. Это требовалось для того, чтобы отразить его специализацию именно в разработке пользовательских оптических модулей и систем, как заказных, так и на основе обычной оптики, в отражателях и стандартных держателях.
Это можно сделать самим
Оборудование для обработки и полировки представляет собой одно из основных капитальных вложений для компаний, действующих на рынке оптических изделий. Разнообразие материалов, используемых при производстве оптики, может вызвать затруднения при выборе подходящего инструмента и оборудования. Известно, что поликарбонаты и поликарбонатные смеси предполагают различные методы обработки. «Существуют проблемы в производстве и оснастке процессов для обработки различных материалов»,— сказал Стеффан Хубер (Steffan Huber), руководитель подразделения глобального промышленного маркетинга Business Unit Polycarbonates, решающего вопросы использования поликарбонатов в компании Bayer MaterialScience. «Различия в реологических свойствах различных полимеров, инструментальном оснащении, а также в параметрах обработки должны обязательно учитываться», — рекомендует он. Повышение эффективности производства может быть также достигнуто и оптимизировано путем использования литья полимеров. «Кроме того, — указал Хубер, — в зависимости от материала, выбранного для некоторых видов оптики, конструктивная сторона проблемы также будет иметь отличия. В экстремальных случаях, когда полимеры требуют соединения с металлами, должны учитываться и особенности в их производстве, оснастке, конструкции и дизайне таких изделий».
Столь быстрые темпы развития оптики вызвали некоторое профессиональное разочарование — они убивают творческое вдохновение разработчиков. Ричард ван де Врие (Richard van de Vrie) решил взять за основу цифровой подход к проектированию оптики. «Каждый новый светодиодный чип все более увеличивает отношение лм/Вт, — отметил он. — Эта постоянная гонка нужна для того, чтобы не отстать от конкурентов. Одна лишь компания Lumileds ежегодно представляет около 75 новых чипов, тем не менее не все они обеспечивают заданную гибкость для конкретного применения». Вместо того чтобы приобретать новую вспомогательную фурнитуру для очередного светодиода, Ричард ван де Врие искал способ, позволяющий идти в ногу со временем и без проблем изготавливать в больших объемах нужные пользователям варианты систем освещения.
Первоначально он рассмотрел вариант использования 3D-печати, но отклонил его из-за непрактичности. Послойная печать оптического материала может привести к потере оптических характеристик, влияющих на качественные показатели источника света в целом, поясняет ван де Врие. Однако он стремился преодолеть эти препятствия. Проблему решила основанная им компания LUXeXcel, которая обратила внимание на широкоформатные струйные принтеры и адаптировала их для печати оптических материалов. «С добавлением аппаратных средств и программного обеспечения, а также с помощью соответствующих дополнительных инструментов промышленные принтеры могут производить необходимые оптические компоненты от единичных изделий до серий, насчитывающих свыше тысячи единиц конечной продукции», — сказал он в интервью журналу LEDs Magazine.
САПР, или, как сейчас принято говорить, CAD (англ. CAD — computer-aided design, система автоматического проектирования), создает для каждой оптической конструкции свой уникальный проект, таким образом, ассортимент оборудования и инструмента, который мог бы понадобиться для его реализации, сокращается. Имеется в виду уменьшение инвестирования в машины для литья, станки для алмазной обработки, полировки или в оборудование для размола ингредиентов. Здесь не требуются никакие наборы инструментов и необходимость их постоянной модификации или пополнения.
Применение цифровых технологий, как поясняет ван де Врие, не накладывает ограничений на минимальную партию конечной продукции. Заказ может быть или единичным, или состоять из партии количеством 10 тыс. штук, а какие-либо изменения в прототипе легко выполнимы простым изменением CAD-файлов. Для конструкторов существует и библиотека, открывающая сетевой доступ к необходимым для проекта ранее созданным CAD-файлам.
Неограниченные возможности
С помощью широкоформатных принтеров компания производит многофункциональную оптику, не имеющую ограничений по форме, а также полноцветные линзы (рис. 2). «У нас есть возможность, используя очень текучие материалы, создавать оптику высокой точности, с гладкими поверхностями», — сказал ван де Врие. Комплексная, произвольной формы конструкция, выполненная в соответствии с определенными требованиями, с комбинациями различных текстур и оптики, позволяет не ограничиваться эллиптическим (овальным) или концентрическим формированием пучка лучей от излучателя.
Оптика для формирования светового потока, подвижные оптические системы создаются струей прозрачного, затвердевающего под воздействием ультрафиолетовых лучей полимера, который распыляется капельками с разрешением 1440 точек на дюйм и более. (Компания в основном использует ПММА, полиметилметакрилат, но иногда применяется и поликарбонат.) Капли отвердевают под воздействием УФ-лампы, размещенной на пьезоэлектрической печатающей головке. Гладкая поверхность формируется благодаря внесенной задержке между выходом струи и включением ультрафиолета. Таким образом компании удается достичь поставленной цели — изготовить поверхность оптического качества без какой-либо последующей обработки, ведь ни полировка, ни шлифовка уже не понадобятся.
Капли могут выглядеть как привычные геометрические линзы или как линзы свободной формы, прозрачные призмы или линзы, воспроизводящие полноцветную графику и текстуру для светодиодного освещения или графических дисплеев. «Мы можем напечатать микроструктуры, линзы Френеля, сделать особый акцент на точечное освещение, выполнить светорассеивание, наконец, добавить цвет, напечатать призматические структуры и оптику произвольной формы. Для нас нет совершенно никакой разницы», — подвел итог ван де Врие.
Проекты персонализируются с помощью цвета и текстуры не только для решения задач в области архитектурной эстетики, но и для создания сложных световых эффектов, отметил ван де Врие. Например, можно установить нужный оптический баланс света в музее, чтобы сфокусировать внимание на объекте, или снизить световое загрязнение при решении вопросов уличного освещения (рис. 3).
Это позволяет направить световой поток в ту зону, где он необходим, в частности, чтобы дать нужный цвет для систем отображения в супермаркете или сделать подсветку с помощью фильтров, которые создают истинный красный и зеленый цвет, и выгодно оттенить яблоки на витрине. Добавление красителей в процессе печати не приводит к эффекту рассеивания света, объяснил ван де Врие, так здесь нет образования слоев в производимых формах. Сейчас цветная графическая печать тесно связана с цветовыми оттенками, получаемыми в технологии цветной оптической печати, которая выполняется с очень высоким разрешением. Заданная гамма оттенков может быть скорректирована в соответствии с требованиями оформления или спецификаций конкретных приложений.
Использование цвета
Проблема цвета также является важным направлением в деятельности компании Khatod, хотя она подошла к решению данного вопроса несколько иначе. Донателла Пизалис (Donatella Pizalis), инженер по разработке оптики компании Khatod, объяснила, как при помощи высокоэффективной цветной оптики добавить в интерьер немного итальянского шарма. Компания имеет в своем распоряжении машины, которые изготавливают рефлекторы, позволяющие адаптировать их в соответствии с требованиями заказчика. Специальное покрытие рефлекторов обеспечивает высокую яркость и интенсивность потока световой энергии, но работает как линзы, собирающие свет, чтобы отразить его в виде идеального пучка. Совсем недавно Khatod начала использовать технологию оптического смешивания цветов Color Mixing Optics. Это специальные смешивающие линзы диаметром в 35 и 45 мм, функционирующие в цветовой системе RGBW, с полным набором углов луча 8–40°. Цветосмешение RGBW потока света от светодиодного источника позволяет использовать их в архитектуре и магазинах розничной торговли, для театрального или контурного освещения. По утверждению Khatod, такая оптика формирует однородный световой поток и устраняет тени и блики. Оптические линзы из полиметилметакрилата работают в диапазоне –40…+90 °С и могут храниться при тех же температурах.
На верхней поверхности линзы для обеспечения масштабировании, или, как сейчас принято говорить, зума и автофокусировки, может быть установлен дополнительный аксессуар в виде Moving Lenslet Array (MLA) — подвижной матрицы из малоразмерных линз. При перемещении MLA (с таким же диаметром, что и сама линза) угол пучка лучей варьируется в пределах 11–45°, но сохраняет идеальное цветосмешение и высокую оптическую эффективность (свыше 90%) за счет использования полного диапазона углов луча, заявляет компания Khatod.
Более 30 лет компания Khatod занимается изготовлением оптики. По словам Марины Росси (Marina Rossi), менеджера по маркетингу Khatod, компания начинала с освоения процесса литья линз под давлением из полиметилметакрилата или поливинилхлорида, также был создан технологический процесс холодного впрыска для производства линз из силиконового эластомера. Оба этих материала очень важны для компании. «Силикон работает при температурах выше, чем это позволяет полиметилметакрилат, и не требует дополнительной защитной изоляции на открытом воздухе или там, где нужно выдерживать воздействие высокой влажности, — подчеркивает Донателла Пизалис. — С другой стороны, полиметилметакрилат более прозрачный, можно сказать, даже полностью прозрачный, и обладает высокой стойкостью к ультрафиолетовому излучению». Для интенсивного освещения внутри помещений, а также по эстетическим соображениям полиметилметакрилат предпочтителен, поскольку добавляет чистоту света и даже некоторую гламурность. Донателла Пизалис подвела итоги дискуссии по использованию этого материала следующим образом: «Если вы включаете витрину ювелирного магазина, то ее свет должен сиять так же, как и ваши драгоценные камни».