Силиконовые линзы сегодня и завтра

Неотвратимость научно-технического прогресса, стимулируемая философией безграничного потребления, приводит к созданию все новых и новых технологий для удовлетворения растущих потребностей человечества. И хотя стремление к звездам давно уже сменилось жаждой бытового комфорта, гений человеческой мысли продолжает мятежно искать инновацинные технические решения.

К примеру, в области освещения за последние 200 лет люди сменили несколько технологий: от лучин и масляных ламп перешли к свечам, затем к керосиновым и газовым светильникам. Когда около сотни лет назад началась эра электрического освещения и путь эволюции шел от электродуговых ламп через лампы накаливания к газоразрядным источникам света, никто не мог и предположить, что человечеству удастся «приручить» для этой цели светодиоды. Но происходит очередная смена технологий: мир начинает осваивать LED-освещение.

Вслед за источниками света прогрессировала и вторичная оптика для них. Свечи прятали от ветра в жестяные фонари со стеклянными окошками; прилаживали к свечам зеркала для направления светового потока в нужном направлении; пламя фитиля керосиновой лампы закрывали от ветра стеклянной трубой; вокруг электрических ламп размещали различные по форме рефлекторы, которые формировали уже сложные кривые силы света (КСС).

Светодиодные светильники принципиально отличаются от предшественников тем, что имеют малые габариты, высокую яркость и излучают свет преимущественно в переднюю полусферу. Эта особенность светодиодов позволяет шире использовать линзы для управления распределением света. И можно смело говорить, что развитие LED-освещения вызвало к жизни целую индустрию производства линз для светильников. Эти линзы передают свет как энергию, а не как изображение, поэтому внешний вид оптики сильно отличается от того, что мы привыкли видеть в объективах биноклей и фотоаппаратов.

Главные параметры светодиодных линз для освещения:

• диаграмма распределения света (КСС);
• оптическая эффективность (КПД);
• качество распределения света (отсутствие ярких и темных пятен на освещаемой поверхности).

Линзы для светодиодов делают из недорогих пластиков, потому как офисный или домашний светильник — это предметы чаще бюджетной ценовой категории. Наиболее распространенный материал, из которого изготавливают линзы, — PMMA (он же акрил, он же плексиглас). Некоторые сорта/типы PMMA обладают хорошими светотехническими характеристиками, к примеру, тот акрил, который использует компания LEDiL для производства линз, имеет 30-летнюю гарантию производителя на сохранение оптических и механических свойств в уличной среде, при воздействии ультрафиолета. Попросту говоря, на улице он не трескается и не желтеет со временем. Но у PMMA есть недостатки — он относительно хрупок. Поэтому для создания вандалоустойчивых светильников больше подходит поликарбонат (PC). Но его плюс (ударопрочность) теряется на фоне минусов: худшее светопропускание и слабая устойчивость к ультрафиолету. Кроме пластиковых, на рынке есть линзы из боросиликатного стекла, которые тоже не лишены недостатков — они хрупкие, имеют большой вес и технологически сложны в обработке.

До недавнего времени всем казалось, что светотехники обречены вечно лавировать между рифами недостатков и искать конструктивные компромиссы, но примерно год назад химики-технологи вывели на массовый рынок новый материал — оптический силикон. Оптический силикон лишен недостатков своих предшественников и обладает всеми их достоинствами, а именно:

• выдерживает температуры от –45 (ниже пока еще не тестировали) до +200 °С;
• оптическая прозрачность такая же, как у PMMA, коэффициент преломления 1,41;
• материал очень эластичен, и линзы из оптического силикона не боятся ударов и одновременно могут служить и герметизирующей прокладкой, и колпаком-защитой для мощных светодиодных матриц (Chip on Board, CoB);
• стоек к воздействию ультрафиолета;
• химически инертен, и к нему не прилипает грязь;
• технология литья из силикона достаточно проста и позволяет быстро создавать оптику с любой КСС и поверхностью, не требующей дополнительной полировки;
• механическая прочность оптического силикона достаточна для применения его в светильниках без защитного стекла.

Сумма преимуществ нового материала заинтересовала компанию LEDiL, и специалисты из Финляндии начали активно создавать из оптического силикона новую оптику для светодиодов.

Новый оптический материал производится пока в небольших объемах, поэтому его цена относительно высока по сравнению с PMMA и PC. Экономический фактор пока определяет область использования силиконовой оптики. Ее целесообразно применять там, где традиционные оптические пластики не работают. В первую очередь это линзы для CoB. Эти полупроводниковые приборы излучают столь мощный свет, что плавят линзы из традиционных оптических пластиков.

Рис. 1. Линза Stella

Фирма LEDiL сначала разработала силиконовую линзу Stella-A c широкой КСС для освещения улиц (рис. 1, 2).

Рис. 2. Диаграмма линзы Stella

Вторым шагом было создание линзы для светильников SAGA Highbay с FWHM 60° (FWHM — полный угол по уровню половинной мощности) (рис. 3, 4).

Рис. 3. Линза SAGA

Рис. 4. Диаграмма линзы SAGA

Для самых мощных на сегодня СоВ типа CXA3590, CLL052, VERO29 (FWHM 60°) была разработана силиконовая линза STELLA-HB со световой диаграммой типа глубокий косинус (рис. 5, 6).

Рис. 5. Линза STELLA-HB

Рис. 6. Диаграмма линзы STELLA-HB

Следующим шагом финских разработчиков оптики стала разработка силиконовой оптики с более сложными КСС — линза JENNY (рис. 7, 8).

Рис. 7. Линза JENNY

Рис. 8. Диаграмма линзы JENNY

Другой областью применения оптического силикона стало создание линз для ультрафиолетовых светодиодов (рис. 9).

Рис. 9. Линза NIS033A

До этого УФ-линзы LEDiL изготавливала из пластика COP, очень хрупкого и дорогого материала. Хорошее светопропускание в УФ-области позволило заменить неудобный в производстве COP оптическим силиконом и сделать оптику лучше и дешевле (рис. 10, 11).

Рис. 10. Кривые светопроницаемости силикона в УФ

Рис. 11. Диаграммы для NIS033

В настоящий момент созданы следующие УФ-линзы:

• FCA14011_G2-NIS033U-S:
  •  со светодиодом NC4U134A (FWHM 20°);
  • со светодиодом NCSU033B (FWHM 10°).

• FCA14405_G2-NIS033U-M:
  • со светодиодом NC4U134A (FWHM 27°);
  • со светодиодом NCSU034B (FWHM 21°).