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Jul 07, 2023

Electronics Weekly の LED 光学系に関する大きなガイド

Specificare i componenti ottici LED è facile, non è vero?Basta acquistarne uno con una trave adatta

LED 光学部品の指定は簡単ですよね。

適切なビーム角度のものを購入するだけで大​​丈夫です。 右？

まあ、そうかもしれませんが、おそらくそうではありません。

なぜなら、購入したものが希望どおりに機能することを確信できるようになる前に、さらに考慮すべきことがいくつかあるからです。

「顧客が最初に言うのは、『10°のビーム角が必要ですが、どの光学素子が必要ですか?』ということです。そして私たちが尋ねる最初の質問は、『どの LED ですか?』です。」 LED光学会社カルクロの設計責任者マイク・ビーン氏はこう語る。

なぜ彼は尋ねる必要があるのでしょうか？ LED の選択は、特定の光学部品によって生成されるビームの品質だけでなく、ビーム角度にも大きな影響を与えるためです。

光学システムにはエタンデュ (フランス語で空間、広がり、伸び) と呼ばれる物理的特性があり、特定の光源サイズと特定の最大直径を備えた効率的な光学システムから可能な最小ビーム角度を制限します。

ほぼすべての光を捨てない限り、直径 10mm のレンズ、コリメータ、またはリフレクターを備えた 1mm 角の LED からペンシルビームが得られることはありません。

幸いなことに、計算する必要はありません。

代わりに、Carclo、Ledil、Fraen、Polymer Optics などの光学メーカーが、光学素子と LED の組み合わせに適したビーム角度を公開しており、Web ベースのパラメトリック検索機能を提供しているメーカーもあります。

実際のところ、たとえ計算をしたくても、LED メーカーはダイのサイズを明らかにすることに消極的であるため、それは難しいでしょう。

参考までに、Lumileds の Rebel には 1x1mm のダイがあり、Rebel ES にはおそらく 1.4×1.4mm のより大きなダイがあり、両方とも同じサイズのパッケージに収められています。

Cree の XP シリーズでは、XP-C、-E、および -G はおそらくそれぞれ 0.7 × 0.7、1 × 1、および 1.4 × 1.4 mm で、やはり同一のパッケージに入っています。

一次近似では、ダイ幅を 2 ​​倍にすると、特定の光学部品のビーム角度が 2 倍になります。

たとえば、Carlo の直径 30 mm の 10755 光学レンズは、0.7 mm XP-C では 3.7 °、1.4 mm XP-E では 7.1 ° を与えます。

また、この数値は、他のメーカーの高品質の 30mm 光学系でも同様になります。

この場合、角度は「全幅半値」(FWHM) で表されます。これは、ピーク強度の 50% であるビーム内の点間の夾角です。

3.7° FWHM ビームを +/-1.85° と表現することも、1.85° と表現することも正当です。 いずれの場合も、議論においては規約を明確にする必要があります。 この記事の角度はすべて FWHM 値です。

場合によっては「視野角」と呼ばれることもありますが、これは 10% ポイントの間の角度です。

20mm は光学部品の一般的な直径であり、大まかに言うと、1mm ダイを備えた LED と評判の良いメーカーの優れた 20mm 光学部品を組み合わせると、最小ビーム角度は約 11° になります。

10mm 光学系は 22° より大きいものを提供する予定です。

ビームを広げる

上記の数値はすべて、85% 以上の高効率で可能な最小ビーム角度です。

光が効率的に集められると、コリメータの前面に特徴を成形することによって、光を滑らかなビームに広げることができます。

したがって、前面が平坦なコリメータは狭ビーム バージョンであり、前面にバンプ (マイクロ レンズと呼ばれる) またはリッジがある同様のコリメータは広ビーム タイプであり、バンプが高いほど広角と大まかに同等になります。

コリメータの前面に成形された「マイクロレンズ」は、ビームをより広く広げます。 ここでは、Ledil も Eva 光学系でドーナツのような湾曲を持って広がります。

トーチ、飛行機、それとも絵?

プレーンコリメータは、中央が明るく、端に向かって徐々に暗くなるビームを生成します。

ビームの周囲を真っ黒にしたくないため、この種のビームはハンドトーチに最適です。 代わりに、光がこぼれて、指しているオブジェクトの近くのものが見えるようにする必要があります。

しかし、ギャラリーの絵画を照らす場合はどうでしょうか?

理想的には、キャンバス全体にわたって変化がほとんどなく、均等に絵画を照らす光線が必要で、周囲の壁が照らされないように端で鋭く遮断される光線が必要です。

この種のビームは、照度を距離に対してプロットしたときのグラフの形状から、「トップハット」ビームと呼ばれます (グラフを参照)。

同じ理由で、単純なコリメータによって生成される標準ビームは「ベル」と呼ばれることもあります。

「画像を照らす場合、お客様にとって最適な照明オプションはベルではなくトップハット機能です。なぜなら、お客様は画像全体にわたって一定の照明を必要としており、外側には何も照明しないことを望んでいるからです。

「円形のシルクハットを得るには、『リップル』光学系を使用して、できるだけシルクハットに近づけます。」

この場合のリップルとは、コリメータの前面に成形された、断面が波紋のように見えるリングを指し、より多くの光をビームの外側に押し出して均一な照明を実現します。

それらは、公称カットオフ角度を超える光をほとんど透過しないような形状になっています。

また、ビームは写真のように正方形にすることはできますか?

「非回転対称光学部品を使用すればそれが可能です」とビーン氏は語った。

長方形ビームコリメータは、ほとんどの光学メーカーがコリメータ前面に直線の尾根を追加して製造しています。

その梁は正方形というよりレターボックス型で、端が丸い傾向があり、楕円梁と呼ばれることもあります。

画像の照明タスクが非常に重要な場合は、カスタムの光学部品またはプロジェクターを設計することができます。モナリザは、Fraen 光学部品と組み合わせた Lumileds LED によって照明されます。または、正方形のマスクを光学部品の前面から少し離れた空間に吊るすこともできます。

中央では、Carclo はプレーンな前面を使用して 26 mm 光学系から最も狭いビームを取得し、左側のつや消し加工でわずかに広い広がりを持つ滑らかなビームを実現し、右側の縞模様のマイクロプリズムで広い楕円ビームを実現します。 前面には 20mm のカルクロ楕円形があり、後部には 30mm の Ledil 幅ビームが 2 つあります。

ワイドビーム

エテンデュはビームの狭さを制限しますが、コリメータを使用する場合は全内部反射の物理により最大ビーム幅が制限されます。

「光をあまり曲げようとすると効率が低下し始めるため、TIRコリメータの角度は約+/-25°に制限されています」とビーン氏は述べた。

Ledil は、前面にドーナツ形状とマイクロレンズを成形した Iris シリーズのコリメータでこれをさらに推し進めています。

非常に広いビーム角度に対する Carclo の答えは、標準的なコリメータ設計から完全に脱却した「バブル」レンズ シリーズです。

バブル光学系は、LED を単独で使用するよりも広い範囲をより効率的に照明できる、広く均一なパッ​​チを生成できます。

光学系がないと、COS(θ)^4 依存関係に従う光の「ホット スポット」が発生します。 しかし、光学系では、この依存性を補うために LED の出力のほとんどをエッジに押し出します。

「バブルオプションは、側面に多くの光を投げるように設計されているため、非常に均一なビームを提供します」とビーン氏は言いました。 「これを見ると、正面からは明るくありませんが、端から明るいだけで、何もありません。」

そして、ここで飛行機が登場します。それは、見るためのライトと、見られるように設計されたライトの違いです。

上記の例はすべて、ルクスで測定される照度が重要な照明タスクです。画像全体のルクス数は一定である必要があります。

バブル光学素子は平面上では均一な照度を生成しますが、その強度は方向によって大きく異なります。この強度 (カンデラ (cd) で測定) は一定とは程遠いです。

ただし、飛行機の翼端や高いマストの頂上にあるライトは、少なくとも飛行機が見えるように設計されている方向では、一定の強度を持っている必要があります。

本質的には、平面を均一に照らすには、ビームの端でより多くの強度が必要ですが、どの方向からでも均一に見えるということは、球の内部を均一に照らすことと同じです。

背の高い送信マストでは、8 つの 45×10° コリメータを上部の周りに 45° 間隔で取り付けて、十分な垂直方向の広がりを備えた全周囲の視認性を提供することが現実的です。

ビームは 45 度にわたって均等な強度を提供するようにプロファイルされているため、マストの光はどの方向でも同じ距離から同じ明るさで見えるでしょう。

本文で言及されている +/-65° バブル レンズの「トップハット」照度プロットは、壁をどれだけ均一に照らすかを示しています。LED が壁からわずか 2.5 メートル離れているにもかかわらず、光のプールは直径 10 メートルあります。

ツインスパイクの強度プロットは、その照度を得るために強度に対して何を行う必要があるか、および同じ光学部品が +/-65° 以内のどこからでも見なければならないビーコンにどのように適していないかを示しています。(どちらの場合も Carclo 10406 光学部品を備えた Cree XP-E LED)。

秘密の世界を垣間見る

特定の LED 光学部品の組み合わせの正確なプロファイルは、通常、光学モデリング プログラム用の機械読み取り可能な「フォトメトリック」ファイルとして、Elumdat (.ldt) または .ies 形式でダウンロードできます。

これらの形式は、複数の光学部品を組み合わせた場合の総合的な効果を予測したい場合に非常に役立ちます。 光学系を構築する必要はなく、単にさまざまな組み合わせを観察することができます。

.ies 形式も経験を積めば人間が判読できるようになります。 「メモ帳で .ies ファイルを開くことができます」と Carclo の Bean は言いました。 「LED と光学系のタイプを示すヘッダーがあり、その後、一連の値が示されます。」

上部の数行の値は、ランプ (または LED) とカバーされる角度範囲 (垂直方向と水平方向の両方) に関する詳細を示します。

次に、角度値の下には、すべての強度値の行が表示されます。

ies データには 2 つの形式が使用できます。 タイプ A では、強度値がラスター角度スライスで読み取られます。 タイプ C では、半径方向の角度スライスを取得することによって値が読み取られます。

したがって、回転対称 (円形) ビームを使用する Type C ies 形式の場合、特定の列のすべての値は同じか類似します。

どれくらいの光が必要ですか?

ビーム幅とビームプロファイルが選択されると、システムの駆動に必要な光の量が推定されます。

良好な光学部品の効率は、通常 85 ～ 95% (小型の光学部品ではそれより低くなります) ですが、公称ビームに含まれる光の量とはほとんど関係がありません。これは、正面からどれだけの光が通過するかの尺度であるためです。 LED から出る光と光学系の面を比較します。

効率では、公称ビームに入る光の量、およびビームのエッジと +/-90° の間でどれだけの光がこぼれるかは考慮されていません。これはかなりの部分になる可能性があります。

この漏れを考慮して、メーカーのデータで探すべき数値は、LED からのルーメンがビームの中心でどのように強度または照度に変換されるかを説明する cd/lm または ルクス/lm の数値です。

強度 (cd) は距離に対して一定であり、照度はさまざまな距離で示されます。

どちらも 1 メートルの距離では同じなので、逆 2 乗則を適用して cd からルクスに変換します。

LED 光学素子から 4 メートル離れた写真には 10 ルクスが必要だとします。

ビーム角度は単純な三角法によって計算され、適切なトップハット ビーム光学系が選択されます。

データシートには4cd/lmと記載されています

Cd とルクスは 1m では同じなので、1m では 4lux/lm となり、逆二乗則により次のようになります。

4m で (1/16)x4lux/lm = 0.25lux/lm。

40lmのLEDが必要な照明を提供します

最後に一つだけ

コリメータは、LED の上に一定の距離を置いて取り付けられるように設計されています。

光学メーカーは、LED と光学の組み合わせごとにこの高さを固定するホルダーを提供しています。

ホルダーを使用しない場合は、LED を適切な高さに、ダイと同心円状に取り付けるように細心の注意を払う必要があります。

メーカーはこの情報を公開していませんが、提供する予定です。

など

ビーム要件を理解します。必要なビーム プロファイルは、何を照らすかによって異なり、ビーコンや自転車のバックライトなど、見えるものを作成する場合はまったく異なります。

アプリケーションの形状を使用して、必要なビーム角度を決定します。

次に、cd/lm または lux/lm の数値を使用して、LED を駆動する強度を計算します。

LED でそれができない場合は、ビームの外側に漏れる光が少ない光学部品を探してみてください。

特殊なアプリケーションについては、.ies データを覗いてみましょう。

行き詰まった場合は、光学会社に相談してください。

LED の光学系としても知られるコリメーターは、実際には 2 つの光学コンポーネントが 1 つに統合されたものです。

エッジの周囲は放物面鏡に相当し、LED からの横方向の光を全反射 (TIR) によって前方に向けます。

反射板を通過しない光は、光学部品の中央にあるより伝統的なレンズ構造である 2 番目の要素によって捕らえられます。 場合によっては、レンズの上の光学部品の前面に穴があることがあります。 その凸面は、光学設計者にビームを磨き上げるさらなる機会を与えます。

ミラーリフレクターにはこの中央レンズに相当するものはなく、1 つの例外を除いて、より多くの光が横にこぼれます。Polymer Optics の 225 は、LED 上の空間に吊り下げられたフレネル レンズを備えたリフレクターです。

光学部品の反射鏡が滑らかなビームを生成する一方で、レンズはダイの正方形の像を投影し、光学設計者は光学部品の前面を曇らせるなどのさまざまなトリックを使用してそれを滑らかにします。