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Jul 07, 2023

La gran guía de Electronics Weekly sobre óptica LED

Especificar una óptica LED es fácil, ¿no? Solo compre uno con el haz correcto

Especificar una óptica LED es fácil, ¿no?

Simplemente compre uno con el ángulo de haz correcto y listo. ¿Bien?

Bueno, tal vez, pero probablemente no.

Porque hay algunas cosas más en las que pensar antes de que pueda estar bastante seguro de que lo que compra hará lo que quiere.

"Lo primero que dirá un cliente es: 'Necesito un ángulo de haz de 10°, ¿qué óptica necesito?', y la primera pregunta que hacemos es, '¿qué LED?' dijo Mike Bean, jefe de diseño de la firma de óptica LED Carclo.

¿Por qué tiene que preguntar? Porque la elección del LED afectará en gran medida el ángulo del haz, así como la calidad del haz producido por cualquier óptica dada.

Hay una propiedad física de los sistemas ópticos llamada etendue (en francés, espacio, expansión, estiramiento) que limita el ángulo de haz mínimo posible de cualquier sistema óptico eficiente con un tamaño de fuente determinado y un diámetro máximo determinado.

Nunca obtendrá un rayo de lápiz de un LED cuadrado de 1 mm con una lente, colimador o reflector de 10 mm de diámetro, a menos que deseche casi toda la luz.

Por suerte, no tienes que hacer los cálculos.

En cambio, los fabricantes de ópticas como Carclo, Ledil, Fraen y Polymer Optics publican ángulos de haz para combinaciones mixtas de ópticas y LED, y algunos también ofrecen funciones de búsqueda paramétrica basadas en la web.

En realidad, incluso si quisiera hacer los cálculos, sería difícil porque los fabricantes de LED son tímidos a la hora de revelar los tamaños de sus matrices.

Como referencia, la Rebel de Lumileds tiene una matriz de 1x1 mm y la Rebel ES tiene una más grande, probablemente de 1,4 × 1,4 mm, ambas en el mismo tamaño.

En la serie XP de Cree, el XP-C, -E y -G son probablemente de 0,7 × 0,7, 1 × 1 y 1,4 × 1,4 mm respectivamente, nuevamente en paquetes idénticos.

En una aproximación de primer orden, al duplicar el ancho del troquel se duplica el ángulo del haz para una óptica determinada.

Por ejemplo, la óptica 10755 de 30 mm de diámetro de Carlo proporciona 3,7° con el XP-C de 0,7 mm y 7,1° con el XP-E de 1,4 mm.

Y las cifras serán similares para ópticas de 30 mm de buena calidad de otros fabricantes.

En este caso, los ángulos se citan como "ancho completo, medio máximo" (FWHM), que es el ángulo incluido entre los puntos del haz que son el 50 % de la intensidad máxima.

Es legítimo describir un haz FWHM de 3,7° como +/-1,85°, y también describirlo como 1,85°. En cada caso, la convención tiene que ser clara en cualquier discusión. Todos los ángulos en este artículo son valores FWHM.

Ocasionalmente se hace referencia al 'ángulo de campo', que es el ángulo entre los puntos del 10%.

20 mm es un diámetro común para la óptica y, en términos generales, un LED con una matriz de 1 mm más una buena óptica de 20 mm de cualquier fabricante de confianza proporcionará un ángulo de haz mínimo de alrededor de 11°.

La óptica de 10 mm ofrecerá algo más grande que 22 °.

Extendiendo el haz

Todas las cifras anteriores son los ángulos de haz mínimos posibles con alta eficiencia, por encima del 85 %.

Una vez que la luz se ha recolectado de manera eficiente, se puede distribuir en un haz uniforme moldeando las características en la cara frontal del colimador.

Por lo tanto, los colimadores con frentes lisos son las versiones de haz angosto, y los similares con protuberancias (llamadas microlentes) o crestas en el frente son tipos de haz ancho, con protuberancias más altas que equivalen vagamente a ángulos más amplios.

Las 'microlentes' moldeadas en la cara frontal de un colimador amplían su haz. Aquí, Ledil también se extiende con una curvatura similar a una rosquilla en su óptica Eva.

¿Antorcha, avión o pintura?

Los colimadores simples producen haces que son brillantes en el medio y se atenúan gradualmente hacia los bordes.

Este tipo de haz es excelente para una linterna manual porque no desea una oscuridad profunda alrededor del haz. En cambio, desea que la luz se derrame para que pueda ver las cosas cerca del objeto que está señalando.

Pero, ¿qué hay de iluminar un cuadro en una galería?

Idealmente, desea un haz que ilumine uniformemente la pintura con poca variación a lo largo del lienzo, que se corte bruscamente en los bordes para que la pared circundante no se ilumine.

Este tipo de haz se denomina haz de 'sombrero de copa', por la forma del gráfico cuando la iluminancia se representa frente a la distancia (ver gráfico).

Por la misma razón, el haz estándar producido por un colimador simple a veces se denomina "campana".

"Para iluminar la imagen, la mejor opción de iluminación del cliente es una función de sombrero de copa, no una campana, porque quieren una iluminación constante en toda la imagen, y nada afuera.

"Para obtener un sombrero de copa circular, usamos ópticas de 'ondulación' para dar lo más cerca posible de un sombrero de copa".

La ondulación en este caso se refiere a los anillos moldeados en el frente del colimador, que parecen ondas en la sección transversal y empujan más luz hacia el exterior del haz para lograr una iluminación uniforme.

Tienen una forma tal que empujan muy poca luz más allá del ángulo de corte nominal.

¿Y la viga puede ser cuadrada como la imagen?

"Puedes hacer eso usando una óptica no rotacionalmente simétrica", dijo Bean.

Los colimadores de haz rectangular son producidos por la mayoría de los fabricantes de óptica agregando crestas rectas a los frentes del colimador.

Sus haces tienden a ser más como un buzón que como un cuadrado, con extremos redondeados, a veces llamados haces elípticos.

Si la tarea de iluminación de la imagen es tan crítica, se puede diseñar una óptica personalizada o un proyector (la Mona Lisa se ilumina con LED Lumileds combinados con la óptica Fraen) o se puede suspender una máscara cuadrada en el espacio a cierta distancia del frente de la óptica.

En el centro, Carclo usa un frente liso para obtener el haz más angosto de su óptica de 26 mm, luego esmerilado a la izquierda para obtener un haz más suave con una dispersión ligeramente más amplia, y microprismas rayados a la derecha para un haz elíptico amplio. Delante hay una elíptica Carclo de 20 mm, con dos haces anchos Ledil de 30 mm en la parte trasera.

Haces anchos

Mientras que etendue limita la estrechez de un haz, la física de la reflexión interna total restringe el ancho máximo del haz cuando se utilizan colimadores.

"Los colimadores TIR están limitados a ángulos de aproximadamente +/-25°, ya que la eficiencia comienza a disminuir cuando se intenta desviar la luz demasiado", dijo Bean.

Ledil lleva esto un poco más allá con su serie Iris de colimadores que tienen una forma de rosquilla moldeada en la parte delantera, así como microlentes.

La respuesta de Carclo a los ángulos de haz muy amplios es su serie de lentes de 'burbuja' que se alejan completamente del diseño de colimador estándar.

La óptica de burbujas puede producir un parche amplio y uniforme que permite una iluminación más eficiente de áreas grandes en lugar de usar solo un LED.

Sin óptica, obtiene un "punto caliente" de luz que sigue una dependencia de COS (theta) ^ 4. Pero con la óptica empujan la mayor parte de la salida del LED al borde para compensar esta dependencia.

"La opción de la burbuja brinda un haz muy parejo porque está diseñada para arrojar mucha luz hacia un lado", dijo Bean. "Mirándolo, no es brillante de frente, sino más brillante de borde, luego nada".

Y aquí es donde entran los aviones: en la diferencia entre luces para ver y luces diseñadas para ser vistas.

Todos los ejemplos anteriores son tareas de iluminación en las que la iluminancia, medida en lux, es importante: la cantidad de lux en la imagen debe ser constante.

La óptica de la burbuja produce una iluminación uniforme en una superficie plana, pero su intensidad difiere drásticamente de las diferentes direcciones: esta intensidad (medida en candelas (cd)) está lejos de ser constante.

Sin embargo, las luces en las puntas de las alas de un avión, o en la parte superior de los mástiles altos, deben tener una intensidad constante, al menos en las direcciones desde las que están diseñadas para ser vistas.

Esencialmente: iluminar uniformemente una superficie plana requiere mucha más intensidad en el borde del haz, mientras que ser uniformemente visible desde cualquier dirección es lo mismo que iluminar uniformemente el interior de una esfera.

En un mástil de transmisión alto, sería realista montar ocho colimadores de 45×10° alrededor de la parte superior a intervalos de 45° para brindar una visibilidad completa con suficiente dispersión vertical para que sea útil.

Los haces se perfilarían para ofrecer una intensidad uniforme en sus 45°, por lo que la luz del mástil parecerá tener el mismo brillo desde la misma distancia en cualquier dirección.

El diagrama de iluminancia de "sombrero de copa" de la lente de burbuja de +/- 65° mencionada en el texto, que muestra cuán uniformemente iluminaría una pared: el grupo de luz tiene 10 m de ancho aunque el LED está a solo 2,5 m de la pared.

El gráfico de intensidad de doble pico muestra lo que se tuvo que hacer con la intensidad para obtener esa iluminancia y cómo la misma óptica no sería adecuada para una baliza que se tenía que ver desde cualquier lugar dentro de esos +/-65°.(LED Cree XP-E con óptica Carclo 10406 ​​en ambos casos).

Un vistazo a un mundo secreto

El perfil exacto de cualquier combinación óptica de LED en particular generalmente se puede descargar en archivos 'fotométricos' legibles por máquina para programas de modelado óptico, ya sea en formato Elumdat (.ldt) o .ies.

Estos formatos son extremadamente útiles si desea predecir el efecto combinado de juntar más de una óptica. No necesita construir ninguna óptica y simplemente puede ver muchas combinaciones diferentes.

El formulario .ies también es legible por humanos con experiencia. "Puedes abrir un archivo .ies en el Bloc de notas", dijo Carclo's Bean. "Hay un encabezado que le informa sobre los tipos de LED y óptica, luego una serie de valores".

Las pocas filas superiores de valores brindan detalles sobre las lámparas (o LED) y los rangos angulares cubiertos (tanto vertical como horizontal).

Luego, debajo de los valores de ángulo hay filas de todos los valores de intensidad.

Hay dos formatos disponibles para los datos de ies. Escriba A donde los valores de intensidad se leen en un corte angular de trama. Tipo C donde los valores se leen tomando cortes angulares radiales.

Por lo tanto, para el formato de tipo C ies, con una viga rotacionalmente simétrica (circular), todos los valores en cualquier columna en particular serán iguales o similares.

¿Cuánta luz necesito?

Una vez que se ha elegido un ancho de haz y un perfil de haz, se estima la cantidad de luz necesaria para impulsar el sistema.

La eficiencia de una buena óptica, que suele ser del 85-95 % (o inferior en ópticas más pequeñas), tiene poco que ver con la cantidad de luz que termina en el haz nominal porque es una medida de la cantidad de luz que sale desde el frente. cara de la óptica en comparación con la luz que sale del LED.

La eficiencia no tiene en cuenta la cantidad de luz que entra en el haz nominal y la cantidad que se derrama entre los bordes del haz y +/-90°; puede ser una fracción significativa.

Para tener en cuenta este derrame, la cifra a buscar en los datos del fabricante es la cifra de cd/lm o lux/lm que describe cómo los lúmenes del LED se convertirán en intensidad o iluminancia en el centro del haz.

La intensidad (cd) es constante con la distancia, la iluminancia se cotiza a varias distancias.

Ambos son iguales en un rango de 1 m, así que aplica la ley del inverso del cuadrado para convertir de cd a lux.

Digamos que se necesitan 10 lux en una imagen a 4 m de la óptica LED.

El ángulo del haz se calcula mediante trigonometría simple y se elige una óptica de haz de sombrero de copa adecuada.

La hoja de datos dice que entrega 4cd/lm

Cd y lux son iguales a 1m, por lo que a 1m dará 4lux/lm, y por la ley del inverso del cuadrado dará:

(1/16)x4lux/lm a 4m = 0,25lux/lm.

40 lm del LED brindarán la iluminación requerida

Una última cosa

Los colimadores están diseñados para montarse a cierta distancia por encima del LED.

Los fabricantes de ópticas suministran soportes para fijar esta altura para cada combinación LED-óptica.

Si no se utiliza soporte, se debe tener mucho cuidado para montar el LED a la altura correcta y concéntricamente con el troquel.

Los fabricantes no publican esta información, pero la proporcionarán.

Y entonces

Comprenda los requisitos de su haz: el perfil de haz necesario dependerá de lo que esté iluminando y será completamente diferente si está haciendo algo para ser visto, como una baliza o una luz trasera de bicicleta.

Utilice la geometría de su aplicación para determinar el ángulo de haz requerido.

Luego, use cifras de cd/lm o lux/lm para determinar qué tan difícil es conducir su LED.

Si el LED no puede hacerlo, intente encontrar una óptica que se derrame menos fuera del haz.

Para aplicaciones especiales, eche un vistazo a los datos .ies.

Si te quedas atascado, habla con una empresa de óptica.

Los colimadores, también conocidos como óptica, para los LED son en realidad dos componentes ópticos fusionados en uno.

Alrededor del borde hay el equivalente a un espejo parabólico, que dirige la luz lateralmente desde el LED hacia adelante mediante la reflexión interna total (TIR).

La luz que pasaría por alto el reflector es captada por el segundo elemento, una estructura de lente más tradicional en el medio de la óptica. A veces hay un agujero en la parte delantera de la óptica por encima de la lente. Su superficie convexa le da al diseñador óptico otra oportunidad para perfeccionar el haz.

Los reflectores de espejo no tienen el equivalente de esta lente central y derraman más luz hacia los lados, con una excepción: el 225 de Polymer Optics es un reflector con una lente Fresnel suspendida en el espacio sobre el LED.

Mientras que el reflector en una óptica produce un haz suave, la lente proyecta una imagen cuadrada de la matriz que el diseñador óptico suaviza usando varios trucos, incluido el esmerilado del frente de la óptica.