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Jul 07, 2023

Le grand guide d'Electronic Weekly sur l'optique LED

Spécifier une optique LED est facile, n'est-ce pas ? Achetez-en un avec le bon faisceau

Spécifier une optique LED est facile, n'est-ce pas ?

Il suffit d'en acheter un avec le bon angle de faisceau, et c'est parti. Droite?

Eh bien peut-être, mais probablement pas.

Parce qu'il y a quelques autres choses à penser avant de pouvoir être sûr que ce que vous achetez fera ce que vous voulez.

"La première chose qu'un client dira est : 'J'ai besoin d'un angle de faisceau de 10°, de quelle optique ai-je besoin ?', et la première question que nous posons est, 'quelle LED ?' a déclaré Mike Bean, responsable de la conception de la société d'optique LED Carclo.

Pourquoi doit-il demander ? Parce que le choix de la LED affectera considérablement l'angle du faisceau ainsi que la qualité du faisceau produit par une optique donnée.

Il existe une propriété physique des systèmes optiques appelée etendue (espace, étendue, étirement en français) qui limite l'angle de faisceau minimum possible à partir de tout système optique efficace avec une certaine taille de source et un certain diamètre maximum.

Vous n'obtiendrez jamais un faisceau crayon d'une LED carrée de 1 mm avec une lentille, un collimateur ou un réflecteur de 10 mm de diamètre - à moins que vous ne rejetiez presque toute la lumière.

Heureusement, vous n'avez pas à faire le calcul.

Au lieu de cela, les fabricants d'optiques tels que Carclo, Ledil, Fraen et Polymer Optics publient des angles de faisceau pour des combinaisons mixtes d'optiques et de LED, et certains proposent également des fonctions de recherche paramétrique sur le Web.

En fait, même si vous vouliez faire le calcul, ce serait difficile car les fabricants de LED hésitent à révéler leurs tailles de matrice.

Pour référence, le Rebel de Lumileds a une matrice de 1x1 mm et le Rebel ES en a une plus grande, probablement de 1,4 × 1,4 mm, tous deux dans le même boîtier de taille.

Dans la série XP de Cree, les XP-C, -E et -G sont probablement respectivement de 0,7 × 0,7, 1 × 1 et 1,4 × 1,4 mm, toujours dans des boîtiers identiques.

Dans une approximation de premier ordre, le fait de doubler la largeur de la matrice double l'angle du faisceau pour une optique donnée.

Par exemple, l'optique 10755 de 30 mm de diamètre de Carlo donne 3,7° avec le XP-C de 0,7 mm et 7,1° avec le XP-E de 1,4 mm.

Et les chiffres seront similaires pour les optiques 30 mm de bonne qualité d'autres fabricants.

Dans ce cas, les angles sont indiqués "pleine largeur, demi-maximum" (FWHM) qui est l'angle inclus entre les points du faisceau qui sont à 50 % de l'intensité maximale.

Il est légitime de décrire un faisceau de 3,7° FWHM comme +/-1,85°, et aussi de le décrire comme 1,85°. Dans chaque cas, la convention doit être claire dans toute discussion. Tous les angles de cet article sont des valeurs FWHM.

Il est parfois fait référence à «l'angle de champ», qui est l'angle entre les points à 10%.

20 mm est un diamètre courant pour les optiques et, en gros, une LED avec une matrice de 1 mm plus une bonne optique de 20 mm de n'importe quel fabricant réputé fournira un angle de faisceau minimum d'environ 11°.

Les optiques de 10 mm vont fournir quelque chose de plus grand que 22°.

Étendre le faisceau

Tous les chiffres ci-dessus sont les angles de faisceau minimaux possibles avec un rendement élevé – supérieur à 85 %.

Une fois la lumière collectée efficacement, elle peut être étalée en un faisceau lisse en moulant des éléments dans la face avant du collimateur.

Ainsi, les collimateurs à front uni sont les versions à faisceau étroit, et les collimateurs similaires avec des bosses (appelées micro-lentilles) ou des crêtes à l'avant sont des types à faisceau large - avec des bosses plus hautes correspondant vaguement à des angles plus larges.

Des « micro-lentilles » moulées dans la face avant d'un collimateur diffusent son faisceau plus largement. Ici, Ledil se propage également avec une courbure en forme de beignet sur son optique Eva.

Torche, avion ou peinture ?

Les collimateurs simples produisent des faisceaux brillants au milieu et graduellement atténués vers les bords.

Ce type de faisceau est idéal pour une torche à main car vous ne voulez pas de noirceur profonde autour du faisceau. Au lieu de cela, vous voulez que la lumière se répande afin que vous puissiez voir les choses près de l'objet que vous pointez.

Mais qu'en est-il de l'illumination d'un tableau dans une galerie ?

Idéalement, vous voulez un faisceau qui éclaire uniformément la peinture avec peu de variation sur la toile, qui se coupe nettement sur les bords afin que le mur environnant ne soit pas éclairé.

Ce type de faisceau est appelé un faisceau "haut de forme" - d'après la forme du graphique lorsque l'éclairement est tracé en fonction de la distance (voir graphique).

Pour la même raison, le faisceau standard produit par un simple collimateur est parfois appelé "cloche".

"Pour éclairer l'image, la meilleure option d'éclairage du client est une fonction haut de forme, pas une cloche, car il veut un éclairage constant sur toute l'image, puis rien à l'extérieur.

"Pour obtenir un haut-de-forme circulaire, nous utilisons une optique" d'ondulation "pour donner le plus près possible d'un haut-de-forme."

L'ondulation dans ce cas fait référence à des anneaux moulés dans l'avant du collimateur, qui ressemblent à des ondulations en coupe transversale, et poussent plus de lumière vers l'extérieur du faisceau pour obtenir un éclairage uniforme.

Ils sont conçus pour pousser très peu de lumière au-delà de l'angle de coupure nominal.

Et le faisceau peut-il être carré comme sur la photo ?

"Vous pouvez le faire en utilisant une optique non symétrique en rotation", a déclaré Bean.

Les collimateurs à faisceau rectangulaire sont produits par la plupart des fabricants d'optique en ajoutant des arêtes droites aux fronts du collimateur.

Leurs faisceaux ont tendance à être plus des boîtes aux lettres que des carrés, avec des extrémités arrondies - parfois appelés faisceaux elliptiques.

Si la tâche d'éclairage de l'image est si critique, une optique ou un projecteur personnalisé peut être conçu - la Joconde est éclairée par des LED Lumileds combinées à des optiques Fraen - ou un masque carré peut être suspendu dans l'espace à une certaine distance de l'avant de l'optique.

Au centre, Carclo utilise un front uni pour obtenir le faisceau le plus étroit de son optique de 26 mm, puis un glaçage à gauche pour un faisceau plus lisse avec une diffusion légèrement plus large, et des micro-prismes rayés à droite pour un large faisceau elliptique. À l'avant se trouve un elliptique Carclo de 20 mm, avec deux faisceaux larges Ledil de 30 mm à l'arrière.

Faisceaux larges

Alors que l'étendue limite l'étroitesse d'un faisceau, la physique de la réflexion interne totale limite la largeur maximale du faisceau lors de l'utilisation de collimateurs.

"Les collimateurs TIR sont limités à des angles d'environ +/- 25° car l'efficacité commence à baisser lorsque vous essayez de plier la lumière trop loin", a déclaré Bean.

Ledil pousse cela un peu plus loin avec sa série de collimateurs Iris qui ont une forme de beignet moulée à l'avant ainsi que des micro-lentilles.

La réponse de Carclo aux angles de faisceau très larges est sa série de lentilles "bulles" qui s'éloignent complètement de la conception standard du collimateur.

L'optique à bulles peut produire une large zone uniforme qui permet un éclairage plus efficace de grandes surfaces plutôt que d'utiliser une LED seule.

Sans optique, vous obtenez un "point chaud" léger qui suit une dépendance COS (thêta) ^ 4. Mais avec l'optique, ils poussent la plupart de la sortie de la LED vers le bord pour compenser cette dépendance.

"L'option bulle donne un faisceau très uniforme car elle est conçue pour projeter beaucoup de lumière sur le côté", a déclaré Bean. "En le regardant, ce n'est pas brillant tout droit, mais un bord plus brillant, puis plus rien."

Et c'est là que les avions entrent en jeu - dans la différence entre les lumières pour voir et les lumières conçues pour être vues.

Tous les exemples ci-dessus sont des tâches d'éclairage où l'éclairement, mesuré en lux, est important - le nombre de lux sur l'image doit être constant.

L'optique à bulles produit un éclairement uniforme sur une surface plane, mais son intensité diffère considérablement d'une direction à l'autre - cette intensité (mesurée en candelas (cd)) est loin d'être constante.

Cependant, les lumières sur les bouts d'aile d'un avion, ou sur les sommets des hauts mâts, doivent avoir une intensité constante, au moins dans les directions à partir desquelles elles sont conçues pour être vues.

Essentiellement : éclairer uniformément une surface plane nécessite beaucoup plus d'intensité sur le bord du faisceau, alors qu'être uniformément visible de n'importe quelle direction revient à éclairer uniformément l'intérieur d'une sphère.

Sur un grand mât de transmission, il serait réaliste de monter huit collimateurs 45 × 10 ° autour du sommet à des intervalles de 45 ° pour offrir une visibilité panoramique avec une propagation verticale suffisante pour être utile.

Les faisceaux seraient profilés pour fournir une intensité uniforme sur leurs 45°, de sorte que la lumière du mât semblera avoir la même luminosité à la même distance dans toutes les directions.

Le diagramme d'éclairement « haut de forme » de la lentille à bulle +/-65° mentionnée dans le texte, montrant à quel point elle éclairerait uniformément un mur - le bassin de lumière mesure 10 m de diamètre même si la LED n'est qu'à 2,5 m du mur.

Le graphique d'intensité à deux pointes montre ce qu'il fallait faire pour obtenir cet éclairement et comment la même optique ne conviendrait pas à une balise qui devait être vue de n'importe où dans cette plage de +/- 65 °.(LED Cree XP-E avec optique Carclo 10406 ​​dans les deux cas).

Un aperçu d'un monde secret

Le profil exact de toute combinaison optique LED particulière est généralement téléchargeable dans des fichiers « photométriques » lisibles par machine pour les programmes de modélisation optique, sous forme Elumdat (.ldt) ou .ies.

Ces formats sont extrêmement utiles si vous souhaitez prédire l'effet combiné de l'association de plusieurs optiques. Vous n'avez pas besoin de construire d'optique et vous pouvez simplement regarder de nombreuses combinaisons différentes.

Le formulaire .ies est également lisible par l'homme avec l'expérience. "Vous pouvez ouvrir un fichier .ies dans le Bloc-notes", a déclaré Carclo's Bean. "Il y a un en-tête qui vous indique les types de LED et d'optiques, puis une série de valeurs."

Les premières rangées de valeurs fournissent des détails sur les lampes (ou LED) et les plages angulaires couvertes (à la fois verticales et horizontales).

Ensuite, sous les valeurs d'angle se trouvent des rangées de toutes les valeurs d'intensité.

Deux formats sont disponibles pour les données ies. Tapez A où les valeurs d'intensité sont lues dans une tranche angulaire raster. Type C où les valeurs sont lues en prenant des tranches angulaires radiales.

Ainsi, pour le format Type C ies, avec un faisceau à symétrie de rotation (circulaire), toutes les valeurs d'une colonne particulière seront identiques ou similaires.

De combien de lumière ai-je besoin ?

Une fois qu'une largeur de faisceau et un profil de faisceau ont été choisis, la quantité de lumière nécessaire pour piloter le système est estimée.

L'efficacité d'une bonne optique, qui est généralement de 85 à 95 % (ou moins dans les optiques plus petites), n'a pas grand-chose à voir avec la quantité de lumière qui se retrouve dans le faisceau nominal, car il s'agit d'une mesure de la quantité de lumière sortant de la face avant de l'optique par rapport à la lumière sortant de la LED.

L'efficacité ne tient pas compte de la quantité de lumière qui pénètre dans le faisceau nominal et de la quantité qui se répand entre les bords du faisceau et +/- 90° - cela peut être une fraction importante.

Pour tenir compte de ce déversement, le chiffre à rechercher dans les données du fabricant est le chiffre cd/lm ou lux/lm qui décrit comment les lumens de la LED seront transformés en intensité ou éclairement au centre du faisceau.

L'intensité (cd) est constante avec la distance, l'éclairement est indiqué à différentes distances.

Les deux sont identiques à 1 m de distance, appliquez donc la loi du carré inverse pour convertir de cd en lux.

Supposons que 10 lux soient nécessaires sur une image à 4 m de l'optique LED.

L'angle du faisceau est calculé par trigonométrie simple et une optique de faisceau haut de forme appropriée est choisie.

La fiche technique indique qu'il délivre 4cd/lm

Cd et lux sont les mêmes à 1m, donc à 1m ça donnera 4lux/lm, et par la loi du carré inverse ça donnera :

(1/16)x4lux/lm à 4m = 0.25lux/lm.

40lm de la LED fourniront l'éclairage requis

Une dernière chose

Les collimateurs sont conçus pour être montés à une certaine distance au-dessus de la LED.

Les fabricants d'optiques fournissent des supports pour fixer cette hauteur pour chaque combinaison LED-optique.

Si aucun support n'est utilisé, il faut faire très attention à monter la LED à la bonne hauteur, et concentriquement à la matrice.

Les fabricants ne publient pas ces informations, mais les fourniront.

Et ainsi

Comprenez vos exigences en matière de faisceau - le profil de faisceau nécessaire dépendra de ce que vous éclairez et sera complètement différent si vous faites quelque chose pour être vu, comme une balise ou un rétroéclairage de vélo.

Utilisez la géométrie de votre application pour déterminer l'angle de faisceau requis.

Utilisez ensuite les chiffres cd/lm ou lux/lm pour déterminer la difficulté à piloter votre LED.

Si la LED ne peut pas le faire, essayez de trouver une optique qui se répand moins à l'extérieur du faisceau.

Pour les applications spéciales, jetez un coup d'œil aux données .ies.

Si vous êtes bloqué, discutez avec une entreprise d'optique.

Les collimateurs, également appelés optiques, pour LED sont en fait deux composants optiques fusionnés en un seul.

Autour du bord se trouve l'équivalent d'un miroir parabolique - dirigeant la lumière latérale de la LED vers l'avant par réflexion interne totale (TIR).

La lumière qui manquerait au réflecteur est capturée par le deuxième élément, une structure de lentille plus traditionnelle au milieu de l'optique. Parfois, il y a un trou à l'avant de l'optique au-dessus de la lentille. Sa surface convexe donne au concepteur optique une autre chance d'affiner le faisceau.

Les réflecteurs miroirs n'ont pas l'équivalent de cette lentille centrale et répandent plus de lumière latéralement, à une exception près : le 225 de Polymer Optics est un réflecteur avec une lentille de Fresnel suspendue dans l'espace au-dessus de la LED.

Alors que le réflecteur d'une optique produit un faisceau lisse, la lentille projette une image carrée de la matrice que le concepteur optique lisse en utilisant diverses astuces, notamment le givrage de l'avant de l'optique.