У порівнянні з призматичними матові світлорозсіювачі краще виглядають в світильнику, сильніше вирівнюють яскравість вихідного отвору, але за це доводиться платити більше низьким ККД оптичної системи. Розглянемо механізми виникнення світлових втрат в світильнику з матовим розсіювачем і шляхи їх зниження.
Заломлення, поглинання і два види відображень
При проходженні через кордон розділу середовищ світло заломлюється і відбивається (рис. 1) відповідно до закону Сінеліуса і формулами Френеля:
де n1 і n2 - коефіцієнти заломлення середовищ, # 945; і # 946; - кути падіння і заломлення, а Rs і Rp - коефіцієнти відображення взаємно перпендикулярно поляризованих складових падаючого променя.
Важливо, що формули Френеля описують тільки заломлення і віддзеркалення, але не поглинання, якого на кордоні розділу прозорих діелектриків немає. Поглинання переломленого променя відбувається в товщі прозорого середовища згідно із законом Бугера:
де I0 - інтенсивність минулого в середу світла, I - інтенсивність світла після проходження товщини шару l. а k - коефіцієнт поглинання.
Для типових в світлотехніці прозорих матеріалів PPMA, PC, PS твір kl дуже малий і може не враховуватися. Так, на прикладі поликарбонатов Macrolon поглинання в 1 мм товщі середовища становить 0,1-0,3% (таблиця).
Таблиця. Поглинання в полікарбонату Macrolon
Примітка. Верхні рядки таблиці - дані з технічної документації на полікарбонати марки Bayer Macrolon, що описують світлопропускання монолітних листів товщиною 4 і 20 мм. Нижній рядок - оцінка частки світлового потоку поглиненого в 1 мм товщі середовища, отримана як відношення різниці значень в перших двох рядках до різниці зазначених товщини.
Однак в непрозорих матеріалах промінь, заломлений в другу середу, не може пройти далі дуже тонкого шару і частково поглинається, частково перетворюється на вторинне випромінювання, яке поширюється назад в першу середу. Рекордні значення коефіцієнта відображення близько 95% (порошок сульфату барію і деякі види анодованого алюмінію марок Alanod і Anafol). У кращих практично значущих випадках від білих і дзеркальних матеріалів відбивається до 90% падаючого випромінювання, близько 10% світла втрачається. Але зазвичай навіть візуально білі матеріали відображають лише 70-80% випромінювання.
Відсутність поглинання при ламанні, нехтує мале поглинання при проходженні товщі прозорих середовищ і значуще поглинання при відображенні від непрозорих середовищ дозволяють зробити простий висновок: таких відображень в оптичній системі світильника слід уникати.
Типи матових світлорозсіювачів
Наносити матове покриття прозорі оптичні матеріали можна введенням діффузант принципово різних типів - з відображають і з заломлюючих частинок. Типовий популярний діффузант з відбивають частинками - сульфат барію. Варіантів заломлюючих матирующих агентів багато, зазвичай це зшиті акрилові структури і алюмосилікати. Який використаний в даному матеріалі - дізнатися важко. Виробник справедливо просить не вникати в тонкощі його «кухні» і пропонує купувати готовий матеріал, при необхідності регулюючи ступінь матовості змішанням гранул матового матеріалу з гранулами прозорого.
Покладені на світлу підкладку, вироби з матових пластиків з різним типом дифезанта можуть виглядати однаково під зовнішнім освітленням, тобто мати однаковий непрозорий білястого кольору. Але варто покласти ці вироби на темну підкладку, як пластик з заломлюючим діффузант починає виглядати значно темніше, тобто його здатність, що криє нижче.
Сильно розрізняються світлорозсіюючі властивості пластиків. Рассеиватель з заломлюючим діффузант, навіть при слабкому ступені матовості, має високу однорідність яскравості. Рассеиватель ж із пластику з відбивним діффузант повинен мати дуже високу концентрацію дифезанта і відповідно низьку оптичну ефективність, щоб повністю «розмазати» видиму яскравість по своїй поверхні. При помірному ступені матовості зображення на такому розсійнику складається з м'якого світлового плями, на якому чітко проступають яскраві точки світлодіодів. Причому видность цих точок майже не залежить від відстані між світлодіодами та розсіювачем (рис. 2).
Мал. 2. Світлодіодний модуль з діодами, встановленими на різній висоті, і вид на цей модуль у включеному стані через два типу розсіювачів однакової товщини і однакового зовнішнього вигляду під зовнішнім освітленням: з відбиваючим (по центру) та заломлюючим (праворуч) діффузант (для двох останніх знімків геометрія сцени і настройки фотоапарата в ручному режимі однакові)
Нижчою здатності розмивати по своїй поверхні яскраві плями супроводжують і більш низькі значення оптичного ККД світильника. Це обумовлено багаторазовими відображеннями променів від частинок непрозорого дифезанта - кожне відображення супроводжується невеликим поглинанням. Заломлюючі ж частинки дифезанта відображають і заломлюють без поглинання.
Прикро бачити в магазинах традиційні світильники, матове покриття колби в яких забезпечено шаром білої фарби зсередини плафона. Але світлодіодні світильники з коректно обраним матеріалом Світлорозсіювачі на ринку вже з'являються.
Боротьба з втратами світлового потоку всередині світильника
Промені світла, потрапляючи на пластикову поверхню розсіювача, проходять через кордон розділу середовищ і частково від неї відображаються (рис. 1) відповідно до формулами Френеля (рис. 3). Навіть при падінні під прямим кутом на лист прозорого пластика близько 4% світового потоку буде відображено. Чим більше кут падіння, тим вище частка відбитого світла.
Мал. 3. Відображення від кордону розділу середовищ при падінні під різними кутами відповідно до формулами Френеля (червона крива показує повне відображення; точка зліва, в яку сходяться всі криві, - 4% світлового потоку, що відображаються від листа прозорого пластика при падінні під прямим кутом)
Світлотехнічні матеріали зазвичай відчувають на світлопропускання тільки під прямим кутом, але результати цих вимірів не приносять користі. На практиці під розсіювачем зазвичай коштує світлодіод з косинусной КСС, тобто промені на розсіювач падають під усіма кутами від 0 до 90 °.
Крім того (рис. 4), світло відчуває множинні переотражения в самому розсійнику, відбиваючись від обох меж поділу середовищ.
Мал. 4. Множинні відображення при проходженні світлового променя через плоский прозорий пластиковий лист
Нескладно підрахувати, яка частка світлового потоку від світлодіода з косинусной КСС падає на розсіювач під різними кутами, порахувати і підсумовувати повне відображення. Для ПММА з коефіцієнтом заломлення n = 1,49 сумарно відіб'ється 15,3% світлового потоку, для полікарбонату і полістиролу з коефіцієнтом заломлення n = 1,59 складе 17,7%. Це значущі величини, особливо якщо врахувати, що мова йде про оптично прозорому плоскому матеріалі. Якщо під плоский прозорий плафон поставити світлодіоди з діаграмою типу Ш, частка відбитого світла виросте ще сильніше.
Якби внутрішня поверхня світильника була чорною і поглинала весь падаючий на неї світло, оптичний ККД світильника з прозорим плафоном склав би 82-85%. Але зазвичай середній коефіцієнт відображення внутрішньої поверхні світильника знаходиться в діапазоні 50-90%. І частина відбитого світла, зробивши новий ряд перевідбиттів, все ж залишає світильник (рис. 5).
Мал. 5. Червоної точкою умовно показаний світлодіод, жовтими стрілками - світлові потоки, які вчиняють переотражения всередині світильника і частково виходять із свічника, частково поглинаються на внутрішніх поверхнях
Для простоти розрахунків будемо вважати, що вся внутрішня поверхня світильника паралельна площині розсіювача і є матовою, тобто світло, що падає на неї в будь-яку точку під будь-яким кутом, відбивається по косинусной КСС. І порахуємо оптичний ККД світильника для різних значень середньої білизни внутрішньої поверхні (рис. 6). Видно, що збільшення білизни на 10% призводить до зниження втрат на
2%. Це значимо, але за екстремально високі значення коефіцієнтів відбиття під прозорим плафоном боротися немає сенсу.
Мал. 6. Залежність ККД оптичної системи, що складається з прозорого плоского листа пластику, від середньої білизни внутрішньої поверхні світильника
Роботу матового розсіювача в першому наближенні описує теорія Кубелкі-Мунка [1], створена в 1930-х рр. для передбачення оптичних властивостей газетних паперів і оперує співвідношенням коефіцієнтів поглинання і розсіяння K / S. За цією теорією світло, падаючи на кожен з незліченних тонких шарів, складових товщу речовини, частково поглинається, частково проходить далі і частково розсіюється в зворотному напрямку. Приємний момент полягає в тому, що розсіювання в перпендикулярних променю напрямках для Невузький променів можна не враховувати і не обраховувати. Нескладні уравенную Кубелкі-Мунка дозволяють оцінити загальну частку світла, що пройшла через каламутну середу, поглинену в ній і розсіяну в зворотному напрямку.
На жаль, сучасні виробники світлотехнічних матеріалів, на відміну від поліграфістів, які не вимірюють характеристики своєї продукції досить прискіпливо і не надають ні K / S і ніякі інші параметри, що дозволяють провести подібні розрахунки. Тому в світлотехніці теорія Кубелкі-Мунка виявляється корисна лише термінологією і методологією. Але і цього достатньо, щоб зробити потрібні висновки: оптично товсті шари сучасних непрозорих білих пластиків відображають 80%. 90%, що відповідає вкрай низькому співвідношенню коефіцієнтів поглинання і розсіяння K / S. Оптично тонкий шар білого пластику прозорий і є розсіювачем, поглинаючи значно менше оптично товстого шару. Змішування при литті білого і прозорого пластика однієї марки призводить до того, що оптично тонким стає конструктивно міцний шар товщиною в кілька міліметрів. Це і є світлотехнічний розсіювач з дуже незначним внутрішнім поглинанням. Отже, поглинанням всередині типового матового розсіювача можна знехтувати!
Частку світлового потоку, що розсіюється в зворотну сторону, можна оцінити, знаючи ККД оптичної системи і ступінь білизни внутрішніх поверхонь за допомогою діаграми (рис. 7). Там Ви знайдете дані значення оптичного ККД світильника для всіх значень білизни поверхні і величин загального відображення і розсіювання в зворотному напрямку на розсійнику в 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 і 99%. Взявши типове значення ККД з опаловим розсіювачем 65% і оцінивши білизну внутрішніх поверхонь в 75%, ми отримуємо величину зворотного відображення і розсіювання 70%.
Мал. 7: Залежність ККД оптичної системи від середньої білизни внутрішньої поверхні світильника і від частки світлового потоку, що відбивається і розсіюється в зворотну сторону матовим розсіювачем
Цей великий світловий потік доцільно якомога повніше вивести з світильника, збільшуючи білизну внутрішніх поверхонь. За графіками видно, що збільшення білизни на 10% під даним розсіювачем призведе до зміни ККД на 10-15%. Чим вище ступінь матовості розсіювача, тим більше роль білизни внутрішніх поверхонь. Причому з ростом білизни ефект від її збільшення на кожен додатковий 1% зростає. Є за що боротися!
Роль геометрії Світлорозсіювачі
Збільшити рівномірність яскравості вихідного отвору світлового приладу можна збільшенням як числа світлодіодів меншої потужності, так і відстані між світлодіодами та розсіювачем. Як мінімум це відстань повинна бути не менше відстані між світлодіодами. Більша відстань означає більш високу рівномірність яскравості, а отже, дозволить знизити ступінь матовості розсіювача і світлові втрати при інших рівних.
Перспективна комбінація матового матеріалу і светорассеивающей текстури поверхні. Хто сказав, що якщо поверхня має поглиблення у вигляді призм або півсфер, матеріал розсіювача повинен бути прозорим? Додавання матуючого агента однозначно поліпшить зовнішній вигляд і рівномірність яскравості вихідного отвору, і це дозволить на наступному етапі знизити і концентрацію дифезанта і глибину штампованого малюнка.
У деяких випадках можливий відхід від плоскої форми розсіювача і значне підвищення оптичного ККД за рахунок зменшення площ непрозорих поверхонь, від яких світла доведеться відбиватися. На рис. 8 наведено приклад розсіювача вдалою форми - в ньому відбитий і розсіяний назад світло відправляється здебільшого не на непрозорі відбивачі, а знову на розсіювач. ККД оптичної системи цієї лампи складає 90%, що є недосяжним ідеалом для плоских світильників з розсіювачем тій же мірі матовості.
Мал. 8. ККД оптичної системи цієї лампи складає 90%, що було б неможливо при плоскій формі світильника з розсіювачем тій же мірі матовості
Контроль рівномірності яскравості
Для того щоб дотримати навіть м'які нормативи по габаритної яскравості в 5000 кд / м 2. на 1 лм світлового потоку має припадати приблизно 1 см 2 площі розсіювача [2]. У деяких світильниках площа розсіювача на порядок менше цієї норми, а габаритна яскравість на той же порядок вище. У таких випадках ступінь неоднорідності світіння засліпленим зором розрізнити неможливо, розсіювач здається однорідно світиться. Але це не означає, що таке рішення прийнятно: засліплення людини не може бути ні метою, ні засобом при розробці світлотехнічного приладу. Картина неоднорідності світіння розсіювача при високій середній яскравості стає видною, якщо використовувати захисні червоні окуляри [3] або замість сліпучого розсіювача дивитися на його відображення в шибці.
література
Інші статті на цю тему:
Якщо Ви помітили будь-які неточності в статті (відсутні малюнки, таблиці, недостовірну інформацію і т.п.), прохання повідомити нам про це. Будь ласка вкажіть посилання на сторінку і будьте готовими описати проблему.