Использование линзы Френеля в светодиодных источниках локального освещения для оптимизации распределения освещённости рабочей плоскости

Для широко используемых светодиодных источников света имеет место резкий спад освещённости рабочей плоскости от центра к краю. Целью настоящего исследования являлся анализ эффективности применения линз Френеля как достаточно простого и технологичного элемента для увеличения равномерности освещённости, создаваемой светодиодными светильниками локального освещения.

Разработана методика расчёта распределения освещённости, создаваемой комбинацией «светодиодная матрица – линза Френеля», когда расстояние между линзой и матрицей меньше фокусного расстояния линзы. Сравнение результатов расчёта и экспериментов для случая, когда линза располагается на расстоянии 50 см от рабочей плоскости, свидетельствует о корректности разработанной методики расчёта. Это позволило использовать данную методику для решения задачи повышения равномерности освещённости рабочей плоскости в светодиодных источниках локального освещения.

Установлено, что изменение расстояния между матрицей и линзой в диапазоне 0,5–1,5 см влияют на максимальную освещённость и её равномерность в меньшей степени, чем изменение фокусных расстояний в пределах 10–100 см. Получены аналитические зависимости равномерности освещённости рабочей поверхности как функции фокусного расстояния линзы Френеля и её расстояния до светодиодной матрицы для трёх случаев. В первом случае используется одна линза для всей матрицы, при этом оси симметрии кривых силы света светодиодов параллельны оси линзы. Во втором случае также используется одна линзы для всей матрицы, но продолжения осей симметрии кривых силы света проходят через передний фокус линзы. В третьем – для каждого светодиода используется индивидуальная линза Френеля. Установлено, что для всех трёх случаев зависимости имеют практически одинаковый характер. Поэтому выбор использования одного из трёх вариантов может быть обусловлен технологичностью, экономичностью и термической устойчивостью и др.

Расчёты с использованием выше упомянутых аналитических зависимостей позволили определить значения параметров системы «светодиодная матрица – линза Френеля», при которых показатели освещённости и равномерности соответствуют требованиям стандартов.

1. Nikiforov S. «S-klass» poluprovodnikovoj svetotekhniki [“S-class” of semiconductor lighting engineering]. Komponenty i tekhnologii [Components and technologies], 2009, no. 6, pp. 88–91 (in Russian).

2. Popova I.G., Grebenyuk T.I., Podoltsev V.V. Postroenie i approksimaciya diagramm napravlennosti svetodiodov [Construction and approximation of LED directional diagrams]. Molodoj issledovatel' Dona [Young researcher of the Don], 2019, no. 5(20), pp. 71‒75 (in Russian).

3. Bogdan P.S., Zaytseva E.G., Baranov P.O., Stepanenko A.I. Analysis of illumination generated by LED matrices distribution. Devices and Methods of Measurements, 2022, vol. 13, no. 1, рр. 60–67. DOI: 10.21122/2220-9506-2022-13-1-60-67

4. Shen D. Kollimatornye linzy Edison Opto [Collimator lenses Edison Opto]. Poluprovodnikovaya svetotekhnika [Semiconductor lighting engineering], 2013, no. 1(21), pp. 20‒21. [Electronic Resource]. Available at: https://led-e.ru/assets/listalka/2013_1/2013_1/assets/common/downloads/publication.pdf (accessed: 27.01.2022) (in Russian).

5. Vertli Y. Linzy s nastraivaemym fokusom dlya svetodiodov [Lenses with adjustable focus for LEDs]. Semiconductor lighting, 2013, no. 1(21), pp. 22–23. [Electronic Resource]. Available at: https://led-e.ru/assets/listalka/2013_1/2013_1/assets/common/downloads/publication.pdf (accessed: 27.01.2022) (in Russian).

6. Da Silva H. Sovershenstvovanie konstrukcij svetodiodnyh lamp s pomoshch'yu plastichnyh opticheskih silikonov [Improvement of LED lamp designs using plastic optical silicones]. Poluprovodnikovaya svetotekhnika [Semiconductor lighting engineering], 2013, no. 1(21), pp. 26‒27. [Electronic Resource]. Available at: https://led-e.ru/assets/listalka/2013_1/2013_1/assets/common/downloads/publication.pdf (accessed: 27.01.2022) (in Russian).

7. Barbosa J., Calixto W., da Cunha Brito L. Secondary Lens Optimization for LED Lamps. Journal of mechanics engineering and automation, 2014, no. 4, pp. 46–51.

8. Moiseev M. Nizkoprofil'nye linzy ot Khatod: novyj «kosmicheskij» vzglyad [Low-profile lenses from Khatod: a new “cosmic” look]. Poluprovodnikovaya svetotekhnika [Semiconductor lighting engineering], 2017, no. 5(49), pp. 44‒46 (in Russian).

9. Trofimov O., Golikov O. Reflektory i gibridnye linzy ot Ledlink Optics [Reflectors and hybrid lenses from Ledlink Optics]. Poluprovodnikovaya svetotekhnika [Semiconductor lighting engineering], 2013, no. 1(21), pp. 24‒25. [Electronic Resource]. Available at: https://led-e.ru/assets/listalka/2013_1/2013_1/assets/common/downloads/publication.pdf (accessed: 27.01.2022) (in Russian).

10. Jian V., Schneider K. Uluchshenie osveshchennosti ob"ekta pri ispol'zovanii optiki s polnym vnutrennim otrazheniem [Improving the illumination of an object when using optics with full internal refl Poluprovodnikovaya svetotekhnika [Semiconductor lighting engineering], 2013, no. 1(21), pp. 28‒30. [Electronic Resource]. Available at: https://led-e.ru/assets/listalka/2013_1/2013_1/assets/common/downloads/publication.pdf (accessed: 27.01.2022) (in Russian).

11. Sharakshane A. Ob effektivnosti matovyh svetorasseivatelej [On the effectiveness of matte light diffusers]. Poluprovodnikovaya svetotekhnika [Semiconductor lighting engineering], 2014, no. 1(27). [Electronic Resource]. Available at: https://led-e.ru/vtorichnaya-optika/ob-effektivnosti-matovyh-svetorasseivatelej-2 (accessed: 28.01.2022) (in Russian).

12. Ferrini R., Fernandez O., Barruetabena L., Ivanovich S. Ul'tratonkij svetodiodnyj modul' pryamoj podsvetki s tonkoplenochnoj opticheskoj sistemoj [Ultrathin LED direct illumination module with a thin-film optical system]. Poluprovodnikovaya svetotekhnika [Semiconductor lighting engineering], 201, no. 5(49), pp. 32–38 (in Russian).