Рисунок 2. Тонкая светодиодная панель

Отработка технологий производства светопроводящих пластин для тонких светодиодных светильников. Часть 1

Введение

В настоящее время в России светодиодные осветительные приборы активно заменяют традиционные источники света: люминесцентные, газоразрядные, лампы накаливания. С каждым днем становится все больше фирм-производителей, а также торговых организаций, поставляющих импортные светильники и комплектующие к ним.

Спрос потребителей на светодиодное освещение очень высок, так как эта технология позволяет экономить электроэнергию, и, соответственно, деньги.

Обычный светодиодный офисный светильник, встраиваемый в потолок типа «Армстронг», состоит из следующих компонентов: несколько плат (их количество зависит от требуемого светового потока) с установленными на них светодиодами, блок питания, корпус (радиатор), рассеиватель света и коммутационные провода.

Российский рынок насыщен такими осветительными приборами: крупные производители пытаются удивлять разнообразными характеристиками, хорошим качеством изготовления и гарантируют надежность (обычно на период окупаемости новой системы освещения).

Мелкие же производители снижают себестоимость за счет более дешевых компонентов, зачастую в ущерб качеству. Однако спрос на их продукцию не уменьшается, т.к. зачастую бюджет клиентов ограничен. Но не всегда стоит жертвовать качеством освещения в пользу более привлекательной стоимости, ведь это может напрямую отразиться на здоровье людей, в частности на их зрении.

Рисунок 1. Общий вид офисного светильника и его комплектующие

Рисунок 1. Общий вид офисного светильника и его комплектующие
Рисунок 1. Общий вид офисного светильника и его комплектующие

 

Одними из важных параметров светильника являются габаритная яркость (кд/м2) и неравномерность яркости, выраженная отношением максимальной и минимальной яркостями излучающей поверхности, именно на эти параметры и реагирует человеческий глаз – неправильно сконструированный светильник может ослеплять и вызывать дискомфорт у человека.

Светодиоды обладают высокой светоотдачей (100лм/вт — 150лм/вт для ходовых серийных образцов) и при этом компактными размерами, а в рабочем состоянии светодиод выглядит как маленькая яркая точка, которая причиняет дискомфорт глазам.

Конечно, в светильниках для общественных помещений применяют разнообразные рассеиватели – матовые, «колотый лед», «призма», жемчуг, но порой и их бывает недостаточно.

А к характеристикам светильников (габаритная яркость, неравномерность яркости), используемых в учебных заведениях или больницах, выдвигаются довольно жесткие требования, поэтому не все «офисные» светильники можно применять в таких учреждениях.

Тенденции развития технологий светодиодных светильников сводятся к тому, что с увеличением светового потока должна уменьшаться и мощность, а такие условия могут выполняться при использовании высокоэффективных светодиодов, яркость излучения которых довольно высока. В связи с этим возникает противоречие, так как слишком высокая яркость освещения не рекомендуема для человеческого глаза (ГОСТ Р 54350-2015).

Эффективным решением такого рода противоречий может быть использование светопроводящих панелей. В основе устройства таких панелей лежит физическое свойство света распространяться по оптической среде и рассеиваться на неровностях.  На светопроводящих панелях источники света расположены сбоку и свет вводится с торца. При определенном расположении неровностей на поверхности светопроводящего материала, можно добиться равномерного распределения света на излучающей поверхности, что позволяет выполнять требования к неравномерности яркости и габаритной яркости. Осветительные приборы, основанные на таком принципе действия, берут начало из LCD экранов, в которых создание подсветки возможно именно таким способом, и довольно давно применяются на практике, однако, в основном, в других странах.

Рисунок 2. Тонкая светодиодная панель
Рисунок 2. Тонкая светодиодная панель

 

Рисунок 3. LCD экран
Рисунок 3. LCD экран

 

Такие же светильники можно найти и на российском рынке, но изготовлены они в Китае. Наличие исключительно импортной продукции на отечественном рынке обусловлено не только экономическим фактором. Дело в том, что светопроводящие пластины, о которых говорилось ранее, не изготавливают на территории нашей страны – нет технологий. Технологии требуют постоянного развития, что также подразумевает и инвестиции, а положительные результаты, которых можно добиться при очень масштабном производстве, при этом спрос на такие светильники должен быть крайне высок.

Для производителей Китая ситуация несколько иная, у них есть три необходимых составляющих: технологии, производство и сбыт. И если отечественная компания решит выпускать светильники со светопроводящими панелями, то обратиться она сможет только к китайскому производителю.

Для развития требуемой технологии на начальном этапе необходим тщательный анализ, а также довольно трудоемкий расчет подходящей оптической системы, который может осуществить далеко не каждый разработчик.

Наша команда (НИУ ИТМО, кафедра технологий визуализации) давно занимается расчетами подобных систем, но с недавнего времени озадачились вопросом разработки технологий производства светопроводящих панелей. Данные разработки интересны тем, что их можно применять на практике для проверки расчетов.

На начальном этапе исследования был проведен обзор существующих мировых технологий производства светопроводящих панелей, в ходе которого необходимо было выявить наиболее подходящую для изготовления экспериментального образца. Свой выбор мы остановили на технологии лазерной гравировки, который обусловлен достаточным опытом работы с лазерными установками, а также наличием лазерного гравера в лаборатории ФабЛаб технопарка Университета ИТМО Размеры рабочего поля лазерного гравера не позволяют обрабатывать материал размером 600х600 мм (размер светильника для потолка типа «Армстронг»), поэтому требовалась обрабатываемая поверхность меньшего размера.

Таким образом, было принято решение изготовить светопроводящую пластину для небольшого светильника круглой формы (диаметр ~ 280 мм), и в качестве материала выбрано прозрачное оргстекло толщиной 4 мм.

Принцип действия

В основе работы описываемой системы лежит рассеивание света на микроструктурах. Свет, излучаемый светодиодом, направляют в торец пластины. Ввиду того, что любой оптический материал обладает поглощением света, излучение будет затухать по мере распространения в среде, что на практике можно наблюдать как градиентное распределение от светлого к темному. Чтобы достичь равномерного вывода света с поверхности пластины, определенным образом наносятся микроструктуры. Для определения их оптимального расположения, мы предварительно создаем компьютерную модель пластины и производим оптические расчеты для определения равномерности яркости, после чего получаем информацию о координатах микроструктур.

 

Рисунок 4. Принцип работы светопроводящей панели
Рисунок 4. Принцип работы светопроводящей панели

Подбор режима

Перед моделированием и изготовлением светопроводящей пластины мы изучили возможности лазера по созданию на оргстекле микроструктур, или димплов (от англ. dimple), в форме полусферы.

На одну небольшую пластину наносилось несколько таких полусфер при разных уровнях мощности и скорости. Затем под микроскопом мы рассматривали микрорельеф полученных димплов и измеряли их геометрические размеры. Было выявлено, что на высоких уровнях мощности, микроструктура имеет форму цилиндра, а не полусферы. Кроме того, на микрорельефе димплов, а также на поверхности пластины были обнаружены продукты горения материала.

Таким образом, в ходе данного эксперимента был выбран оптимальный режим для формирования полусферы. Однако добиться идеальной формы не получилось: созданные микроструктуры больше напоминали сегменты эллипсоида с множеством канавок и пузырей в микрорельефе.

Димпл, наиболее соответствовавший нашим требованиям, был перенсен в расчетную модель с учетом канавок и пузырьков воздуха.

Рисунок 5. Фотография микроструктур под микроскопом. Размеры: 800х710 мкм
Рисунок 5. Фотография микроструктур под микроскопом. Размеры: 800х710 мкм

Моделирование

Расчеты оптической системы производились в программном комплексе Lumicept. Результат таких расчетов представляет собой информацию о распределении яркости по поверхности материала, координатах микростуктуры на пластине, а также растровое изображение, пригодное для распознавания лазером и дальнейшей гравировки.

 Изготовление опытного образца

Как и при выборе режима, для изготовления опытного образца в качестве материала было выбрано прозрачное оргстекло.

Так как наша команда располагала уже готовым светильником (страна-производитель Китай), было принято решение изготовить образец, который мог бы заменить светопроводящую пластину данного светильника. Для этого были обозначены форма и размеры пластины:

круглый образец толщиной 4 мм и диаметром 257,5 мм.

Используемый лазерный гравировальный станок имеет газовую трубку с CO2, мощностью 40 Вт. Для данной установки скорость перемещения лазерной головки неизвестна, а параметры лазерной гравировки, выставляемые в программе управления аппаратом, указываются в процентной доле от номинальной величины.

Рисунок 6. Лазерный гравер в лаборатории ФабЛаб
Рисунок 6. Лазерный гравер в лаборатории ФабЛаб

Управление лазером осуществлялось через ноутбук с установленным на нем программным обеспечением CorelDraw, в которое можно загружать растровые изображения модели.

Изготовление светопроводящей пластины с микроструктурами осуществлялось в два этапа: 1) нанесение микроструктур (гравировка), 2) резка окружности.

Операции проводились без подачи струи воздуха, что позволило избежать образования продуктов горения оргстекла, которые отрицательно повлияли бы на результат.

Рисунок 7. Растровое изображение распределения микроструктур в графическом редакторе CorelDraw
Рисунок 7. Растровое изображение распределения микроструктур в графическом редакторе CorelDraw

Одной из положительных особенностей лазерной резки является получение прозрачного и гладкого торца, на котором вводимый свет имеет небольшие потери.

Время изготовления одного образца занимало около 50 минут. В рамках разработки экспериментального образца это время удовлетворительно, однако в рамках промышленного масштаба такая производительность считается очень низкой.

Рисунок 8. Процесс изготовления светопроводящей пластины
Рисунок 8. Процесс изготовления светопроводящей пластины

 

Рисунок 9. Процесс изготовления светопроводящей пластины
Рисунок 9. Процесс изготовления светопроводящей пластины

Измерения и результаты

Полученные образцы были установлены в корпус светильника, после чего были проведены измерения светотехнических параметров в фотометрической лаборатории ОАО «Светлана-Оптоэлектроника». Мы сравнивали светильник с оригинальной светопроводящей пластиной китайского производства и полученную нами пластину. С помощью яркомера Konica Minolta была измерена яркость по разным направлениям излучающей поверхности. Полученные данные сведены в таблицы, построены графики.

Рисунок 10. Измерение светильника яркомером в фотометрической лаборатории
Рисунок 10. Измерение светильника яркомером в фотометрической лаборатории
Рисунок 11. Блок управления и приборная панель гониофотометра
Рисунок 11. Блок управления и приборная панель гониофотометра
Рисунок 12. Фотометрическая лаборатория в ОАО «Светлана-Оптоэлектроника»
Рисунок 12. Фотометрическая лаборатория в ОАО «Светлана-Оптоэлектроника»

С помощью гониофотометра был измерен световой поток светильника, кривая силы света и другие фотометрические параметры.

После измерения светотехнических показателей картина распределения яркости фиксировалась с помощью фотоаппарата: была проведена фотосъемка излучающей поверхности на короткой выдержке (1/4000 сек.) и зажатой диафрагме (F=10). По результатам фотосъемки можно было определить в каких областях уровень яркости различен.

Рисунок 13. Фотография светильника с китайской светопроводящей пластиной
Рисунок 13. Фотография светильника с китайской светопроводящей пластиной
Рисунок 14. Фотография светильника со светопроводящей пластиной собственного производства №1
Рисунок 14. Фотография светильника со светопроводящей пластиной собственного производства №1
     Рисунок 15. Фотография светильника со светопроводящей пластиной собственного производства №2
Рисунок 15. Фотография светильника со светопроводящей пластиной собственного производства №2
Рисунок 16. Графики распределения яркости по сечениям излучающей поверхности светильника с китайской светопроводящей пластиной (пунктирный линии) и с пластинами собственного производства (сплошные линии)
Рисунок 16. Графики распределения яркости по сечениям излучающей поверхности светильника с китайской светопроводящей пластиной (пунктирный линии) и с пластинами собственного производства (сплошные линии)

Заключение

На данный момент мы достигли определенного результата, который, однако требует доработки. При сравнении изготовленных нами образцов с китайским, было выявлено, что значения светового потока отличаются на 5%, 1224 лм и 1290 лм, соответственно. Отношение максимальной яркости к минимальной у китайского образца составил 30%, у нашего – 40%, на графиках было показано распределение яркости по сечениям.

Этот результат можно считать положительным, т.к. такая разница обусловлена тем, что это первая попытка изготовления светопроводящей пластины, которой пока сложно конкурировать с отлаженной технологией Китая.

Полученный нами результат отличается от расчетного, но это дает основу для дальнейших экспериментов и усовершенствования технологии нанесения микроструктуры и корректировки компьютерной модели.

Николай Богданов
аспирант кафедры технологий визуализации

Добавить комментарий