Rapport Utveckling av energisnål och innovativ ljusstyrande LED-optik - En förstudie

Transkript

1 1 Projektnummer: Rapport Utveckling av energisnål och innovativ ljusstyrande LED-optik - En förstudie Nils Svendenius Professor School of Engineering, Jönköping Projektet är finansierat av Energimyndigheten

2 2 Utveckling av energisnål och innovativ ljusstyrande LED-optik En förstudie Sammanfattning 1 Inledning 2 Bakgrund Nuvarande utvecklingsnivå - Intentioner 2.1 Forskning, utveckling och tillverkning av LEDs 2.2 Armaturer med LED som ljuskälla 2.3 Simuleringsprogram 2.4 Tillgänglig optik för styrning av ljus med LED som ljuskälla 2.5 Utveckling av optiska metoder för ljusstyrning av LED 3 Den asymmetriska belysningen - Belysningskvalite 3.1 Väg- och gatuarmaturer asymmetrisk ljusstyrning 3.2 Arbetsplatsbelysning - asymmetrisk ljusstyrning 4 Styrning av ljuset från dioderna 4.1 Ljusalstringsfunktion 4.2 Värmeproblem 4.3 LEDkvalitevariation 4.4 Chips i utbytbara moduler med yttre enhetlig optik 5 Konstruktion och dimensionering av LEDoptik medelst datorhjälpmedel 5.1 Optikutformningsprogram 5.2 Simuleringsprogram - raytracingprogram 6 Studiemetod och analys 6.1 Vetenskapliga publikationer 6.2 Tekniker för ljusstyrning och kylning 6.3 Slutsatser 7 Referenser Appendix A LED-produkter Figurer Appendix B LED Funktion

3 3

4 4 Utveckling av energisnål och innovativ ljusstyrande LED-optik En förstudie Sammanfattning En förstudie har genomförts omfattande den LED-optik (LED,Light Emitting Diode) som globalt finns tillgänglig för styrning av ljusutstrålningen från LED-ljuskällor. Studien har i första hand omfattat tillgänglig metodik, CAD-programvara och tillgängliga datorprogram för teknisk, innovativ design av optik ( linser och reflektoroptik) och för simulering av ljusutsändning från ljuskälla och optik i kombination. Studien har också i viss mån omfattat forskning, utveckling och distribution av ljuskällan i sig. Resultatet i form av marknadsförda armaturer har också studerats. Bedömningen är att studien har täckt in merparten av den teknik som finns tillgänglig på området utan att göra anspråk på att vara heltäckande. Det sammanfattade resultatet ger vid handen att viss metodik har utvecklats. Det gäller i synnerhet simulering av ljusutsändning från LED-armaturen, speciellt sammansatta ljusmoduler innehållande ett cluster av enskilda LEDs som tillsammans ger en relativt jämn ljusutsändning och utveckling av linsoptik styrande ljuset från varje enskild LED. Det föreligger ändå stora behov av utveckling av listiga metoder för konstruktion av innovativ reflektor- och linsoptik. Utveckling av ljuskällan i sig är förhållandevis längre kommen än armaturer, ljusoptik och övrig armaturteknik; något som påtagligt hämmar den totala utvecklingen och sålunda möjlig energibesparing. Längst kommen är utvecklingen av optisk teknik för väg- och gatuarmaturer. 1 Inledning Utvecklingen av ljuseffektiva och färgriktiga lysdioder (LED light emitting diode) förväntas på sikt medföra att mycket stora mängder funktionellt ljus kan produceras i världen på ett avsevärt mindre elenergikrävande sätt än tidigare. Bara i den industrialiserade delen av världen kan på sikt 10-15% av den elenergi som för närvarande används för belysning vara tillräcklig för att fylla samma behov (och med högre kvalitet) som tidigare om LED-utvecklingen går i prognoserad rikting. Den period som nyss har påbörjats och ligger framför måste betecknas vara det tredje paradigmskiftet för utveckling av artificiell belysning. Paradigmskiftena är då knutna till ljuskälleutvecklingen och den första utgjordes av tillkomsten av glödlampan i början av det förra seklet, den andra av gasurladdningsljuskällorna (lysrör, högtrycksnatriumlampor, metallhalogenlampor m fl) och nu den tredje av lysdioden (LED ). För att nå eftersträvansvärda mål beträffande elenergibesparing och ljuskvalitet är det nödvändigt att utveckla både lämplig optisk ljusstyrande teknik och elektronikverktyg. Besparing beroende på nedsläckning vid närvarokontroll kräver t ex ny och effektiv elektronik. Ny och effektiv optik för ljusstyrning (skapande av effektiva och funktionella ljusfördelningar från armaturen) kan också ge lika stora eller större möjligheter. Effektiva ljusfördelningar i ett rum (dvs rätt mängd ljus med rätt infallsriktning på arbetsplatsen mm och mindre mängd ljus på områden där det inte behövs mycket ljus) kan kräva en mängd ljus som behöver flerfalldigas om en mindre effektiv ljusstyrning kommer till användning. Under det andra paradigmskiftet (gasurladdningslampor) har det skett en påtaglig utveckling av i första hand reflektortekniken (men även viss linsoptik) vilket t ex har inneburit att moderna effektiva lysrörsarmaturer använder ljuset tre gånger mer effektivt än vad som gjordes på 1950-talet. Detta beror dels på att modern

5 5 reflektorteknik har höjt verkningsgraden från 35-50% till 80-90% och att ljuset har riktats mot rätt ställen i rummet. En motsvarande utveckling har skett av ljusstyrande optik för små gasurladdningslampor. Möjligheterna att optiskt styra ljuset har bl a att göra med ljuskällans storlek i relation till optikens dimensioner. Trots att lysröret har ganska omfattande dimensioner har utvecklingen inneburit att ljusstyrning ha kunnat ske med i storlek mindre skrymmande reflektorer. En LED-ljuskälla har en yttre omfattning i två dimensioner på 1 till 10 mm2 och ett T5 lysrör ca 3000 mm2 vilket då möjliggör en teknik som kan rikta ljuset avsevärt effektivare från en LED-armatur och ändå utnyttja en optik som är begränsad i omfattning. Utveckling av effektiv ljusstyrande optik för LED-ljuskällor har alltså en hög utvecklingspotential. 2 Bakgrund Nuvarande utvecklingsnivå - Intentioner 2.1 Forskning, utveckling och tillverkning av LEDs Antalet grupper som bedriver forskning för att senare kunna utveckla LED-ljuskällor är omfattande till antalet; det torde globalt vara mellan 200 till 500 olika eller delvis samverkande grupper, enbart i Sverige finns minst tre grupper. Gränsen mellan forskning och produktutveckling är flytande och antalet grupper som dessutom tillverkar är betydligt färre. När utvecklingen fortsätter bedöms en konsolidering ske vilket i det här sammanhanget innebär att antalet grupper kommer att minska. Antalet konglomerat som finns med i hela kedjan dvs forskning, utveckling, tillverkning och distribution är betydligt färre. De fem största är för närvarande Cree (USA), Nichea (Japan), Osram /Seoul Semiconductors (Europa, Sydkorea), Philips/Lumiled (Europa,USA) och Toyoda (Japan). Utvecklingen inom området går fort och bristen på standards och väldefinierade jämförelsestorheter gör det till en mycket svår uppgift att jämföra produkter från olika distributörer. NIST, USA (National Institute of Standards and Technology) har påbörjat ett arbete med avsikt att lägga grunden för en standard på området. SP (Statens Provningsanstalt) har påbörjat ett mätprojekt (medel från Energimyndigheten) med samma intentioner. Uppgifterna består bl a i att bedöma och jämföra uppgifter från både seriösa och mindre seriösa aktörer och dessutom jämföra dessa med data om gasurladdningslampor. I skrivande stund dvs i början av 2009 är det möjligt att ge vissa säkra uppgifter. LEDs som medelst applicerat lyspulver i dioderna kan ge ett vitt bredbandigt spektrum med acceptabel färgåtergivning och produca mellan lm/w kan erhållas från flera olika distributörer; de högsta mätvärdena är från LEDs med hög färgtemperatur dvs blåvitt ljus. Förbättringshastigheten är ca 5-10 lm/w per år. 2.2 Armaturer med LED som ljuskälla Av lättförståeliga skäl är mängden tillgängliga LED-armaturer inte särdeles stor. I Appenix A visas ett antal på marknaden förekommande produkter. När nya ljuskällor tas i bruk appliceras de ofta i gamla armaturskal och lösningar. En ljuskälla som är så revolutionerande både beträffande funktionssätt, ljusutsändning och dimensioner som LED jämfört då med urladdningsljuskällorna kräver ett nytänkande vad gäller användningssätt och funktion som gör utmaningarna stora för armaturutvecklare och fabrikanter om fördelarna med den nya tekniken skall kunna utnyttjas fullt ut. En process som skulle kunna genomföras avsevärt snabbare om det i föreliggande ansökan aktuella projektet kommer till stånd och genomförs med prognoserade resultat.. Flera av de nu tillgängliga armaturerna har genomgått en viss förbättring sedan de första armaturerna anlände till marknaden. Vägarmaturer har förbättrats och de nya ger en bättre asymmetrisk ljusbild jämfört med de första som enbart riktade ljuset rakt ner(figur 25 28). Spotlights som numera ger en hyfsad ljusbild finns på marknaden (Figur 19-20). Här utnyttjas både reflektor och linsteknik.

6 6 Exempel på moduler där omvägar har utnyttjats för att få armaturtillverkare att gå över till LEDs via gamla invanda tänkesätt är LEDs som fogats samman till en lysrörsliknande modul som då direkt kan användas i gamla lysrörsarmaturer; om nu allt är funktionssäkert utfört. Värmeproblemen kan här öka dramatiskt och avsevärt förkorta livslängden. LEDs måste kylas på ett professionellt sätt och detta ställer större krav på både möjliga optiska metoder och montagesätt. Efter hand som utvecklingen fortsätter mot energieffektivare LEDs kommer emellertid värmeproblemen att minska; strålning som nu absorberas och förorsakar värmeproblem kommer då att stråla ut som ljus och därmed minska värmebelastningen på ljuskällan Exempel på moduler som direkt bygger på den nya LED-ljuskällans möjligheter är Fortimo och Linear från Philips och moduler från Citizen, GE m flera (se nedan och Appendix A). 2.3 Simuleringsprogram Det finns ett flertal olika simuleringsprogram tillgängliga på marknaden - för att simulera ljus dvs beräkna ljusfördelning och ljusutströmning från ljuskälla och optik när denna definierats i programet (Cadmiljö). De mest tillgängliga och med högst renome är Lighttool (Kalifornien, USA), TracePro (Massachusets, USA) och Optis (Frankrike). Programmen har funnits på marknaden under ca 15 år och förbättringar har lagts till efterhand. Programmen har ett stort användningsområde där belysningstillämpningar (i synnerhet då LED-applikationer) i allmänhet utgör en mindre del. Simuleringsresultaten är i de flesta fall acceptabla dvs brukaren kan dra användbara slutsatser av simuleringarna. I Sverige har flera belysningstillverkare och även andra använt flera av programmen för bl a utveckling av lysrörsreflektorer; Optis och ett enklare program Photopia som utvecklats i Denver, Colorada, USA. 2.4 Tillgänglig optik för styrning av ljus med LED som ljuskälla Det har varit mycket svårt att på marknaden finna databaserad teknik, metodik eller verktyg för att utforma den kreativa optik (reflektorer, linser) som kan åstadkomma verkningsfulla ljusfördelningar från LED-ljuskällor; med visst undantag för helt nyligen utvecklad linsoptik utnyttjad i väg- och gatuarmaturer. Nyligen har också visats optisk teknik som möjliggör hel- och halvljusbelysning hos bilar; applicerad för närvarande i Audi R8. Denna teknik kan emellertid svårligen komma till användning i inomhusmiljö. Förmodligen beror det på två faktorer. Dels är de kvalificerade optiskt kunniga experter som utvecklar t ex LightTool inte belysningsexperter och har begränsade kunskaper om belysningskvalite och ljusfördelningar och dels är de flesta som utvecklar reflektorer och optik för belysning inte särskilt kunniga inom grundläggande optik, matematik och dataprogrammering. En metod som utvecklats hos en armaturfabrikant utgör ju dessutom en del av företagets know how och det finns då ett stort intresse av att bevara kunskapen inom företaget. Kunskapen kan förmedlas till allmänheten som en produkt och när det är möjligt skyddas gentimot konkurenter medelst ett patent. Under år som gått har emellertid en hel del sådan metodik utvecklats med tillämpning på lysrör och andra gasurladdningslampor. Här kan nämnas olika typer av paraboler t ex Stevens kurva och Cirkelns involuta. 2.5 Utveckling av optiska metoder för ljusstyrning av LED Föreliggande artikels författare har under en period av ca 30 år på basis av kunnande inom grundläggande optik, matematik och datorprogrammering utvecklat allmänna och speciella metoder för att tekniskt utforma reflektorer och optik för gasurladdningslampor i synnerhet lysrör dvs både metoder och simuleringsprogram för att evaluera ljusfördelning mm. Under denna period har mer än ett hundra tusen programrader datakod skrivits vilket gett upphov till ett stort antal användningsbara program och i förlängningen reflektorer och optik som finns i en stor mängd armaturer uppsatta både i Sverige och utomlands. Armaturer och reflektorer har tillverkats av svenska fabrikanter i första hand Fagerhult AB och bl a gett

7 7 upphov till fyra patent.. Det kommer att vara möjligt att utveckla liknande metoder också med utgångspunkt från LED- ljuskällan. Metoderna kommer att transformeras via olika datorprogram och testas först via simuleringsprogram och sedan via prototyper. Avsikten är att i projektets slutskede göra programmoduler som på ett enkelt kan tillfogas andra kommersiella Cad- och simuleringsprogram. 3 Den asymmetriska belysningen - Belysningskvalite Asymmetrisk belysning innebär att att optiken i armaturen styr ljuset ut från ljuskällan(orna) så att det belysta området under armaturen inte ligger symmetriskt omkring en punkt lodrät under denna utan har en osymmetrisk utsträckning. För att lösa många belysningsuppgifter både inom- och utomhus på ett tillfredsställande sätt är det nödvändigt att förse armaturen med asymmetriskt ljusstyrande optik. 3.1 Väg- och gatuarmaturer asymmetrisk ljusstyrning Väg- och gatuarmaturer är ofta placerade vid vägkanten och armaturen på den stolpe som bär upp denna har ofta en horisontell arm som lyfter in armaturen (över en eventuell trottoar) ett litet avstånd in på vägen. Det är ändå nödvändigt att armaturen avger en ljusbild som i liten utsträckning finns på vägrenen men som belägger hela vägen och ett stort område mellan föregående och nästa armatur längs vägkanten; det är här då nödvändigt med en asymmetrisk belysning för att lösa uppgiften. Armaturer med konventionella ljuskällor (metallhalogen- och högtrycksnatriumljuskällor) har förbättrats påtagligt därvidlag under senare tid vilket innebär att vägbelysningmöjligheterna förbättrats avsevärt. Den LED-belysning som till en början monterats på vägar (för några år sedan) gav en närmast symmetrisk ljusbild och kunde därvidlag inte konkurrera med den konventionella vägbelysningen. Optiken har efter hand förbättrats och armaturer som nyligen marknadsförts har utmärkta optiska egenskaper. Armaturerna är oftast försedda med ett stort antal lysdioder (oftast på en watt) som vardera är försedda med en direkt påkopplad optisk lins som ger denna kraftiga asymmetriska ljusfördelning (Figur 25-29). Troligen kan dessa egenskaper förbättras ytterligare; antingen med mer kraftfulla dioder (med högre verkningsgrad) som inte är i behov av lika stark kylning och därför också kan förses med spegeloptik som kan avge ännu mer uttalad asymmetri eller med större och mer effektiva linser. De utmärkta ljusregleringsmöjligheter som kommer att stå till buds med LED (jämfört med gasurladdningslampor) gör också att ljusnivån kan regleras efter behov. Under lågtrafik kan ljusnivån styras ned till valfri nivå( t ex 10%) utan att ljusegenskaperna försämras eller styras med närvarokontroll till önskade nivåer. Detta är ju inte alls på samma sätt möjligt med gasurladdningslampor. Det finns ju möjligheter att ljusreglera dessa ner till halva nivån men då blir färggivningsegenskaparna påtagligt sämre. Redan nu går det alltså att prognosera en utveckling där LED-belysning för utomhusbruk ganska snabbt kan ersätta den konventionella belysningen. Den blir i alla avseenden att föredra; energiekonomiskt, färggivningsegenskaper, ljusregleringsmässigt, ljusfördelningsförmåga mm. 3.2 Arbetsplatsbelysning - asymmetrisk ljusstyrning Asymmetrisk belysning vid en arbetsplats innebär att armaturen är placerad vid kanten på eller utanför det område som skall belysas (Figur1-2). Figuren visar en armatur som är placerad ovanför eller ett visst avstånd bakom arbetstagaren framför arbetsbordet (utanför kanten av arbetsbordet) och sedan belyser arbetsområdet på bordet med den högsta belysningsnivån. Reflekterande ljusstrålar (speglande reflektion) blir riktade från personen framför bordet så att de inte når in i synriktningen. Det är i det här fallet endast den diffust reflekterande strålningen som når arbetstagaren; vilken då ger mycket goda kontraster och synförhållanden om ljusnivån är tillräckligt hög. När det är fråga om föremål, tryckt text, bilder, broschyrer mm så kan belysning där den reflekterande strålningen faller inom synriktningen ge upphov till så kallad kontrastförsämring som påtagligt minskar möjligheterna att se objektet(n) bra. Är t ex armaturen

8 8 placerad ovanför arbetsbordet mitt på detta (och armaturen ger en symmetrisk ljusbild) så kommer den icke diffust reflekterande strålningen från de föremål som betraktas att hamna inom synriktningen och ge en påtagligt försämrad kontrast och där med också synbarhet. I Sverige är det numera kutym att placera lysrörsarmaturer med konventionella långa lysrör (t ex T5) och tillräcklig bra ljusfördelning enligt figuren (Figur 1 2). Utomlands är det ibland möjligt att se armaturplaceringar mitt över bord och på andra mindre funktionella ställen och som då kan ge upphov till försämrade kontrastförhållanden. Även en mindre försämring av kontrasten måste kombineras med en betydande höjning av belysningsstyrkan för att väga upp kontrastförsämringen. De flesta mindre arbetsplatsarmaturer som är tänkta att placeras på arbetsbordet och ge en mera geometriskt begränsad ljusbild har mindre goda asymmetriska belysningsegenskaper. Förmodligen beroende på konventionen att den ljusstyrande optiken inte tillåts vara tillräckligt stor och välformad för att kunna ge upphov till bra asymmetrisk ljusfördelning; åtminstone när förhållandevis stora (jämfört med små halogenlampor) kompaktlysrör används som ljuskällor. De fåtaliga LED-armaturer som finns tillgängliga på marknaden (Appendix A) för användning som arbetsplatsarmaturer har i de flesta fall mindre funktionella ljusfördelningar; i varje fall ej asymmetriska. Det är härvidlag en påtaglig skillnad i funktionalitet mellan de senast marknadsförda vägarmaturerna och de tillgängliga arbetsplatsarmaturerna. Det måste samtidigt betecknas som en betydligt svårare uppgift att ge en LED-armatur för arbetsplatser och inomhusmiljö både optimala ljusfördelnings egenskaper och en acceptabel och smakfull yttre form; jämfört då med motsvarande egenskaper hos vägarmaturer. 4 Styrning av ljuset från dioderna 4.1 Ljusalstringsfunktion I Appendix B LED funktion beskrivs ingående hur ljuset skapas i halvledarenheten och sedan bringas att lämna denna ut till omgivningen. En intensiv och omfattande forskning bedrivs med avsikt att alstra mer ljus (strålning) från den elström som passerar dioden och minst lika stora insatser läggs ner på att få ut ljuset från diodenheten. Beroende på att ljusalstringsenheten för det mesta är förknippad med ett högt brytningsindex lämnar endast en mindre del av det alstrade ljuset själva diodenheten på naturligt sätt ; från vissa diodkluster endast några få procent. Förhållandevis har själva ljusalstringen för närvarande högre verkningsgrad än ljusutsläppsprocessen från diodenheten. Ett antal olika tekniker utvecklas fortlöpande med avsikt att få ut mera strålning från själva dioden. Dessa optiska tekniker blir då intimt förknippade med själva ljusfördelningskurvan från LED-enheten och luminansfördelningen på denna. Många tillverkare (och armaturtillverkare) har därför valt att foga extra linser till dioden och med dessa producera en viss önskvärd ljusfördelning. Linsen(erna) skall då fogas samman med dioden optiskt tätt dvs utan luftspalt därimellan; en eventuell luftspalt ger upphov till en påtaglig ljusförlust när ljuset passerar de olika gränskikten. På så sätt kan en fungerande minimal armatur erhållas. Optiska linser har emellertid ett funktionsätt som medför större ljusförluster än om t ex spegelreflektorer används för att rikta ljuset. En spegelarmatur får större dimensioner än motsvarande linsarmatur men högre verkningsgrad och bättre ljusstyrningsförmåga. 4.2 Värmeproblem Det energi som inte kan lämna LED-enheten och armaturen i form av strålning förvandlas till värme och kan höja temperaturen påtagligt inne i chippet och därmed sänka verkningsgrad och förkorta livslängd påtagligt. Därför krävs en effektiv kylning av enheten. Att samtidigt kyla LEDen effektivt och optiskt styra ljuset ut ur armaturen har hitintills varit påtagligt enklare med linsoptik än med spegeloptik. Under utvecklingens gång kommer verkningsgraden från LED-enheten att öka påtagligt och därmed automatiskt minska värmeproblemen och kanske så småningom nästan eliminera dessa. En utveckling som då medför

9 9 att spegellösningar blir enklare att applicera. Naturligtvis går det att utnyttja både lins- och reflektorlösningar i samma armaturkonstruktion. 4.3 LED-kvalitevariation Att utveckla och tillverka halvledare av kvalitet är en mycket kvalificerad och omständig process. Lysdioderna som har minimala dimensioner (från hundradelar av en kvadratmillimeter upp till några) skärs ut från en tillverkad waferplatta med några decimeters diameter. En waferplatta kan alltså ge upphov till upp mot ett hundratusen chips som är av skiftande kvalitet. De med de bästa egenskaperna förs samman i olika så kallade binnings med likartade optiska egenskaper (färgtemperatur, färgåtergivningsegenskaper, ljusutbyte mm). Mellan olika binnings av hög kvalite kan de optiska egenskaperna ändå skifta en hel del. Även inom en och samma binning kan egenskaperna skifta på ett för ögat noterbart sätt. De flesta utskurna chips blir produkter men de av sämre kvalitet säljs ut med betydligt lägre priser och hamnar hos lågprisutförsäljare och produkten hos slutkunden blir därför billigare men får ofta en betydligt sämre funktion. 4.4 Chips i utbytbara moduler med yttre enhetlig optik Används i en och samma armaturserie enskilda lysdioder vars ljus styrs ut med separat optik från varje LED kan ljusegenskaperna mellan dessa armaturer skifta en hel del även om det är fråga om högkvalitativa chips från en och samma binning; och i synnerhet om driftsegenskaperna (armaturerna placeras på olika ställen med mera) också kommer att skifta över driftstiden. Det kan också bli kostsamt och servicekrävande att byta ut enskilda dioder ur armaturerna. Därför har flera ljuskälleföretag lanserat modulenheter med ett flertal små likadana dioder i samma enhet. Ljuset från dioderna blandas i vissa av dem i ett inre optiskt rum och riktas mot en och samma ljusblandande platta som då fungerar som ljuskälla i en armatur. Fördelen med ett sådant förfaringssätt är att ljusegenskaperna hos de olika modulerna blir betydligt mera likartade än från enskilda dioder. Philips har utvecklat och säljer för närvarande två olika moduler - Fortimo LED Downlight module system och Fortimo LED linear (Figur 3-8). Philips moduler monteras och kan bytas ut i en armatur på ett lika enkelt sätt som andra ljuskällor. Philips har för avsikt att uppgradera modulerna med nya mer effektiva dioder efter hand som sådana utvecklas. Ljusmängden från modulerna kommer hela tiden att vara lik stor vilket innebär att ljusutbytet ökar i takt med uppgraderingen. En av nackdelarna är emellertid att det inre optiska rummet i sig absorberar ganska mycket ljus och på så sätt kraftigt sänker totalverkningsgraden jämfört med om dioderna hade fått brinna utan yttre begränsning. Värmeproblemen blir därmed större och kylningen kräver ett stort utrymme för att bli effektiv. För närvarande har Fortimo LED Downlight ett ljusutbyte på 65 lm/w och armaturer byggda med modulen som ljuskälla är redan konkurenskraftiga i professionella miljöer. Citizen och General Electric (Figur 8) marknadsför också en mindre något annorlunda modul. Utvecklingen av funktionella LED-armaturer släpar efter påtagligt och ligger inte i takt med diodutvecklingen; förmodligen beroende på ovan beskrivna problem. De utvecklade modulerna kommer med stor sannolikhet att påskynda denna utveckling. 5 Konstruktion och dimensionering av LEDoptik medelst datorhjälpmedel Vid konstruktion och dimensionering av optik (linser, reflektorer) för ljusstyrning medelst datorteknik utnyttjas två typer av datorprogram; optikutformningsprogram och raytracingprogram.

10 Optikutformningsprogram Optikutformningsprogram kan exemplifieras med det program författaren till föreliggande rapport har utvecklat för att med utstrålningen från en minimal ljuskälla belysa en rektangelformad eller ellipsformad yta. Ljuskällan och armaturen (lins eller reflektor) placeras på ett visst avstånd från den yta eller det föremål som skall belysas och den belysta ytan hamnar då på ett visst avstånd från punkten rakt under armaturen. Detta benäms asymmetrisk belysning och utgör en belysningsmetod som i de flest fall förbättrar de funktionella belysningsförhållandena avsevärt vid t ex en arbetsplats (se avsnittet asymmetrisk belysning). I de flest fall eftersträvas en jämn belysning på det belysta området. I praktiken uppstår en belysning som i bästa fall har högst nivå i mitten på det belysta området och blir något lägre ut mot kanterna på det belysta området för att sedan avta ganska kraftigt utanför; för optimala synförhållanden eftersträvas en avklingande belysning utan skarpa kanter. Evalueringen kan starta med en central ljusstråle som antingen lämnar ljuskällan lodrät uppåt i rymden (reflektor) eller lodrät nedåt (lins). Denna bringas sedan när den träffar ett litet (av konstruktören utlagt) reflektorelement att reflekteras så att strålen hamnar på en bestämd punkt på den yta som skall belysas. Programmet beräknar hur det lilla elementet skall orienteras i rymden så att strålen hamnar på rätt ställe på ytan. Beroende på hur strålen går ut från ljuskälleytan, ljuskälleytans luminansegenskaper och reflektortorelementets rymdyta och avstånd till ljuskällan representerar ljusstrålen ifråga en viss mängd ljus som hamnar på en mycket liten del av det område som skall belysas. Är det fråga om en lins beror strålens riktning ut från linsen av brytningsindex och vinkeln mellan strålen och ytan på optikelementet. Rymdytan (sfären) utanför ljus-källan kan delas in i ett stort antal element ( ) och programmet följer strålarna från ljus-källan genom varje element (med en logisk ordning) och placerar ut dessa på det belysta området så att den eftersträvade belysningsfördelningen erhålls. Det existerar i praktiken inga punktformiga ljuskällor. Beroende på detta och en viss osäkerhet i placering och orientering av optikelementen kommer en senare simulerad beräkning av belysningen på ytan inte att ge samma resultat som belysning konstruerad enligt ovan. Det är då möjligt att som utgångsbelysning vid en ny konstruktionsberäkning modifiera denna (beroende på simuleringens resultat) på ett rätt sätt som kompenserar för ljuskällans storlek och den lysande ytans geometriska utformning. Den totala reflektorytan eller linsen måste också få en slutlig utformning som gör att den hänger ihop och som resultat ger en tillverkningsbar och acceptabel form. 5.2 Simuleringsprogram - raytracingprogram Vid simulering av ljusfördelning (belysningsfördelning, belysningsresultat) måste alla optiska element föras in i datorprogrammet. Ljuskällan uppträder som geometrisk form som kan delas in i ett antal mycket små element och får adekvata ljusutsändningsegenskaper. Luminansen på varje litet element har oftast inte lambertfördelning ( ideal diffusor) utan denna beror på ljuskällans övriga optiska egenskaper och är ofta en funktion av ljusstrålens vinkel mot ljuskälleytans normal. Det ljusstyrande elementet (reflektor, lins) har en form som beskrivs med analytiska funktioner eller en punktmängd i rymden. Är det fråga om en punktmängd beskrivs ytan vanligen med små trianglar som bildas av vardera tre närliggande punkter. Analytiska funktioner beskrivs antingen av enkla parabel- eller ellipsformade ytor eller av t ex bezierkurvor eller någon form av så kallade friformsytor. De optiska egenskaperna finns också inlagda i programmet; brytningsindex, reflektorns spridningsegenskaper (speglande,delvis diffus mm). I simuleringen följs matematiskt ett stort antal strålar som går ut från varje element hos ljuskällan så att halvsfären över varje ljuskälleelement täcks in. Varje ljusstråle följs sedan genom hela armaturen och lämnar denna och ger upphov till en så kallad ljusfördelning i rymden och/ eller träffar en yta på vilken belysningsresultatet eftersträvas. För att uppnå

11 11 tillräcklig precision i resultatet kan det ibland vara tillfyllest med att följa några hundra tusen strålar. I särskilt komplicerade fall kan det vara nödvändigt att simulera resultatet med upp mot 20 miljoner strålar. Beroende på komplexiteten i modellen kan beräkningstiden variera från några få sekunder till flera timmar. Programmets och operatörens kompetens och uppgiftens svårighetsgrad avgör hur många simuleringar som behövs för att resulatet skall vara nöjaktigt. Efter ett tillfredställande simuleringsresultat är det oftas nödvändigt att kontrollera resultatet med ett praktiskt prov. Beroende på avvikelsen mellan simuleringsoch mätresultatet får beslut tagas om hela proceduren behöver upprepas för att komma närmare det önskvärda resultatet. För det mesta uppnås ett accepterat resultat efter några få omgångar. Ibland för att kanske skapa marknadens bästa armatur kan det krävas inte bara ett mycket stort antal simuleringar utan också ett flertal praktiska prov innan utgången är tillfredställande. Programmen har begränsningar som gör att det i vissa fall inte är kapabelt att producera ett resultat som i tillfredställande grad överensstämmer med provresultatet. Jämfört med de först konstruerade datorprogrammen har förbättringarna på senare tid varit avsevärda. Ett avsevärt framsteg gjordes vid övergång till simuleringar som styrs av sannolikhetskalkyl t ex enligt Monte Carlometoden. När en ljusstråle passerar ett optiskt interface behöver då inte alla möjligheter simuleras när en enda stråle följs. Alla alternativen läggs visserligen in i programmet men vid varje passage avgör slumptalsmetoden vilket alternativ som följs. När då ett mycket stort antal strålar följs i hela simuleringen kommer det slutgiltiga resultatet ändå att bli i stort sett detsamma som om den äldre typen av avsevärt mer komplicerad programmeringsmodell hade utnyttjats. På marknaden finns enligt ovan ett antal program som simulerar ljusresultatet från en armatur inkl ljuskälla(or). Flera av dem är mycket omfattande och komplexa men används ofta i mindre utsträckning för armaturkonstruktion. Endast ett program Photopia innehåller förutom raytracing en del listiga optikutformningsprogram som då underlättar konstruktionsarbetet. Framtagning av ett antal metoder som uttrycks i form av speciella kurvor eller metoder enligt ovan skulle kunna påtagligt underlätta, snabba upp och förbättra möjligheterna att utveckla nya innovativa och funktionella LEDarmaturer. Flera av programmen bl a Photopia utgår från en uppmätt ljusfördelning när strålarna från ljuskällan skall konstrueras. Detta är kanske tillfyllest när det är fråga om T5-lysrör med en mycket jämn och likartad luminans över hela ljuskälleytan. Många andra ljuskällor har en luminans som varierar över ytan (bland gamla ljuskällor t ex kompaktlysrör) och då måste egenskaperna noggrant kartläggas och simuleras så att utgångspunkten för ljusstrålarna blir egenskaperna på den del av ljuskällan som strålarna utgår från vid simuleringen. Beträffande LED-ljuskällor blir gränsskiktet mellan dioden och den omgivande luften mycket viktigt och för att underlätta för fortsatt arbete här genomförs ett studium av egenskaperna av Statens Provningsanstalt. Ljuskällemoduler som t ex Fortimo förenklar denna process avsevärt beroende på att luminansegenskaperna från den yttre lysande enheten är betydligt enklare att utgå från. Luminansegenskaperna kan fastställas genom en inte alltför komplicerad uppmätning. 6 Studiemetod och analys Studieinriktning och analys har varit att med alla möjligheter som ett modernt samhälle erbjuder få tillgång till den kunskap som globalt finns inom området optiska metoder för styrning av ljuset från LEDljuskällor. Detta är naturligtvis en totalt sett omöjlig uppgift. Det är mycket svårt nästintill omöjligt att få tillgång till utvecklade optiska metoder som kommersiella företag betraktar som kunskap som inte bör släppas ut från företaget. På ett eller annat sätt brukar ändå resultat av kunskaperna färga av sig åtminstone i form av marknadsförda produkter. Om en inom området kunnig forskare eller utvecklare får

12 12 tillgång till produkter som nått marknaden brukar ett närmare studium av dessa ge en viss uppfattning om tillvägagångssätt och metoder som ligger som grund för resultatet. Det gäller i synnerhet om ett företag lyckats finna en ny tillämpning av en mera traditionell metod men även om nya mera revolutionerade metoder har tillämpats; åtminstone i viss utsträckning. En sådan studium av produkter har gett upphov till den mest givande kunskapsinhämtningen i föreliggande projekt. 6.1 Vetenskapliga publikationer Förhoppningen var naturligtvis också att det skulle finnas tillgång till en beskrivning av viss grundläggande optik för LED-ljusstyrning som publicerats i vetenskapliga eller andra tidskrifter som är tillgängliga bl a på internet. Sådan information från internet har emellertid varit möjligt att få tillgång till i mycket begränsad utsträckning, vilket varit både förvånadsvärt och naturligtvis i högsta grad otillfredsställande. Internet har ändå utgjort den främsta kunskapskällan men de produkter ( och optisk teknik ) som visats upp på internet har marknadsförts på ett mycket ytligt och otekniskt sätt; ofta har tyngdpunkten inte lagts på egenskaper som har med funktionell och energisnål belysning att göra utan på flashighet och teatraliska upplevelser. Detta beror till stor del förmodligen på att det inte finns några väl etablerade standards på området. Armaturprodukter har emellertid visats upp som sedan möjliggjort en närmare kontakt med tillverkare eller sådana som i Sverige marknadsfört produkten och senare också möjliggjort ett fysiskt studium av dessa. 6.2 Tekniker för ljusstyrning och kylning Ett flertal LEDarmaturer har ur både optisk och andra aspekter ( inte minst den nödvändiga kylningstekniken) studerats ingående; både armaturer för inom-och utomhusbruk. När det gäller funktionalitet och ljusegenskaper tekniken i utomhusarmaturer nått längst (Figur ). Figurerna visar vägarmaturer med mycket funktionell ljusspridning och beräkningar ger vid handen att ljusspridningen redan är i nivå med den hos de bästa konventionella armaturerna. Det är här avancerad linsteknik som utnyttjats för att åstadkomma de funktionella fördelningarna. Varje 1 Ws diod har försetts med varsin lins vars utformning har framtagits medelst datorprogram. Trots att linserna är små är den ljusstyrande förmågan imponerande; vilket beror på att den ljusgivande ytan är mininmal i förhållande till (den ändå lilla) linsens storlek. Beroende på konventionella ljuskällors storlek ( och att de sprider ljuset i hela sfären) är det inte möjligt att styra ljuset från dessa på samma sätt. Huvudanledningen till utveckling av linstekniken är att det är betydligt svårare att lösa värmeproblemet om ljusstyrningen sker enbart med reflektorer. Nu löses kylningsbehovet genom kylande flänsar på ovansidan av armaturen. För att få till stånd en mera utvecklad styrning med reflektorer måste dioden placeras under reflektorn och ljusstråla uppåt mot denna och ger då utomordentligt goda ljusstyrningsegenskaper ( bättre än medelst linser ) men nuvarande kylproblem går svårligen att lösa på så sätt. Den kylningsenhet som då måste placeras under reflektor och LEDenhet skärmar av och blockerar vid nuvarande utvecklingsnivå för stor andel av det från reflektorn utstyrda ljuset. Sådana lösningar får kanske anstå till dessa att LEDenheternas verkningsgrad blir påtagligt större och därmed minskar eller negligerar kylningsbehovet. De beskrivna linslösningarna fungerar alltså för närvarande mycket bra men absorberar i sig mer ljus än en reflektorlösning beroende på att själva linsen konsumerar mer ljus än vad som är fallet vid reflektionen i en reflektor. Konstruktionsmetoden vid linsutformningen är likartad den som beskrivs i avsnittet optikutformning. Ny teknik har traditionellt varit möjligt att få tillgång till via forskarrapporter och publikationer. I vissa fall upplever forskare också ( av olika anledningar) ett behov av att publicera större rapporter i form av böcker. Företag brukar också ibland när nya armaturer, med ljusegenskaper som beskrivs som revolutionerande, marknadsförs för att imponera och kanske sälja mer visa en del av de optiska egenskaperna i form av strålgångar. Denna form av redovisning har det endast varit möjligt att få tillgång till i mycket liten

13 13 utsträckning. Det går inte att peka ut någon rapport eller publikation som innehållit några väsentliga nyheter härvidlag. Samma situation har delvis varit rådande ifråga om teknik och metoder rörande själva dioderna; med visst undantag för den information som erhållits från Philips AB vilket lett fram till en nödvändig förståelse av gränssnittet mellan LEDenheten och omgivningen. 6.3 Slutsatser Förhoppningen var när denna studie påbörjades att kunskapinhämtningen skulle vara avsevärt mindre arbetskrävande och ge ett mer omfattande resultat; och således att föreliggande rapport skulle komma att innehålla betydligt mera handfast kunskap. En verkningsfull och funktionell grund är ändå lagd för ett nytt projekt som kan ge upphov till ny och verkningsfull optisk metodik för ljusstyrning med LED som ljuskälla. Detta kommer då att kunna innebära en betydligt snabbare omvandling av samhället mot en energibesparande och funktionell belysning. 7 Referenser Referenserna (de fyra första) utgör webbadresser till beskrivningar av allmänna simuleringsprogram för ljusbehandling. De tre artiklarna beskriver optiska metoder för styrning av ljus från små ljuskällor. Svårigheterna att få tillgång till adekvata referenser har gjort dokumentationsarbetet avsevärt mer komplicerat Cassarly "Illumination merit functions," SPIE Optics + Photonics Conference, Proc. SPIE, Vol. 6670, Nonimaging Optics and Efficient Illumination Systems IV (September 2007). Cassarly, Davenport, Hough Cassarly, Davenport, Hough "Optimization for Illumination Systems: The Next Level of Design," SPIE, Vol. 5456, p , September "Optimization for Efficient Angle-to-Area Conversion in Illumination Systems," SPIE, Vol. 5524, p , October 2004