Эволюция технологии Multi-Pixel LED вызвала огромный скачок в развитии интеллектуальных систем освещения, которые наиболее заметны в автомобильной промышленности. Теперь первый гибридный светодиод обеспечивает интеллектуальные фары с более чем 1000 индивидуально контролируемыми пикселями. Ральф Бертрам, который работает над передовыми концепциями светодиодных устройств, и Норберт Харандт, который разрабатывает оптические решения для общего освещения в Osram Opto Semiconductors, показывают, что автомобильное освещение является лишь одной из потенциальных областей, в которых может применяться интеллектуально избирательное управление пикселями. Варианты использования в общем освещении, такие как отображение информации для наружного, внутреннего, розничного или промышленного применения, очень универсальны.
Крупный вид «Omnipoint»
Умное светодиодное освещение становится все более заметной тенденцией, не только привлекая внимание отрасли как растущий рынок, но и внимание широкой общественности. Тенденции, такие как умные дома, проникновение IoT и достижения в области светодиодной технологии, являются одними из ключевых факторов, способствующих росту рынка. Энергосбережение стало возможным благодаря высокоэффективной светодиодной технологии, интеллектуальным механизмам управления и датчикам для регулирования параметров освещения для удобства пользователя, а также новым концепциям, таким как Human Centric Lighting, которые находятся на переднем крае сознания потребителя.
До сих пор адаптивное освещение включало изменение интенсивности света и цвета в ответ на параметры использования, такие как присутствие или время суток. Но есть много дополнительных областей применения, в которых интеллектуальное пространственно-адаптивное освещение может обеспечить множество преимуществ для конечных пользователей и открыть новые потенциальные рынки для поставщиков решений.
Автомобильная промышленность традиционно возглавляет многие технические разработки. Сегодняшние автомобили часто представляют собой самые сложные технологии, принадлежащие многим потребителям. Практически каждый аспект современного автомобиля является высокотехнологичным и использует самые современные материалы и решения. В результате, автомобили стали платформой, демонстрирующей эволюцию технологий, а также потенциал и прогресс среди инженеров и новаторов. Адаптивные системы фронтальной подсветки (AFS), например, помогают повысить безопасность вождения и дорожного движения. Эти системы регулируют направление света, чтобы предложить водителям наилучшую видимость, освещая кривые прогрессии, сторону дороги или помогая защитить встречный трафик от бликов через так называемый адаптивный управляемый луч (ADB). Эта концепция адаптируемых световых лучей и эмиссионных характеристик источников света также находит свое отражение в общем освещении в областях применения, включая освещение магазина, или осветительные решения для отелей, гастрономии или бизнес-среды.
Итак, почему переход на пространственно-адаптивное освещение не произошел раньше? Скорее всего, потому, что технологические проблемы даже выше, чем с другими системами освещения. Для изменения напавления света требуются движущиеся части, такие как наклонные зеркала или сдвигающиеся линзы. В прошлом просто невозможно было обеспечить доступное, эффективное и адекватно надежное решение, которое также обеспечивало бы длительный срок службы, необходимый для профессиональных систем освещения. С продолжающейся миниатюризацией светодиодных технологий появляются новые возможности, которые обещают добавить еще одно измерение в адаптивные огни: изменение структуры луча источника света без движущихся частей
Области применения и требования
Интеллектуальные пространственные светодиодные осветительные установки уже обычны в некоторых приложениях: коридоры загораются, когда вы проходите мимо, парковочные места освещены только там, где люди присутствуют, а огни над офисным столом или в зоне кладовой автоматически тускнеют, когда они не используются.
Все это можно сделать, добавив датчики и интеллект к существующим и новым светильникам. Например, в коридорах достаточно осветить или диммировать интервалы по 3-5 метров. В офисе это уже другая история: некоторые люди могут захотеть осветить только свой стол, а не область вокруг него. Другие хотят иметь световой луч на бумаге, над которой они работают. Думая о самолете, поездах или автомобильных интерьерах, может потребоваться осветить только кроссворд, который решает пассажир, и не мешать пассажиру на соседнем месте, который хотел бы спать. Это также полезная функция для домашнего освещения - например, если вам нравится читать по ночам, тогда как ваш партнер рано ложится спать.
Музеи или рестораны имеют разные требования к адаптируемому освещению. Сегодня им обычно приходится выбирать одно осветительное устройство с большей или меньшей гибкостью через дорожные системы, в которых светильники можно отрегулировать вручную. Если изменится расположение их столов или предметов искусства, первоначально выбранная схема освещения часто вообще не подходит. Однако замена осветительного прибора занимает много времени и, следовательно, дорого. Чтобы этого избежать, новые системы освещения требуют цифрового контроля и гораздо более тонкой детализации светлых пятен, что затрудняет или делает невозможным реализацию с помощью обычных средств.
В витринах магазинов преимущества пространственно-адаптивного освещения еще более очевидны: установка световых акцентов нажатием на планшетный компьютер, даже с удаленного места, может значительно сэкономить усилия и деньги, связанные с настройкой отображения товаров. Он также позволяет пользователю изменять внешний вид дисплея в специальном уведомлении, даже не касаясь его.
Технические проблемы
Каждая из этих сфер применения имеет разные требования к необходимым уровням освещенности, а также «гранулярность» - это означает размер каждого «пикселя», который должен быть освещен. В таблице 1 мы попытались оценить типичные сцены, включая размеры объектов, расстояния источника света и результирующие углы луча.
|
|
Офис (стол) |
Ресторан |
Музей |
Свет для чтения |
Магазин |
|
Гранулярность на объекте |
1м |
20-100 см |
50-100см |
5см |
5-20 см |
|
Расстояние d |
2-5м |
2-5м |
2-5м |
1 -1,5м |
1-3м |
|
Требуемый свет |
500 лк |
20-200лк |
300-1000лк |
100-300лк |
5-5000 лк |
|
Свет на пиксель |
500 лм |
10-200лм |
200-250лм |
0,3-1лм |
1-10, до 100 лм |
|
Угол линзы пиксея в градусах (альфа) |
30 |
2 |
5-10 |
2 |
1-5 |
Таблица 1: Оценочная «гранулярность» (= наименьшее площадь на целевом объекте) и требуемые оптические параметры для различных приложений
Рассматривая набор параметров, самая большая проблема заключается в очень тонкой детализации каждого отдельного луча. Osram начал демонстрировать подобный сценарий применения с концепцией «Omnipoint» в 2015 году [1]. В этом сценарии сборка из почти 100 светодиодов High-Power Oslon Square размещается на внутренней поверхности полусферы в конфигурации downlight. Каждый светодиод, оснащенный собственной оптикой с узким лучом, указывает на свое направление в комнате. Путем переключения или затемнения каждого светодиода индивидуально, распределение света в помещении может быть плавно адаптировано.
Рисунок 1: Размер пятна на цели равен «детализации» в источнике с несколькими точками
Благодаря этим огромным усилиям с точки зрения механики и оптики, прибор может удовлетворить требования к офисному приложению, как объяснялось выше, и приближается к выполнению спецификации освещения магазина. Тем не менее, приложения, направленные на освещение небольших объектов, например, свет для чтения или сложное освещение выкладки товаров, требуют еще большего количества пикселей и меньших лучей. Для разработки системы, отвечающей этим требованиям, необходим другой, более интегрированный технический подход.
Больше, но меньшие пиксели требуют плотной компоновки светодиодов, которые могут быть рассмотрены индивидуально. Поэтому миниатюризация системы и ее компонентов является ключевым требованием, которое позволило бы использовать общую оптику для сотен источников света. В свою очередь, это важно, чтобы система была простой и доступной.
Рассматривая требования в таблице 1, необходимые уровни освещенности на пиксель для многих приложений могут быть выполнены с использованием устройства 1 мм. Светодиоды, каждый из которых способен доставлять типичные от 100 лм - до 300 лм в режимах повышенной нагрузки.
Однако, чтобы осветить всю комнату этими лучами, необходимы сотни или даже тысячи пикселей. Таким образом, важно иметь излучатели с высокой яркостью, которые могут быть упакованы очень близко друг к другу. На рисунке 3 показан массив нового «размера пакета» размером с чип, который не больше, чем сам чип. Фактически, он был спроектирован как поверхностно-излучающая микросхема без какого-либо способа упаковки или рамки вокруг него. Его компактность идеально подходит для плотных массивов, но при этом имеет размер, управляемый стандартным оборудованием SMD.
Рисунок 2: крупный вид «Omnipoint»: каждый светодиод со своей собственной линзой светит под другим углом и, следовательно, освещает другую область в комнате
Массив этого нового кластерного светодиода обеспечивает максимально возможный компактный размер, реализуемый светодиодными компонентами, и поможет удовлетворить требованиям многочисленных сценариев мест применения. Но даже это достижение, в некоторых случаях, в общей светодиодной матрице будет представлять собой размер, который трудно управлять оптикой. Кроме того, подключение светодиодов все же должно быть реализовано в пассивном матричном корпусе с внешней электроникой. Таким образом, следующим шагом в процессе интеграции будет многопиксельный светодиод.
Рисунок 3: Массив поверхностно излучающих источников размером со стандартный чип
Переход к многопиксельному источнику света
На сегодняшний день адаптивные светодиодные осветительные системы, включая автомобильные фары, работают с индивидуально контролируемыми чипами для каждой освещаемой области. В настоящее время, эволюция многопиксельной светодиодной технологии инициирует гигантский скачок в развитии интеллектуальных систем освещения, которые наблюдаются в автомобильной промышленности.
В рамках исследовательского проекта «μAFS» (произносится «микро А-Эф-Эс»), финансируемого Министерством исследований и образования Германии, группа немецких компаний работала три с половиной года до сентября 2016 года на базе нового класса энергосберегающих технологий, эффективные светодиодные фары для адаптивных систем головного освещения. Osram Opto Semiconductors взяла на себя лидирующую роль координатора проекта и внесла свою обширную экспертизу в области светодиодных решений для автомобильной промышленности, а также в области чипов и технологий преобразования.
Партнеры по проекту разработали источник пиксельного света с 1024 индивидуально контролируемыми световыми точками. Они обеспечивают около 3 люмен (лм) всего лишь 11 миллиампер (мА) для отдельной пиксельной поверхности 0,115 × 0,115 мм от закрытой эмиссионной поверхности 4.00x4.00 мм с размером сетки 0,125 мм. Они расположены в массиве 32x32 на активной матричной IC, поэтому каждый пиксель может управляться индивидуально . Первоначально разработанный для применения в автомобильной фаре, он также может обеспечить тонкую гранулярность, необходимую для коммерческого освещения и освещения для чтения.
Другим важным преимуществом являются опции управления, например: через взаимодействие между камерой и контроллером. Камера работает как «глаза» системы, захватывая информацию об окружающей среде и перенаправляя ее на контроллер. Этот «мозг» обрабатывает информацию и пересылает подходящий адаптированный шаблон распределения света к пикселям в цифровом формате. Каждый из пикселей может быть включен и выключен разными токами более ста тысяч раз в секунду и поэтому может быть затемнен. В зависимости от ситуации система решает, какие пиксели будут затронуты. В автомобильных приложениях будут подсвечиваться дорожные знаки (например), чтобы водители могли видеть их четко, не ослепленные отраженным бликом от их собственных фар.
Автомобильное освещение, однако, является лишь одной из потенциальных областей, в которых может применяться интеллектуальное избирательное управление пикселями. Варианты использования в общем освещении, такие как отображение информации для наружного, внутреннего, розничного или промышленного применения, очень универсальны.
Вызовы и возможности для дизайнеров оптики
Переходя от дискретных объективов к интегрированному массиву, мы также сталкиваемся с серьезными проблемами в дизайне оптики. Осветительная оптика в традиционном смысле всегда заключается в размывании источника света, а не в создании изображения на стене. Это также касается удаления любых фокальных точек, поэтому прожектор излучает единый, однородный, слегка расходящийся луч.
Если мы хотим создать оптическую систему, которая может передавать свет от разных пикселей в разные стороны, нам нужно снова вернуться к системе формирования изображений. В оптических терминах это простая задача - преобразовать пространственный шаблон в угловую структуру.
Задача не сильно отличается от того, что делает широкоугольный объектив («рыбий глаз») при использовании для изображения с камерой в обратном порядке: он проецирует лучи, идущие с разных углов на разные пиксели камеры на матрице. Он также не так сильно отличается от оптики проектора изображения, которая приносит свет от разных точек изображения к разным углам в комнате.
Однако, используя светодиоды в качестве источника, основным отличием является угол приема, как показано на рисунке 4: для объектива камеры не имеет значения, под каким углом лучи попадают в датчик. В проекторах свет обычно предварительно коллимирован, поэтому изображение формируется из света, который является более или менее параллельным, и оптике требуется только принять ограниченный диапазон входящих углов. Кроме того, эффективность не является основной целью этих систем.
Рисунок 4: Разница между камерой для изображений (слева) и системой освещения (справа) - обратите внимание на большую угловую апертуру, необходимую для источника света системы освещения
Для нашей системы пикселей, образованных одиночными светодиодами, каждый пиксель излучает свет в полное полушарие. Таким образом, оптике необходимо не только преобразовывать пространственное изображение в угловую структуру, но и захватывать как можно больше света, а также свет, испускаемый по бокам, и приводить его в правильное направление. Это определенно невозможно для стандартной оптики и требует сложного оптического дизайна с несколькими относительно крупными объективами. Поскольку это по-прежнему оптика для освещения, предельные требования к качеству изображения не нужны. Тем не менее, требования к цветокоррекции высоки, чтобы перенести 3 шага по MacAdams от источника света в область освещаемую. В любом случае для скрытия структуры светодиодных чипов в помещении требуется небольшое «размытие».
Это, безусловно, новая, интересная задача для дизайнеров оптики: слияние «двух миров» оптики для изображений и оптики освещения для создания действительно новых решений для пространственно-адаптивного освещения.
Конкурирующие технологии
Включение и выключение пикселей не требует новых технологий. Цифровые проекторы, как с жидкокристаллическим экраном, так и с технологией микрозеркал, доступны и предлагают миллионы пикселей. Однако это устройства, предназначенные для отображения информации, а не для освещения. Таким образом, они работают с цветами RGB, что идеально подходит для отображения изображений, но создаст ужасное цветовое впечатление при использовании в качестве источника для освещения комнаты. В дополнение к этому, они работают, постоянно создавая высокий уровень освещенности и снова поглощая свет в пикселях, которые должны быть темными. Это не только очень неэффективно, но и заканчивается ограниченным черно-белым контрастом.
Использование светодиодного источника света, где пиксели только загораются, когда их свет действительно необходим, является необходимым для адаптивной системы, энергоэффективной, достаточной для использования в целях общего освещения. Это также позволяет создавать системы с меньшими радиаторами, а также возможность применять пассивное охлаждение без раздражающего шума вентилятора.
Поскольку технология чрезвычайно надежна, ее также можно использовать в более суровых условиях, таких как наружное освещение. Поэтому его можно было бы ввести в архитектурное освещение или установить на движущиеся светильники на сцене и в кинофильмах
Рисунок 5: Взгляд художника на адаптивную систему освещения
Вывод
При реализации «адаптивного освещения» уровни освещенности и цветовые температуры, а также распределение света, излучаемого каждым отдельным светильником, можно изменить, чтобы действительно создавать различные сцены освещения в течение дня или адаптироваться в условиях конкретной ситуации.
Первые демонстрационные системы O-исследователей, основанные на одиночных светодиодах, были продемонстрированы системой «Omnipoint», которая выразительно продемонстрировала концепцию. С тех пор миниатюризация источников света позволяет уменьшить форм-факторы и добавлять все новые и новые возможности. Реализация проектов с размерами чипов (CSP), особенно с самыми компактными новыми поколениями светодиодов, позволяет добавлять все больше пикселей в плоском дизайне. В будущем мы увидим еще больше пикселей и интегрированных (активных матриц) конструкций, когда размеры светодиодов действительно войдут в шкалу микрометра.
Многопиксельные светодиоды находятся на ранней стадии выхода на рынок с дополнительными возможностями для применения в общем освещении. Эта технология позволит вывести освещение на следующий уровень, поскольку она добавляет еще одно измерение в технологию адаптивного освещения: пространственное управление светом, без каких-либо движущихся частей или компромисса в высоком уровне эффективности светодиодов, к которому мы уже привыкли.