Використання оптики для світлодіодів у садівництві

Досягнення технології УФ-світлодіодів почали змінювати ландшафт садового освітлення. Дослідження все ще продовжуються, щоб виявити масштаби переваг та передових методів використання УФ-світла у садівництві. Використання оптики в тандемі із системами УФ-світлодіодного освітлення може допомогти досягти поставлених цілей та оптимізувати зростання. Хоча існує кілька матеріалів, що пропускають УФ-випромінювання, не всі вони еквівалентні або здатні задовольнити вимоги УФ-додатків. Жюстін Гелбрейт, інженер зі скла, та Шарайа Фоллетт, менеджер з розвитку ринку в Kopp Glass, Inc. обговорюють характеристики різних матеріалів, що пропускають УФ-випромінювання, та способи вирішення прикладних завдань за рахунок інтеграції оптичних елементів.

Рисунок 1: Змодельована УФ-світлодіодна система без оптики у додатку порівнюється із системою з оптикою. Зліва результат широкого кута огляду - розсіяне світло. Праворуч світло ефективно спрямоване на полог рослини.

Досягнення світлодіодів дозволяють одночасно керувати інтенсивністю світла та спектром, що призводить до більш ефективного та продуктивного методу освітлення для росту рослин, ніж традиційні джерела. Це додатково реалізується за рахунок удосконалень УФ-світлодіодів, що дозволяють виробникам інтегрувати певні дози цільових довжин хвиль УФ-випромінювання у потрібний час циклу збору врожаю, щоб підвищити якість росту рослин більш економічним способом.

Хоча технологія постійно розвивається, комерційно доступні УФ світлодіоди все ще мають обмеження в досягненні цільових показників продуктивності в садівництві. Використовуючи тільки конструкцію УФ-світлодіодної матриці і відповідні кути променя, може бути складно підтримувати або збільшувати робочі відстані, максимізувати інтенсивність світла і забезпечувати рівномірне світлове покриття на рослинному покриві.

Традиційно для усунення цих обмежень та управління світловіддачею приладу використовувалася оптика. Однак розробка оптики для покращення характеристик УФ-світлодіодів, особливо за нижчих довжин хвиль УФ-В, створює абсолютно новий набір проблем для тих, хто має досвід роботи в традиційних технологіях. Не всі матеріали пропускають УФ-випромінювання з необхідною довжиною хвилі, і не всі матеріали, що пропускають УФ-випромінювання однаково ефективні при застосуванні.

Переваги світлодіодів у садівництві
Світлодіоди мають багато переваг у порівнянні з традиційними технологіями ламп розжарювання, люмінесцентними лампами, лампами з високоінтенсивним розрядом (HID) або натрієвими парами високого тиску (HPS), які історично використовувалися в сільськогосподарських приміщеннях.

Однією з основних переваг використання світлодіодів у садівництві є контроль температури. Лампи HPS виробляють широкосмуговий спектр, який включає ближнє інфрачервоне світло, на яке припадає більша частина тепловиділення. Для світлодіодів більшість споживаної енергії перетворюється на світло. Деяка енергія втрачається на тепло, але це відбувається за допомогою радіаторів, водяного охолодження та інших методів. Світлодіоди дозволяють виробникам краще керувати температурою навколишнього середовища, необхідною для конкретних рослин.

Світлодіоди зазвичай більш енергоефективні. Для того ж кількості світлового потоку світлодіоди зазвичай споживають набагато менше енергії, ніж традиційні лампи. Світлодіоди також мають набагато більш тривалий термін служби, що іноді досягає більше десяти років. Усе це призводить до зниження вартості володіння виробників [1].

Нарешті світлодіоди пропонують цільові діапазони довжини хвилі випромінювання. Завдяки спектрам, що настроюються, користувач вибирає оптимальні довжини хвиль в залежності від області застосування або потреб культивованих видів. Більшість наявних у продажу світлодіодних освітлювальних приладів мають комбінації червоних, зелених, синіх та/або білих світлодіодів, які можна налаштувати залежно від бажаного ефекту, такого як цвітіння чи зростання вегетативних рослин. Однак було показано, що УФ світло приносить додаткові переваги для садівництва.

Користь УФ-випромінювання для росту рослин
Дослідження впливу УФ-випромінювання на посіви продовжуються з 1960-х років. З розвитком УФ світлодіодів дослідники тепер мають джерела світла з низьким нагріванням і вузькими смугами випромінювання в УФ області. Це дозволило оцінити цільові діапазони довжин хвиль; наприклад, недавнє тестування показало, що УФ-B (280-315 нм) випромінювання «збільшує швидкість фотосинтезу, забезпечує фотозахист молодих саджанців перед їх перенесенням у поле та покращує пігментацію, аромат та стійкість до грибкових захворювань та комах» [2].
УФ-світло впливає на фоторецептори рослин та регулює вторинні процеси росту протягом усього життя рослин. Було показано, що це покращує смак, текстуру та зовнішній вигляд рослин. В одному дослідженні вплив NUV-B призвів до збільшення товщини листя салату та збільшення розгалуження пуансеттії [3]. УФ світло також може поліпшити стійкість до хвороб, а також продовжити термін зберігання. Було показано, що він зменшує плісняву та грибок. Наприклад, було показано, що поразки на огірках зменшуються за впливу УФ-В [3].

Важливо пам'ятати, що дозування УФ-випромінювання та необхідні довжини хвиль залежить від культури. Час та розміщення ультрафіолетового світла у циклі вирощування слід ретельно вибирати для кожного виду та бажаних результатів, з розумінням того, що надмірна потужність та вплив ультрафіолетових променів можуть бути шкідливими.

Рекомендації щодо інтеграції УФ-світлодіодів у садівництво
Ключовою проблемою при впровадженні цієї технології є визначення того, як інтегрувати УФ-світильники в існуючі виробничі підприємства чи інфраст.

руктури.

Видимо освітлювальні прилади зазвичай знаходяться на відстані більше чотирьох футів від крони рослин. Ця робоча відстань дає достатньо місця для догляду за рослинами та догляду за ними. Ця відстань особливо актуальна на стадіях вегетації та цвітіння для більш високих видів рослин, а також у теплицях, де додаткові освітлювальні прилади можуть знаходитись на відстані понад 15 футів від цільової поверхні.

На таких робочих відстанях може бути складно інтегрувати УФ світлодіоди, особливо ті, які випромінюють нижчі довжини хвиль (УФ-В). Це пов'язано з тим, що більшість наявних у продажу УФ світлодіодів мають широкий кут променя, зазвичай 120-140 градусів, і меншу вихідну потужність у порівнянні з видимими світлодіодами. У міру збільшення робочої відстані зона покриття світлодіодів також збільшується і може швидко побільшати, ніж стандартні навіси рослин. Це призводить до втрати світла, що обмежує ефективність системи, так і можливість досягнення оптимального дозування і щільності потоку фотонів (PFD), необхідних для росту рослин. Рисунок 1 демонструє широкий кут огляду світлодіода без оптики та результат втрати світла при його застосуванні.
Один із способів вирішення цієї проблеми – піднести прилад ближче до рослинного покриву, щоб гарантувати, що весь світ від УФ-світлодіодів спрямований на цільову поверхню. Це може вимагати значного перепроектування інфраструктури, що може бути дорогим та обмежувати простір, необхідний для операцій зростання. Інше рішення – збільшити кількість світлодіодів для досягнення цільового значення PFD. Однак це також може бути недешево і не усувати втрати світла та оптичної неефективності.

Для освітлювальних приладів, що використовують видимі світлодіоди, поширеним рішенням є введення оптики, що колімує, для досягнення заданого кута променя. Таким чином, робоча відстань може бути збільшена, гарантуючи, що енергія не буде витрачатися даремно на світ, що не потрапляє на задану поверхню, та підтримка заданої кількості потужності. На рис. 2 показано вплив оптики на кут огляду та ефект у додатку для спрямування та захоплення розсіяного світла. За рахунок керування кутом променя світлодіода стає можливою гнучкість конструкції, необхідна для подолання збільшеної робочої відстані.

Однак це рішення не таке просто для освітлювальних приладів, що використовують УФ-світлодіоди. Це пов'язано з обмеженою доступністю прозорих матеріалів, які підходять для УФ-оптики в садівництві. Вимоги до матеріалів включають високе пропускання при критичних довжинах хвиль УФ-випромінювання, механічну міцність для збереження оптичних властивостей в умовах садівництва, можливість виготовлення бажаних форм та розмірів та, нарешті, відповідну ціну.

Визначення очікуваних характеристик та терміну служби різних матеріалів, що пропускають УФ-випромінювання, потребує врахування як критичних властивостей матеріалу, так і умов експлуатації.

Хоча в цій статті основна увага приділяється ультрафіолетовому випромінюванню, важливо вибрати прозорий матеріал, який може пропускати видимі та інфрачервоні хвилі, що дозволяє проектувати та реалізовувати освітлювальні прилади повного спектру.

Прозорі матеріали або УФ-оптика
Поширена помилка полягає в тому, що кварц - єдиний прозорий матеріал, здатний витримувати тривалий вплив за більш низьких довжин хвиль УФ-випромінювання. Однак нові досягнення в галузі матеріалів, такі як розробка Коппом спеціально розробленого УФ-скла, дозволяють виготовляти оптику з високим коефіцієнтом пропускання в УФ, видимому та ІЧ-діапазонах довжин хвиль та витримувати жорсткі умови експлуатації.

Три основні категорії прозорих матеріалів, які можуть використовуватися для оптики в УФ-додатках, - це полімери, такі як акрил та силікон, кераміка та скло, такі як кварц та плавлений кварц, та спеціалізовані склади скла для УФ-випромінювання. Важливо, що УФ-скло не є стандартним матеріалом через композиційний дизайн, розробку, виробничі обмеження та міркування вартості.

При виборі прозорого матеріалу для УФ-оптики немає універсального рішення. Кожен матеріал має унікальні властивості, які визначають контроль над світлом. Життєво важливо оцінити кожну властивість матеріалу з урахуванням усіх аспектів системи освітлення – від робочого середовища до бажаних показників світловіддачі для конкретного застосування.

Щодо садівництва критерії, які слід враховувати, включають передачу, теплові властивості, термін служби матеріалу, оптичну ефективність і, що найважливіше, гнучкість при виготовленні необхідної оптичної конструкції. Основні властивості узагальнені в таблиці 1 та обговорюються в наступних розділах, щоб деталізувати вплив на програму.

Таблиця 1: Важливі властивості матеріалу, які слід враховувати при виборі матеріалу, що пропускає УФ-випромінювання, для оптики

Передача прозорих матеріалів
Пропуск - це перший рівень розгляду при виборі матеріалу, що пропускає УФ-випромінювання. Необхідно визначити довжину хвилі, що цікавить, а потім визначити, чи буде матеріал пропускати достатньо світла, щоб бути придатним для застосування. На рис. 2 порівнюються спектри пропускання вищезгаданих матеріалів при довжинах хвиль УФ.

Малюнок 2: Передача прозорих матеріалів на довжинах хвиль УФ

Оптичний дизайн важливий
Оптимізована оптична конструкція спрямує все можливе світло на поверхню мети і може підвищити оптичну ефективність системи. У багатьох випадках оптика, зроблена з матеріалів з нижчим пропусканням, призведе до того, що більше світла досягне цільового рослинного покриву в порівнянні з плоским вікном з більш високим пропусканням, але без оптичних характеристик.
Галузі, в яких використовуються світлодіоди, вже давно використовують кварц для виготовлення вікон та просту оптику, наприклад, стрижні. Хоча кварц має сприятливу пропускну здатність, він має обмеження за матеріалами та виробництвом, які ускладнюють виготовлення оптичних конструкцій. На відміну від кварцу, спеціалізовані УФ-окуляри, розроблені з урахуванням кінцевого застосування, можуть виготовлятися у складних та контурних формах без виготовлення. Ця гнучкість дозволяє вбудовувати оптичні елементи як падаючу, так і на поверхню оптики, що виходить.

Оптичний дизайн буде детально розглянутий пізніше, але важливо пам'ятати в процесі оцінки прозорих матеріалів.

Температурні міркування
Як зазначалося вище, ключовою перевагою світлодіодів у освітлювальних приладах для садівництва є те, що вони мають нижчу теплову потужність та робочі температури порівняно з традиційними джерелами світла. Світлодіоди виділяють трохи тепла; проте тепло генерується через неефективність перетворення електроенергії на світло, а не через інфрачервоне випромінювання.

УФ-світлодіоди, як правило, нагріваються сильніше, ніж видимі світлодіоди, тому що у них нижча ефективність розетки. На оптичну потужність УФ-світлодіодів припадає 15-25% вхідної електричної потужності, тоді як видимі світлодіоди мають ефективність генерації світла ближче до 40% [4], і що вище потужність світлодіода, то більше тепла може виділятися.
У більшості випадків керування світлодіодами здійснюється термічно, зазвичай за допомогою повітряного або водяного охолодження. Однак необхідно знати робочу температуру, щоб вибрати оптичний матеріал, який не руйнуватиметься або не деформуватиметься при цій робочій температурі.

Вплив середовища застосування на час життя
Вкрай важливо пам'ятати, як на оптику впливатимуть різні умови експлуатації серед застосування. Наприклад, такий матеріал, як ультрафіолетове скло, має високу стійкість до абразивних впливів, циклічного нагрівання та впливу ультрафіолетового випромінювання, тоді як пластмаси в тому ж середовищі будуть руйнуватися і знебарвлюватися, що призводить до серйозних втрат при пропусканні. Важливо, що втрата пропускання може значно вплинути на характеристики освітлювальної арматури, особливо в таких додатках, як освітлення для садівництва, де постійний і рівномірний світловий потік.

Крім того, слід враховувати вплив середовища програми на сам прилад. УФ-світлодіоди, особливо в діапазоні УФ-В, як і раніше, щодо дороги, і їх характеристики можуть значно погіршитися через вплив води та вологості. Плоскі вікна, що закривають лінзи та оптика, зазвичай використовуються в освітлювальних приладах видимого світла для захисту внутрішніх компонентів від впливу навколишнього середовища та отримання галузевих сертифікатів. До них відносяться рейтинги IP та знаки сертифікації, такі як UL, ETL, CSA та CE. Аналогічним чином, вікна та оптика, що пропускають УФ-випромінювання, можуть використовуватися для захисту ультрафіолетових світлодіодів.

Щоб системи УФ світлодіодів продовжували нормально функціонувати і щоб елементи були належним чином захищені, важливо використовувати міцний матеріал, який не втрачає світлопропускання з часом і не псується після тривалого використання.

Стабільність матеріалу при впливі УФ-випромінювання
Оптична стабільність - або здатність матеріалу підтримувати світлопропускання під час використання - залежить як від параметрів джерела світла, таких як довжина хвилі та оптична потужність, так і від типу матеріалу, що використовується. У багатьох випадках тривала дія ультрафіолету може знизити пропускання матеріалу. Ця характеристика відрізняється від матеріалу до матеріалу в залежності від його хімічного складу, конструкції та обробки. Деякі матеріали будуть набагато стабільнішими за інші. Тому слід проконсультуватися з виробниками матеріалів щодо стійкості УФ-пропускання.

Також важливо, щоб структурна цілісність матеріалу залишалася недоторканою після тривалого впливу ультрафіолетового випромінювання, особливо при використанні освітлення в садівництві з використанням довжин хвиль УФ-В та УФ-С. Під впливом ультрафіолетового випромінювання кварцові та ультрафіолетові окуляри механічно стійкі. З іншого боку, більшість полімерів, таких як акрил, розкладаються та руйнуються на поверхні при впливі УФ-випромінювання навіть протягом короткого часу [5].

Хімічна стійкість у робочому середовищі
Часто садові освітлювальні прилади піддаються

вплив води, вологості та інших хімічних речовин, що використовуються при їх застосуванні. Деякі речовини, наприклад, перекис водню, можуть залишати на лінзі плівку, яка знижує пропускання. Якщо матеріал не витримує впливу навколишнього середовища, його характеристики погіршаться, що негативно позначиться на зростанні рослин. Крім того, ідеально підходить матеріал, який легко чистити та доглядати.

Кварцове скло та спеціальне УФ-скло можуть витримувати вологе середовище та стійко до різних хімічних речовин. Полімери набагато менш стійкі до вологості та хімічної дії; вони схильні до більш високого ризику розкладання, що знижує передачу та ефективність.

Вплив вибору матеріалу на оптичний дизайн
Як останній крок слід розглянути питання, як матеріал буде перетворено на свою остаточну форму як оптики. Параметри матеріалу, такі як показник заломлення та технологічність, визначають реалістичність оптичних конструкцій. Сама оптична конструкція та природна передача обраного матеріалу будуть визначати оптичну ефективність системи, а також можливу світловіддачу.

Показник заломлення
Показник заломлення показує, наскільки швидко світло проходить через матеріал і як він відбивається та заломлюється на межах розділу. Ця властивість матеріалу є дисперсійною, тому його слід визначати для довжини хвилі світла, що використовується у додатку.

Кожен матеріал має критичний кут, який визначається його показником заломлення. Якщо падаюче світло падає на поверхню під кутами, що перевищують критичний кут, він повністю відбивається без проходження. На малюнку 4 показаний приклад повного внутрішнього відображення (ППО) та те, як цей принцип використовується в оптичній конструкції. Ці кути є основними для розрахунку кривизни оптики задля досягнення цілей проектування. І пропускання матеріалу, і показник заломлення мають бути відомі на початку процесу проектування оптики. Оскільки різні матеріали мають різні показники заломлення, заміна матеріалів потребує зміни конструкції оптики.

Рисунок 3: Приклад повного внутрішнього відображення (TIR) і те, як цей принцип застосовується в оптичній конструкції

Забезпечення технологічності матеріалу
Для досягнення бажаних характеристик прозорий матеріал повинен набувати форми оптичної конструкції. Отже, технологічність – критична характеристика прозорого матеріалу.

Галузі, в яких використовуються світлодіоди, вже давно використовують кварц для виготовлення вікон та просту оптику, наприклад, стрижні. Незважаючи на те, що кварц має хорошу пропускну здатність, він має матеріальні обмеження, що ускладнюють виготовлення оптичних конструкцій. Його не можна формувати чи пресувати у складні форми. Технології цього матеріалу також обмежені. Це підвищує вартість, роблячи матеріал непрактичним.

Полімери також непрактичні, але з протилежної причини. З полімерів можна надавати складні форми, але через обмеження у методах обробки розмір обмежений. Багато композицій не мають хімічної стійкості і розкладаються після тривалого впливу ультрафіолету, що негативно позначається на характеристиках садівництва. Полімерам також бракує жорсткості, тобто вони можуть гнутися, тоді як скло та кварц стабільні. Це може призвести до зміщення оптики з матрицею ультрафіолетових світлодіодів і призвести до мінливості світловіддачі.

Спеціалізовані склади УФ скла призначені для досягнення цілей. Це включає передачу критичних довжин хвиль ультрафіолету, довговічність матеріалу і можливість економічного виробництва складних оптичних форм за допомогою процесів формування. Гнучкість композиційного дизайну та технологічність гарантує, що оптика може задовольнити потреби програми чи операційного середовища.

Процес оптичного проектування
Останнє, що потрібно враховувати при виборі матеріалу, – це оцінити, як оптичний дизайн вплине на потужність освітлювального приладу. Якщо оптика виготовлена з найбільш відповідного матеріалу, вона ефективно забезпечуватиме цілі кінцевого користувача. Наприклад, може бути сконструйована оптика збільшення робочої відстані освітлювального приладу при збереженні світловіддачі. Він може перенаправляти ультрафіолетове світло, щоб забезпечити рівномірне світлове покриття на рослинному покриві з великою площею основи. Він може колімувати світло, щоб забезпечити рівномірне освітлення зі зростанням рослини. Або він може досягти всього перерахованого вище, оскільки цілі продуктивності варіюються і визначаються додатком або кінцевим користувачем.

Процес проектування оптики зазвичай починається з інженера-оптика. Їм необхідно знати параметри УФ-світлодіода (виробник, спектральний розподіл, пікова довжина хвилі, кут променя), оптичні властивості матеріалу (пропускання, показник заломлення) та бажані цільові характеристики (кут променя, карта PFD, карта освітленийості. ). Інженер використовує цю інформацію визначення типу оптики, яка оптимізує систему задля досягнення оптичних цілей. На рис. 4 показаний приклад скляної УФ оптики, призначеної для посилення лінійної матриці з десяти УФ світлодіодів.

Малюнок 4: Скляна УФ-оптика, оптимізована для лінійного масиву з 10 УФ-світлодіодів

Для виробництва оптики, яка оптимізована як для виробництва, так і для світловіддачі, інженер-оптик, виробник оптики та виробник освітлювального обладнання повинні співпрацювати на ранніх етапах процесу проектування. Не працюючи разом, інженер-оптик може спроектувати оптику, яка забезпечує ідеальний розподіл світла в рамках обмежень, встановлених OEM-виробниками освітлювальних приладів, що не відповідає можливостям виробника оптики. В результаті конструкція може бути дорожчою або навіть неможливою без модифікацій. Співробітництво на ранньому етапі скорочує час, що витрачається на розробку продукту, запобігає дорогій реконструкції, збільшує продуктивність та прискорює виведення продукту на ринок.

Висновок: оптимізуйте характеристики УФ-світлодіодів за допомогою УФ-скляної оптики
Оптика приносить користь і дозволяє розробляти диференційовані та ефективні світильники для садівництва. Вони забезпечують гнучкість конструкції для вирішення проблем додатків та досягнення цілей продуктивності. Оптика може працювати як з видимими, так і з УФ світлодіодами; тим не менш, при використанні довжин хвиль УФ-випромінювання необхідно додатково розглянути питання щодо вибору відповідного оптичного матеріалу.

При розробці оптики для систем УФ-світлодіодного освітлення життєво важливо вибрати матеріал, який пропускає відповідну кількість УФ-світла на критичних довжинах хвиль, демонструє довговічність та зберігає потужність у садівничому операційному середовищі. Матеріал також має бути виготовлений з матеріалу складної форми та розміру без надмірних витрат.

Скляна ультрафіолетова оптика відповідає вимогам до продуктивності та технологічності у садівництві. Вони підвищують оптичну ефективність освітлювального приладу, ефективно спрямовуючи світло на поверхню об'єкта, забезпечуючи оптимальне покриття рослинного покриву, дозволяючи контролювати робочу відстань та захищаючи внутрішні компоненти від довкілля.

Впровадження ультрафіолетової скляної оптики дозволяє виробникам реалізувати переваги ультрафіолетових світлодіодів, у тому числі підвищену якість продукції, підвищений урожай, а також нижчі витрати на енергію, експлуатацію та обслуговування, що призводить до більш продуктивних та прибуткових операцій з вирощування.