[fnksb]

Когда-то давным-давно уважаемый Virgo_Style, в теме про недостатки линзовых фонарей, выкладывал расчеты по угловому распределению света разных светодиодов – и, соответственно, потерям, возникающим в различной оптике, в первую очередь в асферике.
К сожалению, эти цифры были не совсем точны (или, вернее, совсем не точны), поскольку рассчитывались по двухмерной фигуре - а считать хитрые объемы фигуры вращения всем было лень

Я в итоге так и не понял, по какой же хитрой формуле такое надо считать - но попробовал прикинуть, отталкиваясь от тех же обычных двухмерных графиков



наложив их на % площади полусферы в отдельных сферических поясах, с шагом через 10 градусов:





Получились вот такие результаты, для светика с первичной линзой и без нее – в роли примеров выступает XP-L в HD и HI версиях:






Если я ничего не напутал в методике, то получается что:

Асферическая линза в дальнем положении – например, собирающая свет в углах от 0 до 30⁰ на сторону (или в полном угле 60⁰) - может собрать только 22.5% света (и 22.1% на безлинзовом светике).

Рефлектор с углом раскрытия в 90⁰, то есть 45⁰ на сторону – соответственно, собирающий свет диода в углах 45-90⁰ - собирает в луч ~51% света. Остальные 49% света на рефлектор не попадают и пролетают мимо, образуя боковую засветку. Это не чистые оптические потери, из фонаря-то свет вылетел - но это та часть света, которая не была преобразована вторичной оптикой.
Правда, очень небольшой процент света, "пролетевшего мимо", тоже полетит в направлении луча – так что можно на нем еще полпроцента-процент добавить, но это мизерное количество.

А на XP-L HI в том же 45-градусном рефлекторе – и вовсе получится собрать только ~47% света.

Более широкий рефлектор с раскрытием в 40⁰ (то есть собирающий свет от 50⁰ до 90⁰) - соберет уже только 42% света (или 38.4% на XP-L HI).
А более глубокий рефлектор с раскрытием в 50⁰ – соберет уже ~60% света (или 56% на безлинзовом светике).

Вот такие соображения

[fnksb]

Примеры нескольких рефлекторов – но тут надо учитывать, что реальный угол "пролетевшего мимо" может быть чуть больше, чем видно на фоточках - так как некоторая часть света может отрезаться не самим рефлектором, но еще и боковыми стенками головы. Но тут безели вроде небольшие и скошенные, вряд ли по ним много прилетает.

Acebeam Pokelit, неглубокий рефлектор, пропускает в засветку более 90⁰ – то есть собираетcя в луч <45⁰ на сторону.





По идее, здесь порядка 40% могло в луч собраться, остальное мимо пролетело. Но фонарь и создан, чтобы удобно светить под ноги в основном, так что и хорошо =)


ЯЛ G15 Tactic Pro, довольно глубокий рефлектор, собирает около 50⁰ на сторону





Получается, около 60% света собирается в луч.

Acebeam Tac 2AA, самый глубокий (относительно) рефлектор, который нашелся под руками:





Тут уже под 55-60⁰ на сторону собирается, то есть можно считать что порядка 70-75% света попало на рефлектор. И при этом удачно сфокусировалось в луч - что на таких глубоких рефлекторах редкость (часто у них уйма света уходит не в сам луч, а в широченный ореол). Вот такой рефлектор даже мне нравится

[dsche]

А ещё 10% потерялось на стекле )

[fnksb]

 Сообщение от dsche :

А ещё 10% потерялось на стекле )

Кстати, а потери на стекле наверное зависят от угла, под которым к стеклу приходит свет? То есть из света "боковой засветки рефлектора" (то есть голого диода) несколько бОльшая часть света отразится назад, чем от идущих ~перпендикулярно стеклу лучей, сформированых самим рефлектором?
Или там уже мизерная разница?

[dsche]

 Сообщение от fnksb :

зависят от угла

там до 70 примерно градусов вообще минимальный рост отражения, но так-то конечно зависит, при определённом (остром) угле полное отражение начинается.

[alibek]

В дополнение отмечу еще следующее.

Рефлекторные системы основываются на принципе отражения света (угол падения равен углу отражения). Свет от источника излучения падает на поверхность рефлектора, отражается в нужном направлении в виде сфокусированного пучка.
В прямые потери можно записать поглощение света материалом отражателя, эта доля незначительна, но все же ненулевая (порядка 2-3% для полированного серебра, 5-10% для напыленного алюминия), дефекты поверхности (пыль, грязь) могут эту долю еще немного увеличить. Также в прямые потери можно записать поглощение света защитным стеклом перед рефлектором, это может быть 5-15% в зависимости от материала стекла, его толщины и обработки (просветления). То есть в лучшем случае потери составляют 1-(0.98*0.95)=7%, в худшем случае 25% и более.
Помимо прямых потерь есть и косвенные. В реальном мире нет ничего идеального. Геометрия отражателя может быть неидеальной — какая-то часть света отразится не туда, куда нужно (впрочем эта составляющая скорее всего незначительна). Источник излучения не является точечным, а имеет определенные геометрические размеры — и все, что не попадает в точку фокуса будет отражаться не совсем туда, куда нужно (эта составляющая, а именно соотношение размеров излучателя и отражателя, обуславливает размытую границу спота).
Ну и наконец, если говорить о светодиодах, то у них распределение света не является равномерно-круговым, а является нелинейным и в основном сосредоточенным во фронтальной области. То есть по бокам излучается не так уж и много света (который будет попадать на рефлектор), а существенная доля фронтального направления на рефлектор не попадает и уходит в засветку. Хотя это, конечно, зависит от (относительной) глубины рефлектора.
Кстати, в этом смысле для рефлекторов гораздо более подходящими являются лампы накаливания. У них распределение света является круговым и бОльшая часть света попадает на рефлектор, в засветку уходит меньшая часть от всего излучаемого света.
Тут, кстати, можно были бы помещать перед светодиодом по оптической оси отражающий конус, чтобы он фронтальный свет отражал на рефлектор — я такое видел на некоторых светильниках, но не видел на фонарях, видимо из-за сложностей расчета отражения и малых размеров.
Характер света для рефлекторных фонарей более-менее одинаков — засветка (ширина зависит относительной глубины рефлектора), спот (размер зависит от точки фокуса) и размытые границы спота (обусловлены текстурированием и соотношением размеров диода и рефлектора).

Другой способ формирования лучей света основывается на преломлении света. Это как линзовые фонари, так и TIR. Впрочем, TIR отражение тоже есть, но там все сложнее.
Преломление — это изменение направления движения светового луча при попадании в другую среду (линзу). Степень этого преломления определяется коэффициентом преломления. Фактически этот коэффициент показывает, на сколько в данной среде свет движется медленнее (чем в вакууме, если говорить об абсолютном показателе преломления).
Если сравнивать преломление с отражением, то нужно иметь ввиду следующие нюансы.
Во-первых, оптические потери в линзовой оптической системе обычно больше, чем в рефлекторной. Это в полированном серебре потери порядка 2%, а в линзе потери зависят от толщины линзы и от качества стекла. В дешевых линзах потери могут быть и 5%.
Во-вторых, скорость света в какой-либо среде, отличной от вакуума, зависит не только от коэффициента преломления, но и от длины волны (и, кстати, коэффициент преломления приводятся для желтого света примерно 580 нм). И эта разница приводит к появлению хроматических аберраций. Их хорошо видно на границах спота линзовых фонарей или линзовых автомобильных фар.
Ну и все, что говорилось про неидеальность рефлекторов относится и к линзам. Даже если линза идеальная, светодиод не является точкой и в результате его свет фокусируется не так, как должен. Кстати, как раз для линз светодиоды более удобны, чем лампы накаливания — у них в основном фронтальное распределение света, у них геометрические размеры кристалла обычно куда меньше, чем размер спирали, и кристал обычно имеет правильную геометрическую форму (квадрат или круг), что благоприятно сказывается на форме спота, даже при неидеальной фокусировке.

Тут как бы напрашивается очевидное решение — использовать рефлектор, а спереди ставить линзу, чтобы фокусировать ту часть света, которая не попадает на рефлектор. Вот только линза будет фокусировать весь свет, в том числе и сфокусированный рефлектором — и в результате распределение света сложно посчитать и оно обычно непрактичное. Можно вспомнить автомобильные фары тех времен, когда стекла на них были не гладкие, а с целой системой рассеивающих и фокусирующих линз.

Альтернативой этому стали фонари с recoil-отражателями. Там перед светодиодом ставится специальный отражатель, отражающий фронтальный свет на рефлектор, где он фокусируется в луч. У таких фонарей может быть очень плотная фокусировка с практически отсутствующей засветкой, похоже на асферическую линзу на длинном фокусе, только без чудовищных потерь. Но такие фонари довольно сложны конструктивно и не слишком распространены. Вместо этого сейчас обычно используют фонари с TIR.

По идее TIR сконструирована так, чтобы фронтальная часть света фокусировалась линзой, а боковая и задняя часть света отражалась от поверхности согласно принципу полного внутреннего отражения. Причем свет отражается весь и без потерь, превосходя в этом обычный рефлектор (где небольшая часть света поглощается материалом).
Но это, конечно, только в теории, а на практике все не так хорошо, что обусловлено разными причинами: неидеальность геометрии самой TIR (что приводит к неполному внутреннему отражению и "утечкам" света через конус линзы), неидеальность фокусировки (или использованием не того светодиода, на который линза проектировалась), сложность расчета отражения света. Из-за последнего пункта нельзя сказать, что свет фокусируется подобно тому, как он фокусируется для рефлектора или линзы. Скорее формируется геометрическое место света, который чем дальше от центра (фокуса), тем более разрежен — поэтому у TIR своеобразная световая картина без резких границ.

[fnksb]

 Сообщение от alibek :

Тут, кстати, можно были бы помещать перед светодиодом по оптической оси отражающий конус, чтобы он фронтальный свет отражал на рефлектор

В общем-то, TIR примерно так и работают. Боковой свет собирается "рефлекторными" стенками, часть фронтального света отражается на рефлектор, часть - собирается центральной линзой.

И вроде как в некоторых ТИРках есть забавный эффект, что часть света, не сумевшая с первой попытки вылететь из тирки, отражается обратно в светодиод. Где он снова проходит через люминофор и уходит на второй круг.
Вроде как в том числе с этим связан неоднократно наблюдавшийся эффект некоторого "потепления" света в TIR-оптике.

[alibek]

 Сообщение от fnksb :

часть света, не сумевшая с первой попытки вылететь из тирки, отражается обратно в светодиод. Где он снова проходит через люминофор и уходит на второй круг.

Кстати, напомнило.
Есть такой фонарь — MicroFire Excalibur H20, миллион свечей в пике.
Так вот, это линзовый фонарь (с подвижной линзой).
И чтобы на длинном фокусе не терять кучу света (который не попадает в линзу) — там довольно хитрая система, где внутри ставится искривленное отражающее зеркало, которое отражает свет обратно на люминофор.
Правда подозреваю, что люминофор от такого деградирует быстрее.

P.S. О, у них несколько новинок появилось. Мега-фонарь на семь миллионов свечей я уже видел, а вот мощный зеленый лазер с фокусировкой раньше не видел.

[Virgo_Style]

 Сообщение от alibek :

Альтернативой этому стали фонари с recoil-отражателями. Там перед светодиодом ставится специальный отражатель, отражающий фронтальный свет на рефлектор

еще есть вариант, когда светодиод установлен перед стеклом, "лицом" к отражателю, на своеобразной штанге-мостике. Чем мостик толще - тем сильнее он затеняет поток, чем тоньше - тем хуже отвод тепла.

не очень хорошо видно, но как-то так

[Virgo_Style]

 Сообщение от Virgo_Style :

еще есть вариант

кстати, схема с изрядной бородой, у меня еще в детстве был советский фонарик, устроенный таким манером. Не такой, но похожий.

[fnksb]

 Сообщение от alibek :

Есть такой фонарь — MicroFire Excalibur H20, миллион свечей в пике.
Так вот, это линзовый фонарь (с подвижной линзой).
И чтобы на длинном фокусе не терять кучу света (который не попадает в линзу) — там довольно хитрая система, где внутри ставится искривленное отражающее зеркало, которое отражает свет обратно на люминофор.

Да, там очень остроумная конструкция под линзой:









В руках не держал, картинки из видео с разборкой:

Прямая ссылка на видео YouTube

Появился бы Эскалибур раньше всяких LEPов - наверное, вызвал бы куда бОльший интерес

[alibek]

Ну он и сейчас интерес вызывает.
Только вот стоит...
Ценников сейчас не нашел, но вроде бы раньше он $1600 стоил.

[alibek]

 Сообщение от Virgo_Style :

еще есть вариант, когда светодиод установлен перед стеклом, "лицом" к отражателю, на своеобразной штанге-мостике. Чем мостик толще - тем сильнее он затеняет поток, чем тоньше - тем хуже отвод тепла.

Кстати, такая конструкция идеальна для LEP.
Можно приклеить пятнышко с люминофором прямо на центр стекла фонаря, а светить на него лазером через маленькое отверстие по центру отражателя.
Это будет гораздо более удобная и эффективная конструкция, чем светить лазером сбоку, и размещать линзу спереди, когда часть света, не попавшая в линзу, просто теряется.

[fnksb]

 Сообщение от alibek :

Ну он и сейчас интерес вызывает.
Только вот стоит...
Ценников сейчас не нашел, но вроде бы раньше он $1600 стоил.

А они вообще живы?
Что-то вообще не нашел их в продаже, да и каталог на сайте компании только от 2022 года...

[AEDe]

fnksb,
xpl HI , HD (Хотя разницы почти нет)
,
Угол я по привычке от нормали считал...

[fnksb]

Да, я тоже подозревал, что придет AEDe и расскажет, как это считать правильнее и быстрее

[Drex]

 Сообщение от alibek :

Есть такой фонарь — MicroFire Excalibur H20, миллион свечей в пике.

Отличное название для дальнобоя, сорри за оффтоп.

[AEDe]

fnksb, да я что то подсел на gptchat)
К 3-4 вопросу он сгенерировал код, который оцифровывает графики, считает и рисует интеграл, и можно значение в точке посчитать...и твои значения пригодились чтобы проверить не фигню ли он там придумал)

[fnksb]

 Сообщение от AEDe :

да я что то подсел на gptchat)
К 3-4 вопросу он сгенерировал код, который оцифровывает графики, считает и рисует интеграл, и можно значение в точке посчитать...и твои значения пригодились чтобы проверить не фигню ли он там придумал)

Прикольно
Я сначала тоже думал просто у gptchat спросить, но что-то совсем дичь получалась, так и не смог объяснить чего хочу - и решил, что быстрее руками посчитаю, зато понимая что делаю

С оцифровкой, кстати, тоже почему-то у него не пошло, что даже удивительно - все какая-то чепуха выходила с распознаванием

[AEDe]

L

fnksb, там тоже нужно понимать что к чему. Вот если интересно https://chatgpt.com/share/6... . Там еще десяток вопросов по ошибкам)