家庭で試した人工太陽光の制作

人工太陽光を作るプロジェクト

• プロジェクトの背景

  • DIY Perks の動画で、500W LED と大型の放物面反射鏡を使って人工太陽光を作るのを見て着想を得た。
  • より場所を取らないデザインを考え、複数の LED とレンズアレイを使った新しい設計を試した。

• デザインのアイデア

  • レンズアレイをグリッド状に配置し、各レンズごとに LED を配置して、省スペース化と放熱管理のしやすさを目指した。
  • CAD モデリング、PCB 設計、光学システム最適化のための Python コード作成など、さまざまな技術を学んだ。

• 技術仕様

  • レンズ: 30mm 四方、焦点距離 55mm、6x6 配列で合計 36 個の LED を使用。
  • LED: LUXEON 2835 3V、CRI 95+、色温度 4000K。
  • PCB: KiCad で設計し、JLCPCB で製造。
  • 光学システム: 光の平行性を高めるため、2 枚のレンズによるシステムを使用。

• 制作工程

  • レンズと機械部品は CNC 加工で製作。
  • PCB は JLCPCB で実装。
  • 光学シミュレーションを通じて最適なレンズ形状を見つけ、最終デザインを決定した。

• 結果と評価

  • プロジェクトは無事完了し、ある程度人工太陽光の効果を実現した。
  • 光の強度がやや不足しており、レンズアレイのグリッドパターンが目立つという欠点がある。
  • 今後の改善点として、より強い光出力、より広い表面積、より精密な光学設計が必要である。

• 結論

  • このプロジェクトを通じて、PCB 設計、電子工学、CNC 製造、光学に関する多くの知識を習得した。
  • コードベースのアプローチの利点を実感し、製造工程での効率を高めた。
  • 将来バージョン 2 を開発する可能性を残しつつ、現在の成果物には満足している。

[GN⁺]

Hacker Newsの意見

• とても素晴らしい。私はInnersceneのCEOで、商業用の人工空照明を作っている。Coelux ht25モデルは私たちが作ったものとほぼ同じだが、より小さなレンズとより多くのLEDを使っている。しかし、彼らが達成した効果は依然としてそれほど優れていない。私たちは完全な平行光、レンズの縁を隠すこと、そして空への視界が滑らかで人工的なアーティファクトなしになるようにすることに多くの時間を費やした。問題の最後の10%が作業の90%を占めるのだと思う。私たちはこの問題の解決に成功したが、現在は高価な部品を多く使っているため、コストを下げる作業を進めている。Innersceneの特許を検索すれば、私たちのアプローチがかなり説明されている。また、シミュレーションとソフトウェアにも多くの時間を投じた

• このセットアップ（そして大半の高効率LED照明）の問題は、赤色波長の不足だ。実際の太陽光は、可視スペクトルのかなり赤い端（700 nm）と赤外線に相当量のエネルギーを持っている。このランプには2つのスペクトルピークがある。1つは約450 nmの青色域にある狭いピーク、もう1つは580 nmを中心とした緑色域のより広いピークだ。しかしその緑色ピークは急激に落ち込み、赤色端にはほとんどエネルギーがない

• 私たちの目にある色感受性の錐体細胞には、3つの感度ピークがある。青色域のS錐体、緑色のM錐体、黄色のL錐体だ。L錐体は脳が赤を知覚するために使われるが、実際には700 nmのような深い赤にはあまり敏感ではない。だからLEDランプが赤を生成していると思っていても、実際には多くの赤色エネルギーを放出していない

• 私たちの体は深い赤色光に敏感だ。ミトコンドリアのシトクロムがそれに反応する。皮膚に赤色光を当てると糖代謝が改善するという実験がある。これは、私たちが赤色の豊富な太陽光の下で進化してきたことを考えると理解できる

• だからこのランプは太陽光のように見えるかもしれないが、重要な波長が欠けている

• 「人工太陽光」を見て、「この人が作った照明のスペクトルを見てみたい」と思った。「CRI 95+」しかなくてがっかりした。CRIの欠点を説明する素晴らしい動画がある。照明の明るさと色温度は、照明のごく一部にすぎない。もっと多くの人が、自分に最も合う照明を見つけるためにスペクトル測定を始めるべきだ。友人たちは好きな／嫌いなスペクトル分布について実にさまざまな意見を持っているが、その好みを特定したり伝えたりするための言葉や経験が不足している

• 私は主にLED電球を使って発熱を減らしている。しかし、常に少しだけ白熱灯／ハロゲン（2400-3000K）を混ぜて使い、この世界のあらゆる素晴らしい色を見ている

• 本当に素晴らしい。私は屋内で日中レベルの光を提供するランプに取り組んでいる。明るい側では50,000ルーメンだ

• 装置をスケールアップする際の主な熱問題は、ランプではなく電源装置の冷却だ。装置を拡張するならATX電源を検討するつもりだ。比較的大きく、通常は内部にアクティブクーラーを備えており、12Vで数百ワットを容易に供給できる。通常はPS_ONワイヤをグラウンドに接続して電源を入れればよい

• DIY Perksも自宅で人工太陽光を作ろうと試みていて、レイリー散乱のようなものに重点を置いていた。この動画は素晴らしかった。OPはDIY Perksに具体的に言及しており、OPの設計ははるかにコンパクトだ。全体サイズは19cm x 19cm x 9cmで、焦点距離5cm、実効照明領域18cm x 18cmに対してかなりコンパクトだ。DIYPerksの動画やCoeLuxのような商用製品はこの形状を実現していない

• いいね。ただ、AliExpressでは輝度向上フィルムを非常に安く入手できる。輝度向上フィルムは透明な光学フィルムだ。下層はバックコーティングで多少の拡散を与える必要があり、中間層は透明なPET基材層、上層はマイクロプリズム構造になっている。マイクロプリズム層が表面層のマイクロプリズム構造を通過する際、光の強度分布は屈折、全反射、光の集積などによって制御される

• なぜトレースを選んだのか気になる。基板あたり7本の信号があり、いずれも低インピーダンスを目標としている。基板裏面に銅を露出させて、その場しのぎのヒートシンクとして使うこともできる。回路内のループの影響を気にする必要はないが、裏面の奇妙な小さな三角形ループが目につく

• 去年、似たようなことをしたが、スペクトルにより重点を置き、スペクトル出力がはるかに優れた高出力の映画用照明を使った。たいていの照明に付属するハイパーリフレクターを追加すれば、平行光効果の大半を得られる。そこにスペクトルのIR部分を埋めるため白熱のヒートランプを追加し、UVA部分のために専用のUV LED照明も追加した。UVB専用ランプを入れる余裕はなかった

• 私も自宅で人工太陽光を作ることにハマった。最終的に選んだ解決策は、低予算の300W相当のLEDコーン型電球（4000lm）と250Wの白熱ヒートランプだった。光の平行性よりも熱に重点を置くことにした。総費用は約$75だった