自宅で人工太陽光を作る実験
(victorpoughon.fr)- ソフトウェア出身の制作者が、DIY Perks式の500W LED・1.2m放物面反射鏡の代わりに、レンズ格子とLED格子で、より薄い人工太陽光装置の初版を作成
- 設計の核心は、30mm角のレンズ36個とLED 36個を6x6で対応させ、各LEDを対応するレンズの焦点に置いて平行光を作る方式
- 完成品は、180x180mmの発光領域、約55mmの有効焦点距離、PMMAレンズ2枚、LUXEON 2835 3V LED、KiCad PCB、CNCアルミ部品、インクジェットフィルムによるRayleigh散乱層で構成
- 遠くから光が来ているような錯覚と強い明暗コントラストは得られたが、明るさは目標の10,000 luxに届かず、1,000〜10,000 lux程度と推定され、レンズ格子のパターンも現れた
- 総支出は約1,000€で、最終部品の原価は送料を除いて約300€と推定。次のバージョンでは、より高い出力、より広い面積、より精密な光学・機械設計が必要
目標とアプローチ
- DIY Perksの500W LEDと1.2m放物面反射鏡ベースの人工太陽光動画を出発点に、より小型な構造を目標にした
- 放物面反射鏡の代わりに小さなレンズを格子状に並べ、各レンズにLEDを1つずつ対応させる構造を選択
- 装置の厚さは個々のレンズの焦点距離で決まり、全体の体積を減らせる
- 単一の高出力光源より、複数の低出力LEDに分散するほうが熱管理に有利な可能性がある
- 制作者は製造と3D設計を学ぶ目的も兼ね、ソフトウェア中心でプロジェクトを進めた
- CADモデリングには主にbuild123dを使用
- 最終組み立ての検証と一部の実験にはFreeCADとOpticsWorkbenchを使用
- PCB設計にはKiCadを使用
- 光学シミュレーションと最適化にはPythonコードを書き、このコードは後にtorchlensmakerというオープンソースプロジェクトになった
- PCB実装とCNCアルミ・プラスチック部品の製作にはJLCPCBとJLCCNCを使用
最終装置の仕様
- 完成した装置は、机上で動作する6x6 LED・レンズアレイ構造
- 機械的仕様
- レンズ正方形の一辺: 30mm
- 有効焦点距離: 55mm
- アレイサイズ: 6x6、合計36 LEDs
- 全発光領域: 180x180mm
- 主要部品
- レンズ: PMMAアクリルをCNC加工した両凸レンズアレイ1個と平凸レンズアレイ1個
- レンズ後処理: vapor polish finish
- LED: LUXEON 2835 3V、Ref 2835HE、CRI 95+、色温度4000K、65mA
- PCB: カスタム設計
- 取り付け部品: CNCアルミ60601部品と黒色つや消しレジン3Dプリント部品
- Rayleigh拡散層: 防水インクジェット印刷フィルム
人工太陽光のための設計条件
- 人工太陽光を作るには4つの要素が必要
- 太陽のように遠くから来る光を模倣する平行光
- 高い色品質。ここではCRI 95+を基準にした
- Rayleigh散乱またはその模倣
- 十分な電力
- 太陽光は約100,000 luxと非常に明るいが、初回プロトタイプでは消費電力を抑えるため10,000 luxを目標にした
- 明るさの知覚は対数的なので、10分の1の強度でも体感上はほぼ似たものになり得ると判断
- 最終設計の実際の効果は1,000〜10,000 luxの間と推定
- 格子ベース設計で重要な変数は、個々のLEDの光束と個々のレンズ面積
- 高CRI表面実装LEDの一般的な光束範囲を30〜130 lumensと見た
- レンズ吸収と側壁損失があり、全体の光学効率は完全にはなり得ないため0.5と仮定
- この条件でレンズの一辺を30mmに決定
レンズと光学設計
- 理想的な点光源と完全なレンズであれば、光源を焦点距離に置くだけで平行光を作れるが、実際のLEDとレンズはより難しい
- LEDは点光源ではない
- レンズには収差がある
- 機械的な位置と向きは完璧ではない
- LEDの放射パターンは等方的ではなく、レンズ中心側の強度がより大きい
- Pythonによる光学シミュレーションと数値最適化を経て、2レンズ構成を選択
- レンズ1: 両凸放物面レンズ
- レンズ2: 平凸放物面レンズ
- 2レンズシステムの有効焦点距離は約55mm
- 焦点距離は、製造・効率・厚さの大きなトレードオフ
- 表面曲率を下げるには焦点距離を伸ばすほうが有利
- LED放射パターンからより多くの光を集めるには、焦点距離を短くするほうがよいと考えた
- 装置の厚さを減らすには焦点距離も短くする必要がある
- 2レンズシステムは、レンズアレイの表面曲率を下げてCNC製造コストを抑えるための選択
- 高曲率の格子レンズは、レンズ間に谷のような形状を作り、CNC加工の可能性を下げる
- build123dでレンズを格子状に積み、取り付け用の縁を追加した3Dモデルを生成
- Python変数だけを変えてアレイサイズやレンズ厚などの設計パラメータを調整でき、設計探索が容易だった
- PMMAアクリルレンズの製作費は約55€
LEDとPCB
- 当初はYUJILEDSの3030 G04を使いたかったが、5,000個リール単位販売で、1リール価格が1,000ドルだったため初回版には使用しなかった
- 初回版にはLUXEON 2835 3Vを選択
- YUJILEDより約3倍暗い
- 演色性がよく、望んでいたSMDパッケージ
- JLC global sourcingで最小注文数量が50個だった
- KiCadでカスタムPCBを設計
- 各PCBは6個のLEDを搭載
- 回路は並列接続された12V LEDストリップ2セグメントの形
- 標準の12V壁面アダプター電源を使用できる
- PCBは電源分配と電流調整だけでなく、LEDをレンズの焦点位置に精密配置する機械的役割も担う
- PCB 3DモデルをFreeCADに取り込み、アルミベースプレート、ライトフード、穴位置を確認
- Pythonコードが正確なLED座標を出力し、それをKiCadレイアウトエディタに入力
- PCB製造と部品実装はJLCPCBに任せたため、この段階では手作業のはんだ付けは不要だった
機械部品と組み立て
- 組み立てのために3種類のカスタム部品を設計
- ベースプレート: PCBと側壁を支え、LED光が通る穴とSMD抵抗の厚さに対応する部分穴を含む
- 側壁: レンズをはめる溝とベースプレート固定溝を含み、M2ねじ用のタップ加工穴を使用
- ライトフード: 各LEDの光を円錐または四角錐状に制限し、対応するレンズだけに向かわせる黒色レジン部品
- フードは黒色レジンで3Dプリントし、壁とベースプレートはアルミ60601でCNC切削
- 実際の組み立てでは、予定していた緑色ブラケットは使わなかった
- 壁とベースプレートだけで箱構造が十分に堅牢だったため
- このため側壁には使わない穴が残った
- 最大の設計欠陥は、レンズ固定溝の幅が足りなかった点
- レンズ端部の厚さ1.2mmを1.22mmの溝に合わせようとしたが、製造公差と黒色つや消しアルマイトの厚みで合わなかった
- 1.5mmの金属ドリルビットで8本の溝を手作業で広げ、合計2〜3時間かかった
- 電源配線はPCB電源ピンと12V電源ソケットにはんだ付け
- PCBとフード部品が共通の取り付け穴を共有しており、PCB-フードのペアごとにねじ2本を使用
- レンズなしで点灯したときに見えるLED光は、意図した有効光ではなくbleed light
Rayleigh散乱の模倣
- 最後の要素は、空が青く見える物理現象であるRayleigh scatteringの模倣
- DIY Perks動画では適切な大きさの粒子が浮いた自作の液体溶液を使っていたが、この方式は実用的ではないと判断
- diyperks forumで、インクジェット印刷フィルムが似た効果を出すという発見を参考にした
- 地元の文具店で入手した透明インクジェットフィルムを切って使用
- 初期設計にこの工程を反映していなかったため、黒色絶縁テープで固定
- 最終ビルドではインクジェットフィルムを2層使用
コストと結果
- 総支出は約1,000€
- 抜けている工具費、廃棄したプロトタイプ部品、最小注文数量のために余ったLEDやPCB、ねじのような消耗品を含む
- 最終装置1台を作る実際の部品原価は、送料を除いて約300€と推定
- 最も高価な部品は、PMMAレンズとアルミのベースプレート・壁などのCNC部品
- CNC部品が総額の約3分の2を占める
- PCB、実装サービス、LED、3Dプリントのプラスチック部品は比較的安価
- 人工太陽光としての説得力は部分的成功に近い
- 頭を左右に動かすと、光が物体の背後の遠い場所から来ているように感じる錯覚は成功
- 光束の中に目が入ると急に強度が増す感覚があり、コリメーションがうまくいっていることを示唆
- サングラスなしでは直視しにくく、放出光と周辺部のコントラストが大きいため写真撮影も難しい
- 弱点も明確
- 全体の明るさが弱すぎる
- レンズ格子の形が強度パターンに見える
- 格子パターンは大きな不快感ではないが、改善の余地がある
次バージョンで変える点
- バージョン2を作るなら、まず出力増加が必要
- 説得力のある効果に近づけるには、光出力を3〜5倍は強くする必要があると見ている
- このプロトタイプより10倍明るい目標を設定するのも無理な水準ではないと判断
- 表面積もさらに大きくする必要がある
- 現在のプロトタイプは18cm x 18cmで、狭い直線の光束の中に座らないと効果を感じられない
- 将来バージョンは2〜4倍広くなければ、偽の窓に近づけないと見ている
- より良い光学設計が必要
- 屈折ベースの設計は可能だと見ているが、非常に精密な光学設計と機械公差が必要
- 格子型の屈折設計は、部品の位置と向きに非常に敏感
格子型屈折設計の利点
- 同じ装置を複数積み重ねて表面積を増やせるため、拡張性がある
- ベゼルは全発光面積の約5%程度で、さらに減らせると見ている
- 反復要素が多く、プロトタイプ段階でもある程度の規模の経済が生まれる
- 全体サイズは19cm x 19cm x 9cmで、5cm焦点距離と18cm x 18cm発光面積に比べて小さい
- DIY Perks方式やCoeLuxのような反射ベース製品では、このフォームファクターは実現できないと見ている
- 熱管理も構造的に有利
- 現在の装置は12V / 3A壁面アダプターで安定動作するほど低出力
- 単一光源を冷却する構造ではなく、表面積に比例する複数のLEDを分散するため拡張の余地がある
- 拡張時の主な熱問題は、ランプ本体より電源装置の冷却かもしれないと見ている
ソフトウェア中心の製作方式
- コードベースの設計アプローチがプロジェクト全体で大きな役割を果たした
- PCB、3Dモデル、組み立て、テストまでコードで扱いたいという結論に至った
- パラメータを1つ変えると、スクリプトで設計全体を更新できる点が強力だった
- 理想的な流れは、スクリプト実行だけで製造データをすべて生成する方式
- GERBER
- BOM
- 3Dモデル
- 機械図面
- 技術ダイアグラム
- 自動公差検査
- 電気検査
- PCBとCADの領域でも、KiCadとGitLabベースのCI/CDのようなツールフローが登場しており、興味深いと見ている
- バージョン2を作る時間があるかは分からないが、結果的にユニークなランプを得られ、製作過程そのものも楽しかった
1件のコメント
Hacker News のコメント
とてもクール。Innerscene（https://innerscene.com）のCEOだが、似たコンセプトを使った商用の人工採光窓を作っている。
実のところ CoeLux HT25 モデルは、より小さなレンズとより多くのLEDを使っている点を除けば、ここで作られたものとほぼ同じだが、効果はまだそれほど良くない。太陽が巨大な球のように見え、数フィート離れただけで太陽だと認識しにくくなる。私たちは完全なコリメート光、レンズ縁の隠蔽、継ぎ目がなく汚れのない空の視界を作ることに多くの時間を費やしてきた。この問題では最後の10%が作業の90%だと考えている。ある程度は解決できたが、現状では高価な部品を多く使っているため、コストを下げているところだ。Innerscene の特許を検索すればアプローチはかなり公開されており、シミュレーションとソフトウェアにも多くの時間をかけた。
市販LEDは分光器で測り始めると実際のスペクトルがまちまちで、高演色性をうたっていてもそうだ。特に6500Kではない色温度が欲しい場合はさらにひどい。電子ペーパーのデスクトップ用ナイトライトを作ったときは、自然光の正午から夜のろうそくの明かりまでスペクトルを変えたかったので、結局は電圧を下げて使えるハロゲン電球を使った。もともとは複数のLEDを基準色温度に合わせて制御するニューラルネットワークも考えていたが、バックプロパゲーションアルゴリズムの一部として分光器と治具を作り、校正するのは興味の範囲を超えていたし、ハロゲンなら同じロットの電球について温度—電圧のルックアップテーブルがあれば済んだ。
家の片側には本物の天窓があるので、反対側にこういうものを付けたいのだが、晴れた空と曇った空が混ざると変に見えそうだ。
この構成で問題だと感じるのは、ほとんどの高効率LED照明と同じく赤い波長が不足している点だ。
実際の太陽光は可視光のかなり赤い端、700nm付近にも相当なエネルギーがあり、赤外線もかなり多い。こうしたランプは450nm付近の狭い青のピークと、580nm中心の広い緑のピークという2つのスペクトルピークを持ち、その緑のピークは急激に落ち込むため赤い端のエネルギーはほとんどない。目の錐体細胞には青のS、緑のM、黄のLという3つの感度ピークがあり、脳はL錐体細胞で赤を見ているが、L錐体細胞は700nmのような深い赤には鈍感だ。だからLEDランプが赤を出していると思っても、実際には赤いエネルギーを多く放出しているのではなく、L錐体細胞だけを刺激している。私たちの体は深い赤色光に敏感で、ミトコンドリアのシトクロムも反応する。皮膚に赤色光を当てると糖代謝が改善したという実験もあり、赤色光が豊富な太陽光の下で進化した裸の類人猿だという点を考えれば納得できる。なので、これらのランプは太陽光のように見えることはあっても、重要な波長の一部が欠けている。
2つ目のピークは650nm近辺で、かなり早く落ちるとはいえ700nmでもまだそれなりの出力がある。要するに、一般に思い浮かべるようなひどい白色LEDよりはずっと良い。
それに比べると、元記事が選んだLEDは電力分布スペクトルがかなり良くない部類だ。色温度も4000Kなので、おおよそ5500Kの昼光を再現するには低い。芸術的な選択としては問題ないが、季節性情動障害の助けになるのは難しそうだ。
「人工太陽光」と聞いて、この照明ソリューションの分光スペクトルを見たいと期待していたのに、「CRI 95+」しかなくて残念だった
https://www.youtube.com/watch?v=lH_owRxupC0
この動画はCRIの限界をうまく扱っており、CRI、拡張CRI、TLCI、TM-30、SSIを詳しく説明している。明るさと色温度は照明のごく一部にすぎず、もっと多くの人が自分に合った照明を見つけるために、実際に分光測定してみる有用性に気づいてほしい。友人たちは好き嫌いのスペクトル分布が非常に多様だが、「この電球は良い／嫌い」以外に、好みを識別したり伝えたりするための言葉と経験が不足している。私は発熱を減らすために主にLED電球を使っているが、Houstonでは熱を出す時に一度、エアコンでそれを取り除く時にもう一度コストを払うことになるからだ。それでも世界のあらゆる色を見るために、2400〜3000Kの白熱灯やハロゲンを少し混ぜて、全スペクトルの黒体放射を補っている
本当に素晴らしい。室内で昼光レベルの照度を出すランプを作っている。レイリー散乱やコリメート光はないが、明るさの面では約4,500ルーメンではなく50,000ルーメンだ https://getbrighter.com/
素晴らしいけれど、輝度向上フィルムはAliExpressで非常に安く手に入る https://www.aliexpress.com/i/2255799825024246.html
輝度向上フィルムは透明な光学フィルムで、3層構造になっている。下側の入射面は背面コーティングである程度のヘイズを提供する必要があり、中央は透明PET基材層、上側はマイクロプリズム構造だ。マイクロプリズム層は、表面の微細なプリズム構造を通過する際の屈折、全反射、集光などによって光強度分布を制御し、光源から散乱した光を正面方向へ集め、視野角の外にある使われない光も通過させる。そのため設計は似ているが、溝は非常に小さい
DIY Perksも自宅で人工太陽光を作ろうと試み、レイリー散乱のような要素に焦点を当てていた。見応えのある動画だ
https://www.youtube.com/watch?v=6bqBsHSwPgw
記事を読んでみると、元記事でもDIY Perksに直接触れていた。元記事の設計のほうがずっと小さい。「全体サイズは19cm x 19cm x 9cmで、焦点距離5cmと有効照明面積18cm x 18cmを考えるとかなり小さい。DIYPerksの動画やCoeLuxのような商用製品の反射式設計では、このフォームファクターは実現できない」
ゴミ箱、非常に明るいLED電球、プラスチック製の本用拡大鏡を使う。肝心なコツは、雑誌サイズの大きな平面プラスチック製フレネルレンズが10ドル程度で手に入るということだ。元記事の解法のほうが確実に優れているが、3Dプリントや実質的にどんな技術もなしに安く作ることも可能だ
「拡張時の主な熱問題はランプではなく電源ユニットの冷却だろう」という部分を見ると、この装置を大きくするならATX電源を検討すると思う
比較的大きく、通常は内部にアクティブクーラーがあり、12Vで数百ワットを容易に供給できる。背面にオン／オフスイッチが付いていることも多く、比較的安価で、少なくとも500Wを大きく超えない限りどこでも手に入る。通常はPS_ON線を接地につなぐだけで、電源投入時にオンになる
太陽光のかなり良い複製はすでにある。Philips CDMだ。大麻を育てるときに使ったが、これまで見た中で最も茂った株になり、花も10/10だった
しばらく生産終了していたが、また生産されているようでうれしい
https://www.futuregarden.co.uk/philips-ceramic-discharge-met...
消費電力が問題でないなら、LEDを含む代替品よりいつでもCDM電球を選ぶ。「Philips daylight CDMランプは、自然な太陽光に近いスペクトル出力を持つ非常に効率的なセラミックメタルハライドランプだ。その結果、植物はより多くの側枝を作り、節間が短くなり、開花点が増え、根系が大きくなって、健全な成長と高品質な収穫につながる。Philips CDM電球は平均30,000時間の寿命の間、高い出力を維持する」
なぜ広い銅面ではなく配線トレースを使ったのか気になる。ボードあたり信号は7本に見え、どれも低インピーダンスを意図しているようだ
ボード裏面の銅を露出させて、追加コストなしで即席のヒートシンクとして使うこともできたはずだ。回路のループの影響まで心配する必要はおそらくないが、裏面の奇妙な小さな三角形のループはかなり目立つ
ボードあたりの実際の配線はVCCとGNDの2本だけだ。最初はSMDヘッダピンを計画していたが、結局使わず、露出パッドにワイヤをはんだ付けするだけで十分だった。PCBごとに接続パッドを8個計画していたが、最終組み立てでは2〜4個しか使っていない。なのでPCB設計には本当に改善の余地が多く、より高出力のバージョン2を作るなら時間をかける必要がありそうだ
LEDの光学スペクトルを見てみたい。太陽光を模倣するなら、植物育成ライトで人気のSamsung LM301系のようなフルスペクトルLEDが必要だ
すべてのLEDが同じではなく、多くの「育成」ライトに入っているLEDでさえ、赤と青の波長に鋭いピークが2つあるだけの場合もある。フルスペクトルLEDは可視光全体にわたって色を出力する。目で見ても分からないので、メーカーを信頼できる製品を買うか、私がやったように小型カメラを付けたRaspberry Pi、分光レンズ、Pythonコードで安価な光学分光器を作ることもできる。興味があれば、Web検索でガイドを見つけられるはずだ
太陽スペクトルを正確に再現するには、基本的には表面温度5500°Cの黒体放射スペクトルから、太陽と私たちの間にある水蒸気と大気ガスの吸収帯を差し引いたものを模倣する必要がある。また太陽スペクトルは可視光の上下にも続いており、赤外線は暖かさを、紫外線は日焼けや火傷を感じさせる。現実的には、ほとんどの市販LEDは太陽光に比べてスペクトルが非常にギザギザしている。異なる種類のLEDを混ぜてフィルタを追加すればある程度補正できるが、この方式はArri Skypanelのような非常に高価な映画用照明でしか使われない