1、LED照明光学系统设计照明光学系统设计LED封装结构一次光学设计一次光学设计LEDLED发光管内的光学设计通常称为一次光学设计发光管内的光学设计通常称为一次光学设计LED内通常由芯片、反射杯和透明环氧树脂制成的光学透镜组成。LDE芯片、反射杯和透镜的几何形状决定了LED出光后的空间光强分布。一次光学设计将将LED芯片芯片封装成封装成LED光电器件，必须进行光学设光电器件，必须进行光学设计。一次光学设计的目的是从计。一次光学设计的目的是从LED封装材料封装材料的形状的形状入手，设法提高入手，设法提高LED的的出光效率出光效率；以解决；以解决LED的的出出光角度、光强、光通量大小、光强分布、色溫范
2、围光角度、光强、光通量大小、光强分布、色溫范围等问题。等问题。一次光一次光学透镜学透镜只有只有一次光学设计一次光学设计合理，才能保证系统的合理，才能保证系统的二次光学二次光学设计设计顺利实现，从而提高照明和显示的效果。顺利实现，从而提高照明和显示的效果。一次光学设计的三大因素：一次光学设计的三大因素：芯片，支架，模粒。芯片，支架，模粒。LED芯片是发光的主体，发光多少直接与芯片的质芯片是发光的主体，发光多少直接与芯片的质量有关。量有关。支架承载着芯片，起着固定芯片的作用。支架承载着芯片，起着固定芯片的作用。支架碗的支架碗的形状大小与芯片的匹配形状大小与芯片的匹配，对出光效率起着重要的作，对出光
3、效率起着重要的作用。用。模粒灌满环氧树脂之后就成为模粒灌满环氧树脂之后就成为透镜，透镜，出光的角度和出光的角度和光斑的质量光斑的质量都与模粒形成的透镜有关。都与模粒形成的透镜有关。折射式、反射式、折反射式折射式、反射式、折反射式一次光学设计折射式折射式特点：特点：1 1、当、当LEDLED光线经过透镜时光线会发生折射光线经过透镜时光线会发生折射而聚光，而且当调整透镜与而聚光，而且当调整透镜与LEDLED之间的距之间的距离时角度也会变化（角度与距离成反比），离时角度也会变化（角度与距离成反比），经过光学设计的透镜光斑将会非常均匀，经过光学设计的透镜光斑将会非常均匀，但由于透镜直径和透镜模式的限制
4、，但由于透镜直径和透镜模式的限制，LEDLED的光利用率不高及光斑边缘有比较明显的的光利用率不高及光斑边缘有比较明显的黄边；黄边；2 2、聚光面包含的立体角有限，约、聚光面包含的立体角有限，约70%-80%70%-80%的白光从侧面泄露，发光效率低。的白光从侧面泄露，发光效率低。3 3、提高出光率方法：增加反光杯面积，、提高出光率方法：增加反光杯面积，收集侧面光线。收集侧面光线。4 4、聚光方法：增加透镜曲率。、聚光方法：增加透镜曲率。5 5、一般应用在大角度（、一般应用在大角度（5050以上）的聚以上）的聚光，如台灯、吧灯等室内照明灯具。光，如台灯、吧灯等室内照明灯具。反射式反射式:反光杯反
5、光杯背向反射背向反射正向反射正向反射反射面为一镀有反射膜的抛物面，管芯反射面为一镀有反射膜的抛物面，管芯位于抛物面焦点。位于抛物面焦点。优点：集光效率高，可以达到优点：集光效率高，可以达到80%80%以上。以上。缺点：芯片对光线有遮挡。缺点：芯片对光线有遮挡。要求芯片的纵横比小，横向尺寸：纵向要求芯片的纵横比小，横向尺寸：纵向尺寸尺寸4 4 正向反射式使用的是抛物面侧面区正向反射式使用的是抛物面侧面区域。域。优点：工艺简单，纵横比适中。光优点：工艺简单，纵横比适中。光束发散小，集光效束发散小，集光效80%80%以上，光线无以上，光线无遮挡。遮挡。折反射式折反射式透镜的设计在正前方用穿透式透镜的
6、设计在正前方用穿透式聚光，而锥形面又可以将侧光聚光，而锥形面又可以将侧光全部收集并反射出去，而这两全部收集并反射出去，而这两种光线的重叠（角度相同）就种光线的重叠（角度相同）就可得到最完善的光线利用与漂可得到最完善的光线利用与漂亮的光斑效果；亮的光斑效果；这种透镜集光效率高，对环氧这种透镜集光效率高，对环氧树脂透镜的要求也高。树脂透镜的要求也高。一次光学透镜一次光学透镜c.实际芯片最大发光角度是实际芯片最大发光角度是180度度，需要利用一次透镜有效需要利用一次透镜有效收集芯片发收集芯片发出的光线出的光线，并汇聚到实际需要的出，并汇聚到实际需要的出光角度，如光角度，如160度、度、140度、度、
7、120度、度、90度甚至度甚至60度（不同需要）的出光度（不同需要）的出光角度。角度。a.一次透镜一次透镜直接封装（或粘合）直接封装（或粘合）在在LED芯片支架上。芯片支架上。b.一次透镜多用一次透镜多用PMMA或硅胶或硅胶材料材料。二次光学设计目的：让整个灯具系统发出的光能满足照明需求目的：让整个灯具系统发出的光能满足照明需求一次光学设计的LED聚光能力有限，需要外加透镜和透镜序列聚光二次光学设计LED配光方式反光杯聚光反光杯聚光LED手电筒手电筒散射型：折光板散射型：折光板梯形折光板梯形折光板LED用于大面积照用于大面积照明和显示时，需要明和显示时，需要加散射板来实现加散射板来实现二次光学
8、设计常用元件：二次光学设计常用元件：透镜（球面、非球面）、非球面反射镜、折光板等透镜（球面、非球面）、非球面反射镜、折光板等LED车灯LED路灯模粒材料的种类u硅胶透镜 a.因为硅胶耐温高（也可以过回流焊），因此常用直接封装在LED芯片上。b.一般硅胶透镜体积较小，直径3-10mm。uPMMA透镜 a.光学级PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯），俗称亚克力。b.塑胶类材料，优点：生产效率高（可以通过注塑、挤塑完成）；透光率高（3mm厚度时穿透率93%左右）；缺点：温度不能超过80（热变形温度92度）。uPC透镜 a.光学级料Polycarbonate（简称PC）聚碳酸酯。b.塑胶类材料，优点：生产效率
9、高（可以通过注塑、挤塑完成）；透光率稍低（3mm厚度时穿透率89%左右）；缺点：温度不能超过110（热变形温度135度）。u玻璃透镜 光学玻璃材料，优点：具有透光率高（97%）、耐温高等特点；缺点：体积大质量重、形状单一、易碎、批量生产不易实现、生产效率低、成本高等。不过目前此类生产设备的价格高昂，短期内很难普及。此外玻璃较PMMA、PC料易碎的缺点，还需要更多的研究与探索，以现在可以实现的改良工艺来说，只能通过镀膜或钢化处理来提升玻璃的不易碎特性。模粒材料的种类一次透镜一次透镜是直接封装（或粘合）在LED芯片支架上，与LED成为一个整体。LED芯片（chip）理论上发光是360度，但实际上芯
10、片在放置于LED支架上得以固定及封装，所以芯片最大发光角度是180度（大于180范围也有少量余光），另外芯片还会有一些杂散光线，这样通过一次透镜就可以有效汇聚chip的所有光线并可得到如180、160、140、120、90、60等不同的出光角度，但是不同的出光角度LED的出光效率有一定的差别（一般的规律是：角度越大效率越高）。一次透镜一般用PMMA、PC、光学玻璃、硅胶等材料。二次透镜二次透镜与LED是两个独立的物体，但它们在应用时确密不可分。二次透镜的功能是将LED光源的发光角度再次汇聚光成5至160之间的任意想要的角度，光场的分布主要可分为：圆形、椭圆形、矩形。二次透镜材料一般用光学级PM
11、MA或者PC；在特殊情况下可选择玻璃。F发光效能低F价格昂贵F二次配光难LED照明应用的关键问题照明系统设计方法基于成像理论的传统照明系统 早期的照明设计主要以提供均匀照明面作为主要目标，设计手段也主要 以传统成像光学作为主要的设计理论依据。柯拉照明 临界照明n基于非成像光学理论的新型照明系统 非成像光学(Nonimaging Optics)并不试图在目标面上构建清晰的光源像，而是试图在光源与目标面间找到一种经过优化的光线传递路径。成像与非成像对比在成像光学设计中，光学系统作为成像工具，基本上都用几何光线的概念来研究其规律，对能量传递的研究较少。非成像光学就是从能量传递规律的角度对光学系统进行
12、研究的。非成像光学发展历史1966年，Hinterberger和Winston在发表的一篇提高太阳能收集效率的文献中首次提出了“非成像光学”(Nonimaging Optics)一词。上世纪七十年代中期以后，在总结前人工作的基础之上，Winston和Welford等人开始非成像光学体系。非成像的基本理论空间利用率照明均匀性光线空间角度分布能量的利用率光学扩展量光学扩展量光学扩展量：考虑到光束通过光学系统时，在光源、被照明物体等某一特定位置都有一定的光束截面积和角度范围 对具有光束截面积为A和数值孔径为NA的光束的光学扩展量约为：光束在传递过程中，扩展量守恒！能量收集率能量收集率聚光器的能量收集
13、率C 聚光器具有理论最大能量收集率 边缘光线法 入射孔阑的边缘光线一定是出射孔阑的边缘光线 LED照明光学系统设计CAD软件计算机辅助设计(CAD)技术的飞速发展，使得照明光学系统的研究方法发生了巨大的变化，这主要表现在光学机构仿真软件在照明产业中的普及。TarcePro光学机构仿真软件ASAP高级系统分析程序Lighttoo1s照明系统设计软件ASAP主要特点:具有构建模型功能:如光学同机械器件、各种类型的光源、相干系统.转换能力:其集成式的互换可实现CODE V,OSLO,和ZEMAX 透镜设计光学模块的直接读入.额外模拟工具/功能:如各种可视化绘图;FMVSS(Federal Motor
14、 Vehicle Safety Standards)照明测试(ELTM Module)LightTools LightTools是一个全新的具有光学精度的交互式叁维实体 建模软件体系，提供最现代化的手段直接描述光学系统中 的光源、透镜、反射镜、分束器、衍射光学元件、棱镜、扫描转鼓、机械结构以及光路。主要功能：系统建模 光机一体化设计 复杂光路设置 杂光分析 照明系统设计分析 应用领域：利用LightTools已成功地设计了多种照明系统，包 括投影系统、平板显示器、仪表盘照明、内窥镜照明、报警 灯、汽车前灯、车厢内部照明、指示牌照明等等，从而结束了 照明光学系统没有可靠的计算机辅助设计工具的历史
15、。TraceProTracePro 是一种具有输入、输出、以及内部3-D模拟的虚 拟建模系统 主要应用:照明系统分析 车灯照明、远光灯、尾灯、室内或仪器照明的的分 析 照相系统 红外成像系统TracePro功能和版本强大的Monte Carlo描光：光学仿真软件的重要性就是要使实际物体 与仿真结果中光线的分布与强度一致。TracePro 采用 Monte Carlo 方法描光，使任何的几何物体都能正确的分析出来。使用简单的图形窗口界面 TracePro 可以在 Windows 系列的系统 下运行，使用界面与通用窗口界面相似。它的多任务作业窗口不仅可 以让使用者在一个程序里编辑多个模型以外，更可
16、以同时看到这些模 型。使用者还可利用 CAD 软件或是镜头设计软件来创建模型后转入 TracePro 来进行光学仿真。ACIS核心提供了多沟通能力：由于 TracePro 是 ACIS 的核心，所有由固体模型程序所绘出的形状都可以在 TracePro 中进行描光，包括 NURBS surfaces。TracePro 支持了由 ACIS-based 发展的应 用软件，可允许创建的实体模型，可以至 http:/ ACIS 或是可支持的应用程序，也可以利用 IGES、STEP 或是 VDAFS 的信息交换标准格式来读取 non-ACIS-based 的固体模 型，TracePro 亦可以读取常用的光学设计软件的文件，将透镜准 确、真实且无误差的创建出来。TracePro的光线追迹TracePro是一个实体模型的光学分析软件，TracePro用“普适光线追迹”技术来追迹光线，这种技术允许你引入光线到一个模型，而在物件和表面相 交处并没有引起额外的损失。在每个每交点，个体光线遵从吸收、反射、折射、衍射和散射定 律。当光线在实体中沿不同路径传播时，TracePro跟踪每条光 线的光通量。Trace
