《LED TIR 照明透镜设计案例分享》由会员分享，可在线阅读，更多相关《LED TIR 照明透镜设计案例分享（36页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、LED TIR 照明透鏡設計案例分享 思渤科技光學部 opticalcybernet-.tw www.cybernet-.tw 03-611-8668 目的 透過簡單的範例講解 TIR 透鏡的設計原理，並利用最佳 化的方式進行光學設計 大綱 光學設計概念簡介 完整 TIR 透鏡設計步驟介紹 結論 2 光學設計概念 光學透鏡 凸透鏡、凹透鏡 反射面鏡 拋物面鏡、橢圓面鏡、雙曲面鏡 楔形板 3 光學透鏡 透鏡的目的是將光源收斂或發散，常見的有： 凸透鏡：收斂 在焦點上成為平行光；短於焦距會些微收斂：長於焦距會會聚 凹透鏡：發散 不管位置為何皆會發散，越接近透鏡發散能力越強 4 反射面鏡 利用反射原
2、理將光源導向另一方向 可處理大角度的光源 拋物面鏡 將焦點上的光源轉變為平行光 橢圓面鏡 將焦點上的光源聚焦在另一位置 雙曲面鏡 將焦點上的光源往另一個焦點發散 5 楔形板 改變光線的方向 利用折射率來改變方向 利用全反射來改變方向 聚焦在一小範圍 單純改變方向 聚焦在一範圍 6 光學設計流程 設計 3D 模型 進行光線模擬 建立觀察面 建立光源 資料輸出 NG OK NS Ray Parametric control 最佳化 最佳化 Utility Library Source Library Display Film Library UDOP 分析結果 模擬過程設計過程 7 如何開始？ 當
3、我們考慮一個準直光源設計時，首先想到的會是拋物面 結構 我們可以用一個拋物面結構來達到 LED 準直系統嗎？ 8 拋物面鏡 答案：可行但也不全可行！ 對發光角度較小的部份（綠色光線），拋物面鏡無法達到 有效的功用 對發光角度較大的部份（紅色光線），拋物面鏡能有達到 有效的功用 先假設LED是一個點光源 9 下一步？ 如果我們在 LED 光源前面放置一個透鏡來針對小角度的 光線，是否可以產生準直的結果？ 10 拋物面鏡 + 透鏡 結果似乎不錯！但如何把它們連結起來？ 可以讓系統變得較小嗎？ 11 下一步？ 答案：可以的！我們可以藉由一個塑膠透鏡來把這兩個機 制同時建立出來 我們可以利用全反射（T
4、otal Internal Reflection）的特 性來達到反射的效果 12 全反射型塑膠透鏡 看起來很有希望！ 我們該如何將 TIR 反射罩與透鏡設計的更準直？ 13 最佳化、優化（Optimization） 最佳化三大基本組成： 評價函數（誤差函數） Merit Function (Error Function)： 系統的一個目標函數，是單一的數值。若該數值為 0 表示已經達成 目標 變數 Variables： 系統中可以允許改變的特性，藉由特性改變可以降低誤差函數 限制條件 Constraints： 在進行最佳化的過程中，系統無論如何都必須要達到的情況 最佳化的目的 藉由改變系統的變
5、數，在能夠滿足限制條件的情況下來降低目標 函數 14 為了快速得到設計結果， 光學軟體常用 Damped Least Squares 來達到 最佳化設計 一般會在起始點的位置尋 求可改變價值函數的解 右圖概說了起始位置與價 值函數間的關係 區域最佳化 存在一個最佳化山谷的價值函數 如果初始值在 這裡，那最佳化並無法幫 您找到最佳值 在這斜坡處，最佳化 可以幫您找到最佳值 山谷 區域最佳值 15 最佳化步驟 步驟 1：將 TIR 表面的曲率、圓錐常數與 Z 位置設定成 為變數；透鏡表面的曲率與圓錐常數也設定成為變數 步驟 2：將光線設定成為評價函數，並將所有光線的目標 設定為平行光 步驟 3：將
6、整個 TIR 透鏡的長度、與最大外徑設定為限 制條件 步驟 4：最佳化！ N 1 = i 2 ii 2 i TAW = Function Merit 16 Red Fan Optimization 17 Blue Fan Optimization 18 下一步？ 建立真實光源來取代初始設計的點光源，看看結果如何？ 19 光學設計流程 設計 3D 模型 進行光線模擬 建立觀察面 建立光源 資料輸出 NG OK NS Ray Parametric control 最佳化 最佳化 Utility Library Source Library Display Film Library UDOP 分析結
7、果 模擬過程設計過程 20 LED 模型：外型+光源 封裝透鏡 反射杯 光源 Lead Frame CupDie Magnified View of cup/die Cup/Die Epoxy Package 21 四種主要光源的建立方法 幾何光源 點光源 切趾光源 Camera Images 22 幾何光源 光源很完整的將幾何與發光特性架構出來 光線可以藉由幾種光源特性來表達 點光源 面光源 體光源 空間及角度切趾 燈泡的幾何特性也可以建構 封裝、電極、表面特性等 Accurate Model of Spatial Luminance Distribution 23 幾何光源 LED 可以建
8、構但很難，因為詳細的 數據不容易取得。此外光源的 光學特性不容易表達 通常只有製造商可以提供光源 模型 最佳化可以幫助建構模型 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 010203040 Angle (deg) Cumulative Flux LT Simulation Nichia Excellent match between LT Model and Vendor Specifications Illuminance by imaging back to the die (GaN on Sapphire type) 24 幾何光源 優勢 較容易瞭解
9、其光源物理意義 其他光學元件的影響亦可以反映出來 幾何形狀讓設計者可以更容易掌握位置 劣勢 為了呈現更實際的結果，計算時間相對較長 資料取得困難 25 點光源 所以光線由一個點發射出來 發光角度藉由切趾法來逼近 優勢 一階系統設計 大多數的燈源供應商會提供光強資料 劣勢 發光源是無窮遠（無面積） 真實光源是有發光面積的 26 切趾光源 光源可以從一個區域發射出來 空間切趾與角度切趾可以是獨立的 優勢 光線建構時非常快速 能有效的模擬光源 大多數的燈源供應商會提供光強資料 可以概略的估算光源的空間分佈 劣勢 如果空間與角度切趾間的表達不完整，將會很難量化出結果 Angular Spatial 2
10、7 Camera Images 利用2軸測角儀來量測 利用 CCD camera 來擷取 光源影像 影像提供了不同方向的發光 分佈 多個切趾檔案 可從影像中建構出 Monte- Carlo 光源 資料來源：Radiant Imaging 28 Camera Images 空間輝度可根據量測角度而有所不同 光強度與視角間的特性可以藉由每個影像進行積分輝度來 獲得 Angle Around the Equator (deg) Angle Pole-to-Pole (deg) Blocked 資料來源：Radiant Imaging 29 Camera Images 優勢 利用量測方式來建構光源，是
11、較準確的光源模型 可將顏色分開 資料攜帶上較為方便 劣勢 無法模擬當光源回到燈泡時的情形 資料多為常見的燈泡（資料庫更新速度較開發慢） 檔案比較大 資料來源：Radiant Imaging 30 光學設計流程 設計 3D 模型 進行光線模擬 建立觀察面 建立光源 資料輸出 NG OK NS Ray Parametric control 最佳化 最佳化 Utility Library Source Library Display Film Library UDOP 分析結果 模擬過程設計過程 31 光線模擬結果 N N f f = 2 N = 1 Converges when f is cons
12、tant f = 每條光線的強度 N = 總光線數 Bin number & size 5,000 rays, 2 seconds Bins：5 x 5 Error：5.04% 32 如何逼近一個正確的結果？ Bin Size 最好能跟量測儀器的解析度一致！ 50,000 rays, 10 seconds Bins：72 x 36 Error：4.07% 5,00,000 rays, 80 seconds Bins：360 x 180 Error：5.72% 33 雜訊層（Noise Floor） 當評價函數是以 Monte Carlo 計算結果為基準時，誤差 所產生的雜訊（noise）是一個須考慮的因素 在進行最佳化搜尋時，最好避免結果是來自於雜訊層 一般建議當 MF 低於 1.2*NF 時終止最佳化 在這個區域（MF = NF）， 評價函數的改善將變得不確定 評價函數 雜訊層 優化迴圈 MF 值 34 加入真實光源後的結果 35 結論 由簡入繁 先把 LED 當成點光源 善用折射率 改變發光角度（nsin=constant） 全反射 利用軟體模擬是一個很好的方式 透過軟體可以得知實際的光學特性 經由特性的瞭解，進一步設計出更佳的產品 36
