LED-TIR-照明透镜设计案例分享

LEDTIR照明透鏡設計案例分享思渤科技光學部[e-mail].t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NGOKNSRayParametriccontrol最佳化最佳化UtilityLibrarySourceLibraryDisplayFilmLibraryUDOP分析結果模擬過程設計過程7如何開始？•當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（TotalInternalReflection）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）MeritFunction(ErrorFunction)：•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DampedLeastSquares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！N1=i2ii2iTAW=FunctionMerit16RedFanOptimization17BlueFanOptimization18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NGOKNSRayParametriccontrol最佳化最佳化UtilityLibrarySourceLibraryDisplayFilmLibraryUDOP分析結果模擬過程設計過程20LED模型：外型+光源•封裝透鏡•反射杯•光源LeadFrameCupDieMagnifiedViewofcup/dieCup/DieEpoxyPackage21四種主要光源的建立方法•幾何光源•點光源•切趾光源•CameraImages22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AccurateModelofSpatialLuminanceDistribution23幾何光源•LED–可以建構但很難，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00.10.20.30.40.50.60.70.80.91010203040Angle(deg)CumulativeFluxLTSimulationNichiaExcellentmatchbetweenLTModelandVendorSpecificationsIlluminancebyimagingbacktothedie(GaNonSapphiretype)24幾何光源•優勢–較容易瞭解其光源物理意義–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AngularSpatial27CameraImages•利用2軸測角儀來量測•利用CCDcamera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：RadiantImaging28CameraImages•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‘AroundtheEquator’(deg)Angle‘Pole-to-Pole(deg)Blocked資料來源：RadiantImaging29CameraImages•優勢–利用量測方式來建構光源，是較準確的光源模型–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：RadiantImaging30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NGOKNSRayParametriccontrol最佳化最佳化UtilityLibrarySourceLibraryDisplayFilmLibraryUDOP分析結果模擬過程設計過程31光線模擬結果NNff=2N=1Convergeswhenfisconstantf=每條光線的強度N=總光線數Binnumber&size5,000rays,2secondsBins：5x5Error：5.04%32如何逼近一個正確的結果？•BinSize最好能跟量測儀器的解析度一致！50,000rays,10secondsBins：72x36Error：4.07%5,00,000rays,80secondsBins：360x180Error：5.72%33雜訊層（NoiseFloor）•當評價函數是以MonteCarlo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（n‧sin=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