CST-LightTools--LED-照明应用

LightTools®LED照明應用光學業務部王弘鈞/[e-mail]•一、LED照明應用領域•二、基本光源建構•三、模擬與分析•四、LEDLens及反射板設計•五、大量光源之應用手法•六、利用最佳化進行設計一、LED照明的應用領域•戶外照明：路燈、廣場照明、隧道照明、交通號誌•室內照明：嵌燈、投燈、檯燈參考:台灣日光燈4LED顯示面版、看板LEDx6利用BMP圖檔模擬網版印刷SpatialLuminanceAnalysis•WeakDiffuser•BEF•WeakDiffuser•Bulkdiffuser•PMMAplatewithESRdots(EnhancedSpecularReflector)LuxeonSideEmitter5車內照明設計儀表板模擬面板按鈕設計6LED照明用透鏡手機閃光燈設計光型設計（圓變方）光型設計（A字母）Target二、基本光源的建構•利用軟體資料庫•由LEDSpec.在LightTools進行設計–幾何尺寸–波長–光型-切趾法–能量軟體內建光源資料庫的應用•直接套用資料庫內的檔案•LED:–Lumileds–Nichia–Osram–Agilent光源資料庫的特性•整體光源特性已由單一面光源替代，幾何外型並未對光線進行追跡效果。•完整LED資料皆建構在光源特性內由LEDSpec.在LightTools進行設計•幾何尺寸•波長•光型-切趾法•能量一份標準的LEDspec.sheet•你需知道的幾項規格光源的幾何外型•對LED的應用者而言，光源幾何結構並非重點，發光效果才是重點•LED可視為一面光源，利用發光表面的特性定義LED的光學行為有效發光區域練習:建構光源基礎外型•有效發光區域:1.9x0.45mm•步驟–RaytracingLightSourceCubeSource–任意三點先架構初步外型–點選左側樹狀資料IlluminationManagerSourceListCuboidSource,之後按滑鼠右鍵選擇Properties叫出屬性對話窗–選擇Coordinate,座標XYZ(0,0.225,0),角度αβγ(-90,0,0)讓TopSurface在光軸上–選擇Geometry,輸入Lengh=0.45,Width=1.9,Height=0.1–按確定後即完成波長:光譜定義•在光源設定檔內修改光譜分布–對於混光系統更需要仔細設定自行定義光譜分布,根據不同波長給訂權重利用工具計算,EX:高斯分佈光譜設計工具•大多數單色LED具有高斯光譜–利用內建工具建構•光譜匯入匯出–自建資料庫–利用SourceLibrary擷取光譜資料練習:定義光譜•設定光源的光譜為463nm高斯波長，半寬21nm•步驟–再開啟光源屬性對話窗–選擇SpectralRegion–選擇Gaussian,將463與21輸入–對應欄位在SpectralRegionChart可觀察結果光形(配光曲線)定義•常見LED光形(指向Directivity)卡式座標+極座標極座標如何讓LED光形規格套用在LightTools進行模擬SourceApodization•任何光源皆可以被切趾(apodized)成角度/空間的強度分布–光源的能量變化依位置或角度定義Spatiallyapodizedcollimatedsource(LowerAngle=UpperAngle=0)tracingtoaflatsurfaceAngularapodizationappliedtoasphericalsourcetomodelNICHIANSCG100A套用Apodization資料•AngularDistributionorSpatialDistribution設定為User-Defined–在進階設定內可以將檔案直接匯入使用Apodization座標系統•Spatialapodization必定使用表面座標系統•AngularApodization分為Source與Surface座標系統–“Source”座標系統等於“Global”全域座標系統–“Surface”座標系統等於表面座標系統GlobalcoordinatesystemSurfacecoordinatesystemThe“Surface”coordinatesystemcanbefoundbyattachingaUCStothesurface(“UCSOnSurface”command)CoordinateSystemExample•The“Surface”coordinatesystemismoreconvenienttodefinerotationallysymmetricdistributionsIntensitydistributionisdefinedusingthe“Source”coordinatesystem.TheLatitude/LongitudecoordinatesaremeasuredwithrespecttotheglobalaxesIntensitydistributionisdefinedusingthe“Surface”coordinatesystem.TheLatitude/LongitudecoordinatesaremeasuredwithrespecttothelocalaxesSurfaceSourceAngularApodizationMapping•Thecoordinatesystemcanbe“Source”or“Surface”•Differentcoordinatesystem[Longitude(U),Latitude(V)][Longitude0,Latitude90][Longitude90,Latitude90][Latitude180][Longitude180,Latitude90][Longitude270,Latitude90][Latitude0]Latitudes0to1800Longitudes0to3600角度Apodization範例•LEDexample:HPHSMx-C650SurfaceMountLED角度Apodization檔案內容•起始為最小值,表示Latitude最大處(“南極”)100degreeslatitudeNote:假設LED強度分布是旋轉對稱的模式,因此只需要ㄧ行數據表示Latitude方向的分布結束值為最大值,表示Latitude最小處(“北極”)100.00spheremesh:11100.220.450.60.750.860.920.950.970.991Mesh:111AsymmetricDistributions•YoucanuseEXCEL(orother)programtogeneratethedataset•Thisusuallyworkswellwhenthedistributionissmooth(nodeepvalleys/peaks).Ifthedistributionisnotsmooththeninterpolationmustbeused•ItshouldbenotedthatthisisanapproximatemethodtogeneratethedataCoordinateRangeforAsymmetric•Whenapplyingasymmetricdataitisnecessarytochoosetherightapodizationcoordinatesystem•Forarectangular2-dimensionaldatagrid(liketheonedescribedearlier)itisconvenienttousearectangularregionintheapodizationcoordinatespace•IntheLongitude/Latitudesystemtheonly“rectangular”rangeis[Longitude90-270,Latitude0180][Longitude90,Latitude90][Latitude180][Longitude270,Latitude90][Latitude0]ApplyingAsymmetricData•Asdescribedinthepreviousslide,themostconvenientcoordinaterangeforasymmetricdatais[Longitude90-270,Latitude0180]•Thisisthesamerangeusedfortheapodizationfilescreatedbythe“ApodizationLibrary”utility•Bydefault,the“TopSurface”ofacuboidsurfacesourceemitsintothisLongitude/Latituderange•The“Surface”coordinatesystemisnotsuitableforapplyingthistypeofdata,sincethecoordinatesystemdoesnothavesucha“rectangular”range•非對稱的光形特性，必須將Apodization定義在TopSurface，之後再利用座標旋轉至正確發光方向利用光形資料庫•UtilityLibrary提供400多筆LED光形資料.•所有資料皆可轉換為切趾檔案使用練習:定義光形•將光源屬性視窗開啟•將TopSurface以外的表面取消發光特性–分別點選各表面，將Emittance頁面的EmitRaysFromSurface取消勾選•設定TopSurface的發光特性(光形)–開啟ApodizationLibrary,在LED頁面尋找NichiaNSCW310型號,將光形圖儲存為NSCW310.txt–切換至ApodizeSource頁面,叫出光源並點選TopSurface;再利用下方的目錄找出NSCW310.txt的檔案,進行“ApplyDirectionApodizer”–回到系統看看TopSurface是否已更新•通常LEDSpec.提供的是強度(cd)•但軟體使用的是能量(Power:Lumen,Watt)能量的設定光度記量間的關係LuminanceIlluminanceIntensityIfDistance,R,islargeI=Illuminance*R2IfLisconstantIntensity=L*ProjectedAreaIfIlluminanceisconstantFlux=Illuminance*AreaAdaeIlluminancFluxIfLisconstantFlux=L*EtendueIfPSAisconstantovertheareaEtendue=Area*PSAIfIntensityisconstantFlux=Intensity*SolidAngle)sin(IntensityFluxddIfLuminanceisconstantIlluminance=L*ProjectedSolidAngleddL)sin()cos(eIlluminancyxzAdaL)cos(IntensityAddadL)sin()cos(FluxFlux單位轉換工具•UtilityLibrary…Source•FluxScaler•根據指定的強度(cd)與表面，自動積分得到功率練習:能量轉換•先將能量計量單位改為Photometric–開啟光源屬性視窗，點選Emittance–將TotalFlux/Power改為PhotometricFlux(內定為1lumen)•開啟能量單位轉換工具–ToolsUtilityLibrarySou