light tools光学设计报告

BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,Ltd
一次配光
主要介绍基于LED封装颗粒中的一次配 光应用与优化，此方案同样可应用在照明 中的光源设计制造中。 基于光学设计后的实验与生产，可以 借助计算机的辅助功能使产品从试验到投 入生产效率得到快速提高，做到事半功倍。
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优化前的光强分布
初始结构中的每个变量都 是半随机选择的； •最初，有将近6lm的光能 通过主光学元件从后面 出射； •总的光通量是17.9lm，是 由于光元件阻止了部分 原来被反射吸收的光线； •最大光强3 cd； •但光强分布明显还未达 到最优。
优化后光栅出光分布图
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Conclusion
光学设计已经广泛的应用于LED设计、家用照明、汽 车相关、背光源、光机电系统等各个光学领域。 光学设计利用强大的软件仿真和模拟系统，将实际的 光学结构进行快速仿真处理。 光学设计软件将过去需要几天甚至几年进行多次试验 和计算的过程缩短到几个小时内完成。 光学设计解决方案过程:
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Light tools背光中网点的设计与优化
网点制作: 用的比较多的就是丝网 印刷、激光雕刻、模具成型三种，各有 优缺点。 设计目标:LED背光源中进行丝网印 刷网点，使LED光源发出的光线均匀的 分布。
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LED色温优化
设计荧光粉发光的白光LED色温
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LED色温在light tools中的优化方案
如果我们能够得到与荧光粉相关的准 确数据，便可以通过调整荧光粉的密度来 精确调整LED的色温； •荧光粉密度可以有下面表达方法: –单位体积内荧光粉颗粒数(particles / mm3) •利用Mie理论（Mie theory）：通过输入荧光 粉颗粒大小，介质与颗粒的折射率等数据， 计算出平均自由程。
设计目标 设计一款新的K2 LED的光学封装结构，使之具有高方向性 的光强分布 设计要求 –总的光通量不能减小太多 – –能简易替换现有光学元件
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初始设计
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主光学元件初始结构
随着技术水平的不断提高，目前照明市场对LED 以及LED相关照明产品的光学特性要求越来越多， 并且越来越细。 如： – –最大光通量和光转化效率(lm/W) (lm/W) –符合用户要求的光强分布(lm/Str) –色温和色彩均匀程度 –LED灯具的光能综合利用率( %,从灯具中发出的或照 明目标接收到的光能除以从LED出来的光能) 因此，为了提高光利用率，色温等，光源的一次 配光，色温优化，二次配光尤为重要。
一次配光光学设计
K2 LED封装一次配光举例
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Luxeon K2原厂数据
•光强分布为朗伯体 •光通量：17.6 lm •最大光强5.04 cd
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Light tools光学设计目标
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色温优化过程
•优化变量:荧光粉颗粒密度 •评价函数: 远场的平均相关色温(CCT) •每次优化追迹100,000条光线 •初始密度= 1x108particles/mm3 –CCT = 5214K •经过4次迭代算法，最终优化后的荧光粉颗 粒密度= 8.06x107particles/mm3 –CCT = 6534K
• • • • • • 结构：由复杂的曲线旋转得到的实体 材料：PMMA 光学表面特性：定义为Fresnel losses 优化变量：共9个 –每条曲线有4个变量，共两条曲线 –光学元件的边缘高度作为另一变量
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设计目标的优化
• 采用LightTools内置的“准直函数” （collimate）作为该例的评价函数 • –原理是将所有落在接受面上光线的余弦值 一致化； • –利用蒙特卡罗（Monte Carlo simulation） 光线追迹的结果； • –每次模拟19,000根光线，得到38,000个评 价参数（每根光线有2个余弦值）。
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Light tools应用领域
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完美的光学设计解决方案
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LED研发中的光学设计 研发中的光学设计
因此只要在了解光源参数和材料特性后，可以快速的 通过光学设计软件进行设计和优化，设计出最佳的光学效 果。
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软件优化前设计
现阶段，多数光学材料生产厂家网点 设计都考经验，设计结果如下:
网点规律均匀分布
光栅出光效果图—光分布不均匀
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优化后效果
Light tools基于光学理论和光学材料特性 的综合分析后，对LED背光的出光效果优化后:
优化后网点分布
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优化结果(二)
• 最终优化的主光学元 件比初始结构高一点； • 但曲线的形状还是和 初始结构一样。
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Conclusion
经过上述优化，LED的一次光学设计使 其效率和光强分布方向性提高了很多，因 此光学设计是非常重要。 现阶段很多光源生产商在LED设计中应 用的光学设计方式都是凭借自身经验或者 仿照国外已成熟技术，自我创新设计能力 非常差，这是国内公司发展滞后的瓶颈。
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荧光粉颗粒密度优化
•根据Mie散射理论，下面几个量必须给出: –介质材料的折射率 –荧光散射颗粒的折射率 –荧光散射颗粒的尺寸大小（可以通过电子显 微镜测量得到） –荧光散射颗粒的密度 •确定所选的介质材料和荧光粉材料后，只需 通过优化荧光散射颗粒的密度来得到所期 望的白光LED。
Light tools 光 学 设 计
王磊 江苏激蓝科技有限公司
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Contents
• • • • • 简介 一次配光优化 LED色温优化 背光的网点设计与优化 应用举例
在Light Tools中模拟10,000,000 条光线追迹后的光强分布图
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优化结果(一)
经过优化后,从LED出来的光 得到了很好地准直； •17.5lm的光通量全部向前发 射，比原来的朗伯体只少 一点； •轴向的光强是91.6cd –是原来朗伯体的18倍， 倍 –是优化初始结构的30倍。 倍