light tools光学设计报告

1、Light tools 光光 学学 设设 计计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Light tools应用领域完美的光学设计解决方案LED研发中的光学设计研发中的光学设计 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)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

2、 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。一次配光光学设计BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,LtdK2 LED封装一次配光举例Luxeon K2原厂数据BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,Ltd光强分布为朗伯体光通量：17.6 lm 最大光强5.04 cd Light tools光学设计目标设计目标 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

3、不能减小太多能简易替换现有光学元件BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,Ltd初始设计BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,Ltd主光学元件初始结构结构：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BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,Ltd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（Mon

4、te 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）。BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,Ltd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。BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,Ltd在Light Tools中模拟10,000,000条光线追迹后的光强分布图优化结果(一)经过优化后,从LE

5、D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。BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,Ltd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。BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,LtdConclusion 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

6、我创新设计能力非常差，这是国内公司发展滞后的瓶颈。BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,LtdLED色温优化 设计荧光粉发光的白光LED色温BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,LtdLED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。BEX Technologies(J

7、iangsu) Inc.,Ltd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。BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,Ltd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/mm3CCT = 5214K经过4次迭代算法，最终优化后的荧光粉颗粒密度= 8.06x107pa

8、rticles/mm3 CCT = 6534KBEX Technologies(Jiangsu) Inc.,LtdLight 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。BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,Ltd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:BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,Ltd网点规律均匀分布光栅出光效果图光分布不均匀优化后效果 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: BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,Ltd优化后网点分布优化后光栅出光分布图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