资料LightTools__LED_照明应用

1、LightTools LED 照明應用,光學業務部 王弘鈞/Richard Richard.wangcybernet-.tw,Agenda,一、LED照明應用領域 二、基本光源建構 三、模擬與分析 四、LED Lens 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,4,LED 顯示面版、看板,5,車內照明設計,儀表板模擬,面板按鈕設計,6,LED 照明用透鏡,手機閃光燈設計,二、基本光源的建構,利用軟體資料庫 由LED Spec.在LightTools進行設計

2、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LED Spec.在LightTools進行設計,幾何尺寸 波長 光型-切趾法 能量,一份標準的LED spec. 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

3、外型,有效發光區域: 1.9x0.45mm 步驟 RaytracingLight SourceCubeSource 任意三點先架構初步外型 點選左側樹狀資料 Illumination ManagerSource ListCuboidSource, 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 (-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

4、定,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Source Library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Spectral Region 選擇Gaussian, 將463與21輸入 對應欄位,在Spectral Region Chart 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,Source Apodization,任何光源皆可以被切趾 (apo

5、dized) 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,套用 Apodization 資料,Angular Distribution or Spatial Distribution 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,Spatial apodization 必定使用表面座標系統 Angular Apodization 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,Coordinate System Ex

6、ample,The “Surface” coordinate system is more convenient to define rotationally symmetric distributions,Angular Apodization Mapping,The coordinate system can be “Source” or “Surface” Different coordinate system Longitude (U), Latitude (V),角度 Apodization 範例,LED example: HP HSMx-C650 Surface Mount LED

7、,角度 Apodization 檔案內容,起始為最小值, 表示Latitude最大處 (“南極”) 100 degrees latitude,Note: 假設 LED 強度分布是旋轉對稱的模式, 因此只需要行數據表示Latitude方向的分布,結束值為最大值, 表示 Latitude 最小處 (“北極”),100.00,Mesh: 1 11,Asymmetric Distributions,You can use EXCEL (or other) program to generate the data set This usually works well when the distribu

8、tion is smooth (no deep valleys/peaks). If the distribution is not smooth then interpolation must be used It should be noted that this is an approximate method to generate the data,Coordinate Range for Asymmetric,When applying asymmetric data it is necessary to choose the right apodization coordinat

9、e system For a rectangular 2-dimensional data grid (like the one described earlier) it is convenient to use a rectangular region in the apodization coordinate space In the Longitude/Latitude system the only “rectangular” range is Longitude 90-270, Latitude 0 180,Applying Asymmetric Data,As described

10、 in the previous slide, the most convenient coordinate range for asymmetric data is Longitude 90-270, Latitude 0 180 This is the same range used for the apodization files created by the “Apodization Library” utility By default, the “TopSurface” of a cuboid surface source emits into this Longitude/La

11、titude range The “Surface” coordinate system is not suitable for applying this type of data, since the coordinate system does not have such a “rectangular” range 非對稱的光形特性，必須將Apodization定義在Top Surface，之後再利用座標旋轉至正確發光方向,利用光形資料庫,Utility Library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TopSurfa

12、ce以外的表面取消發光特性 分別點選各表面，將 Emittance 頁面的Emit Rays From Surface取消勾選 設定TopSurface的發光特性(光形) 開啟Apodization Library, 在LED頁面尋找 Nichia NSCW310 型號, 將光形圖儲存為NSCW310.txt 切換至Apodize Source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“Apply Direction Apodizer” 回到系統看看TopSurface是否已更新,通常LED Spec.提供的是強度(cd) 但軟體使用

13、的是能量(Power: Lumen ,Watt),能量的設定,光度記量間的關係,單位轉換工具,Utility Library Source Flux Scaler 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Total Flux/Power改為Photometric Flux(內定為 1 lumen) 開啟能量單位轉換工具 ToolsUtility LibrarySourcesFlux Scaler Initiate/Update Tree of Sources選擇CuboidSou

14、rce在右方視窗選擇TopSurface(發光表面) 在上方Desired Peak Intensity 輸入 1.4 (1400mcd) 點選Scale Source Flux 開啟 LightTools 的光源屬性視窗，看看能量(Emittance頁面)是否變成3.922.,三、模擬與分析,接收器和計量器 在觀察面上： 照度計 遠場 輝度計 Spatial : BM7, CCD Camera Angular：Goniometer 色度計 RGB,Far Field Receiver,Illuminance Detector,在進行設計分析前,分析前，可先進行少量光線的追跡： 預覽光跡路徑，

15、趨勢不符合設計結果時，需修改設定。 設定模擬的總光線數。 光線數的設定，決定了模擬的準確度。 必需把光跡預覽關閉，以增加分析速度。 Bin size的設定。 會影響誤差值。 可以與總光線數設定一起考量。 設定光線結束的能量門檻。（Threshold） 計算時間 V.S. 準確度,根據檢測類型建構觀察面(接收器),每個系統內必須至少一個接受器 看強度分佈(光形、配光曲線、指向性) FarField Receiver 看照度分佈(均勻度) Plane Receiver,強度分析Far Field Receiver,模擬光線在所有角度偵測的強度值, 單位 cd.,強度分析,Analysis Inte

16、nsity Display 3D Raster Chart,照度分析,Analysis Illuminance Display Raster Chart,系統照度分析,利用LumViewer自訂圖表格式 執行 Analysis Illuminance Display LumViewer 按圖表上直接按滑鼠右鍵，可以呼叫設定視窗進行圖表格式編輯,照度分析,任一平面上照度的偵測值,自動計算平均值與標準差,色彩分析 CIE Chart & Color Chart,Analysis XXX Display CIE/RGB RBG Raster Chart 觀察CIE x,y or u,v 值,True

17、 Color,每個圖表對應不同的Mesh,圖表內容代表涵義,設定頁面,結果統計,原始數據,開始進行模擬,光線模擬結果,這樣的結果正確嗎？ Bin size太大了!,5,000rays, 2 seconds,f = 每條光線的強度 N = 總光線數,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！,50,000rays,10 seconds Bins：72x36 Error：4.07%,5,00,000rays, 80 seconds Bins：360 x180 Error：5.72%,練習: 分析光源,建構一個遠場接受器 RayTracingReceiverAdd Fa

18、r Field Receiver 開啟farFieldReceiver屬性視窗，將Properties頁面的Unit也改為Photometric Flux 展開數狀列，選取intensityMesh，將Properties頁面的Latitude Max 改為120度 進行模擬 設定光線數：Ray TraceSimulation Info，光線數設為1000條光線，並勾選下方Preview First設定1000條光線 確定後再按Ray TraceBegin All Simuation 觀察光線發射之分佈是否如預期,練習: 分析光源並觀察,進行大量光線模擬 將光線數改為1,000,000條 再次

19、選擇Start All Simulation 或是用 Continue All Simulation觀察結果 開啟Analysis Intensity DisplayLine Chart 觀察光型分佈 開啟Analysis Intensity DisplayCIE/RGBRGB Raster Chart 觀察顏色(藍光),四、LED Lens及反射板設計,以實體物件來表達。 所有特性都可作控制。 材質特性 可建構玻璃和塑膠元件。 折射及吸收的光學特性。 其他可修改部分 布林運算 移動、複製和旋轉。 尺寸。 膠合、沈浸。,LED Lens 設計,利用LightTools的 3D 功能設計LED外

20、型 優點: 做最佳化時將更有彈性 Normal Lens Side-Emitter Lens Free-Form Lens,Side-Emitter Lens,利用 LightTools 多變的 3D 設計功能, 設計可變的 Side-Emitter Lens,Side-Emitter Lens,製作 Lens 底部與利用 Cylinder Taper 產生頂部外杯 布林運算聯集 利用 Skinned Solid 產生火山口形狀 布林運算插集,Free-Form Lens,Lens 表面形狀設為 Spline Patch 可將Lens表面切割為 U x V 等分, 由每個區域的數值定義表面曲線

21、的外型(系統自行內插),Reflector Cup的建立,基本反射杯設計 利用兩個 Cylinder 布林運算,Reflector Cup的建立,拋物面反射杯,Reflector Cup的建立,Skinned Solid 也可以用來設計反射杯 外型可以是圓形, 矩形 曲線可以自由設定 使用 Sheet Mode,Reflector Cup的建立,Skinned Solid 的使用,曲線的模式,鈑金模式,截面形狀,直接套用CAD檔案,支援STEP、IGES和SAT格式。 3D Texture 轉成實體形狀。 文字型態。 具有修復功能。,練習: 建構完整LED Lens 模型,開啟LED_Lens

22、檔，內有建好的一光源 設計外杯: Element3D ObjectSkinned Soild: 任意繪製基本圓柱 呼叫SkinSolid對話視窗, 座標XYZ(0,0,0),角度 (0,0,0) MaterialPlasticpolycarbonate 展開對話窗數狀列SkinSolidSkinPrimitive Geometry: Length: 4.2 Number of Profiles: 15 Skinned Mode: Bezier，之後按”套用” X Bezier Curve: Weight 0.5, Position 0.5 Front Size: 1.65, Rear Size

23、 4.3 Size: 2.975 *(1.65+4.3)/2,練習: 建構LED Lens,設計內杯: Element3D ObjectSkinned Soild: 任意繪製基本圓柱 呼叫SkinSolid對話視窗, 座標XYZ(0,0,0),角度 (0,0,0) MaterialPlasticpolycarbonate 展開對話窗數狀列SkinSolidSkinPrimitive Geometry: Length: 2.5 Number of Profiles: 20 Skinned Mode: Bezier 按”套用” X Bezier Curve: Weight 0.5, Positio

24、n 0.5 Front Size: 1.5, Rear Size 1.15 Size: 1.325 *(1. 5+1.15)/2,練習: 建構LED Lens,將外杯與內杯進行布林運算產生內部中空外型 先點選數狀列的外杯 按Shift鍵，並同時點選內杯 右側圖示工具: Modify3D Editing Subtract (插集),點選1，按Shift 再選2， 就可以同時選兩個物件,1 2,練習: 建構LED Lens,建構內杯Lens ElementPlace SingletSketch4PtLens,任意作圖 呼叫Lens對話窗(點選Lens按右鍵選Properties) 座標XYZ (0

25、,0,2.5),角度 (180,0,0) MaterialPlastic polycarbonate 展開對話窗數狀列 LensLens PrimitiveGeometry Diameter: 3.1, Thickness: 0.3 LensFrontSurface: Radius:0 LensRearSurface: Radius: 2 利用布林運算將先前的杯狀與Lens結合 Modify3D Editing Union(聯集) (先選杯形再選Lens),練習: 建構LED Lens,在頂端加一個延伸的圓柱面 Element3D ObjectCylinder,任意作圖 呼叫Cylinder對

26、話窗(點選Cylinder按右鍵選Properties) 座標XYZ (0,0,4.2),角度 (0,0,0) MaterialPlasticpolycarbonate 展開對話窗數狀列 CylinderCylinder PrimitiveGeometry Radius: 4.3, Length: 0.6 利用布林運算將先前的杯狀與圓柱結合 Modify3D Editing Union(聯集),布林運算後右側數狀列應會有四個子物件,NS-Ray的應用,NS-Ray隨模型變化即時Update 設計階段輔助工具，尋找較佳的初始值,Total NS ray : 625 效率 : 39%,D 50 m

27、m, R 50mm,Total NS ray : 625 效率 : 96%,D 50 mm, R 50mm,練習: 用NS-Ray觀察模型特性,建構Dummy觀察面 ElementDummy SurdaceDummy Plan 在下方命令列輸入 建構NS-Ray光扇觀察 RaytracingNS RayTraceRayGrid, 任意建構光扇 呼叫nsRayGrid對話窗 座標XYZ (0,0,0),角度 (0,0,0) Properties: Subtended Angle: 160 Grid: 自訂,xyz 0,0,1000 xyz 0,0,1500,練習: 用NS-Ray觀察模型特性,進

28、行觀察 RaytracingNS RayTraceNS Ray FoorPrint 點選Dummy Plane可看見光線的分布圖 修改參數看看分布有何變化 觀察後可將nsRayGrid刪除,練習: 模擬並觀察目前設計的結果,建構遠場接收器以便觀察光型分佈 RayTracingReceiverAdd Far Field Receiver 展開farFieldReceiver至intensityMesh Auto Size Mesh 取消打勾, Longtitude改為19, Latitude改為 19 Latitude Max 改為90度 進行模擬 Ray Trace Simulation In

29、fo : Total Rays改為1,000,000,按確定 Ray Trace Begin All Simulation 進行觀察 觀察強度分布圖: Analysis Intensity DisplayLine Chart Analysis Intensity DisplayRaster Chart,練習: 模擬並觀察目前設計的結果,Line Chart,2D Raster Chart,五、大量光源的分析計巧,利用陣列(Array)功能快速複製排列 照明系統通常具有大量LED光源 過多的LED光源使用，對硬體系統造成較大負擔 若能用較少光源數取代大量光源數，對系統模擬將較為有效率,Array

30、 的使用,RecArray快速建構10 x10矩陣光源 RectArray xyz a,b,c m xyz a1,b1,c1 n xyz a2,b2,c2,簡化光源數目法,LightTools 可將 Chart data 輸出為文字模式 輸出的資料，可以作為新的光源使用,Actual data format in the exported ray data file,範例說明,將九個燈源轉換為等效的單一光源,應用原理,在光源出光處，設定一個觀察面以便接受所有光源資料，作為取代光源的參考資料,轉為替代光源,將模擬結果轉為文字輸出,空間分布,角度分布,替代光源之設定,利用切趾概念，將空間與角度套用

31、於光形設定,以替代光源進行模擬,在出光面的結果,可以得到十分接近的效果,六、最佳化設計LED Lens,Optimization,Core/Illum,+,=,光學設計的無限可能,最佳化、優化（Optimization）,所謂的最佳化就是根據標準或是誤差函數，透過自動計算來改善系統的性能 最佳化三大基本組成： 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

32、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,簡單的設定,LightTools 屬性對話窗中的參數都可以設定成為變數、誤差函數或是限制條件（只要按滑鼠右鍵即可）,不同設定將會改變其顏色,定義 Merit Functions,定義價值函數（Merit Function）是進行最佳化步驟中最重要的一環 一個適當的價值函數設定可以簡化最佳化問題 您一定要常常的確認目標值與權值是適當的 盡量使用必要的參數來建構價值函數（不要設定太過） 盡量使用對稱模型 避免模糊不清的目標,Local Optimization: 2D Example,Ligh

33、tTools 的最佳化方式是尋求區域解，LightTools 會再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 LightTools 的區域解最佳化方式是一個功能強大可以搜尋至多100 個變數的工具,Merit function, including valley,If the starting design is,here, optimization cant find the minimum.,in the valley, optimization can find the minimum.,Valley,Local minimum,幾種特別的價值函數,Ligh

34、tTools 特別提供了三種價值函數 NSRay Merit function 所有的 rays fan/grid 將會以目標表面的設定為目標進行最佳化 可以讓使用者藉由 NSRay 在每一個表面上的點座標來定義成價值函數 Mesh Merit function 光線會根據每一個mesh的目標進行最佳化 Focus or Collimate Merit function 以 Monte Carlo 光追跡為基礎，進行光束準直或聚焦設計 所有的 Merit Function 皆可以搭配使用 如利用 Mesh + Collimate Merit Function 來設計一準直且光強均勻的光束,Fo

35、cus Merit Function,目的：將一發光角度+/-9度之面光源，聚焦在特定位置 利用凸透鏡聚焦 利用最佳化找出凸透鏡曲率,Focus Merit Function,利用Focus Merit Function 光線數目只要1000條,Focus Merit Function,最佳化結果 不到一分鐘即可完成,EX: LED Collimator,A skin solid reflector is used to collimate an LED. Circular profiles connected by a smooth Bezier curve The base model i

36、s supplied in “LEDCollimator_Initial.1.lts Optimize the skin profile to collimate the source,EX: LED Collimator,Vary the 3 parameters of the skin which control the shape of the Bezier curve,EX: LED Collimator,Add the Collimate merit function Use OptimizationAdd Merit FunctionFocus Or Collimate Selec

37、t “Collimate” option in the Wizard dialog, and finish adding the merit function,EX: LED Collimator,Check the model Check the number of rays set for the simulation (IlluminationSimulation Info) Turn on the Ray Preview (IlluminationSimulation Info), and run a test simulation,Before optimization,EX: LED Collimator,Go to OptimizationInputMerit Function, and calculate the noise floor and make sure the merit function is higher than the noise floor Start optimization (Optim