light tools光学设计报告

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
BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,Ltd
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
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。
Light tools 光 学 设 计
王磊 江苏激蓝科技有限公司
BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,Ltd.
BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,Ltd
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
BEX Technologies(Jiangsu) 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。
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
BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,Ltd
初始设计
BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,Ltd
主光学元件初始结构
一次配光光学设计
K2 LED封装一次配光举例
BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,Ltd
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
BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,Ltd
Light tools光学设计目标
BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,Ltd
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。
BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,Ltd
BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,Ltd
LED色温优化
设计荧光粉发光的白光LED色温
BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,Ltd
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。
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.,Ltd
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。
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/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
优化后光栅出光分布图
BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,Ltd
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:
BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,Ltd
Light tools应用领域
BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,Ltd
完美的光学设计解决方案
BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,Ltd
来自百度文库
LED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。
在Light Tools中模拟10,000,000 条光线追迹后的光强分布图
BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,Ltd
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， –是优化初始结构的30倍。
• • • • • • 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（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）。
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。
BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,Ltd
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。
BEX Technologies(Jiangsu) Inc.,Ltd