LED照明配光系統(tǒng)設計及加工生產(chǎn)課件

23十二月2022LED照明配光系統(tǒng)設計及加工生產(chǎn)18十二月2022LED照明配光系統(tǒng)設計及加工生產(chǎn)1LED照明零組件在成為照明產(chǎn)品前，一般要進行兩次光學設計。好的光學設計應充分利用LED光源面積小這一優(yōu)點，充分考慮光的利用率，將所有從LED芯片發(fā)出的光都分配到路面上，形成一個均勻度好、無眩光、配光曲線呈蝙蝠翼的光斑。配光CPC設計原理法;TLP原理設計法以及我現(xiàn)用設計透鏡的TIR原理設計法等;

一次光學設計：把LED晶片封裝成LED光電零組件時封裝部分；以解決LED的出光角度、光強、光通量大小、光強分佈、色溫的范圍與分佈。也是二次光學設計的基礎(chǔ)．LED芯片按理論發(fā)光是360度，但實際上芯片在放置于LED支架上得以固定及封裝，所以芯片最大發(fā)光角度是180度，另外芯片還會有一些雜散光線，這樣通過一次透鏡就可以有效收集芯片的所有光線并可得到如160度、140度、120度、90度甚至60度（不同需要）的出光角度；一般用PMMA或硅膠為材料。

二次光學設計就是將經(jīng)過一次透鏡后的光再通過一個光學透鏡改變它的光學性能。二次透鏡的功能是將LED的大角度光（一般為90-120度）再次聚光成5度至80度任意想要得到的角度，光場的分布主要可分為：圓形、橢圓形、矩形；一般用光學級PMMA或者PC為材料，在特殊情況下可選擇玻璃。LED光學設計分類:LED照明零組件在成為照明產(chǎn)品前，一2直接在一次光學透鏡上完成二次配光功能設計LED光學設計分類:直接在一次光學透鏡上完成二次配光功能設計LED光學設計分類:3除了采用分立的二次和一次光學透鏡，透鏡的配光可以采用模塊化的設計，由于透鏡采用了模塊化的設計，不同數(shù)量的模塊可以組成不同規(guī)格和不同輸出功率的符合不同等級道路照明設計要求的路燈。另外透鏡模塊除了配光的作用之外，還兼顧了防水、防塵，可以直接裸露在外，從而可以省去了最外面的玻璃燈罩，避免了玻璃燈罩所附加的菲涅爾損耗。另外模塊化設計的一次配光透鏡，由于每個透鏡單元的尺寸及透鏡單元之間的間距比較小，每個透鏡單元可以使用小功率的LED芯片，以解決散熱所引起的光衰的問題。

注：一次光學設計是二次光學設計的基礎(chǔ)。只有一次光學設計封裝設計合理，能夠保證每個LED發(fā)光零組件的出光品質(zhì)，才能在一次光學設計的基礎(chǔ)上進行二次光學設計，以保證整個發(fā)光系統(tǒng)的出光品質(zhì)。簡單地說，一次光學設計的目的是盡可能多的取出LED芯片中發(fā)出的光。二次光學設計的目的則是讓整個燈具系統(tǒng)發(fā)出的光能滿足設計需求。LED光學設計分類:除了采用分立的二次和一次光學透鏡，透鏡的配4備注：1.尺寸以英尺/毫米為單位2.C=焦點長度（軸向距離）3.b=反光罩直徑4.F=內(nèi)部焦距橢圓形反射器F2LED光學設計分類:備注：橢圓形反射器F2LED光學設計分類:5備注：1.尺寸以英尺/毫米為單位2.c=焦點長度（軸向距離）3.b=反光罩直徑拋物線形反射器LED光學設計分類:備注：拋物線形反射器LED光學設計分類:6配光曲線二維對稱燈具光分布由兩相對獨立垂直平面上光分布決定典型例子為熒光燈燈具和路燈燈具的光分布配光曲線:配光曲線二維對稱配光曲線:7配光曲線配光曲線:配光曲線配光曲線:8配光曲線配光曲線:配光曲線配光曲線:9

PMMA

1.光學級PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯，俗稱：亞克力）。

2.塑膠類材料，優(yōu)點：生產(chǎn)效率高（可以通過注塑、擠塑完成）；透光率高（3mm厚度時穿透率93%左右）；缺點：溫度不能超過80度（熱變形溫度92度）。

PC

1.光學級料Polycarbonate（簡稱PC）聚碳酸酯。

2.塑膠類材料，優(yōu)點：生產(chǎn)效率高（可以通過注塑、擠塑完成）；透光率稍低（3mm厚度時穿透率89%左右）；缺點：溫度不能超過110°（熱變形溫度135度）。硅膠

1.因為硅膠耐溫高（也可以過回流焊），因此常用直接封裝在LED芯片上。

2.一般硅膠透鏡體積較小，直徑3-10mm。玻璃

光學玻璃材料，優(yōu)點：具有透光率高（97%）耐溫高等特點；缺點：形狀單一、易碎、批量生產(chǎn)不易實現(xiàn)、生產(chǎn)效率低、成本高等。LED光學件常用材質(zhì)介紹：

LED光學件常用材質(zhì)介紹：10開始定義面型優(yōu)化面型光線追跡定義光源評價數(shù)傳遞給外部程序判斷外部程序OK結(jié)案NGLED照明配系統(tǒng)設計步驟開始定義面型優(yōu)化面型光線追跡定義光源評價數(shù)傳遞給外部程序判斷11

1．首先取決于光源（LED），不同品牌的LED（例如CREE、lumileds、首爾、歐司朗、億光、艾笛森、長森源等），其芯片結(jié)構(gòu)與封裝方式、光線特性等均有所區(qū)別，從而造成同樣的透鏡搭配不同規(guī)格品牌LED時會有所差異；所以要求有針對性開發(fā)（以主流品牌為導向），才能達成實際需要的效果．

2．利用光學設計軟件（如CodeV、ZEMAX、TracePro、ASAP、LighTools等）和機械建模軟件（如：Pro/E、UG、SOLIDWORKS等)進行設計和光學仿真，不斷優(yōu)化而得到相應的光學透鏡．

３．光學結(jié)構(gòu)設計:

LED照明的光學系統(tǒng)是由光束聚焦成像區(qū)和光源區(qū)兩大區(qū)域組成。由于燈具要求投影的光斑必須具有光色柔和、均勻、符合演示場所需要的光通量，成像燈具還應圖案清晰、其邊緣有明顯的分界線，無虛光現(xiàn)象等要求；LED透鏡的設計LED透鏡的設計12設計中應注意----中心光軸、光闌和像差

中心光軸、光闌和像差是直接影響到燈具的光效損失和投影清晰程度的主要原因。燈具內(nèi)部的光學系統(tǒng)是光束聚焦成像和光源區(qū)兩大區(qū)域組成的，這兩部分能否為同心軸線，形成理想的同心光束，是直接影響到燈具光效的關(guān)鍵所在。要確保在組合時都能同心軸線，且端面與軸線垂直，并非容易。雖然在設計過程中從理論講都能保證，但由于在零部件的制造加工過程中，出現(xiàn)的加工精度誤差和裝配基準偏離等現(xiàn)象，會影響到燈具的光效損失和投影清晰程度。因此，我們在設計燈具的光學系統(tǒng)機構(gòu)時，事先將各種可能出現(xiàn)的綜合性因素要進行全面地分析和考慮，確保零部件的制造精度和裝配基準的設計合理。達到整個光學系統(tǒng)的中心光軸能同一軸線，使光通孔徑和一定的視場角或發(fā)光點盡可能地靠近光軸，形成同心光束的理想效果。影響的燈具的光效損失和投影清晰程度的另一個原因，就是對光束起限制作用的各個部件中心孔徑、特別設置的帶孔屏障和透鏡的邊緣，即光闌。由于起著對限制光束孔徑和視場的作用，是直接影響到燈具投影光斑中的像差、像的亮暗、景深和分辨率。因此，在設計光闌孔徑的大小和光闌在光學系統(tǒng)中的焦點距離位置時，既要考慮它在進入光學系統(tǒng)中光通量的多少、像差的大小以及滿足像在空間的深度（景深）等作用；也要考慮能對限制成像范圍特別起作用的最佳空間視場角等因素，形成投影光斑的理想效果。在實際的燈具光學系統(tǒng)中總有一定的光通孔徑和一定的視場角或發(fā)光點不靠近光軸，另一方面由于光束多是由不同波長的光組成，系統(tǒng)的折射率不為常數(shù)，所以，實際光學系統(tǒng)的成像與近軸光學所得的結(jié)果不同，產(chǎn)生的偏離，即像差。而像差，是由實際光學系統(tǒng)的物理條件造成的，我們在設計過程中只需重點地將某些像差消除到一定的程度，只要達到減少像差以提高成像的清晰度就行。要完全消除是不可能，也沒有必要。

設計中應注意----中心光軸、光闌和像差設計中應注意----中心光軸、光闌和像差

中心光軸、131．LED透鏡本身屬于精密光學配件，故其對模具的精度要求極高，特別是透鏡光學曲面的加工精度要達到0.1μm。一般對此類高精度模具的加工必須具有以下設備：超精密加工機（如：PRECITECHNANOFORM350）、CNC綜合加工機、精密磨床、精密銑床、鉆床、CNC精密火花機、表面輪廓儀、干涉儀等。

2．模具最精密的部件在于光學模仁，首先必須選用專用模仁鋼材（如：瑞典S136鏡面鋼）經(jīng)過熱處理到55°，完成粗胚，在粗胚上經(jīng)過鍍鎳處理后再用超精密加工機進行曲面加工而得到．LED透鏡的用料及生產(chǎn)

1．LED透鏡作為光學級的產(chǎn)品，對透光性、熱穩(wěn)定性、密度、折射率均勻性、折射率穩(wěn)定性、吸水性、混濁度、最高長期工作溫度等都有嚴格的要求。因此，必須根據(jù)實際選擇透鏡的材料。原則上選擇光學級PMMA(如日本三菱PMMA的VH001，如有特殊的需求可選擇光學級PC(如日本帝人1250Z)。

2．必須配備萬級甚至更高級別的無塵車間，作業(yè)人員必須著防靜電服裝、戴手指套、戴口罩等防靜電防塵措施，并且定期對車間做檢驗與清理。

3．須有專業(yè)的光學注塑機如東芝、德馬格、海天、震雄等品牌的注塑機，并嚴格控制注塑工藝才能得到合格的產(chǎn)品。

4．產(chǎn)品檢驗：無氣泡、無凹陷、無縮痕、無流紋、無月牙；形狀精度Rt<0.005表面粗糙度Ra<0.0002。

5．產(chǎn)品必須用防靜電防塵PVC包裝，并且須完全密封包裝，存放必須嚴格控制溫度與濕度，并且最好不要存放超過一年以上。LED透鏡的模具加工

1．LED透鏡本身屬于精密光學配件，故其對模1423十二月2022LED照明配光系統(tǒng)設計及加工生產(chǎn)18十二月2022LED照明配光系統(tǒng)設計及加工生產(chǎn)15LED照明零組件在成為照明產(chǎn)品前，一般要進行兩次光學設計。好的光學設計應充分利用LED光源面積小這一優(yōu)點，充分考慮光的利用率，將所有從LED芯片發(fā)出的光都分配到路面上，形成一個均勻度好、無眩光、配光曲線呈蝙蝠翼的光斑。配光CPC設計原理法;TLP原理設計法以及我現(xiàn)用設計透鏡的TIR原理設計法等;

一次光學設計：把LED晶片封裝成LED光電零組件時封裝部分；以解決LED的出光角度、光強、光通量大小、光強分佈、色溫的范圍與分佈。也是二次光學設計的基礎(chǔ)．LED芯片按理論發(fā)光是360度，但實際上芯片在放置于LED支架上得以固定及封裝，所以芯片最大發(fā)光角度是180度，另外芯片還會有一些雜散光線，這樣通過一次透鏡就可以有效收集芯片的所有光線并可得到如160度、140度、120度、90度甚至60度（不同需要）的出光角度；一般用PMMA或硅膠為材料。

二次光學設計就是將經(jīng)過一次透鏡后的光再通過一個光學透鏡改變它的光學性能。二次透鏡的功能是將LED的大角度光（一般為90-120度）再次聚光成5度至80度任意想要得到的角度，光場的分布主要可分為：圓形、橢圓形、矩形；一般用光學級PMMA或者PC為材料，在特殊情況下可選擇玻璃。LED光學設計分類:LED照明零組件在成為照明產(chǎn)品前，一16直接在一次光學透鏡上完成二次配光功能設計LED光學設計分類:直接在一次光學透鏡上完成二次配光功能設計LED光學設計分類:17除了采用分立的二次和一次光學透鏡，透鏡的配光可以采用模塊化的設計，由于透鏡采用了模塊化的設計，不同數(shù)量的模塊可以組成不同規(guī)格和不同輸出功率的符合不同等級道路照明設計要求的路燈。另外透鏡模塊除了配光的作用之外，還兼顧了防水、防塵，可以直接裸露在外，從而可以省去了最外面的玻璃燈罩，避免了玻璃燈罩所附加的菲涅爾損耗。另外模塊化設計的一次配光透鏡，由于每個透鏡單元的尺寸及透鏡單元之間的間距比較小，每個透鏡單元可以使用小功率的LED芯片，以解決散熱所引起的光衰的問題。

注：一次光學設計是二次光學設計的基礎(chǔ)。只有一次光學設計封裝設計合理，能夠保證每個LED發(fā)光零組件的出光品質(zhì)，才能在一次光學設計的基礎(chǔ)上進行二次光學設計，以保證整個發(fā)光系統(tǒng)的出光品質(zhì)。簡單地說，一次光學設計的目的是盡可能多的取出LED芯片中發(fā)出的光。二次光學設計的目的則是讓整個燈具系統(tǒng)發(fā)出的光能滿足設計需求。LED光學設計分類:除了采用分立的二次和一次光學透鏡，透鏡的配18備注：1.尺寸以英尺/毫米為單位2.C=焦點長度（軸向距離）3.b=反光罩直徑4.F=內(nèi)部焦距橢圓形反射器F2LED光學設計分類:備注：橢圓形反射器F2LED光學設計分類:19備注：1.尺寸以英尺/毫米為單位2.c=焦點長度（軸向距離）3.b=反光罩直徑拋物線形反射器LED光學設計分類:備注：拋物線形反射器LED光學設計分類:20配光曲線二維對稱燈具光分布由兩相對獨立垂直平面上光分布決定典型例子為熒光燈燈具和路燈燈具的光分布配光曲線:配光曲線二維對稱配光曲線:21配光曲線配光曲線:配光曲線配光曲線:22配光曲線配光曲線:配光曲線配光曲線:23

PMMA

1.光學級PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯，俗稱：亞克力）。

2.塑膠類材料，優(yōu)點：生產(chǎn)效率高（可以通過注塑、擠塑完成）；透光率高（3mm厚度時穿透率93%左右）；缺點：溫度不能超過80度（熱變形溫度92度）。

PC

1.光學級料Polycarbonate（簡稱PC）聚碳酸酯。

2.塑膠類材料，優(yōu)點：生產(chǎn)效率高（可以通過注塑、擠塑完成）；透光率稍低（3mm厚度時穿透率89%左右）；缺點：溫度不能超過110°（熱變形溫度135度）。硅膠

1.因為硅膠耐溫高（也可以過回流焊），因此常用直接封裝在LED芯片上。

2.一般硅膠透鏡體積較小，直徑3-10mm。玻璃

光學玻璃材料，優(yōu)點：具有透光率高（97%）耐溫高等特點；缺點：形狀單一、易碎、批量生產(chǎn)不易實現(xiàn)、生產(chǎn)效率低、成本高等。LED光學件常用材質(zhì)介紹：

LED光學件常用材質(zhì)介紹：24開始定義面型優(yōu)化面型光線追跡定義光源評價數(shù)傳遞給外部程序判斷外部程序OK結(jié)案NGLED照明配系統(tǒng)設計步驟開始定義面型優(yōu)化面型光線追跡定義光源評價數(shù)傳遞給外部程序判斷25

1．首先取決于光源（LED），不同品牌的LED（例如CREE、lumileds、首爾、歐司朗、億光、艾笛森、長森源等），其芯片結(jié)構(gòu)與封裝方式、光線特性等均有所區(qū)別，從而造成同樣的透鏡搭配不同規(guī)格品牌LED時會有所差異；所以要求有針對性開發(fā)（以主流品牌為導向），才能達成實際需要的效果．

2．利用光學設計軟件（如CodeV、ZEMAX、TracePro、ASAP、LighTools等）和機械建模軟件（如：Pro/E、UG、SOLIDWORKS等)進行設計和光學仿真，不斷優(yōu)化而得到相應的光學透鏡．

３．光學結(jié)構(gòu)設計:

LED照明的光學系統(tǒng)是由光束聚焦成像區(qū)和光源區(qū)兩大區(qū)域組成。由于燈具要求投影的光斑必須具有光色柔和、均勻、符合演示場所需要的光通量，成像燈具還應圖案清晰、其邊緣有明顯的分界線，無虛光現(xiàn)象等要求；LED透鏡的設計LED透鏡的設計26設計中應注意----中心光軸、光闌和像差

中心光軸、光闌和像差是直接影響到燈具的光效損失和投影清晰程度的主要原因。燈具內(nèi)部的光學系統(tǒng)是光束聚焦成像和光源區(qū)兩大區(qū)域組成的，這兩部分能否為同心軸線，形成理想的同心光束，是直接影響到燈具光效的關(guān)鍵所在。要確保在組合時都能同心軸線，且端面與軸線垂直，并非容易。雖然在設計過程中從理論講都能保證，但由于在零部件的制造加工過程中，出現(xiàn)的加工精度誤差和裝配基準偏離等現(xiàn)象，會影響到燈具的光效損失和投影清晰程度。因此，我們在設計燈具的光學系統(tǒng)機構(gòu)時，事先將各種可能出現(xiàn)的綜合性因素要進行全面地分析和考慮，確保零部件的制造精度和裝配基準的設計合理。達到整個光學系統(tǒng)的中心光軸能同一軸線，使光通孔徑和一定的視場角或發(fā)光點盡可能地靠近光軸，形成同心光束的理想效果。影響的燈具的光效損失和投影清晰程度的另一個原因，就是對光束起限制作用的各個部件中心孔徑、特別設置的帶孔屏障和透鏡的邊緣，即光闌。由于起著對限制光束孔徑和視場的作用，是直接影響到燈具投影光斑中的像差、像的亮暗、景深和分辨率。因此，在設計光闌孔徑的大小和光闌在光學系統(tǒng)中的焦點距離位置時，既要考慮它在進入光學系統(tǒng)中光通量的多少、像差的大小以及滿足像在空間的深度（景深）等作用；也要考慮能對限制成像范圍特別起作用的最佳空間視場角等因素，形成投影光斑的理想效果。在實際的燈具光學系統(tǒng)中總有一定的光通孔徑和一定的視場角或發(fā)光點不靠近光軸，另一方面由于光束多是由不同波長的光組成，系統(tǒng)的折射率不為常數(shù)，所以，實際光學系統(tǒng)的成像與近軸光學所得的結(jié)果不同，產(chǎn)生的偏離，即像差。而像差，是由實際光學系統(tǒng)的物理條件造成的，我們在設計過程中只需重點地將某些像差消除到一定的程度，只要達到減少像差以提