喻果明LED光学透镜与反光杯课件

,LED,光学设计,透镜与反射器,主讲：喻果明,目 录,1.,光的基础知识,什么是光？光的本质及传播方式？物体的发光方式？光的表现方式？,2.LED,光学设计,3.,西顿常用光学元器件,什么是,LED,透镜？什么是反光杯？设计用的软件有哪些？透镜和反光杯的区别？,光的基础知识,光是人类眼睛可以看见的一种,电磁波,，也称,可见光谱,。在科学上的定义，光是指所有的电磁波谱。光是由,光子,为,基本粒子,组成，具有,粒子性,与,波动性,，称为,波粒二象性,。,光可以在,真空、空气、水,等透明的物质中传播。对于可见光的范围没有一个明确的界限，一般人的眼睛所能接受的光的,波长,在,380,760nm,之间。人们看到的光来自于太阳或借助于产生光的设备，包括白炽灯泡、荧光灯管、激光器、萤火虫等。,什么是光？,光是一种能量的形态，它可以从一个物体传播到另一个物体，其中无需任何物质作媒介。通常将这种能量的传递方式谓之,辐射,，其含义是能量从能源出发沿直线（在同一介质内）向四面八方传播。,光的本质？,光是以电磁波的形式沿直线向四面八方传播，当它遇到质介时就会发以下改变：,a,、光的反射,b,、光的散射,c,、光的吸收,d,、光向折射,f,、光的透射,光的传播方式？,物体的发光方式通常可分成二类，即,热光与冷光,。,1,、热光：,所谓热光又称之谓热辐射，是指物质在高温下发出的热。在热辐射的过程中，特内部的能量并不改变，通过加热使辐射得以进行下去，低温时辐射红外光、高温时变成白光。,2,、冷光：,从某种能源在较低温度时所发出的光。发冷光时，某个原子的一个电子受外力作用从基态激发到较高的能态。由于这种状态是不稳定的，该电子通常以光的形式将能量释放出来，回到基态。由于这种发光过程不伴随物体的加热，因此将这种形式的光称之为冷光。,物体的发光方式,光的表现形式,光,的,表,现,色温、光色,光束角,显色性,光效,光通量,光强,照度,亮度,显色性,光效,光强,照度,亮度,LED,光学设计,LED,透镜分为一次,LED,透镜和二次,LED,透镜：,1,、一次,LED,透镜,一般为硅胶透镜，因为硅胶耐温高（也可以过回流焊），因此常用直接封装在,LED,芯片上。一般硅胶透镜体积较小，直径,3-10mm,。并且,LED,透镜一般与,LED,紧密联系在一起，它有助于提升,LED,的出光效率、透镜改变,LED,的光场分布的光学系统。一次,LED,透镜是直接封装（或粘合）在,LED,芯片支架上，与,LED,成为一个整体。,什么是,LED,透镜,一次,LED,透镜作为光学级的产品，对透光性、热稳定性、密度、折射率均匀性、折射率稳定性、吸水性、混浊度、最高长期工作温度等都有严格的要求。因此，必须根据实际选择透镜的材料。原则上选择光学级,PMMA,，如有特殊的需求可选择光学级,PC,。,LED,芯片（,chip,）理论上发光是,360,度，但实际上芯片在放置于,LED,支架上得以固定及封装，所以芯片最大发光角度是,180,度（大于,180,范围也有少量余光），另外芯片还会有一些杂散光线，这样通过一次透镜就可以有效汇聚,chip,的所有光线并可得到如,180,、,160,、,140,、,120,、,90,、,60,等不同的出光角度，但是不同的出光角度,LED,的出光效率有一定的差别（一般的规律是：角度越大效率越高）。,一次,LED,透镜一般用,PMMA,、,PC,、光学玻璃、硅胶等材料。,什么是,LED,透镜,一次,LED,透镜材料优缺点：,A,硅胶透镜,a.,因为硅胶耐温高（也可以过回流焊），因此常用直接封装,LED,发光器件。,b.,一般硅胶透镜体积较小，直径,3-10mm,。,B,PMMA,透镜,a.,光学级,PMMA,（聚甲基丙烯酸甲酯，俗称：亚克力）。,b.,塑胶类材料，优点：生产效率高（可以通过注塑、挤塑完成）；透光率高（,3mm,厚度时穿透率,93%,左右）；缺点：温度不能超过,80,（热变形温度,92,度）。,什么是,LED,透镜,C,PC,透镜,a.,光学级料,Polycarbonate,（简称,PC,）聚碳酸酯。,b.,塑胶类材料，优点：生产效率高（可以通过注塑、挤塑完成）；透光率稍低（,3mm,厚度时穿透率,89%,左右）；缺点：温度不能超过,110,（热变形温度,135,度）。,D,玻璃透镜,光学玻璃材料，优点：丰富的光学参数特性（可选择），具有透光率高（,3mm,厚度时穿透率,97%,）、耐温高等特点；缺点：体积大质量重、形状单一、易碎、批量生产不易实现、生产效率低、成本高等。不过目前此类生产设备的价格高昂，短期内很难普及。此外玻璃较,PMMA,、,PC,料易碎的缺点，还需要更多的研究与探索，以现在可以实现的改良工艺来说，只能通过镀膜或钢化处理来提升玻璃的不易碎特性，虽然经过这些处理，玻璃透镜的透光率会有所降低，但依然会远远大于普通光学塑料透镜的透光效果。所以玻璃透镜的前景将更为广阔。,什么是,LED,透镜,2,、二次,LED,光学透镜：,a.,二次透镜与,LED,是两个独立的物体，但它们在应用时确密不可分。,b.,二次透镜的功能是将,LED,光源的发光角度再次汇聚光成,5,至,160,之间的任意想要的角度，光场的分布主要可分为：圆形、椭圆形、矩形。,c.,二次透镜材料一般用光学级,PMMA,或者,PC,；在特殊情况下可选择玻璃。,什么是,LED,透镜,反光杯：,反光装置的一种。反光装置是指为了利用有限的光能，通过光反射器来控制主光斑的光照距离和光照面积。反光杯是指用点光源灯泡为光源，需远距离聚光照明的反射器，通常杯型，俗称反光杯。,什么是反光杯,反光杯的设计原理,反光杯的几何参数：,a.,光源中心与反光杯顶面的距离,Hb.,反光杯顶部开口直径,Dc.,光线通过反射后的出光角,Bd.,溢散光光角,Ae.,照射距离,Lf.,中心聚光光斑直径,Eg.,溢散光光斑直径,F,什么是反光杯,1,、几何参数的关系如下：,a,、反光杯的外形尺寸主要有,H,和,D,两个尺寸决定，,H,和,D,同时也决定了溢散光光角,A,；,b,、光斑的直径,E,、,F,是由出光角,B,、,A,和距离,L,决定；,c,、最关键的角度,B,则是通过反光杯的反射曲面决定的。,对于反光杯，反射罩的设计来讲，主要是设计反射曲线，以上的几何参数中,H,、,D,、,B,三个参数就决定了反射曲线，因此对于反光杯，反射罩的设计只需提供,H,、,D,、,B,三个参数。外形尺寸则是根据实际应用的产品决定的。,什么是反光杯,2,、根据材质可以划分为金属反光杯,;,塑料反光杯,;,玻璃反光杯。,3,、各种反光杯材质的优缺点：,材料,成本,光学精度,耐温性,散热性,抗形变,抗冲击,重量,金属,低,低,高,好,差,差,轻,塑料,中,高,中,差,好,好,轻,玻璃,高,高,高,好,好,差,大,什么是反光杯,4,、反光杯的制作工艺：,a,、金属反光杯：需旋压或者冲压、抛光工艺完成，有形变记忆，优点是成本低，耐温，常用于低照明要求的灯具。,b,、塑料反光杯：一次脱膜完成，光学精度高，无形变记忆，成本适中，缺点是耐温性差，常用于温度不高的电筒和手提灯具中。,c,、玻璃反光杯：一次脱膜完成，光学精度高，无形变记忆，耐温，缺点是成本高，易碎，重量大。常用在不需要移动的高品质产品中。如电影放映机，探照灯，火车头灯等。,什么是反光杯,5,、反光率又称镀膜层反射可见光的效率。,6,、镀膜层的几种形式及优缺点：,a,、真空镀介子：应用于玻璃反光杯。介子不仅有最高的可见反光率，灯泡产生的红外线却能穿过介子，起到散热功能，延长灯光的使用寿命。,b,、真空镀铝：应用于耐温塑料和金属反光杯。反光率高，是汽车和多数灯具的主要镀膜工艺。缺点是，灯泡所产生的紫外线会使反光杯白化，降低反光率：红外线又无法穿透镀铝层而被反射回灯泡，使灯泡继续升温，影响灯泡的使用寿,c,、阳极氧化：应用于金属反光杯。有效反光率不到真空镀铝的一半。优点是不怕紫外线、红外线的损害。甚至可以用水清洗。,什么是反光杯,西顿公司从,2009,年起引进美国专业光学设计软件,Photopia,，这是一款为照明企业量身订做的光学设计软件功能强大。,设计软件,一般而言单颗,LED,点光源适合做二次透镜，但不绝对也有做反光杯的。,哪些产品适合做透镜？哪些产品适合做反光杯？,通常情况下集成,LED,面光源会配套反光杯使用。,哪些产品适合做透镜？哪些产品适合做反光杯？,透镜的优势,a,、无论远近，灯罩（反光杯）与透镜没多大区别，均匀性来讲，透镜会优于反光杯；,b,、用小角度的,LED,透镜,效果比反光杯好,因为要射得远的,!,灯罩聚光已经过透镜,(,因为,LED,本身一定会有透镜的,),再经过一次光罩聚光,这次会浪费很多光的,还不如在透镜就聚光了,而透镜的发光角度很好处理,!,另,:,如果空间可以的话,用,3,个,1W,的,比使用一个,3W,的效果要好得多,!,c,、相比之下，反光杯发光均匀点范围大，但是投光度不好，透镜则相反；,d,、,LED,透境显得要高档些。,透镜和反光杯的区别？,反光杯优势,反光杯采用抛物线曲面设计,能更有效的降低光损,.,通过电脑建模模拟反光杯光源发光角度及,LED,反光杯的空间结构，追踪光线的折射轨迹，调整反光罩的曲率技术参数，以达到反光杯最佳的光强分布及灯杯对各种光束角的功能要求，大大提高了,LED,反光罩光效及减少了散光,炫光的可能,.,反光表面可镀桔皮和光面两种效果。可更好均匀柔和光斑，无黑洞、黄圈。反光效率高、不脱层、耐高温。,透镜和反光杯的区别？,名称,图片,成本,光学精度,光效利用率,透镜,高,精，,可以控制在正负,1,度,高，,光效利用率在,90%,左右,反光杯,低,差，,可以控制在正负,3,度,差，,光效利用率在,70%,左右,透镜和反光杯的区别？,透镜与反光杯的光效区别：,反光杯是将散落在范围外的灯光反射到区域内。,透镜是采用光学透镜折射的方式使光发射在固定的角度。,两者功能有类似，但是两种方式形成的光斑并不一样，具体可以拿两个灯去试试看。透镜的光斑更加聚集和均匀，而反光杯在聚光的效果上会稍有差别，在较远的距离光斑比较分散。,透镜和反光杯光效的区别？,西顿常用,光学元器件,