LED照明配光系统设计及加工生产.ppt

2020 2 24 1 LED照明配光系統設計及加工生產 LED光学设计分類 LED光學件常用材质介绍LED照明配系統設計步驟LED透镜的模具加工LED透镜的用料及生产 2020 2 24 2 LED照明零组件在成为照明产品前 一般要进行两次光学设计 好的光学设计应充分利用LED光源面积小这一优点 充分考虑光的利用率 将所有从LED芯片发出的光都分配到路面上 形成一个均匀度好 无眩光 配光曲线呈蝙蝠翼的光斑 配光CPC設計原理法 TLP原理設計法以及我現用設計透鏡的TIR原理設計法等 一次光学设计 把LED晶片封装成LED光电零组件時封装部分 以解决LED的出光角度 光强 光通量大小 光强分佈 色温的范围与分佈 也是二次光学设计的基础 LED芯片按理论发光是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 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收集芯片的所有光线并可得到如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或硅胶為材料 二次光学设计就是将经过一次透镜后的光再通过一个光学透镜改变它的光学性能 二次透镜的功能是将LED的大角度光 一般为90 120度 再次聚光成5度至80度任意想要得到的角度 光场的分布主要可分为 圆形 椭圆形 矩形 一般用光学级PMMA或者PC為材料 在特殊情况下可选择玻璃 LED光学设计分類 2020 2 24 3 直接在一次光学透镜上完成二次配光功能設計 LED光学设计分類 2020 2 24 4 除了采用分立的二次和一次光学透镜 透镜的配光可以采用模块化的设计 由于透镜采用了模块化的设计 不同数量的模块可以组成不同规格和不同输出功率的符合不同等级道路照明设计要求的路灯 另外透镜模块除了配光的作用之外 还兼顾了防水 防尘 可以直接裸露在外 从而可以省去了最外面的玻璃灯罩 避免了玻璃灯罩所附加的菲涅尔损耗 另外模块化设计的一次配光透镜 由于每个透镜单元的尺寸及透镜单元之间的间距比较小 每个透镜单元可以使用小功率的LED芯片 以解决散热所引起的光衰的问题 注 一次光学设计是二次光学设计的基础 只有一次光学设计封装设计合理 能够保证每个LED发光零组件的出光品质 才能在一次光学设计的基础上进行二次光学设计 以保证整个发光系统的出光品质 简单地说 一次光学设计的目的是尽可能多的取出LED芯片中发出的光 二次光学设计的目的则是让整个灯具系统发出的光能满足设计需求 LED光学设计分類 2020 2 24 5 备注 1 尺寸以英尺 毫米为单位2 C 焦点长度 轴向距离 3 b 反光罩直径4 F 内部焦距 椭圆形反射器 F2 LED光学设计分類 2020 2 24 6 备注 1 尺寸以英尺 毫米为单位2 c 焦点长度 轴向距离 3 b 反光罩直径 抛物线形反射器 LED光学设计分類 2020 2 24 7 配光曲线 二维对称灯具光分布由两相对独立垂直平面上光分布决定典型例子为荧光灯灯具和路灯灯具的光分布 配光曲线 2020 2 24 8 配光曲线 配光曲线 2020 2 24 9 配光曲线 配光曲线 2020 2 24 10 PMMA1 光学级PMMA 聚甲基丙烯酸甲酯 俗称 亚克力 2 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度 热变形温度92度 PC1 光学级料Polycarbonate 简称PC 聚碳酸酯 2 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 硅胶1 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 2 一般硅胶透镜体积较小 直径3 10mm 玻璃光学玻璃材料 优点 具有透光率高 97 耐温高等特点 缺点 形状单一 易碎 批量生产不易实现 生产效率低 成本高等 LED光學件常用材质介绍 2020 2 24 11 LED照明配系統設計步驟 2020 2 24 12 1 首先取决于光源 LED 不同品牌的LED 例如CREE lumileds 首尔 欧司朗 亿光 艾笛森 长森源等 其芯片结构与封装方式 光线特性等均有所区别 从而造成同样的透镜搭配不同规格品牌LED时会有所差异 所以要求有针对性开发 以主流品牌为导向 才能达成实际需要的效果 2 利用光学设计软件 如CodeV ZEMAX TracePro ASAP LighTools等 和机械建模软件 如 Pro E UG SOLIDWORKS等 进行设计和光学仿真 不断优化而得到相应的光学透镜 光學結構設計 LED照明的光学系统是由光束聚焦成像区和光源区两大区域组成 由于灯具要求投影的光斑必须具有光色柔和 均匀 符合演示场所需要的光通量 成像灯具还应图案清晰 其边缘有明显的分界线 无虚光现象等要求 LED透镜的设计 2020 2 24 13 设计中应注意 中心光轴 光阑和像差中心光轴 光阑和像差是直接影响到灯具的光效损失和投影清晰程度的主要原因 灯具内部的光学系统是光束聚焦成像和光源区两大区域组成的 這兩部分能否为同心轴线 形成理想的同心光束 是直接影响到灯具光效的关键所在 要确保在组合时都能同心轴线 且端面与轴线垂直 并非容易 虽然在设计过程中从理论讲都能保证 但由于在零部件的制造加工过程中 出现的加工精度误差和装配基准偏离等现象 会影响到灯具的光效损失和投影清晰程度 因此 我们在设计灯具的光学系统机构时 事先将各种可能出现的综合性因素要进行全面地分析和考虑 确保零部件的制造精度和装配基准的设计合理 达到整个光学系统的中心光轴能同一轴线 使光通孔径和一定的视场角或发光点尽可能地靠近光轴 形成同心光束的理想效果 影响的灯具的光效损失和投影清晰程度的另一个原因 就是对光束起限制作用的各个部件中心孔径 特别设置的带孔屏障和透镜的边缘 即光阑 由于起着对限制光束孔径和视场的作用 是直接影响到灯具投影光斑中的像差 像的亮暗 景深和分辨率 因此 在设计光阑孔径的大小和光阑在光学系统中的焦点距离位置时 既要考虑它在进入光学系统中光通量的多少 像差的大小以及满足像在空间的深度 景深 等作用 也要考虑能对限制成像范围特别起作用的最佳空间视场角等因素 形成投影光斑的理想效果 在实际的灯具光学系统中总有一定的光通孔径和一定的视场角或发光点不靠近光轴 另一方面由于光束多是由不同波长的光组成 系统的折射率不为常数 所以 实际光学系统的成像与近轴光学所得的结果不同 产生的偏离 即像差 而像差 是由实际光学系统的物理条件造成的 我们在设计过程中只需重点地将某些像差消除到一定的程度 只要达到减少像差以提高成像的清晰度就行 要完全消除是不可能 也没有必要 设计中应注意 中心光轴 光阑和像差 2020 2 24 14 1 LED透镜本身属于精密光学配件 故其对模具的精度要求极高 特别是透镜光学曲面的加工精度要达到0 1 m 一般对此类高精度模具的加工必须具有以下设备 超精密加工机 如 PRECITECHNANOFORM350 CNC综合加工机 精密磨床 精密铣床 钻床 CNC精密火花机 表面轮廓仪 干涉仪等 2 模具最精密的部件在于光学模仁 首先必须选用专用模仁钢材 如 瑞典S136镜面钢 经过热处理到55 完成粗胚 在粗胚上经过镀镍处理后再用超精密加工机进行曲面加工而得到 LED透镜的用料及生产1 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 如日本三菱PMMA的VH001 如有特殊的需求可选择光学级PC 如日本帝人1250Z 2 必须配备万级甚至更高级别的无尘车间 作业人员必须着防静电服装 戴手指套 戴口罩等防静电防尘措施 并且定期对车间做检验与清理 3 须有专业的光学注塑机如东芝 德马格 海天 震雄等品牌的注塑机 并严格控制注塑工艺才能得到合格的产品 4 产品检验 无气泡 无凹陷 无缩痕 无流纹 无月牙 形状精度Rt 0 005表面粗糙度Ra 0 0002 5 产品必须用防静电防尘PVC包装 并且须完全密封包装 存放必须严格控制温度与湿度 并且最好不要存放超过一年以上 LED透镜的模具加工