LED照明配光系统设计及加工生产课件

1、設計源於生活 生活需要設計 MAOSHENG_LIANG2021/6/4 1 LEDLED照明配光系統設計及加工生產照明配光系統設計及加工生產 LEDLED光学设计光学设计分類分類: : LEDLED光學件常用材质介绍光學件常用材质介绍 LEDLED照明配系統設計步驟照明配系統設計步驟 LEDLED透镜的模具加工透镜的模具加工 LEDLED透镜的用料及生产透镜的用料及生产 設計源於生活 生活需要設計 MAOSHENG_LIANG2021/6/4 2 LEDLED照明零组件在成为照明产品前，一般要进行两次光学设计。照明零组件在成为照明产品前，一般要进行两次光学设计。好的光学设计应好的光学设计应

2、充分利用充分利用LEDLED光源面积小这一优点，充分考虑光的利用率，将所有从光源面积小这一优点，充分考虑光的利用率，将所有从LEDLED芯片发出的光都分配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。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。配光配光CPCCPC設計原理法設計原理法;TLP;TLP 原理設計法以及我現用設計透鏡的原理設計法以及我現用設計透鏡的TIRTIR原理設計法等原理設計法等; ; 一次光学设计一次光学设计： 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

3、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

4、 殊情况下可选择玻璃。 LEDLED光学设计光学设计分類分類: : 設計源於生活 生活需要設計 MAOSHENG_LIANG2021/6/4 3 直接在一次光学透镜上直接在一次光学透镜上完成二次完成二次配配光功能設計光功能設計 LEDLED光学设计光学设计分類分類: : 設計源於生活 生活需要設計 MAOSHENG_LIANG2021/6/4 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

5、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。 LEDLED光学设计光学设计分類分類: : 設計

6、源於生活 生活需要設計 MAOSHENG_LIANG2021/6/4 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 LEDLED光学设计光学设计分類分類: 設計源於生活 生活需要設計 MAOSHENG_LIANG2021/6/4 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 LEDLED光学设计光学设计分類分類: : 設計源於生活 生活需要設計 MAOSHENG_LIANG2021/6/4 7 配光曲线配光曲线 二维对称二维对称 灯具光分布由两相对独立灯

7、具光分布由两相对独立 垂直平面上光分布决定垂直平面上光分布决定 典型例子为荧光灯灯具和典型例子为荧光灯灯具和 路灯灯具的光分布路灯灯具的光分布 配光曲线配光曲线: 設計源於生活 生活需要設計 MAOSHENG_LIANG2021/6/4 8 配光曲线配光曲线 配光曲线配光曲线: 設計源於生活 生活需要設計 MAOSHENG_LIANG2021/6/4 9 配光曲线配光曲线 配光曲线配光曲线: 設計源於生活 生活需要設計 MAOSHENG_LIANG2021/6/4 10 PMMA PMMA 1.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、

8、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）。 PC PC 1.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

9、LED光學件常用材质介绍光學件常用材质介绍： 設計源於生活 生活需要設計 MAOSHENG_LIANG2021/6/4 11 開始 定義面型 優化 面型 光線追跡 定義光源 評價數傳遞 給外部程序 判斷外 部程序 OK結 案 NG LEDLED照明配系統設計步驟照明配系統設計步驟 設計源於生活 生活需要設計 MAOSHENG_LIANG2021/6/4 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

10、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Code V、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透镜的设计透镜的设计 設計源於生活 生活需要設計 MAOSHENG_LIANG2021/6/4 13 设计中应注意

11、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

12、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

13、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。 设计中应注意设计中应注意-中心光轴、光阑和像差 設計源於生活 生活需要設計 MAOSHENG_LIANG2021/6/4 14 1LED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 0.1m。一般对此类

14、高精度模具的加工必须具有以下设备：超精密加工机 （如：PRECITECH NANOFORM 350）、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 LEDLED透镜的用料及生产透镜的用料及生产 1LED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1250 Z )。 2必须配备万级甚至更高级别的无尘车间，作业