LED照明设计与应用

LED照明设计与应用第一页，共67页。主要内容：THEHONGKONGPOLYTECHNICUNIVERSITY香港理工大學(I) 先进光学制造中心简介LED市场趋势LED应用面临的问题(VI) 二次光学设计作用(V) 商业用途案例:

Backlightmodules背光模组,汽车车灯，路灯等等(VI) 集成制造平台2第二页，共67页。香港理工大学先进光学制造中心办公室THEHONGKONG

POLYTECHNICUNIVERSITY香港理工大學展示室接待室及会议室3第三页，共67页。先进的超精密加工设备2轴单点金刚石加工设备5轴超精密自由曲面加工系统快刀伺服加工系统7轴超精密自由曲面抛光设备4轴超精密自由曲面4加工系统（慢刀伺服）第四页，共67页。TalysurfPGI

1240测量仪先进的测量设备WykoNT8000光学测量仪Zygo

非接触面型测量仪Park‘sXE-70:原子力显微镜THEHONG

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POLYTECHNICUNIVERSITY香港理工大學5第五页，共67页。ERSITYAliconaIFMG4:三维光学测量系统测量复杂细节，比如切削角，切削半径，

轮廓分析，面形分析，体分析，两维图像分析先进的测量设备微透镜阵列非规则面形测量THEHONGKONGPOLYTECHNIC

UNIV 香港理工大學V形槽测量6鲨鱼皮第六页，共67页。MinoltaCS-200分色光度计从LCD、PDP到新一代显示器的有机EL、FED，再到LED、灯光等光学设备，本品可对各种光源的辉度、色度、相关色温进行准确的测量。MinoltaCS-200QCBench能够测量MTF,焦距，F数，后节距，成像质量，场曲，变形等等THEHONGKONG

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UNIVERSITY香港理工大學QCBench先进的测量设备7第七页，共67页。精密注塑设备一台精密电动注塑机（ToyoSi80），两台液压精密注塑机（Arburg270UandBattenfeldHM250/60 ），这些注塑设备可以注塑球面、非球面、自由曲面光学镜片。Toyo

Si80Battenfeld

HM250/60THEHONG

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POLYTECHNICUNIVERSITY香港理工大學ARBURG270U8第八页，共67页。ＬＥＤ应用的市场趋势由于有节能，长寿命，环境友好特点，及高的光输出及价格不断下跌。LED照明市场在2008年已经达到18000百万美元。THEHONG

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UNIVERSITY香港理工大學9第九页，共67页。LED应用在市场份额总量在2004年已经达到125

亿总量在2008年已经达到540亿THE

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UNIVERSITY香港理工大學10第十页，共67页。何为LED照明中的一次光学设计，二次光学设计？THE

HONGKONGPOLYTECHNICUNIVERSITY香港理工大學大功率LED照明产品，其实际过程一般要进行两次光学设计：一次光学设计：把LED集成电路封装成LED光源要先进行一次光学设计，一次光学设计要解决的是LED的出光角度、光强、光通量大小、光强分布、色温的范围与分布，其目的是尽可能地把光从芯片引出来，这就是所说的一次光学设计。二次光学设计：一般的大功率LED都有一次透镜，其发光角度为120度左右，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或者反射镜等光学组件来利用光学中的透设、折射、全反射及反射现象来改变光线的方向及分布以实现所需要照明产品要求的过程。11第十一页，共67页。二次光学设计如何能够解决照明产品中的问题？大功率LED发光角度一般是120度左右，其光强分布一般是朗伯型分布（见最左图）。而实际的照明产品中对产品的照明角度及光强分布一般都不是120度和朗伯型分布（见最右图）。二次光学设计的作用就是把经过一次透镜后的光再通过一个光学透镜或者反射镜（经过二次光学设计）等光学组件来改变光线的行进方向及分布以实现所需要照明产品要求的光束角，光型分布范围，消除眩光及较高的均匀性等要求。THEHONGKONG

POLYTECHNICUNIVERSITY香港理工大學12第十二页，共67页。LED应用目前存在的问题THE

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UNIVERSITY香港理工大學LED的散热问题：散热是大功率LED产品必需解决好的问题。LED电源稳定性问题：目前限制LED照明产品寿命的一个原因是电源的寿命。LED照明产品的眩光问题：只有经过重新进行配光设计才能很好地解决眩光和光效问题。LED光源指向性问题：LED区别于传统光源的一点就是其是具有指向性的光源，利用的好可以提高光源的效率，如果利用不好，就会出现眩光或者光强分布满足不了照明标准的问题。对LED的误解：LED不会发热，LED发不出足够的光供一般照明，LED寿命10万小时，

LED显色指数不会好，LED可如传统光源一样简单地替代性使用。13第十三页，共67页。常规照明光源的限制光损约50%没有透镜的路灯光斑有光学透镜或者反光杯时：• 会形成一个方形的光斑，能满足道路照明标准。• 光学效率及光斑均匀性会得到提高矩形光斑有透镜的路灯光斑圆形光斑大多数LED光源的发散角是从１１０度到１２０度朗伯形分布。不能够满足各种应用的需求，因而为了满足各种标准的要求需要进行二次光学设计以路灯为例说明如下：没有光学透镜或者反光杯时：• 大的圆形光斑照在路上，５０％左右的光被浪费• 对驾驶者和行人还会产生眩光，不符合道路照明标准14第十四页，共67页。自由曲面光学及其应用优势二次自由曲面光学于LED照明的优势• 由自由曲面光学产生的光斑能够满足国家道路照明标准。• 通过二次光学设计光损可以减少。• 有效分配光能。• 能够得到超过90%的光效率。• 节能可以超过75%。• 均匀性可以达到70%-80%。• 眩光现象得意避免。自由曲面光学是非旋转对称的，不规则的，自由构建的复杂面形，几何形状不能够用单一的光学公式比如通用的非球面光学公式来生成。15第十五页，共67页。3-LED

准直镜7-LED

准直镜枕形透镜阵列THEHONGKONGPOLYTECHNIC

UNIVERSITY香港理工大學案例Ｉ-用于车灯照明的自由曲面光学LED

准直镜16第十六页，共67页。采用3WLED汽车头灯的设计，准直镜，枕形透镜阵列用于分配光的枕形透镜阵列3W

LED光源LED

准直透镜THE

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UNIVERSITY香港理工大學汽车头灯的自由曲面二次光学设计17第十七页，共67页。汽车头灯的自由曲面二次光学设计采用准直镜和枕形透镜阵列的LED头灯的设计采用准直镜及枕形透镜的LED汽车头灯产生所需要的光斑LED头灯的原型样品THEHONG

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POLYTECHNICUNIVERSITY香港理工大學18第十八页，共67页。光线追迹结果LED汽车头灯的光学反光杯的设计LED头灯的光学反光杯设计照度分布19第十九页，共67页。多LED雾灯透镜照度分布光线追迹结果3LED准直镜THEHONG

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POLYTECHNICUNIVERSITY香港理工大學20第二十页，共67页。用于汽车尾灯系统的精密光学组件驾驶灯

光学透镜阵列刹车灯后向灯转向信号灯3-LED

准直镜7-LED准直镜THEHONG

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POLYTECHNICUNIVERSITY香港理工大學21第二十一页，共67页。汽车尾灯的二次光学设计照度分布THE

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POLYTECHNICUNIVERSITY香港理工大學22第二十二页，共67页。用于汽车LED尾灯盖的微透镜阵列的设计THEHONGKONG

POLYTECHNICUNIVERSITY香港理工大學枕形透镜盖设计光线追迹结果照度分布图23第二十三页，共67页。用于汽车上的LED照明系统中心开发的车头灯中心开发的车尾灯THEHONGKONG

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UNIVERSITY香港理工大學24第二十四页，共67页。Advanced

opticsusedInLEDroadlighting•

因为节能、寿命长、环保、逐渐增加的光输出及价格降低等特点，LED路灯将逐步替代传统的卤素灯.•通过光学设计，自由曲面二次光学元件能够提高并改善光输出。•

与传统光源相比，采用LED可以提高效率达50％。案例

II-用于LED道路照明的先进光学THEHONG

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UNIVERSITY香港理工大學25第二十五页，共67页。灯头设计效果图原型灯头实物图开发模块式的路灯照明系统THEHONGKONG

POLYTECHNICUNIVERSITY香港理工大學•220v/50hz电源60颗

1

WLEDs•

5条散热支架•

60w功耗•为国家二级公路设计•

灯高:

8米•

道路宽度:2.5车道

(大约9米宽)•路灯间隔:28

米•

路面平均照度>20

勒克斯•每颗LED输出光通

:

60

流明26第二十六页，共67页。采用非旋转对称的自由曲面光学元件可以提高均匀性及光效率。所需能量仅是传统光源的几分之一。组合式的灯头有下列优点:• 能够更好地散热。• 更换LED不需要整个拆卸灯头。• 可以根据整灯功率的变化来调整光源的数量及所用支架的数量。• 数量可以根据照明需求进行方便的调整。• 安装的结果使得光分配能满足照明标准。• 使光学设计更方便灵活。THEHONGKONGPOLYTECHNIC

UNIVERSITY香港理工大學组合式LED路灯灯头的优点27第二十七页，共67页。模块式LED路灯所采用的准直透镜光学准直镜的设计光线追迹图THE

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UNIVERSITY香港理工大學28第二十八页，共67页。模组式LED路灯模拟光线追迹图THE

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UNIVERSITY香港理工大學照度分布29第二十九页，共67页。• 根据北京道路管理局统计，截至2006年底，北京5环路道路总长4千公里。所需路灯为30万盏。• 产值可达大约600亿人民币。• 使用LED路灯能够每年节约1.9亿千瓦电，节约1.3亿元人民币。用于LED路灯的先进光学元件(

工程项目

I)用于路灯的先进光学准直镜•平均照度：20勒克斯。•均匀度：超过40%。30LED路灯•LED

数量:72

片1W。•应用:

二级公路，商业区及公园

。•路灯安装高度:8米。

•路灯间距:25米。•Roadwidth道路宽度:9米（2.5车道）。•路灯光斑:25米x

9米。•光束角度：

X向（道路方向）为120度，Y向（垂直道路方向）为55度。第三十页，共67页。8米远照明分布远场角度分布路灯用准直镜的设计及模拟(

工程项目

I)光线追迹图THE

HONG

KONGPOLYTECHNIC

UNIVERSITY香港理工大學31第三十一页，共67页。装配好准直镜的LED路灯模拟图

(工程项目

I)道路照明范围:8mx25m均匀度：40%照度分布光线追迹结果光线追迹结果32第三十二页，共67页。测试数据通过了国家城镇道路照明标准开发的LED路灯实际测试（工程项目Ｉ）XY方向光强分布道路照度分布光强分布33第三十三页，共67页。LEDRoad

lampAdvancedopticalreflectorforLED

Road

Lighting为LED路灯设计的先进光学元件(

工程项目II)•

LED数量:

68

片1W•

应用场合:高速路,主干道,商业区及公园•

路灯灯头安装高度:12米•

路灯间距:

40米•

道路宽度:

12米（3

车道）•路灯光型尺寸：40米12米•

光束发散角：

X

向（沿道路方向）：

120•

Y向（垂直道路方向）：

60•

平均照度大于20勒克斯，均匀性大于50％•

效率提升50％THE

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KONGPOLYTECHNIC

UNIVERSITY香港理工大學34第三十四页，共67页。62623030X

方向配光Y

方向配光自由曲面反光杯的设计及模拟结果(

工程项目

II)THEHONG

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POLYTECHNICUNIVERSITY香港理工大學照度分布35光线追迹结果第三十五页，共67页。装配后的LED路灯模拟图(工程项目

II)IlluminancedistributionTHE

HONGKONGPOLYTECHNICUNIVERSITY香港理工大學Ray-tracing

result36第三十六页，共67页。通过了国家城镇道路照明标准THEHONG

KONGPOLYTECHNICUNIVERSITY香港理工大學实际测量LED路灯效果(为

Neo-Neon真明丽公司设计

)37第三十七页，共67页。开发自动追踪太阳能的LED路灯系统所需先进光学元件采用菲涅尔透镜来提高系统收集太阳光的效率菲涅尔透镜采用菲涅尔镜可以大幅增加系统接收太阳光的效率，减少太阳能电池板尺寸，因而可以降低系统的成本THEHONG

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UNIVERSITY香港理工大學38第三十八页，共67页。(微透镜阵列)（微透镜阵列）(微透镜模芯)(液晶电视)（掌上数字助理)(应用):LCD背光模组平板显示激光/发光二极管，传感器阵列耦合光纤阵列准直案例

III

-用于LED背光照明的微透镜阵列直径:50微米-500微米高度:10微米-100微米采用微透镜阵列可以使得液晶屏在需要较少量LED就可以得到均匀照明的效果。THE

HONGKONGPOLYTECHNICUNIVERSITY香港理工大學39第三十九页，共67页。传统LED背光板THEHONG

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UNIVERSITY香港理工大學集成多颗LED的背光板40第四十页，共67页。液晶屏增亮片扩散片底部带有V形微透镜阵列的导光板。集成电路LED用于液晶面板的LED背光模组THE

HONGKONGPOLYTECHNIC

UNIVERSITY香港理工大學扩散片：

用于扩散从光源发出的光．通过加扩散片可以使得液晶屏得到平滑的均匀的光增亮片：

增亮片或者膜是一种透明的薄的带有棱镜阵列的用压克力做的薄片。其上的棱镜能够产生所要求的视场角，比如通常的45度的角度，总的视场角为90度。41第四十一页，共67页。用于LED

背光模组的微透镜整列光线追迹结果用于手机LCD面板的微透镜阵列手机LCD面板THEHONGKONGPOLYTECHNICUNIVERSITY香港理工大學42第四十二页，共67页。流光溢彩电视导光板THEHONG

KONGPOLYTECHNIC

UNIVERSITY香港理工大學光学导光板案例

IV

-

用于Philips电子有限公司电视机的自由曲面导光板43第四十三页，共67页。照度分布THEHONGKONGPOLYTECHNICUNIVERSITY香港理工大學导光板原型及光学模拟效果通过自由曲面导光板可以得到均匀的光分布44第四十四页，共67页。通用照明室内照明系统LED

手电筒案例V–通用照明的准直镜设计THEHONGKONG

POLYTECHNICUNIVERSITY香港理工大學45第四十五页，共67页。透镜直径尺寸:16mm,19.8mm,23mm,28.8mm,38.8mm光线追迹结果用于通用照明的LED系列照明透镜THEHONG

KONGPOLYTECHNICUNIVERSITY香港理工大學照度分布46第四十六页，共67页。超精密自由曲面表面及光学微结构设计，制造及测量的关键问题• 先进的光学应用需求给加工及测量提出了严格要求。• 难于用微米及亚微米级精度来表征自由曲面（例如，怎样表征基于点云的表面）• 缺少刀具生成软件来为自由曲面光学软件生成可以直接应用的超精密自由曲面加工NC代码。• 超精密自由曲面加工过程复杂，很难建立预测模型，模拟及优化其过程。THE

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POLYTECHNICUNIVERSITY香港理工大學47第四十七页，共67页。• 这种亚微米结构很难测量及表征。• 对这种超精密表面及光学微结构表面质量及面型精度国际上还缺少明确的标准及方法来量化。• 缺少能够解决不同模型及理论（比如光学设计，切削机理，刀具路径生成，优化等）的集成平台来减少昂贵的试切试验。• 本地及海外还没有这样的集成平台。THEHONGKONG

POLYTECHNICUNIVERSITY香港理工大學超精密自由曲面表面及光学微结构设计，制造及测量的关键问题48第四十八页，共67页。THE

HONGKONGPOLYTECHNIC香港理工大學NIVERSITY先进光学制造中心提供的超精密自由曲面光学设计，制造及测量服务塑料透镜及组件的精密模具光学设计超精密自由曲面加工自由曲面表面测量及表面表征客户需求自由曲面光学产品 U 49第四十九页，共67页。50刀具路径生成加工过程模拟自由曲面测量超精密加工自由曲面表面测量及评估模组设计模型测量数据表面误差评估切削策略优化刀具路径补偿加工误差补偿光学设计标准CAD文件光学设计模组CAD数据转换点云自由曲面表面重建模组数据交换模组加工模拟及优化模组自由曲面光学设计，加工及测量集成系统第五十页，共67页。THEHONGKONG

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UNIVERSITYCAD数据转换点云自由曲面表面模型重建刀具路径生成加工过程模拟自由曲面表面测量及评估模组自由曲面表面测量 测量数据设计模型表面误差评估切削策略优化刀具补偿超精密加工加工误差补偿加工模拟及优化模组集成系统加工流程数据交换模组51香港理工大學光学设计模组光学设计标准CAD文件第五十一页，共67页。汽车头灯光学设计方法2.划分反光片1.选择光源

(比如:H4)4.完成光束分布，达到标准要求5.三维自由曲面模型建立6.光线追迹与道路交通标准对比3.调整每片反光片的光分布52第五十二页，共67页。THEHONG

KONGPOLYTECHNICUNIVERSITY中心开发出超精密自由曲面加工的刀具路径生成及模拟软件及虚拟超精密加工系统刀具路径生成，虚拟加工及模拟自由曲面刀具路径生成软件53香港理工大學第五十三页，共67页。刀具路径生成，虚拟加工及模拟超精密自由曲面加工用刀具路径生成软件头灯自由曲面反光杯自由曲面反光杯刀具路径生成软件用于汽车照明系统54第五十四页，共67页。刀具路径生成，虚拟加工及模拟超精密自由曲面加工用刀具路径生成软件刀具路径生成软件用来加工微透镜阵列a)Design

ofmicro-structureb)Generationof

SOP

parametersc)Simulationresulta)设计微结构b)产生标准作业程序参数c)模拟结果55第五十五页，共67页。56超精密自由曲面表面测量及标定MeasureResult自由曲面表面测量方法工作流程设计表面表面质量评估结果设计表面测量结果设计表面设计自由曲面开发了几种方法和工具用来测量及标定超精密自由曲面表面第五十六页，共67页。执行过程及结果Optics

Designand

SimulationToolpathgenerationand

Optimization

of

cutting

processFasttoolservomachiningofthemouldinsertMeasurement

ofcharacteization

ofthemicrolensarraymouldinsert刀具路径生成及切削过程优化光学设计及模拟微透镜阵列模芯特征测量模芯的快刀伺服加工57第五十七页，共67页。技术进步• 集成系统是中国及海外第一套用于设计及制造自由曲面光学表面的，不依赖于海外技术的平台。• 该集成系统可以满足国际标准，同本地及海外相关技术比该技术处于本领域领先水平。58第五十八页，共67页。• 能够预测加工过程及优化加工策略，可减少昂贵的试切试验。加工时间可从10天减少至几天时间。• 开发的自由曲面刀具路径生成软件大大减少了编写程序生成加工刀具路径的时间。• 减少了刀具磨损• 系统配备了可以允许测量自由曲面表面的算法，可以改善产品的表面质量。• 基于自由曲面表面特征的表面内在特征框架被考虑进来以为将来标准的自由曲面算法提供方法。集成系统的优点59第五十九页，共67页。工业技术进步及竞争优势• 先进光学制造中心一直致力于推广超精密加工技术。• 致力于应用超精密加工技术于光电及通讯产品，比如光纤连接器，用于手机背光系统的微透镜，DVD播放机的读取物镜，数码相机的物镜，投影仪的自由曲面透镜，各种LED路灯及汽车灯等LED照明系统的自由曲面透镜等等。•