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LED TIR 照明透鏡設計案例分享 思渤科技 光學部 optical@.tw .tw 03-611-8668 目的 ? 透過簡單的範例講解 TIR 透鏡的設計原理，並利用最佳 化的方式進行光學設計 ? 大綱 – 光學設計概念簡介 – 完整 TIR 透鏡設計步驟介紹 – 結論 2 光學設計概念 ? 光學透鏡 – 凸透鏡、凹透鏡 ? 反射面鏡 – 拋物面鏡、橢圓面鏡、雙曲面鏡 ? 楔形板 3 光學透鏡 ? 透鏡的目的是將光源收斂或發散，常見的有： – 凸透鏡：收斂 ? 在焦點上成為平行光；短於焦距會些微收斂：長於焦距會會聚 – 凹透鏡：發散 ? 不管位置為何皆會發散，越接近透鏡發散能力越強 4 反射面鏡 ? 利用反射原理將光源導向另一方向 ? 可處理大角度的光源 – 拋物面鏡 ? 將焦點上的光源轉變為平行光 – 橢圓面鏡 ? 將焦點上的光源聚焦在另一位置 – 雙曲面鏡 ? 將焦點上的光源往另一個焦點發散 5 楔形板 ? 改變光線的方向 – 利用折射率來改變方向 – 利用全反射來改變方向 聚焦在一小範圍 單純改變方向 聚焦在一範圍 6 光學設計流程 Utility Library Source Library Display Film Library UDOP 設計 3D 模型 建立光源 NS Ray Parametric control 最佳化 建立觀察面 進行光線模擬 最佳化 分析結果 NG OK 資料輸出 模擬過程 設計過程 7 如何開始？ ? 當我們考慮一個準直光源設計時，首先想到的會是拋物面 結構 ? 我們可以用一個拋物面結構來達到 LED 準直系統嗎？ 8 拋物面鏡 ? 答案：可行但也不全可行！ ? 對發光角度較小的部份（綠色光線），拋物面鏡無法達到 有效的功用 ? 對發光角度較大的部份（紅色光線），拋物面鏡能有達到 有效的功用 先假設LED是一個點光源 9 下一步？ ? 如果我們在 LED 光源前面放置一個透鏡來針對小角度的 光線，是否可以產生準直的結果？ 10 拋物面鏡 + 透鏡 ? 結果似乎不錯！但如何把它們連結起來？ ? 可以讓系統變得較小嗎？ 11 下一步？ ? 答案：可以的！我們可以藉由一個塑膠透鏡來把這兩個機 制同時建立出來 ? 我們可以利用全反射（Total Internal Reflection）的特 性來達到反射的效果 12 全反射型塑膠透鏡 ? 看起來很有希望！ ? 我們該如何將 TIR 反射罩與透鏡設計的更準直？ 13 最佳化、優化（Optimization） ? 最佳化三大基本組成： – 評價函數（誤差函數） Merit Function (Error Function)： ? 系統的一個目標函數，是單一的數值。若該數值為 0 表示已經達成 目標 – 變數 Variables： ? 系統中可以允許改變的特性，藉由特性改變可以降低誤差函數 – 限制條件 Constraints： ? 在進行最佳化的過程中，系統無論如何都必須要達到的情況 ? 最佳化的目的 – 藉由改變系統的變數，在能夠滿足限制條件的情況下來降低目標 函數 14 區域最佳化 ? 為了快速得到設計結果， 光學軟體常用 Damped Least Squares 來達到 最佳化設計 如果初始值在… …這裡，那最佳化並無法幫 您找到最佳值 …在這斜坡處，最佳化 可以幫您找到最佳值 – 一般會在起始點的位置尋 求可改變價值函數的解 ? 右圖概說了起始位置與價 值函數間的關係 山谷 區域最佳值 存在一個最佳化山谷的價值函數 15 最佳化步驟 ? 步驟 1：將 TIR 表面的曲率、圓錐常數與 Z 位置設定成 為變數；透鏡表面的曲率與圓錐常數也設定成為變數 ? 步驟 2：將光線設定成為評價函數，並將所有光線的目標 設定為平行光 N ? ? ? ?2 2 Meri t Function i A T = W i i i=1 ? 步驟 3：將整個 TIR 透鏡的長度、與最大外徑設定為限 制條件 ? 步驟 4：最佳化！ 16 Red Fan Optimization 17 Blue Fan Optimization 18 下一步？ ? 建立真實光源來取代初始設計的點光源，看看結果如何？ 19 光學設計流程 Utility Library Source Library Display Film Library UDOP 設計 3D 模型 建立光源 NS Ray Parametric control 最佳化 建立觀察面 進行光線模擬 最佳化 分析結果 NG OK 資料輸出 模擬過程 設計過程 20 LED 模型：外型+光源 ? 封裝透鏡 ? 反射杯 ? 光源 Cup/Die Epoxy Package Cup Die Magnifi