LED光学设计与智慧空间

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迎接照明新商機

LED光學設計與智慧空間黃忠偉國立台灣科技大學電子系/光電所whang@mail.ntust.edu.tw

2008年10月1日

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簡報大綱『光』為何要設計?要怎麼設計? LED要怎麼做光學設計光學設計與空間的結合光學設計的未來結語光電系統模擬設計實驗室 2

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光學(系統)模擬設計

光源：白熾燈螢光燈省電燈 LED LD LASER

input

光成像系統+光非成像系統(含光照明系統、光感測系統)

output

應用產品規格

+光通訊系統

如何設計系統，滿足輸出端的需求

光電系統模擬設計實驗室

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LED為何要設計?LED發光的機制與效果不等同於傳統光源光源一改變，相當於輸入改變，要須滿足輸出端的要求，照明系統必須重新設計以LED置換傳統白熾燈，由於光型等特性不同，燈具也必須重新設計，才能滿足使用者的需求光電系統模擬設計實驗室 4

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LED產品週期循環甚麼時候LED才能普及到完全取代傳統光源？

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何謂根據光行進的行為–

次光學設計?

只有折射，稱為一次光學設計；有折射與反射，稱為二次光學設計；加上繞射，則為三次光學設計

根據與光源的距離–在封裝內部設計，稱為一次光學設計；在封裝外部設計，而LED晶片不可視為點光源，稱為二次光學設計； LED晶片可視為點光源之距離以外之設計，稱為三次光學設計；

根據光學元件的功能區分–在封裝內部之設計，純粹以增加出光效率為目的，稱為一次光學設計；在封裝外部設計，例如縮減聚光角度之設計，稱為二次光學設計；在燈具上進行其它諸多功能之設計，稱為三、四、… N次光學設計；

根據????區分–

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LED二次光學設計範例範例一、TIR (全反射) lens–收光角度、晶粒成像、黃圈問題範例二、 LED檯燈–暗紋、均勻度

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Simulation of Green LED for Die-Imaging

Intensity Distribution: Lambertian Viewing Angle: 120° LED Die: 530 nm

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BackgroundLED Lens

Yellow Hue Phenomenon LED Die-Imaging Phenomenon光電系統模擬設計實驗室 9

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範例一、TIR

Lens Design

Total Internal Reflection surface Entrance and Exit Surfaces

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Design of Entrance and Exit SurfacesPartial Disperse

CIE-127 Measurement of LED Condition A

(a) point-to-point光電系統模擬設計實驗室

(b) point-to-plane11

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Point-to-Point Ray Path Simulation(b)

(a) (c)光電系統模擬設計實驗室 12

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The Point-to-Plane Ray Path Simulation (b)

(c) (a)光電系統模擬設計實驗室 13

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Simulation of White LED for Yellow HueYellow Fluorescence D65 CIE-u' v' Chromaticity Coordinates LED Die (470 nm) Cool-White (6500 K) D65 (u ', v ')= (0.1978, 0.4695)

Standard White Chromatic Theory 470 nm Yellow Fluorescence (u ', v ')= (0.208, 0.560)

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Simulation Result by True Color

(a) Imaging TIR Lens

(b) Non-Imaging TIR Lens15

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Sampling Points in CIE (u’, v’)

1

2

34

(a) Imaging TIR Lens

(b) Non-Imaging TIR Lens光電系統模擬設計實驗室 16

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Color Difference B

D65

ΔE u' v'= (u'-u 'n ) 2+ (v'-v 'n ) 2ΔE u'v': Color Difference u 'n, v 'n: Reference Point (470nm)

AΔE u' v'= 0.32300

Base value: 0.32300 Yellowish (>0.32300) Bluish (<0.32300) White (=0.32300)

470 nm (Reference Point)

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Macadam Ellipses

Color difference: single direction The relation between point and point. The range of standard white(D65).

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Molding Plastic (Non-Imaging TIR Lens)No TIR Lens Add TIR Lens 30.192 3.200 0.280

Luminous flux[lm] Voltage[V] Electric current[A] Luminous efficacy[lm/W]

30.261 3.200 0.261

36.232

33.757

93%光電系統模擬設計實驗室 19