led燈設計 led照明設計
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產品知識  Product Knowledge

二次光學設計

高亮度LED元件在成為照明產品前,大部份都要進行二次光學設計。

將LED半導體磊晶封裝成LED元件時,先進行一次光學設計,調整LED的光通量、發光強度、出光角度、光強分佈、色溫值;而二次光學設計目的是為了滿足照明的各種需求,針對一次光學再次進行出光角度與光強分佈的調整與修正,改善光學特性來符合各種燈具型式的需求,並達到舒適的光環境。

Cree XP-E系列LED光通量

Cree XP-E系列LED發光角度

Cree XP-E系列LED波長分佈

二次光學又以滿足空間照明為需求;空間照明除了需要一定的空間亮度外,也需合適的照明範圍;以集合式住宅大廳為例,在挑高空間中的投射燈具必須合乎被照物體的要求,讓投射光線照射到應該到達的物體範圍內,否則就會造成光浪費,也無法達到節能的效果;照明領域中,二次光學主要應用在大面積投光與聚光照明。

主要透鏡材料種類:

矽膠:矽膠耐溫高,通常採直接封裝在LED晶片上,利用體積也較小。
PMMA:即一般通稱的「壓克力Acrylics」,屬於塑膠類材料,學名為「聚甲基丙烯酸甲酯」或「聚甲基丙烯酸」,是經常使用的玻璃替代材料,具有生產效率高、透光率高、價格便宜等優點,缺點是不耐高溫僅能在約80℃以下環境使用,長期使用會有黃化問題。
PC:學名為「聚碳酸酯Polycarbonate」簡稱PC,屬於塑膠類材料,具有生產效率高之優點,透光率比PMMA差,可耐溫至110℃,長期使用不易有黃化問題。
玻璃:具有絕佳透光率與耐高溫,長期使用不黃化等優點,但體積重、可塑性差、易碎、生產效率低、成本高等缺點。

綜合以上材料類型,由於塑膠類材料,生產容易且單價低,所以目前市場上的二次光學材料仍以塑膠類材料運用最廣泛。

主要透鏡規格種類:

穿透式(凸透鏡):
當光線經過透鏡的曲面時,光線會發生折射而聚光,當調整透鏡與光源距離時,出光角度會跟著改變(角度與距離成反比);由於透鏡直徑和透鏡模式的限制,光利用率不高,且光邊會出現較明顯的黃邊。一般應用在大角度的聚光,如檯燈、吧台燈等。

折反射式(錐型或杯型):
透鏡先利用穿透式聚光,而錐形面再將側光收集並反射至前方,兩種光線重疊而得到最佳光線利用與光斑效果。表面可再做處理,可處理成鏡面、磨砂面、珠面、條紋面、螺紋面、凸或凹面等,來得到不同光斑效果。

透鏡的設計與模具:

不同的晶片結構與封裝方式,光線特性都會有所差異,必須先利用光學設計軟體如TracePro、ASAP、LighTools、ZEMAX、Code V等,將預計使用的材料造形與參數,連同LED光源特性,共同匯整進行光線追蹤計算,過程勢必要進行數次的造形優化(Shape optimization),才能得到符合期望的透鏡造形。

透鏡本身屬於光學配件,對模具的精密度要求極高,特別是曲面的加工精密度可能需要達到0.1um。模具最精密處在於模仁,模仁鋼材的選用及熱處理程序是非常重要,粗胚完成後的表面鍍鎳處理,與接下來的超精密機具進行曲面加工也是不可或缺的步驟。

雖然光學級的產品,在各種加工過程,要比一般消費性商品來的嚴謹,但是,照明領域對於光學要求畢竟沒有攝影鏡頭來的嚴格,因此,真正應用在照明領域的透鏡,已經淪為競爭下的削價工具,不論是材料的選用或模具的開發,已經不再重視精密細節,只講求價格與產能,也因為如此,LED燈具產品已不再高不可攀。

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