就目前的情况来说,现在的LED行业视乎要比预算中要差那么一点。虽然有很多的企业,很多的经销商代理商在推广LED灯具,希望在政府的扶持下,将LED照明普及。深圳LED照明企业就简单的为大家介绍一下:
照明灯具的分类方法繁多,如按用途分类、按CIE推荐的根据光通量分配比例分类和按防尘、防潮、防触电等级分类等。
·按国际照明委员会(CIE)推荐的灯具分类(室内照明)
根据国际照明委员会(CIE)的建议,灯具按光通量在上下空间分布的比例分为五类:直接型、半直接型、全漫射型(包括水平方向光线很少的直接—间接型)、半间接型和间接型。
(1) 直接型灯具(direct lighting luminaire)
此类灯具绝大部分光通量(90-100%)直接投照下方,所以灯具的光通量的利用率最高。
(2) 半直接型灯具(simi-direct lighting luminaire)
这类灯具大部分光通量(60-90%)射向下半球空间,少部分射向上方,射向上方的分量将减少照明环境所产生的阴影的硬度并改善其各表面的亮度比。
(3) 漫射型或直接—间接型灯具(diffused lighting luminaire)
灯具向上向下的光通量几乎相同(各占40%-60%)。
最常见的是乳白玻璃球形灯罩,其他各种形状漫射透光的封闭灯罩也有类似的配光。这种灯具将光线均匀地投向四面八方,因此光通利用率较低。
(4) 半间接灯具(simi-indirect lighting luminaire)
灯具向下光通占10%-40%,它的向下分量往往只用来产生与天棚相称的亮度,此分量过多或分配不适当也会产生直接或间接眩光等一些缺陷。
上面敞口的半透明罩属于这一类。它们主要作为建筑装饰照明,由于大部分光线投向顶棚和上部墙面,增加了室内的间接光,光线更为柔和宜人。
(5) 间接灯具(indirect lighting luminaire)
灯具的小部分光通(10%以下)向下。设计得好时,全部天棚成为一个照明光源,达到柔和无阴影的照明效果,由于灯具向下光通很少,只要布置合理,直接眩光与反射眩光都很小。此类灯具的光通利用率比前面四种都低。
名词术语
灯具效率(luminaire efficiency)
灯具输出的总光通量与灯具内所有光源发射出的总光通量之比,一般用百分数表示。
灯具的配光或光强分布(distribution of luminous intensity)
用曲线或表格表示灯具在空间各方向的光输出强度分布值称为灯具的配光曲线或光分布曲线,它是表征灯具的重要特性参数。
现在还没有统一的行业标准出台,相信随着LED照明的使用越来越广泛后,相关标准都会陆续出台。
LED二次光学设计
一、概论:
1.全透明反射棱镜的特点
LED全透明反射棱镜能分配LED在2π立体角内的光通,光通利用率高,η=85%,安装简便。棱镜加工方便而且体积也很小,对空间的要求小,宜于安装在各类灯具之中。
2.前景
目前安装LED棱镜的灯具已得到广泛的应用,像建筑照明、通用照明、标识照明、景观照明、交通信号灯等都已得到了很好的应用。随着LED技术的不断提高,LED棱镜的前景也会更好。
二、设计方法:
1.第一介面效率问题
第一介面的效率很重要,它决定整个棱镜的光通利用率,因此光源光线在第一介面上的分布要合理。如图1:
β角为光源光通在第一介面上的半角分布,这部分光线在棱镜上都是二次折射光线,是折射次数较少的一部分光线,当β角增大时,光源在这部分的光通量增大,光通损耗少,但光线将向外偏移,将产生无用光通。当β角减小时,则光源光通在这部分的光通量减少,效率减低。另外,在ABCD圆柱体中,圆柱侧面将形成光的反射,当光线垂直射入时,根据菲涅尔公式得:ρ=2,对n1=1(空气),n2=n(给定材料的折射率)则公式变为ρ=2,若棱镜的折射率n=1.5,则ρ=0.04,当β减小时,α角增大(见图1),若α角大于60°以后,反射率剧增,将大大损耗光通,因此要根据预设配光,合理分布这部分光通。
2.全反射面的取得
全反射面是分配LED光通的主要部分,所设计的棱镜是否满足预设的配光,主要是取决于全反射面的设计是否合理。图2为全反射面中一条光线的形成过程。设有一立体角为γ的环带光通,ρ为一条中间光线,当ρ射向两种介质的界面处A点时,光线进行第一次折射,光线是从光疏介质射向光密介质,进入光密介质的光线改变原来的传播方向(根据折射定律:Sin I1/Sin I2=n,其中I1为入射角,I2为折射角,n为折射率)。光线经折射后到达棱镜的边缘,两种介质的界面处B点,光线进行第二次折射,光线是从光密介质射向光疏介质,当B点是曲率半径为R的圆弧时,光线与圆弧形成的法线产生入射角I3,要使I3′成为全反射光线,I3必需大于临界角(折射角达到90°时,所对应的入射角叫临界角,根据折射定律:sinC=1/n,C为临界角)。即折射光线全部消失,产生全反射光线,当光线反射到出光面C点时,光线进行第三次折射,光线将从光密介质射向光疏介质。同样根据折射定律,最终的出射光线ρ1的出射角为I5。以上是LED的一条光线在棱镜中的走向,在设计棱镜的过程中,应按照光的折射和反射现象中光路是可逆的原理,从预设的光出射角度I5开始,反向计算出光路的走向,以确定棱镜的形状。
3.出射光线的预设
棱镜的设计依据是预设配光,预设配光是把光源配光进行再分配后得到的,其形式可根据被照面的要求或用户的需要进行预设,按光束角可分为窄光束、宽光束、蝙蝠形等。预设配光除显示配光形式外,还要定出最大光强值、光束角、总光通量等数值。
三、设计步骤:
1.出射介面的设计
棱镜出射面的形式一般有平面、圆锥面、曲面等,图3—图5是棱镜出射面的形式:
图3:出射介面为平面。先将预设配光分成若干个环带,把每一环带的平均光通量与所在角度对应于棱镜的每一环带,若对应后棱镜的出射光通量不能满足预设的出射光通,可用其它环带内的光通量来弥补。
如:图6为一预设配光,在δ角度处有一光线,其光强值为I,将其对应于棱镜的δ角度处见图7,根据折射定律可推算出棱镜在此处的出射程光强为I1,当I1<I时,即棱镜此处的光强
值不能满足预设要求时,可用其它环带的光通量来弥补此处的光通量,使得棱镜δ角度处的光强值与预设配光相同。
2.自由曲面的设计
自由曲面是分配LED光通的主要部分,尤其在LED的60-90°环带内,虽然光强值不高,但光通量较大,要充分利用好这部分光通,就要合理的设计自由曲面。自由曲面的设计与前面讲的“全反射面的取得”原理是一样的,只是根据光在折射和反射中是可逆的原理,反向计算出自由曲面的形状。
图8是自由曲面上B点的法线形成过程,I为预设光线,经棱镜出射面C点折射后到达B点,光线需在B点进行全反射,经全反射后的光线要到达指定点A(A点折射后的光线必需到光源位
置),∠CBA的平分线就是B点处的法线。必需注意:要使光线在B点全反射,β2必需大于临界角。以此类推,定出若干个点,用光滑曲线连接,即为自由曲面。
3.凸透镜的设计
棱镜的凸透镜部分是合理分配LED中心处光强的手段之一,图9和图10是两种透镜的比较:
图9是平面透镜,即AB是一平面,光线进入平面介面后,虽然折射角小于入射角,但是,随着光源出射光角度的逐渐增大,折射光的角度也逐渐增大,光线向外偏移,在光中心处有黑斑。当采用凸透镜以后,见图10,CD为球面,随着法线方向的不同(指向圆心),折射光线
的偏移量减少,中心光强增大。
4.折射与透射面的角度设定
图11是棱镜的几个折射与透射面:
第一透射面的所在空间为LED安装空间,侧面为圆柱面,直径与LED安装尺寸相同,顶部是凸透镜,球半径根据需要定。折射面为自由曲面,连接自由曲面的曲线可以是直线、圆弧等,形成自由曲面的点越多越好,这样自由曲面的精度就越高。第二透射面也就是光出射面,它可以是水平面、圆锥面、曲面,见图3-图5,运用那一种曲面,要根据预设配光的要求,一
般运用内凹的圆锥面或曲面将使出射光线更多的向外偏移,注意:不要在光出射面形成全反射,否则将大大降低光通利用率,见图12。
四、实例
型号:MPL-EZW
功率:11.3—19.9W
视角:125°
光通:600—1200lm
型号:XR-E XLAMP
功率:1.2W
视角:75°
光通: 80lm
型号:XPC功率:1.16W光通:70lm |
LED透镜光学设计
对于非专业人士认知的配光而言,大都会问的一个问题就是:反射器和透镜都有啥区别?有个比较形象的比喻就是:反光杯是把光源发出的光反射出去,这种情况多少都会有漏网之鱼没通过反射就直接跑出去了;而透镜就是把光源发出的光都吞进去,消化了之后再吐出来。孰优孰劣?看需求定。闲话少扯,下面来个揭秘。
标准的透镜最经典的就是圆锥形透镜,这些透镜很大一部分依赖于全内透反射所以称之为TIR(Total Internal Reflection)透镜。通常 TIR 透镜是轴对称设计提供一个漂亮的圆形光斑,既可以组合成多颗 LED 成为阵列透镜也可以单颗加支架以方便安装和控光。
TIR透镜 VS 反光杯
其实两者的基本工作原理都是相同的,但是 TIR 透镜相比而言具有更大的控制权,因为 TIR 透镜的每条光线都经过控制利用,而反光杯的很大一部分光是不接触反射面不受控制的,这个在小角度光学里面很容易看出来,反光杯的光型是没有 TIR 透镜出来的光型那么锐利的(简而言之也就是反光杯的副光斑更大)。
透镜的类型:
图:从左到右: 1、真正聚光(-RS), 2、柔和聚光 (-SS), 3、扩散聚光 (-D), 4、中角度(-M/-M2), 5、椭圆角度 (-O),6、大角度 (-W/-WW/-WWW)。
不同的光学性能使用不同的 TIR 透镜,而透镜的尺寸和 LEDs 灯珠直接影响光学性能的,所以没有明确先提条件而谈角度、光强和效率都是不准确的,良好的光学设计必须跟 LEDs 灯珠的光分布完美的配合才能得到良好的光学效果。在专业的光学设计里不存在万能的产品,有的是针对性配合光学和针对性的应用。
下面我们在 TIR 透镜家族里面好好分析下每种不同的光学:
真正的聚光透镜(-RS)
在透镜家族里面这类透镜是最聚光的,目的是取得高的cd/lm(峰值光强)但也会导致缺失部分混光性能,这类透镜很容易辨认,一般都是表面晶莹通透透,部分还可能是中空。应用这一类透镜的主要方向包括:投光灯、聚光灯、远距离洗墙灯等。案例比如桥梁照明、高层楼宇照明、室内射灯等。
柔和的聚光透镜-SS
可以从下图与前面的对比看看,这一类透镜与聚光透镜的最大不同就是表面做了柔光处理,从而能取得更好的光质量分布,不过相比前面的聚光透镜它的cd/lm相对会低一点,角度也会稍宽一些。这里光学的应用也主要是投光,射灯等。两者没有谁好谁坏,都是为了满足不同的光应用需求,鱼和熊掌都是好东西,只是应用方向不同。
扩散聚光透镜(-D- )
请先看下图,这类有着扩散表面设计的透镜在三款聚光透镜中光分布是最平滑的,相比而言,cd/lm取得的峰值光强比有着柔光面设计的透镜稍低一点,但是两者的角度差不多。由于它的表面是扩散面处理,混光效果会更好,相比眩光控制效果也会更佳,所以这款的应用洗墙灯和中端距离的投光灯、聚光灯效果都是杠杠的。
中角度透镜(-M/M2)
这类透镜的光分布效果介于聚光透镜和大角度透镜之间,表面有小小的“枕形”表面设计,如果里面放上一颗 LED 看起来有点像某种“飞行昆虫的眼睛”,一般来说不会有粗糙的漫反射表面。应用很广,各种各样的灯具都可能用到,光分布均匀。
椭圆光型透镜(-O/ -O-90)
这一类透镜在建筑洗墙灯、广告灯箱照明等应用最为广泛。椭圆的光分布是表现为某个轴向光分布非常的宽,而另一个轴向则为细小光角度。目的很简单,光型就代表了一切,宽的是为了C0-C180°光分布覆盖面广和均匀,窄的轴向C90-C270°光分布是为了把光铺的更远。这类透镜还有自带偏转角的版本,方便灯具不能调整的洗墙灯应用。
大角度透镜(-W-W4)
这一类属于 TIR 家族透镜里面的大角度范畴,从40°到80°中间再细分为多个角度档次,角度越大意味着光分布就越广。这些类型透镜的标准一般有比较粗糙的漫反射表面,但有些透镜会有中型“枕形”表面或者曲面,又或者两者都可以能有。这类透镜的应用也是非常广泛的等。
解析Micro-LED display彩色化的3大主要技术手段
Micro-LED display的彩色化是一个重要的研究方向。在当今追求彩色化以及其高分辨率高对比率的严峻趋势下,世界上各大公司与研究机构提出多种解决方式并在不断拓展中,本文将对主要的几种Micro-LED彩色化实现方法进行讨论,包括RGB三色LED法、UV/蓝光LED+发光介质法、光学透镜合成法。
一、 RGB三色LED法
RGB-LED全彩显示显示原理主要是基于三原色(红、绿、蓝)调色基本原理。众所周知,RGB三原色经过一定的配比可以合成自然界中绝大部分色彩。同理,对红色-、绿色-、蓝色-LED,施以不同的电流即可控制其亮度值,从而实现三原色的组合,达到全彩色显示的效果,这是目前LED大屏幕所普遍采用的方法[1]。
在RGB彩色化显示方法中,每个像素都包含三个RGB三色LED。一般采用键合或者倒装的方式将三色LED的P和N电极与电路基板连接,具体布局与连接方式如图1所示[2]。
之后,使用专用LED全彩驱动芯片对每个LED进行脉冲宽度调制(PWM)电流驱动,PWM电流驱动方式可以通过设置电流有效周期和占空比来实现数字调光。例如一个8位PWM全彩LED驱动芯片,可以实现单色LED的28=256种调光效果,那么对于一个含有三色LED的像素理论上可以实现256*256*256=16,777,216种调光效果,即16,777,216种颜色显示。具体的全彩化显示的驱动原理如图2所示[2]。
但是事实上由于驱动芯片实际输出电流会和理论电流有误差,单个像素中的每个LED都有一定的半波宽(半峰宽越窄,LED的显色性越好)和光衰现象,继而产生LED像素全彩显示的偏差问题。
▲图1 RGB全彩色显示的单像素布局示意图
▲图2 RGB全彩色显示驱动原理示意图
二、 UV/蓝光LED+发光介质法
UV LED(紫外LED)或蓝光LED+发光介质的方法可以用来实现全彩色化。其中若使用UV micro-LED, 则需激发红绿蓝三色发光介质以实现RGB三色配比; 如使用蓝光micro-LED则需要再搭配红色和绿色发光介质即可,以此类推。该项技术在2009年由香港科技大学刘纪美教授与刘召军教授申请专利并已获得授权(专利号:US 13/466,660, US 14/098,103)。
发光介质一般可分为荧光粉与量子点(QD: Quantum Dots)。纳米材料荧光粉可在蓝光或紫外光LED的激发下发出特定波长的光,光色由荧光粉材料决定且简单易用,这使得荧光粉涂覆方法广泛应用于LED照明,并可作为一种传统的micro-LED彩色化方法。
荧光粉涂覆一般在micro-LED与驱动电路集成之后,再通过旋涂或点胶的方法涂覆于样品表面。图3则是一种荧光粉涂覆方法的应用,其中(a)图显示一个像素单元中包含红绿蓝4个子像素,图(b)则显示了micro-LED点亮后的彩色效果[3]。
该方式直观易懂却存在不足之处,其一荧光粉涂层将会吸收部分能量,降低了转化率;其二则是荧光粉颗粒的尺寸较大,约为1-10微米,随着micro-LED 像素尺寸不断减小,荧光粉涂覆变的愈加不均匀且影响显示质量。而这让量子点技术有了大放异彩的机会。
(a) (b)
▲图3 荧光粉彩色化micro-LED的像素设计及显示效果
量子点,又可称为纳米晶,是一种由II-VI族或III-V族元素组成的纳米颗粒。量子点的粒径一般介于1~10nm之间,可适用于更小尺寸的micro-display。量子点也具有电致发光与光致放光的效果,受激后可以发射荧光,发光颜色由材料和尺寸决定,因此可通过调控量子点粒径大小来改变其不同发光的波长。
当量子点粒径越小,发光颜色越偏蓝色;当量子点越大,发光颜色越偏红色。量子点的化学成分多样,发光颜色可以覆盖从蓝光到红光的整个可见区。而且具有高能力的吸光-发光效率、很窄的半高宽、宽吸收频谱等特性,因此拥有很高的色彩纯度与饱和度。且结构简单,薄型化,可卷曲,非常适用于micro-display的应用[4]。
目前常采用旋转涂布、雾状喷涂技术来开发量子点技术,即使用喷雾器和气流控制来喷涂出均匀且尺寸可控的量子点,装置与原理示意图如图4所示[5]。将其涂覆在UV/蓝光LED上,使其受激发出RGB三色光,再通过色彩配比实现全彩色化,如图5所示[5]。
但是上述技术存在的主要问题为各颜色均匀性与各颜色之间的相互影响,所以解决红绿蓝三色分离与各色均匀性成为量子点发光二极管运用于微显示器的重要难题之一。
此外,当前量子点技术还不够成熟,还存在着材料稳定性不好、对散热要求高、且需要密封、寿命短等缺点。这极大了限制了其应用范围,但随着技术的进步和成熟,我们期待量子点将有机会扮演更重要的角色。
▲图4 (a)高精度雾化喷涂系统(Aerosol jet technology)及其(b)原理图。
▲图5 利用高精度喷涂技术制作红、绿、蓝三原色阵列示意图
三、 光学透镜合成法
透镜光学合成法是指通过光学棱镜(Trichroic Prism)将RGB三色micro-LED合成全彩色显示。具体方法是是将三个红、绿、蓝三色的micro-LED阵列分别封装在三块封装板上,并连接一块控制板与一个三色棱镜。
之后可通过驱动面板来传输图片信号,调整三色micro-LED阵列的亮度以实现彩色化,并加上光学投影镜头实现微投影。整个系统的实物图与原理图如图6所示,显示效果如图7所示[6]。
▲图6棱镜光学合成法的a), b) 实物图,c) 原理示意图
▲图7棱镜光学合成法的显示效果
几年的照明光学设计心得
核心提示:做LED光学设计也有几年了,主要是照明方面的,我跟大家讲一下我这几年设计心得吧,可能会有些啰嗦(先讲光源,然后TIR设计,路灯设计,球泡灯和蜡烛灯设计,最后就是表面处理该怎么做),我会在其中告诉大家,国产的LED没有光***时,该怎么设计,其实不需要网上说的那样建光源模型那么麻烦,很简单。
光学设计首先是对LED有一定的了解
先说CREE吧,CREE比较常用的LED:XPE,XPE-hew,XPG,XPG-2,XTE,XBD,XML,XML-EZW,XML-HVW,MTG,CXA系列和ML系列,还有以前的那种MX6,MX3,MX3应该是已经停产了,CREE的LED总体上还是很不错的,除了XPE-HEW,XTE,XBD-ww,MX3和MX6这几款容易出黄圈外(MX3和MX6中心容易出蓝斑,下面就不讲MX3了,后面会告诉大家怎么去掉TIR透镜的黄斑,不需要那么麻烦去模拟荧光粉的),其它的光源都是比较好设计的,这些光源中MX6,XPG-2以及CXA系列的定位是需要注意的(我用的是TP),MX6和ML系列的光源文件的原点位置在LED基座的底部,XPG-2的光源文件的原点位置在LED发光面下面0.2mm的位置处,CXA系列的原点在光源板子的表面,所以在导入光源文件的时候原点位置是需要注意的。
现在CREE用的比较多的应该是XPG,XPG-2,XTE,XBD。CXA系列用的还是很少,我们就说说XTE,XBD和XPG-2吧,这是CREE去年推出来的(没记错的话,应该是去年),我用XTE做过多款路灯,都是边缘发黄,这个我还想到有什么办法解决!!XBD设计过单颗透镜,MR16等,XBD-CW加轻微的磨砂是可以没有黄斑的,但是ww这款磨砂就要加重一点,用蜂窝改善也是可以的,且XBD的冷白和暖白测同一个透镜,角度是不一样的,设计时一定要确定用什么色温范围(其实在TIR设计时注意一下结构,是可以用轻微磨砂就能完全去掉黄斑),XPG-2这款光源和XPG一样,做TIR的透镜是可以不用加磨砂的,光斑没有黄斑,且光通量在1.5A时,光通量可以在400lm以上(R3,R4,R5),XTE和XPG-2这两款在光通量是很接近的,且它们的光通量的测试数据是在结温85°C时测的,现在的所有的4040尺寸一下的LED,就LUXEON-T(3737的尺寸)是可以和他们竞争的。以上都是我个人对CREE LED的看法。
下面说说lumileds,流明的LED型号太多,我主要用过的有:rebel,rebel-es ,Luxeon-Z,luxeon-A,luxeon-M其余的像LUXEON-H,luxeon-T等等这些基本没用到过,我相信很多光学设计师都个我一样,用的流明LED最多的型号就是rebel 和rebel-es,流明的LED光源文件原点的位置是不用移动的(我用的是TP),且rebel-es主要是和XPG竞争的,两者的光通量基本一样,做的透镜也没有黄圈,但是流明的光源规格书中一般没有1.5A的数据,CREE都是有的。rebel和rebel-es都是很好设计的光源,就像CREE的XPE和XPG(以上都是我个人对lumileds的看法,可能有不正确的地方或者漏掉的地方,欢迎大家指出来)
osram的LED最著名的就是oslon80和150,一般就是CP7P,CR7P,CQ7P和CPDP,CRDP,CQDP,其中以CP7P,CPDP 这个用的最多,在没有CR7P,,CQ7P的光源文件时,是可以用CP7P的光源文件设计的,结果基本上是一样的,OSLON150也是这样。osram的CP7P,CPDP,CQAR这三个光源的光源文件模拟时都是需要移动的(TP)。用TP设计的人都知道,7p和DP模拟时,显示出的光斑是不对称的(我说的是镜面),osram的80°和150°不怎么好设计配光,配光曲线老是不对称,这个其实不用去太在意,这是光源文件的问题,模拟时表面加个蜂窝就可以了,当然你也可以在TP里面设置磨砂,然后透镜表面附一个磨砂属性。我用CP7P和CPDP设计过路灯,par灯,MR16,还用背光用的那种透镜等等,没有黄圈,光面也是没有黄圈。
osram去年推出的CQAR,光通量比不上XPG-2和luxoen-T,且做路灯的话,黄圈很重,TIE的透镜表面也需要加磨砂才能改善,光源文件的原点位置也是需要移动的(以上都是我个人对osram的看法,可能有不正确的地方或者漏掉的地方,欢迎大家指出来)
下面就说日亚的光源吧: 日亚有183-6L,183-3L,219,119,757,153,这些都是用的较多的,当然还有COB封装的,cob封装的以后一起说,183这两款和CREE的MX6,MX3很想,当然配上同一个透镜的角度是不一样的,但是光斑的边缘发黄,小角度中心发蓝都是有的,且这两种光源的光源文件的位置都是一样的,都在LED基座的底部,所以用的时候要移动光源文件,不过现在基本上不见用183这两款光源了。219和119这两款光源是一样的,只是封装上有区别(这是日亚的人说的),但是219中的有一款和其他的219是不一样的,我忘了是哪一个了。下面就直说119了,119这个光源我在几年设计中遇到的不是很多,但是每次的效果都是不错的,加点磨砂一点问题都没有。现在比较火的是757这个,TIR透镜上用到,球泡灯上用到,主要是性价比不错,但是黄圈重,tir的灯杯上,加磨砂光斑都很难做均匀,但是我以前帮客户做了一个,DUV是在0.006以下的,cd值和效率也都满足客户的要求,主要还是透镜结构要做注意,要知道LED黄圈是由透镜的哪个部分引起的,不要去模拟荧光粉,我以前也用模拟荧光粉的方法去处理黄圈,但是都不对,可能是我的模拟荧光粉的方法不对吧!
我这几年的设计中遇到最多的光源就是上面的这些,当然还有CITIZEN的cob封装的LED,sharp的,三星的,还有国产的。
我下面就说一下怎么把黄圈去掉,其实是很简单的,只要把透镜火山口里面的平凸做平了,表面加磨砂或者珠面就可以了,大家以后设计时可以试一下,但是这样做不好的地方就是透镜的cd值会比火山口做平凸的要低,有可能不能满足客户要求,那这时就要把透镜的角度做客户允许角度范围的下线,这样也是可以的,就是透镜的容差也做大了。
下面在说下所有cob封装的LED吧,这个说完就说路灯,现在做cob封装用的越来越多,想citizen的CLL010-020-030-040-0505,还有234等等,还有sharp的GW5D这些,太多了,记不住啊!特别是sharp的和NICHIA的cobLED,**的光***是RS8的,TP用不了,那么这个时候怎么办,我不了解别人是怎么做的,但是我遇到过很多都是说自己建光***,是不是LED有多少个芯片就建多少个朗博体,在加上个荧光粉,设置不同的波长,或者有些人直接把整个发光面建朗博体,在或者就是用TP7.0以上的版本,根据配光建一个光源,然后附在一定大小的平面上,我想告诉大家,这样做肯定不行的,只要LED的尺寸超过5050的,自己建的光源做透镜的误差会很大,其实是很简单的,打个比方吧,如果你有MX6的光***,没有日亚183-6L的光***,那么你就可以用MX6代替日亚183-3L来做,然后透镜表面加磨砂来微调一下角度。我想告诉大家的就是,cob的发光面越大的,这种替换的角度会越准确,就算客户要求的LED的发光面是10mm,而你已有的光源的光***是9mm,这样都是可以直接替换来做的,这样的唯一要求:透镜的表面一定要磨砂,因为珠面微调的成本太贵。
LED自由曲面透镜
LED已经成为当今最普遍的光源,因为LED具有体积小、响应快、节能环保等优点,被广泛应用在道路照明、汽车大灯和背光显示等领域,这些应用都要求LED具有较高的颜色均匀性,但由于LED是面光源,出光角度小,使得其颜色均匀性较差。如现有的YAG(钇铝石榴石晶体)荧光粉涂覆LED,会存在边缘偏黄、中间偏蓝的现象,对LED颜色均匀性的改善效果较差。
目前现有的改善LED颜色均匀性的方法主要有以下两种:一、是改变荧光粉的涂覆模式,采用远离涂覆或者保形涂覆。这种方法的原理是使LED发出的蓝光在荧光粉内经过相同的传播路程,使得各个角度激发的黄光一致,从而实现各个空间分布角度的颜色均匀性,但这种方法对封装工艺的要求性较高,从而导致成本较高。二、是在LED芯片上面加入微透镜阵列。但这种光学结构不能对大角度光学线进行有效的控制,并且光线经过这种光学结构后,由于菲涅尔反射损失和光学表面的全内反射,使得这种光学结构的光效降低。而现有的TIR透镜(Total Internal Reflection,全内反射透镜)主要用于准直,因此限制了LED的发散角,并且现有的TIR透镜并不能改善荧光粉涂覆LED的颜色均匀性。
为了解决上述技术问题,得到具有高光效、较高颜色均匀性的LED,中环量子公司通过大量试验测试和技术改进设计了一种基于全内反射的LED自由曲面透镜。
这种基于全内反射的LED自由曲面透镜,由底部的入射面、两侧的全反射面和顶部的自由出射曲面构成,入射面由一个折射圆柱面和一个折射圆弧曲面构成,折射圆柱面和折射圆弧面构成内凹的入射腔体用于放置LED光源,自由出射曲面包括第一自由折射曲面和第二自由折射曲面,全反射面的上边沿与第一自由折射曲面的上边沿连接形成透镜外凸边沿,第一自由折射曲面的下边沿与第二自由折射曲面的边沿连接形成沟槽,全反射面与自由出射曲面构成透镜的外轮廓。
基于全内反射的LED自由曲面透镜与现有技术相比,具有成本低、易加工的优点,与传统的TIR透镜相比,具有更大的发散角、能够实现较高的光效和较好颜色均匀性。
下图为这种基于全内反射的LED自由曲面透镜的图示:
图1:基于全内反射的LED自由曲面透镜前视剖面图
图2:基于全内反射的LED自由曲面透镜结构图
LED光学设计基础知识及应用——LED封装、LED照明以及背光源
光学设计理论知识
光具有波动性和粒子性,但在应用光学的范围内,光是作为波动来讲的,它具有波动的一切特性,比如波长、频率、以及传播速度等。(光波的传播速度ν=c/n)
在后面的讨论中,我们常用“光线”一词,这是一个几何概念,只是指出光波向空间传播的方向而已。一些光线的集合就称为光束。
光线的基本性质即几何光学的基本定理:
(1)独立传播定律
从不同光源发出的光束,以不同的方向通过空间某点时,彼此互不影响,各光束独立传播。彼此并没有什么相互作用,譬如斥拒或吸引等。
(2)直线传播定律
在各向同性的均匀介质中,光沿直线传播(光线是直线)。直线传播的例子是非常多的,如:日蚀,月蚀,影子等等。
(3)反射定律定义:反射光线和入射光线在同一平面、且分居法线两侧,入射角和反射大小相等,符号相反。当光线射到不同介质的界面上时,一部分光线依照反射定律返回第一介质内。
(4)折射定律定义:入射光线、折射光线、通过投射点的法线三者位于同一平面,且当光线从一种介质射入另一种介质时,有一部分光线即按折射定律改变方向进入第二介质。
(5)全反射定律
定义:光线从光密介质射入到光疏介质,并且当入射角大于某值时,在二种介质的分界面上光全部返回到原介质中的现象。
刚刚发生全反射的入射角为临界角,用Im表示。
(6)光路可逆现象一条光线沿着一定的路线,从空间的A点传播到B点,如果我们在B点,按照与B点处出射光线相反的反向投射一条光线,则此反向光线必沿同一条路线通过A点,光线传播的这种现象称为光路可逆。
光路可逆现象,不论在均匀介质中光线直线传播时,还是在两种均匀介质界面上发生折射与反射时都同样存在。
光学设计理论的作用
挑选合理的初始结构、设计指标。
尽量少用光线就能对现状作出判断,包括初始要求是否合理,可能不可能达到要求。
判断修改的方向。
光学系统设计方法
1)根据使用要求提出光学系统设计要求;
2)把光学中“不可能”的要求去掉;
3)制定光学系统合理的技术参数;
4)光学系统总体设计布局,光学部件的设计;
5)根据设计要求优化结构,一般由计算机完成;
6)如结果不合理,则反复试算并调整各光学部件的位置和结构,直到达到预期的目标为止。
注意:光学设计不仅要考虑基本的设计概念和理论,而且要预计可制造能力与可测试能力。
LED封装的光学设计
主要分析的光学部分:LED芯片、反射杯、封装硅胶或者环氧、荧光胶以及透镜。
进行光学分析所需参数:
芯片:折射率、光通量、光强分布、外形尺寸。
反射杯:材料表面特性(如反射率、吸收率、是镜面反射还是漫反射)、外形尺寸。
硅胶或者环氧:折射率、透光率。
透镜:折射率、透光率、表面特性、外形尺寸。
要注意的问题:荧光胶
(目前荧光粉的厂家很难提供模拟计算所需的参数,
所以现在还很难去准确模拟和计算光线在荧光胶里的能量传递和分布)
LED封装的光学系统具体分析
芯片的光学分析:以GaN蓝色芯片来说,GaN材料的折射率是2.3,当光线从芯片内部射向空气时,根据全反射定律,临界角Im=argsin(n’/n),其中n等于1,即空气的折射率,n’是GaN的折射率,由此计算得到临界角约为25.8度。在这种情况下,能射出的光只有入射角小于25.8度这个空间立体角內的光,因此其有源层产生的光只有小部分被取出,大部分容易在內部经多次反射而被吸收。
封装硅胶或者环氧的光学分析:为了提升芯片的取光效率,必须提升n的值,即提升封装材料的折射率,从而提升芯片的取光效率。也就是说芯片覆盖上硅胶或者环氧之后,芯片的取光效率会有所提升,硅胶或者环氧的折射率越高芯片的取光效率也就越高。同时也要提高透光率。这样将会有更多的光线从芯片进入到封装材料中,那如何将这些进入到封装材料中的光线尽可能多的取出来呢?
LED封装的光学系统具体分析
透镜形状或者环氧形状的光学分析:由于光从封装材料射出到空气中也是从光密介质到光疏介质,所以同样也存在全反射现象,为了提升出射光的比例,透镜的外形或者环氧封装的外形最好是拱形或半球形,这样,光线从封装材料射向空气时,几乎是垂直射到界面,入射角都会小于临界角,因而减少产生全反射的几率。如果对光强分布和出光角度有要求的话,那就要重新考虑,不同的透镜形状和封装形状会得到不同的结果。
反射杯的光学分析:影响出光角度,一般说反射杯角度大出光角度大,反射杯角度小出光角度小。
LED封装案例
要注意的问题
芯片的光强分布曲线:一般用朗伯型分布。
能量:能量模拟可能不准确。
光线的全反射:影响能量的最主要因素。
硅胶和透镜的形状:影响到封装后的光强分布曲线以及出光量的多少。
LED照明的光学设计
主要分析的光学部分:LED光源、反射杯、透镜等等。
所需参数:
LED光源:光通量、光强分布、外形尺寸。
反射杯:材料表面特性(如反射率、吸收率、是镜面反射还是漫反射)、外形尺寸。
透镜:折射率、透光率、表面特性、外形尺寸。
LED照明光学系统具体分析
LED光源:主要的光强分布形式
LED照明光学系统具体分析
(1)一般用在角度要求较大(>120度),光线分布要均匀的照明系统中,例如台灯、路灯或者一些夜景工程上面。
(2)一般用在有反射杯或者二次透镜的系统中,角度要求都很小(<>
(3)一般用在有反射杯或者二次透镜的系统中,角度要求都较小(30-60度),例如投光灯。
(4)一般用在系统角度要求在60-100度,不用加二次透镜,例如庭院灯。
LED照明光学系统具体分析
反射杯的光学分析:
我们常见的反射杯有两种,如下图所示:
反射杯的形状和开口大小直接影响到整个系统的出光角度即光强分布曲线。我们通过光线的反射定律很容易就能判断出一个光源经过反射杯后大概的出光情况。我们举几个例子看一下,下面几个图是同一光源的相同的三条光线经过不同反射杯后的出光情况。
LED照明光学系统具体分析
根据上面的图,我们可以看到反射杯形状不一样,开口不一样最后的出光也相差很多。同样的道理如果换成不同的光源,最后的出光也会相差很多,所以在做LED照明系统时,要特别注意反射杯的选取以及光源和反射杯的搭配。
LED照明光学系统具体分析
透镜光学分析:正透镜(凸透镜)――对光有会聚作用,其特征:中央厚,边缘薄,常见的有:双凸透镜,平凸,正弯月型等。
负透镜(凹透镜)――对光有发散作用,其特征:中央薄,边缘厚,常见的有:双凹透镜,平凹,负弯月型等。
透镜的焦距公式:
(设透镜二个曲率半径分别为r1、r2,折射率为n,中心厚度为d )
在得到透镜的焦距之后,就可以调整光源和透镜的位置以达到我们的设计要求;如果是光源和透镜的位置已经固定,那就必须选择合适的光源和透镜以达到设计要求。
LED照明光学设计案例(1)
用我们前面模拟的光源,再加一个反射杯做一个实际应用的模拟。我们的要求是LED光源在加上反射杯后能在一米远处呈现一个比较均匀的光斑,光斑的直径在150mm左右。
我们先看一下模拟结果
LED照明光学设计案例(2)
从上面模拟出的数据可以看出,最后的结果基本符合要求,但还存在问题:
(1)光源发出30000条光线,但在接受屏上只有11799条光线,这说明还有很多光线并没有到接受屏上;
解决方法:我们希望尽可能多的把光线集中到接受屏上,那就要使整个系统的发光角度变小。右下角是光强分布图,我们要做的就是把半值角再减小,光线更集中。
具体方法:(1)改变光源的位置(2)更换光源(3)更换反射杯(4)增加透镜
要注意的问题
1、反射杯的选取。
2、材料特性:反射杯的反射层材料特性。
3、光源部分的建立。
4、设计要求和目标要明确。
背光源光学设计
主要分析的光学部分:光源、背光板、反射膜,扩散膜。
所需参数:
光源:能量、光强分布、外形尺寸。
导光板:网点分布、材料、透光率、折射率、表面特性、外形尺寸。
反射膜、扩散膜:表面特性(反射、散射)。
建立模型很重要,特别是背光板的模型。
背光源光学系统的具体分析
光源部分:一般选用侧发光LED,且侧面发光的角度较大,以便光线能在背光板上分布更均匀。
导光板部分:看一下光线是如何在导光板内传播的。
设导光板的折射率为n,空气折射率为1,那么根据几何光学的基本定律我们就可以分析出光在导光板内的传播情况。先计算出光线从导光板内射入空气时的发生全反射的临界角Im=arcsin(1/n)。
(1)如果导光板为一平行板,且不做任何处理,假设有三条光线由导光板内射出,在分界面上红色和绿色光线的入射角都小于Im,而蓝色光线入射角大于Im,那么根据反射定律和折射定律我们就可以得到这三条光线传播路径,如下图所示,红,绿光线都可以直接折射出导光板,而蓝色光线由于发生全反射而不能射出。
(2)如果导光板为一楔行板,且不做任何处理,假设有三条光线由导光板内射出,在分界面上红色和绿色光线的入射角都小于Im,而蓝色光线入射角大于Im,那么根据反射定律和折射定律我们就可以得到这三条光线传播路径,如下图所示,红、绿光线都可以直接折射出导光板,而蓝色光线经过几次反射后最终也可以射出。
(3)如果导光板为一平行板,底部做一些小凸点,假设有三条光线由导光板内射出,在分界面上红色和绿色光线的入射角都小于Im,而蓝色光线入射角大于Im,那么根据反射定律和折射定律我们就可以得到这三条光线传播路径,如下图所示,红、绿光线都可以直接折射出导光板,而蓝色光线由于发生全反射而反射回导光板,再经过小凸点反射后最终射出到空气中。
通过上面三个例子我们可以看到第一种导光板效果显然不好,有很大一部分光线都出不来;第二种光线虽然可以射出但是由于厚度太厚在很多时候不能被接受;第三种效果比较好也是现在用的比较多的,也就是我们通常说的网点型导光板。这种导光板最重要的部分就是网点的分布,不同的网点分布最后的出光效果会完全不同。所以网点的设计很重要。
LED背光源光学设计案例(1)
我们先建立模型,光源用2只蓝色LED;
背光板:60*40mm,板上布有网点。
把分析所需参数输入到软件里面,我们看一下结果,在背光板出光面上设一个接收屏。
LED背光源光学设计案例(2)
LED背光源光学设计案例(3)
从上面的照度图,我们可以很明显的看到背光板上靠近LED光源部分射出的光线要多,也就是说这块背光板出光是很不均匀的。
下面我们来看一下如何改进:
方法(1):改变网点的数量和大小;
方法(2):改变网点的排布;
方法(3):更改背光板的尺寸;
方法(3):更改光源;
那我们就用方法(1)来模拟一下改进后的结果。
将网点数量变少并且增大网点。
LED背光源光学设计案例(4)
下图是重新建立的模型,可以看到网点明显变少了,而单个网点的直径和高度增加了,其它都没有改变。
LED背光源光学设计案例(5)
重新用软件分析后,得出的照度图。从图中可以看到背光板的出光比前一个要均匀很多。
光学透镜基础加工标注
1、对材料的要求:
nd值(折射率)
光在不同的介质中传播时,具有不同的速度。在物理学中折射率定义了n1.2=v1/v2,称为第二种介质对第一种介质的相对折射率。其中v1为光在第一种介质的传播速度; v2为光在第一种介质的传播速度。
vd值(色散系数)
同一介质对不同的波长有不同的折射率,这就是物质的色散性。vd =(nD-1)/(nF-nC)
光学均匀性
同一块玻璃中各点折射率的一致性即为光学均匀性。
光吸收系数
白光通过一厘米厚的无色光学玻璃时,玻璃吸收的光通量与入射的光通过量之比。
应力双折射
玻璃在没有应力时是各向同性的。当受到外力(如装夹太紧)或内力(不均匀的冷却与加热)时玻璃内可产生内应力,破坏了各向同性,光学上的作用是引起双折射。
条纹度
条纹是玻璃内部丝状或层状的化学不均匀区,其折射率与主体不同,光学上的作用相当于细微的柱面透镜,造成杂光,影响鉴别率。
气泡度
玻璃中的气泡是在熔炼的澄清过程中气体来不及逸出所致,气泡的光学作用相当于一个细微的凹透镜引起散射与折射。
2、对零件的要求
·N--光圈数
·△N--不规则、局部误差
·△R--样板等级精度
·C--透镜偏心差
·B--光学零件表面疵病
·d--光学零件中心厚度
·f′--透镜焦距
·倒二面角--给两个相交平面的棱线倒角
·倒三面角--给三个相交平面的棱角倒角
·D0--光学零件的有效孔径、有效范围
·θⅠ--棱镜第一平行差
·θⅡ--棱镜第二平行差
·(光线从反射棱镜的入射面垂直入射,光线在出射前对出射面法线的偏差。在入射光轴截面方向的分量,称做第一光学平行差。在垂直于入射光轴截面方向的分量,称做第二光学平行差。)
透镜、分划板等园形光学零件应标出下列有关尺寸和公差:
·零件表面的曲率半径;
·外园直径及公差;
·中心厚度及公差;
·倒角尺寸及公差。
·光学零件的表面为平面时,通常不标注。有时标为R∞。
·(一般以参考尺寸标注球面镜的边缘厚度及弯月透镜凸面顶点到凹面边缘的轴向尺寸。)
例1:
棱镜及其它非园形光学零件图纸上应标出下列有关尺寸公差:
·零件的直线尺寸和角度及公差;
·倒角尺寸及公差;·零件表面通光区域尺寸。
·棱镜零件图上若未画出棱的倒角图形,则所标注的尺寸一律为到尖棱的尺寸。
·标注棱镜角度公差时,一般注在锐角上。
例2:
例3:
对倒角的标注
光学零件图上一般用图形和文字表明倒角要求。若图面上的倒角尺寸小于2毫米时,一般不绘制出实际倒角图形,只需在倒角处引出细实线,标注其倒角尺寸,不允许倒角的棱线,应用细实线引出,并注明“尖棱”,(我们现在一般标注的是“倒脊不可”。)若在同一图形上所有或部分倒角尺寸均相同时,则只需用文字在技术要求中注明“全部倒角××”或“其余倒角××”“未注倒角××”。?
对光洁度的标注
图纸中应按有关规定标出每一面的光洁度要求。若各表面的光洁度要求相同时,则只在图纸的右上角标出“全部××”,若大部分表面的光洁度要求相同,而少数表面要求不同时,则只在少数表面上标出加工代号,其余的加工代号在图纸右上角标明,如“其余××”。
·①是通过去除表面所得到的表面,表面高低不平度为3.2微米。可通过铣磨得到。
·②是通过去除表面所得到的表面,表面高低不平度为1.6微米。可通过树脂细砂轮铣磨或精磨得到。
·③是通过去除表面所得到的表面,表面高低不平度为0.01微米。须通过先精磨、后抛光得到。
·④是不去除表面,是压型料表面。
镀膜特性
平面与球面反射镜和分光镜零件图的特有内容:对分光膜层的反射率和透过率及其公差在技术要求中说明;检验膜层的质量标准在技术要求中说明。
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简图:三视图
光学材料简介
光学材料的种类
光学玻璃:
光学晶体:
KDP类型晶体:
光学塑料:
光学玻璃:
①是光学设计最常用的光学材料;
②为满足光学设计对多种光学常数、高度均匀性、高度透明性及化学稳定性的要求,应具有复杂的组成和严格的熔炼过程。
(一)光学玻璃与普通玻璃的区别:
①折射率:
普通玻璃的组成:SiO2+Na2O+CaO
光学玻璃的组成:成分复杂
现代光学玻璃所含元素几乎遍及化学元素周期表,每一种光学玻璃都要由硅、磷、硼、铅、钾、钠、钡、钙、砷、铝等多种氧化物组成。
②高度透明:
③高度均匀性:各点各处的光学常数和其它一些物理化学性质一致
(二)光学玻璃的种类
按主要组成成份分:
以SiO2为主要成分的光学玻璃,称之为硅酸盐玻璃;占95%
以B2O3为主要成分的光学玻璃, 称之为硼酸盐玻璃;
以P2O5为主要成分的光学玻璃,称之为磷酸盐玻璃。
硅酸盐玻璃是制造透镜、棱镜等光学零件的主要材料。2
物质的玻璃态
物质按结构分晶体和非晶体。
玻璃态的特点:物质内部氧化物的元素以元素的离子状态存在,它们之间的排列是没有规律的,无固化点和融化点。
玻璃态:玻璃在低温固态下仍保留了高温液态的无定形结构。 又称过冷却液体。3
玻璃的物理特性
①各向同性:指玻璃内部沿任何方向测得的物理性能(如折射率、热膨胀系数、硬度等)都是同值。
各向异性:沿任何方向测得的物理性能都是不同值。
②介稳状态:在一定条件下,物质可能处于相对稳定的状态,但不是能量最低储存状态,叫介稳状态。
说明玻璃有像晶体转化的趋势。
③玻璃从熔融状态向固态转化是连续可逆的。
④玻璃无固化点和熔化点。
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玻璃的结构
(一)无规则网络学说认为:
1932年 荷兰 查哈里阿生
1、内容:
①玻璃的原子、离子、或原子团之间的结合,构成一个连续的网络体;
②网络体呈现出很大的不规则性。
2、一元体系玻璃特性(一元体系玻璃结构):
例如:SiO2 晶体:石英晶体
玻璃:熔石英玻璃
由一个硅原子和四个氧原子构成的硅氧四面体[SiO4]。
熔石英玻璃和石英晶体的结构模型如下石英晶华西
石英晶体
熔石英玻璃
化学结构式:
由于在熔石英玻璃结构中,只有Si-0键,且键力平衡,结合牢固。因此,熔石英玻璃具有较高的软化温度、化学稳定性、机械强度高以及较低的热膨胀系数等特性。
3、二元体系玻璃——Na2OSiO2
化学结构式:(二)“晶子”学说
1921年 苏联 列别杰夫
内容:
①玻璃由无数“晶子”组成;
②所谓“晶子”不同于一般的“微晶”,而是带有点阵变形的有序排列区;
③它们分散在无定形介质区;
④从晶子区到无定形区的过渡是逐步完成的,两者之间并无明显的界限。
强调:远程无序、近程有序。
§1-2 无色光学玻璃
一、光学玻璃的组成
光学玻璃是由多种氧化物组成的,这些氧化物分为两大类:
一类氧化物是能生成玻璃网络结构的氧化物,如SiO2、B2O3、P2O5等,属AO2、A2O3、A2O5型氧化物,称之为玻璃形成体或玻璃网络体;
另一类氧化物,不能生成玻璃的网络体,只是插入玻璃的网络结构中间,如Na2O、K2O、CaO、BaO、PbO等,属于A2O、AO型氧化物,他们称之为玻璃的网络外体。
例如:K9的成分
由Sio2:69.13%;B2O3:10.75%;K2O:6.29%;Na2O:10.40%;As2o3:0.36%;Bao:3.07%
加入氧化铝(Al2O3),能提高光学玻璃的化学稳定性和机械强度;加入氧化铅(PbO)和氧化钡(BaO),可增大光学玻璃折射率,但化学稳定性降低;
加入氧化钠( NaCl),使光学玻璃化学稳定性和机械性能变差,但可降低熔炼温度;等等。
二、无色光学玻璃的分类及命名(牌号)
大都采用拉丁字母作为品种的标志,在品种标志之后附有牌号的标志。
1、分类划分界限:
ˉ按光学玻璃折射率和阿贝数的大小将其分为冕牌玻璃和火石玻璃两大类。
ˉ例如:德国规定nd<1.6,υd>50为冕牌类,其余则为火石类;日本规定nd<1.6,υd>55为冕牌类,其余则为火石类。
ˉ我国光学玻璃标准规定:将玻璃分为2大类,用K代表冕牌玻璃,F代表火石玻璃。每一大类又进一步按nd及υd分为18个品种。
冕 牌 玻 璃
火 石玻 璃
2、牌号:ZF9(1~99)
其中F——种类;ZF——品种;ZF9——牌号
l同一品种玻璃,它的折射率大致相同相差不多。
三、无色光学玻璃的质量指标(七项)
(一)折射率、色散系数的允差及一致性
折射率:表示光在空气中的传播速度与在玻璃中的传播速度之比。
n=C/V (nd、nF、nc)
色散系数:不同波长的光经过折射后,出射点不同。
用中部色散nF-nc衡量
①nd、υd的允差(允许差值)
分 0 、 1 、 2 、 3 、 4 四类
u例如:K9: nd=1.5163 0类K9的nd: 1.5158~1.5168
②nd、υd的一致性
同一批玻璃中要控制nd、υd的差值不能过大。
分 A 、 B 、 C 、 D 四级
u例如:K9: nd=1.5163 0类A级时nd的大小
0类:1.5158-1.5168
A级:1.51625-1.51635
0类A级去它们交集。
选取时:
①小批量生产时,高级照相机物镜和高倍的望远镜物镜可选用△nd为1~3类和υd为2~3类玻璃。大批量生产时选用均为1~2类的玻璃。
②对于望远镜的第二组分和光焦度不大的透镜、目镜、会聚光路上的棱镜,可用△nd和υd均为3~4类玻璃。
③保护玻璃、分划板、毛玻璃、反射镜、聚光镜、场镜、平行光路中的棱镜级弯月透镜,对玻璃的△nd和υd不做要求。
(二)光学均匀性
1、定义:同一块玻璃中,各部分折射率变化的不均匀程度
依据Ф/Ф0的比值,分 1 、 2 、 3 、 4 四类。
Ф/Ф0 1.0 、1.1 、1.2 、1.5
根据光学系统选择均匀性:
①提高分辨率和高像质观察仪器的物镜,如高精度干涉仪、天文仪、测地仪、准直仪和显微镜等应用光学均匀性第1类的玻璃。
②制作精密的望远镜、瞄准镜、观察镜以及具有高分辨和高像质的复制镜,用2-3类玻璃。
③对普通的照相物镜,应使用第3-4类玻璃。
④对望远物镜的第二组分、广角物镜的弯月透镜、位置靠近像平面的光学零件(场景、分划板、棱镜),均可采用第4类玻璃。
⑤对于有一面为毛面的分化镜,均匀性不作规定;对于保护玻璃、棱镜和滤光镜,其玻璃的均匀性要求可与其位置靠近的零件的均匀性要求相同。
(三)应力双折射
按o光、e光通过每1cm厚的玻璃产生的光程差大小
分 1 、1a、 2 、 3 、 4 五类
nm/cm 2、6、10、20、50
以毛坯光程差最大方向之最大部分测的为准。
选取原则:
①干涉仪和天文仪,只能使用双折射为第1类的玻璃。
②对于高精度的望远镜、准直镜和复制显微镜的物镜以及反射镜,玻璃的应力双折射应该是第2~3类
③照相物镜使用双折射第3~4类玻璃。
④聚光镜、普通仪器的目镜、放大镜采用双折射第4~5类玻璃。
(四)光吸收系数 E
E:表示白光通过1cm厚的玻璃所吸收的光通量与进入该玻璃光通量之比。
E﹤0.015=1.5%
分 00、0、1、2、3、4、5、6 八类。
选取原则:
①凡是与空气临接面较多,玻璃内光程长度较短(20~50mm)的复杂系统,光的主要损失是反射。因此,这种系统中以及较薄的光学零件,应采用4~6类玻璃。
②玻璃内光程较长的零件(棱镜、天文和照相仪器的透镜)、光的透过系数的降低主要是光的吸收造成的,因此这类零件应选用00~3类玻璃。
(五)条纹度
按检验条件分 00、0、1、2四类;
按观察方向分A、B、C三级。
选取原则:
①对于具有极限分辨率和高像质的干涉仪、天文仪、平行光管以及显微镜的物镜必须采用C级0类玻璃。
②对于目镜、聚光镜、毛玻璃用的玻璃可选用条纹第2类的玻璃。
(六)气泡度
首先按所含最大气泡的直径分为
0、1、2三类;
并按每100立方厘米玻璃内允许含有的气泡总截面积(平方毫米)分为A00、A0、A、B、C、D、E七级。
选取原则:
①对于位置靠近或处于像平面上的零件,其材料不允许有气泡,应使用第0类玻璃。
②大倍率观察仪器的分划板、分度盘、平行光管、分辨率板,应采用0类和1类玻璃。
③照相物镜、双筒望远镜和大地测量仪器的物镜,允许选用2类D、E级玻璃材料。
④在望远镜和大口径照像物镜中允许气泡度为E级。
§ 1-3 有色光学玻璃
1、作用:
①能选择地透过特定波长的光线;
②透过连续光谱中一定宽度的光谱范围的光线;
③均匀地减弱白光的光谱等。
2、组成: 是在基本的无色光学玻璃成分中,加入少量着色剂而 成。
(一)离子着色选择吸收玻璃
着色剂在玻璃中呈离子状态,称离子着色选择吸收玻璃,简称离子着色玻璃
离子着色剂,通常采用金属钴、镍、钼、锰、铬、钛、铜的氧化物。
种类:
透紫外线玻璃(ZWB)、紫色玻璃(ZB)、青色(蓝色)玻璃(QB)、绿色玻璃(LB)、透红外线玻璃(HWB)、防护玻璃(FB)、透紫外线白色玻璃(BB等)。
(二)中性玻璃
特点:在可见光区域内能比较均匀地降低光源的光强度,而不改变其光谱成分
作用:主要是做中性滤光片、减光镜。
牌号:AB1,AB2,AB3……,AB10等。
(三)硒镉玻璃
着色剂是采用硒化镉和硫化镉,故称硒镉玻璃。
由于着色剂在玻璃中呈胶态,亦称胶态着色玻璃。
品种:红色(HB)
金色(JB)
橙色(CB)
1—硒镉玻璃;2—离子着色选择吸收玻璃; 3—离子着色中性玻璃
§1-4 特种光学玻璃
(一)耐辐射光学玻璃
加入多价离子做抑制剂。二氧化铈(CeO2)就是抑制剂之一。
牌号:例如K609 。
Kn09以K9玻璃为基底耐辐射能力为10?伦琴,而且还保持K9玻璃的光学常数和其它性质。
(二)防辐射光学玻璃
目前我国使用的防辐射玻璃是含铅、含钡量高、密度大的ZF1、ZF6、ZF7玻璃。
(三)透红外和透紫外玻璃
目前,国内外红外光学材料发展的重点是适用于1~3μm、3~5μm和8~14μm波段的光学材料。
1、光学石英玻璃
含SiO2 99.9%,即可以透红外线,又能透过紫外线。
牌号:JGS1、JGS2、JGS3 。
光谱特性:0.2~4.7μm。
2、铝酸钙玻璃以CaO、Al2O3为主要成分透过波长:1~1.5μm。
牌号:HWC31。
3、高硅氧玻璃含SiO2达96%,其性能接近于石英玻璃。它的膨胀系数小,软化温度高,化学稳定性好,熔制温度比石英玻璃低得多。
(四)石英玻璃
1.优良的光谱特性,在0.2~4.7μm光谱范围内。
2.耐高温、热膨胀系数小,它的熔化温度在1713℃以上,软化温度是1580℃±10℃。
3.化学稳定性好,耐碱性差。
4.机械性能高。
(五)光学功能材料
激光、电光、声光、磁光等光学功能材料。
§1-5 微晶玻璃
一、结构
介于玻璃与晶体之间——玻璃陶瓷,按Li2O-Al2O3-SiO2做系统的玻璃。
经历两个阶段:
①在玻璃内部各处形成晶核;
②形成晶核的玻璃在晶体生长过程中逐渐转变为陶瓷。
微晶玻璃与普通玻璃的区别主要是具有结晶的结构,而与陶瓷的主要区别是,它的结晶结构要比陶瓷细得多。
二、微晶玻璃的性能
1、热膨胀系数小温度±160℃范围内,热膨胀系数均很小,室温膨胀系数接近于零。
2、强度大微晶玻璃比普通压延玻璃的强度高八倍。
3、硬度高,比重小硬度比熔石英玻璃高,比重小,约为2.44~2.62,比铝还轻。
4、稳定性极高它比目前使用的其它反射镜材料都好。
三、应用
平晶、标准米尺、大型反射镜、激光制导陀螺等。
§1-6 光学晶体
一、概念
晶体是具有格子结构的固体。
定义:晶体的结构与玻璃不同,即构成晶体内部的质点(原子和离子),是以点阵的形式在三度空间作有规律的、重复的排列,构成所谓的格子结构。
格子结构:
空间格子中的点,称为结点;结点在直线上的排列称为行列;结点在平面上的分布称为面网;在三度空间中, 空间格子的最小单位称为平行六面体。
实际晶体的最小单位称为晶胞。
组成晶体多面体外形的平面称为晶面;两个晶面相交而成的直线称为晶棱;三条晶棱会聚的点称为角顶。晶胞三个棱的方向称为晶轴。
晶体分为三大晶族,七大晶系,光学晶体多属中级和高级晶族的晶体,如石英晶体是属中级晶族中的六方晶系;萤石是高级晶族,属立方晶系。
二、晶体的基本性质
(一)均匀性晶体内部质点性质和排列方式都是相同的。
(二)各向异性晶体内部不同方向上质点性质不同,排列方式也不同所引起的。
(三)对称性晶体光轴为对称轴单轴
(四)自范性(自限性)晶体具有自发地形成封闭集合多面体外形的性质。(五)最小内能行及稳定性
三、光学性质
(一)双折射
与晶体结构对称程度有关。
(二)旋光性
当平面偏振波沿光轴方向传播时,偏振面旋转一定角度的现象。
(三)吸收性和多色
吸收性:各项异性。多色性:除等轴晶体外,同一晶体的不同方向上呈现出不同的颜色。
四、力学性质
(一)解理解理性:指晶体在外界定向机械力的作用下,按着一定的方向分裂成光滑平面的能力。解理面:因解理而成的平面。断口:依一定方向破裂而成的凹凸不平的表
(二)硬度硬度:表示物体对外来机械侵入所表现的抵抗能力。测定方法不同,硬度的标准也不同。对晶体最常用的是莫氏硬度。
旧莫氏硬度:
(10种)滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、正长石、石英、黄玉、刚玉、金刚石。
新莫氏硬度:
(15种)滑石、石膏、方解石、萤石、磷灰石、正长石、熔融石英、石英、黄玉、石榴石、碳化锆、刚玉、碳化硅、碳化硼、金刚石。
五、晶体的溶解度
晶体的溶解度表示在一定的温度下,该晶体在100g水中所能溶解的克数。
六、分类及应用
(一)按晶体的用途分类
1、紫外、红外晶体有石英(SiO2)、萤石(CaF2)、氟化锂(LiF)、岩盐(NaCl)、硅(Si)、锗(Ge)等。
石英:
2、偏振晶体
常用的偏振晶体有方解石(CaCO3)、石英和硝酸钠(硝石)等。
方解石:
3、复消色差晶体利用晶体特殊的色散特性制造复消色差物镜,如萤石与玻璃组合制成复消色差系统,可以消除球差和二级光谱。
4、激光晶体可用作固体激光器的工作物质,如红宝石、氟化钙和钇铝石榴石等。
刚玉:
石榴石:
(二)按硬度和工艺方法分类
1、硬质晶体
硬质晶体的硬度比玻璃高。玻璃的莫氏硬度约为6,石英晶体、红宝石、钇铝石榴石等,莫氏硬度在7~9之间。
2.软质晶体
大部分光学晶体均属软质晶体,莫氏硬度为2~4。常用的软质晶体有萤石和方解石等。
3.水溶性晶体
水溶性晶体的种类很多,例如氯化钠、氯化钾和ADP(磷酸氰氨)、KDP (磷酸氰钾)等。
§1-7 光学塑料
一、光学塑料的组成及种类
(一)组成
在树脂中添加增强剂、增塑剂、稳定剂和润滑剂等。塑料的基本性质,主要取决于树脂的性质,添加剂对改善塑料的性能起着重要作用。
(二)分类光学塑料按其性质分为:
①热塑性塑料:是线性分子链结构。
②热固性塑料:是网状分子链结构
1、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)高度透明,对可见光的透过率高达92%,并能透过73%的紫外光。它的折射率为1.492,与冕牌玻璃相近,故称王冕塑料。缺点:表面硬度低、易划伤。
优点:冲击强度高、不易碎、质轻、价格低、已成型。
成型方法:浇注成型法、注射成型法、机械加工成型法、热成型法。
2、聚苯乙烯
它的折射率为1.591。与火石玻璃相近,故称火石塑料。
缺点:强度低,耐热性差。
优点: 自由着色、无臭无味无毒、吸湿性小。
3、烯丙基二甘醇碳酸脂(CR39)
是目前使用的唯一的热固性光学塑料,通常采用浇铸成型。
缺点:收缩率大、价格贵。
优点:耐磨、抗冲击、抗化学腐蚀性强。
4、苯乙烯——丙烯酸酯共聚物70%的苯乙烯和30%的丙烯酸酯的共聚物。 可调其2者的成份,成份不同折射率不同。
二、光学塑料的优缺点优点:
1.比重小 光学塑料的比重在0.83-1.4之间,而光学玻璃为2.5-4.7。
2.耐冲击强度高
3.透红外、紫外性能好
4.耐温度骤变能力强5.易成型、成本低
缺点:
1.热膨胀系数高,吸水性大
2.硬度低、易划伤
3.光学常数选择范围有限
4.耐溶剂性能差
光学玻璃冷加工技术及质量要求
光学玻璃和其它玻璃的不同之点在于它作为光学系统的一个组成部分,必须满足光学成象的要求。
其冷加工技术是利用化学气相热处理手段以及单片钠钙硅玻璃来改变其原来分子结构而不影响玻璃原有颜色及透光率,使其达到超硬度标准,在高温火焰冲击下以满足防火要求的超硬度防火玻璃及其制造方法、专用设备。它是由下述重量配比的组份制成:钾盐蒸气(72%~83%)、氩气(7%~10%)、气态氯化铜(8%~12%)、氮气(2%~6%)。
它包含以下工艺流程:以钠钙硅玻璃为基片进行切割,精磨边的冷加工→对冷加工后的钠钙硅玻璃进行化学气相热处理→将钠钙硅玻璃表面进行镀防火保护膜的处理→将钠钙硅玻璃表面进行特种物理钢化处理。由缸体及其与之相套合的缸盖、与缸盖一体连接的反应釜构成专用热分解气化设备。
对光学玻璃质量有以下要求:
一、特定的光学常数以及同一批玻璃光学常数的一致性
每一品种光学玻璃对不同波长光线都有规定的标准折射率数值,作为光学设计者设计光学系统的依据。所以工厂生产的光学玻璃的光学常数必须在这些数值一定的容许偏差范围以内,否则将使实际的成象质量与设计时预期的结果不符而影响光学仪器的质量。同时由于同批仪器往往采用同批光学玻璃制造,为了便于仪器的统一校正,同批玻璃的折射率容许偏差要较它们与标准值的偏差更加严格。
二、高度的透明性
光学系统成象的亮度和玻璃透明度成比例关系。光学玻璃对某一波长光线的透明度以光吸收系数Kλ表示。光线通过一系列棱镜和透镜后,其能量部分损耗于光学零件的界面反射而另一部分为介质(玻璃)本身所吸收。前者随玻璃折射率的增加而增加,对高折射率玻璃此值甚大,如对重燧玻璃一个表面光反射损耗约6%左右。因此对于包含多片薄透镜的光学系统,提高透过率的主要途径在于减少透镜表面的反射损耗,如涂敷表面增透膜层等。而对于大尺寸的光学零件如天文望远镜的物镜等,由于其厚度较大,光学系统的透过率主要决定于玻璃本身的光吸收系数。通过提高玻璃原料的纯度以及在从配料到熔炼的整个过程中防止任何着色性杂质混入,一般可以使玻璃的光吸收系数小于0.01(即厚度为1厘米的玻璃对光透过率大于99%)。
嘉腾LED玻璃透镜模组优势
1.散热快,产品更耐用
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玻璃透镜优势
玻璃透镜连板设计,突破了传统的模组采用的PC连板透镜,带来一种全新的体验,有效地克服了PC透镜的不良问题:
1、抗腐蚀能力:高硼硅3.4玻璃属于硼硅酸盐玻璃中的硼硅玻璃,耐酸耐碱,抗腐蚀性能优越。
2、耐温性强:相比PC透镜,其热膨胀系数较低,拥有良好的热稳定性,光学表面温度的变化小,保留原有的光学照明效果。
3、透光率高:常规PC透镜透光率在85%左右,造成光照的浪费,玻璃透镜透光率为90-93%,镀加增透膜后可高达97%。
4、相比于PC透镜,玻璃透镜不会产生老化/黄化现象,从而影响透镜透光率。
5、相比于PC透镜,玻璃透镜不会吸附灰尘,并且方便清洗。
隧道照明配光
发光角度120°×80°、150°×80°(对称)等多种配光角度,合理的照度均匀度和防眩光等级等
设计有效的改善隧道内路面的墙壁照明状况,改善隧道内视觉享受,减轻驾驶员驾驶疲劳。
道路配光
有TYPE2-M、TYPE3-M等多种配光角度,其配光在路面形成照度均匀的类矩形光斑,
可以适用于双向八车道、六车道、四车道、二车道、一车道道路情况。
高杆灯配光
应用于大型广场、主干道交叉路口、码头、车站和体育场等场所中,悬挂高度较高,照明范围比较
广泛而且均匀,能够带来较好的照明效果,满足大面积场所的照明需求。
工矿灯配光
发光角度25°/45°/60°/90°/120°,主要应用于大楼外墙、桥梁、公园、广告招牌、球场广场、
工厂车间照明。