Glass lnes LED module street light Manufacturer

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

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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…

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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…

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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。

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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

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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。…

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