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1、 光学设计基础知识主要针对LED封装、LED照明以及背光源CHOUCHOUYU2008.4.28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=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
2、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。光学设计理论知识光学设计理论知识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
3、。LED封装的光学设计LED封装的光学系统具体分析实际测试的光强分布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
4、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（30度），光线要求比较集中；也可用于一些只要求有侧发光的系统或者有特殊发光角度要求中例如矿灯，手电筒、路灯（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LED照明光学系统具体分析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。
5、我们先看一下模拟结果LED照明光学设计案例（2）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
6、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背光源光学系统的具体分析（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
7、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。背光源光学系统的具体分析（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。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
8、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）要注意的问题网点的排布光源的选择