研究內容與方法 - 全周型LED球泡燈二次光學之設計

本章使用光學模擬軟體 Lighttools 來設計新型透鏡，並搭配 3D 模型繪圖軟體 Solidworks 快速建模，在考慮迴避其他現有的大角度透鏡專利的情況下，重新設計出一款光形結果能符合能源之星的全周型規範的透鏡，並與現有專利進行差異比較。

3-1 設計流程

使用光學模擬軟體 Lighttools 建立光學模型，建立 LED 影像光源資料檔，作為光學模型的光源，接著建立非序列性光線 (Non-sequential ray, NS ray)，分析光學模型的光路行為，設定目標為全周型標準，構思二次光學透鏡的設計概念，由設計目標為出發

使用光學模擬軟體 Lighttools

完成全周型二次光學透鏡設計 圖 3.1 設計流程圖

建立 LED 光源模型：影像光源資料檔與非序列性光線

設定目標為全周型標準發光角度：超過 270 度後方能量比例：超過 5%

均勻度：平均值 20%以內

構思設計概念與建立透鏡模型

調整非序列性光線呈現大角度且均勻分佈

執行影像光源資料檔模擬

發光角度：滿足 270 度後方能量比例：滿足 5%

均勻度：滿足平均值 20%以內

否

是

3-2 光源檔、接受器與散熱座建立

光學模型包含三項基本要素：光源、接受器、光學件；在建立本文的主要研究對象-光學件之前，首先建立光源與接受器，使用LED 的影像光源資料檔作為光學模型的光源，提供光學模擬軟體能夠運算光線行為的光能量的發光源；LED的影像光源資料檔是LED封裝廠使用 Radiant Image光學測量儀器，用CCD的原理擷取LED所發出的光能量轉換成影像檔，光學量測儀器使用CCD環繞著LED，從LED的各角度拍

Nichia是產值最高的LED製造商，而Nichia LED被廣泛使用的封裝型式為 PLCC 型式， LED 型號例如： NS6W183B 、 NF2W757AR 、 NS9W153AM-H3，採用Nichia的NS9W153AM-H3 LED作為本文的發光元

件，從Nichia的官方網站下載LED型號NS9W153AM-H3的影像光源資料檔，LED外觀如圖3.2，在光學模擬軟體中，點擊RaySource的功能鍵，

匯入影像光源資料檔，如圖3.3，接著開啟影像光源資料檔，如圖3.4，

在光學模擬軟體的指令列中輸入光源位置的XYZ座標位置，完成建立 LED光源。

圖 3.2 Nichia NS9W153AM-H3 SMD LED

圖 3.3 使用 Ray Source 的功能鍵的圖示

圖 3.4 開啟影像光源資料檔的圖示

當影像光源資料檔匯入光學模擬軟體時，光源的外觀如圖3.5，

光源外觀為矩形圖示，矩形圖示作為光線方向的向量參考盒，非具備 LED封裝體模型的任何光學性質。

圖 3.5 LED 光源檔的圖示

設計初期為了快速分析光學模型的光路行為，在光源發光的中心點位置建立扇形的非序列性光線，能視覺化 LED 發出的各角度光線的光路，鑑於 LED 的光形為軸旋轉對稱，故僅需建立半邊的 NS ray；

光源檔

的兩部分，較小角度的光線設定為紅線，而較大角度的光線設定為藍線，如圖 3.6，非序列性光線能用來觀察自 LED 發出的各角度光線經過光學模型後的折射或反射方向，並評估光學模型的光路行為，作為設計的參考依據。

圖 3.6 匯入虛擬光線的圖示

接著新增遠場光強度接受器，接受範圍為360度的遠場球狀接受器，接受球狀空間中各方向的光強度值，如圖3.7，遠場光強度接受器能夠記錄光學模型中的空間光強度分佈狀況，供設計者分析光強度分佈結果來反覆修改設計，光強度分佈結果分為兩種圖示方式，各為極座標與卡式座標，設計者能夠依使用習慣或應用情況而自由選擇圖示模式。

LED 發出的小角度光線

LED 發出的大角度光線

圖 3.7 接受器的圖示

繼續在光學模型的 LED 光源的下方建立散熱座機構實體，散熱座設定成不透光的金屬製品，散熱座會擋住由透鏡射向超過 180 度的大角度光線，同時又具反射局部光線，因此有必要考量設定散熱座的表面散射光學特性，如圖 3.8 所示。

散熱座接受器

3-3 二次光學透鏡光學設計 Solidworks 草圖上繪製光學件的截面輪廓線，利用建模特徵的軸對稱旋轉功能，建立本文的二次光學元件實體。以光學模擬軟體與 3D 模型繪圖軟體的聯結功能，快速建立光學模擬軟體的二次光學件的設計模型，再依據光學模擬的遠場接受器的光形結果，反覆修改光學件造型來調整光強度分佈，達到全周型標準規範。

用來建立二次光學件的草圖輪廓，使用自由曲面(free form)的多點不規則曲線，採用不規則曲線的多個控制參數，以及曲線前端與末端的幾何位置，決定曲線的輪廓線，相對應的尺寸設計參數在 8~10 個，此設計參數設定的數目，尚在一般光學設計者可以接受的調整參數的數目範圍。

3-3-1 二次光學透鏡的設計概念

LED 射出的較大角度光線。

(5)進行專利迴避時，透鏡的下半部採用導光柱結構，減少透鏡的體積，改善透鏡重量與成本的問題，並且採用導光柱的全反射現象來控制 LED 發出的較大角度光線，光線先在導光柱內產生第一次全反射，並射向透鏡頂面的 V 形結構，當光線射到透鏡頂面的 V 形結構時，

光線再產生第二次全反射，射向透鏡的下方，使更多的能量射往大角度的位置，增加光學設計的彈性，也更容易達成全周型標準，設計概念的構想流程如表 3.1 所示。

表 3.1 設計概念的構想流程

3-3-2 二次光學透鏡的概念實體建立

使用 3D 模型繪圖軟體 Solidworks 建立設計概念的二次光學透鏡，使用 Solidworks 的不規則曲線、直線與導圓角的草圖繪製功能，

快速建立軸旋轉對稱的二次光學透鏡造型；首先決定透鏡的最大外形的高度與寬度，訂出透鏡的尺寸範圍，接著繪製出不規則曲線的初始幾何位置；必須在初始頂面中央內凹位置預留適當的幾何空間，當要調整不規則曲線的曲率與輪廓時，能夠調整到不規則曲線中央的位置控制點與角度控制點，同線段的不規則曲線的控制參數與前端/末端的位置點參數，調整尺寸的方式可以直接輸入尺寸數據，或是直接拖曳控制點；接著使用草圖的直線繪製功能建立二次光學透鏡的其他輪廓線，透鏡底部較為細長的輪廓，則使用導圓角去除銳角，完成透鏡的草圖輪廓，如圖 3.9。

採用Solidworks的建模特徵-旋轉填料，沿著中心軸旋轉草圖輪廓，建立出二次光學透鏡實體，完成軸旋轉對稱的透鏡造型，如圖 3.10。

圖 3.10 透鏡的切面圖示

使用光學模擬軟體與 Solidworks 的聯結功能，把透鏡實體模型聯結到光學模擬軟體中，如圖 3.11 所示。

透鏡模型的材質設定成光學級 PC，折射率 1.575，表面光學參數設定為具「分光」及「菲涅爾損耗」的理想平滑表面的光學設定，完成光學模擬模型如圖 3.12。

圖 3.12 光學件圖示

透鏡初始結構，依據光線行為區分成上下兩部分，透鏡的上半部設計成全反射結構，藉由全反射的曲線來控制光線經過透鏡後，各射往設計角度的光能量；透鏡的下半部為導光柱結構，引導LED光源發出的大角度光線轉向透鏡的上半部，再由二次的全反射來調整射往各設計角度的光能量，此導光柱光學結構，增加導引LED光源發出的大角度光線的設計的彈性空間。

透鏡的上半部是經光學設計的自由曲面，導引LED光源發出的較小角度的光線(紅色線)，進一步觀察透鏡上半部的光路行為，在光線

的側邊及下方射出；除了全反射的光線以外，同時存在部分光線在不滿足全反射的情況下，依循光折射現象折射出朝上的光線，因此，藉由控制透鏡的上半部的自由曲面以重新調整、分配全反射、折射的光線能量比例(如圖3.13所示)，繼而達到全周型的光強度分佈，是一項困難度很高的光學設計目標。

圖 3.13 透鏡的上半部的光線行為圖

藉由上述的說明，一般為了能有效分配LED光源射出的全部角度的光線，就得把透鏡上半部的全反射面加大，才能完整控制LED光源所發出的各角度光線，但是往往會有機構尺寸的限制，無法讓透鏡尺寸無限制的加大，再者，考慮到射出成形的因素，愈大的透鏡尺寸代表成形的成本愈高，無益於產品開發。本文提出，把透鏡的下半部可採用導光柱結構，導光柱為細長的柱狀結構，在導光柱內部的光線會

全反射面

光柱的光學概念，利用導光柱結構控制LED光源射出的大角度光線，

大角度光線會在導光柱結構內進行第一次全反射，全反射後的光線射往透鏡的上半部時，再進行第二次全反射，最後射向透鏡的側邊及下方，如圖3.14所示。

圖 3.14 透鏡的下半部的光線行為圖 3-3-3 二次光學透鏡光學設計過程

在設計過程中，為了達成全周型標準規範的設計目標，需要不斷調整來控制透鏡的上半部的自由曲面、重新分配全反射、折射的光線能量比例。由於透鏡模型、光路行為、光強度分佈之間存在相互關係，當控制透鏡的上半部的自由曲面以分配全反射、折射的光線能量比例時，可以藉由觀察非序列性光線的光路行為，以評估光路行為偏向全反射或折射的機率較高，接著執行光線追跡模擬以觀察

導光柱結構

生局部角度的能量值過大所造成的光強度分佈不均勻的結果，接著提出兩種透鏡模型的舉例供分析與檢討。

舉例一，當透鏡的上半部的不規則曲線中央的位置控制點往上移動時，重新得到透鏡的草圖輪廓，如圖3.15，接著觀察非序列性光線的光路行為，發現光線射到透鏡的頂面時，光線傾向折射的機率較高，而傾向全反射的機率較低，同時光線也較集中在局部角度範圍

在文檔中全周型LED球泡燈二次光學之設計 (頁 39-67)