Lumen Vicenza 2009 - Fraen

Innovative optics solutions for maximizing light

Tecnologie di progettazione e produzione per sistemi ottici a LED

Marco Angelini

Fraen Corporation


Il Componente Ottico:un aiuto fondamentale per il LED


Riflessione: la luce gioca a biliardo


Rifrazione: cambio di direzione, la svolta


TIR (Total Internal Reflection): Luce prigioniera della materia


Fresnel losses: un’inevitabile dazio alla frontiera


RIFRAZIONE:

LENTI Classiche

TIR

RIFLESSIONE:

RIFLETTORI sempliciRIFLETTORI multipliRIFLETTORI faceted

CATADIOTTRI:

SISTEMI IBRIDI


RIFRAZIONE: LENTI Classiche

PRO:• Basso costo• Ampie tolleranze• Semplicità d’uso• flessibilità

CONTRO:• Bassa Efficienza• Qualità del fascio ottico

mediocre• Limitazione nel controllo

ottico• Proiezione del chip• Cromatismo


Use these surfaces to further shape beam pattern

Parabolic or elliptical shape to direct light

Collimating Lens in front of LED

Maximum efficiency when this ray is directed to edge of outer surface

Use these surfaces to further shape beam pattern







CONTRO:• Tolleranze Ridotte• Disegno specifico per ogni

tipo di LED• Progettazione complessa• Limiti dimensionali• Non ottimale per LED grandi

o multipli

PRO:• Ottimo Controllo del fascio

ottico• Altissima efficienza• Eccellente qualità del fascio

ottico• Possibilità di integrare

superfici complesse in uscita

RIFRAZIONE: Sistemi TIR


RIFLESSIONE: RIFLETTORI

PRO:• Ottima qualità del fascio• Facilità di stampaggio• Possibilità di grandi

dimensioni• Ottimo per chip grandi• Resistenti a temperature più

elevate

CONTRO:• Perdita di luce diretta• Dimensioni maggiori di TIR a

parità di LED e specifiche• Processo di metallizzazione

difficile da governare• Minore efficienza


Ottiche: Sistemi Ibridi

Ibrido

PRO:

Quelli dei sistemi TIR e Riflettori combinati

PRO:

• Costi di produzione elevati• Complessità di produzione• Alti investimenti (stampi)


Ottiche: Free-Form


Riflettore:

- Raccoglie il 55% della luce

- 27% di luce diretta genera alone

- 18% di luce persa

Lente piano convessa o di Fresnel:

- Raccoglie il 55% della luce emessa dal led

- 45% di luce persa

Ottica TIR:

- Raccoglie il 90% di luce

- Di cui 10-15%% genera alone

- 10% di luce persa

Caratteristiche Tipiche


COSTO PRESTAZIONI CAPACITA’ DI CONTROLLO OTTICO

TIR ** *** **

RIFLETTORE

DOPPIO RIFLETTORE*

****

**

*

**SISTEMA IBRIDO *** *** ***

Ottiche TIR, Riflettori e Sistemi Ibridi


85% 90%88%88%

Efficienza Totale

FL=Flusso in uscita dal LED: 100lm

F2=Flusso in uscita dalla lente in tutto il semi-spazio 2: 88lm

Efficienza Totale= ( F2/FL)x100= 88%


010

2030

405060

7080

90100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Apertura angolare dell'angolo solido

lum

ens

cum

ula

tivi

Efficienza Utile: La potenza dove serve veramente

75lm (+/-10°)

Eff. Tot=90%

65lm (+/-10°)

Eff. Tot=80%

45lm (+/-10°)

Eff. Tot=88%

Flusso LED=100lm


Source

OpticAREAsource

AREAoptic

SAsourceSAoptic

Etendue: un prodotto che si conserva.

Area*Angolo Solido=costante


Etendue: un prodotto che si conserva.

Area*Angolo Solido=costante

Area Lente1*AngoloSolido1=Area Lente2*Angolo Solido2

Source

OpticAREAsource

AREAoptic

SAsourceSAoptic

Source

OpticAREAsource

AREAoptic

SAsourceSAoptic


Lente Grande o Piccola: quando serve il controllo

Cd/lm


Lente e LED: flusso più alto vince sempre?

1200 cd

1000 cd

Narrow

80 lm

100 lm


La produzione:

• La lavorazione a macchina utensile,• Lo stampo• Lo stampaggio termoplastico• Lo stampaggio a inietto-compressione


Flange InsertBody Insert

Top Insert

Chimney Insert


• Direct machining / hand (or vapor) polishing– ~70% confidence of geometry matching simulation– Expensive option– Lead time: < 2 weeks

• Direct diamond turning– ~95% confidence of geometry matching simulation– Expensive option (3x to 4x cost of direct machining)– Lead time: 4 - 6 weeks

PROTOTIPAZIONE:


• Soft tooling– ~70% confidence of geometry matching simulation; not

typically a good solution for thick TIR optics– Inexpensive option: low tooling and part cost depending

on use of metallization– Lead time: ~ 2 weeks (depending on part complexity)

• Single cavity non-hard tooling– ~95% confidence of geometry matching simulation– Medium expense / result: higher tooling and part cost– Lead time: 4 – 8 weeks (depending on part complexity)

PROTOTIPAZIONE:


• The type of tooling fabrication process will influence the cost and performance of the final molded part.

• The two main differences are high-speed machining and hand polishing vs. diamond machining of the optical surfaces.

• Diamond machining will take 25% longer and cost 20% more but offer a ~15% improvement in the optical performance of the surface.

LO STAMPO:


0,15

0,6

1

2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

RelativeCycleTime

Part Size / Geometry


35%

70%

100%

55%

0%

10%

20%

30%40%

50%

60%

70%

80%

90%100%


2 c

avit

y

8 c

avit

y 8 c

avit

y

4 c

avit

y

Tooling Cost

(% of max)


1,2

0,6

1

2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

RelativePart Cost



• One main secondary process for illumination systems for HB LEDs is metallization.

• Metallization for these systems must be low cost and reliable.

• An average reflectance of 84% - 90% is typical for standard geometry (e.g. medium depth parabola).

• Odd shapes or double reflective systems can offer a challenge to meet model assumptions and should be considered in the design phase.

LA METALLIZZAZIONE:

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