Lumen Vicenza 2009 - Fraen

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Intervento di Marco Angelini, Fraen al convegno plenario di Lumen Vicenza, 2 ottobre 2009

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Lumen Vicenza 2009 - Fraen

  1. 1. Tecnologie di progettazione e produzione per sistemi ottici a LED <ul><li>Marco Angelini </li></ul><ul><li>Fraen Corporation </li></ul>
  2. 2. <ul><li>Il Componente Ottico: </li></ul><ul><li>un aiuto fondamentale per il LED </li></ul>
  3. 3. <ul><li>Riflessione: la luce gioca a biliardo </li></ul>
  4. 4. <ul><li>Rifrazione: cambio di direzione, la svolta </li></ul>
  5. 5. <ul><li>TIR (Total Internal Reflection): Luce prigioniera della materia </li></ul>
  6. 6. <ul><li>Fresnel losses: un’inevitabile dazio alla frontiera </li></ul>
  7. 7. <ul><li>RIFRAZIONE: </li></ul><ul><li>LENTI Classiche </li></ul><ul><li>TIR </li></ul>RIFLESSIONE: RIFLETTORI semplici RIFLETTORI multipli RIFLETTORI faceted CATADIOTTRI: SISTEMI IBRIDI
  8. 8. <ul><li>RIFRAZIONE: LENTI Classiche </li></ul><ul><li>PRO: </li></ul><ul><li>Basso costo </li></ul><ul><li>Ampie tolleranze </li></ul><ul><li>Semplicità d’uso </li></ul><ul><li>flessibilità </li></ul><ul><li>CONTRO: </li></ul><ul><li>Bassa Efficienza </li></ul><ul><li>Qualità del fascio ottico mediocre </li></ul><ul><li>Limitazione nel controllo ottico </li></ul><ul><li>Proiezione del chip </li></ul><ul><li>Cromatismo </li></ul>
  9. 9. <ul><li>RIFRAZIONE: Sistemi TIR </li></ul><ul><li>CONTRO: </li></ul><ul><li>Tolleranze Ridotte </li></ul><ul><li>Disegno specifico per ogni tipo di LED </li></ul><ul><li>Progettazione complessa </li></ul><ul><li>Limiti dimensionali </li></ul><ul><li>Non ottimale per LED grandi o multipli </li></ul><ul><li>PRO: </li></ul><ul><li>Ottimo Controllo del fascio ottico </li></ul><ul><li>Altissima efficienza </li></ul><ul><li>Eccellente qualità del fascio ottico </li></ul><ul><li>Possibilità di integrare superfici complesse in uscita </li></ul>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 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 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
  10. 11. <ul><li>RIFLESSIONE: RIFLETTORI </li></ul><ul><li>PRO: </li></ul><ul><li>Ottima qualità del fascio </li></ul><ul><li>Facilità di stampaggio </li></ul><ul><li>Possibilità di grandi dimensioni </li></ul><ul><li>Ottimo per chip grandi </li></ul><ul><li>Resistenti a temperature più elevate </li></ul><ul><li>CONTRO: </li></ul><ul><li>Perdita di luce diretta </li></ul><ul><li>Dimensioni maggiori di TIR a parità di LED e specifiche </li></ul><ul><li>Processo di metallizzazione difficile da governare </li></ul><ul><li>Minore efficienza </li></ul>
  11. 12. <ul><li>Ottiche: Sistemi Ibridi </li></ul>PRO: Quelli dei sistemi TIR e Riflettori combinati <ul><li>PRO: </li></ul><ul><li>Costi di produzione elevati </li></ul><ul><li>Complessità di produzione </li></ul><ul><li>Alti investimenti (stampi) </li></ul>Ibrido
  12. 13. <ul><li>Ottiche: Free-Form </li></ul>
  13. 14. <ul><li>Caratteristiche Tipiche </li></ul><ul><li>Riflettore: </li></ul><ul><li>- Raccoglie il 55% della luce </li></ul><ul><li>27% di luce diretta genera alone </li></ul><ul><li>18% di luce persa </li></ul><ul><li>Lente piano convessa o di Fresnel : </li></ul><ul><li>Raccoglie il 55% della luce emessa dal led </li></ul><ul><li>45% di luce persa </li></ul><ul><li>Ottica TIR : </li></ul><ul><li>Raccoglie il 90% di luce </li></ul><ul><li>Di cui 10-15%% genera alone </li></ul><ul><li>10% di luce persa </li></ul>
  14. 15. <ul><li>Ottiche TIR, Riflettori e Sistemi Ibridi </li></ul>*** *** *** SISTEMA IBRIDO * ** ** ** * ** RIFLETTORE DOPPIO RIFLETTORE ** *** ** TIR CAPACITA’ DI CONTROLLO OTTICO PRESTAZIONI COSTO
  15. 16. <ul><li>Efficienza Totale </li></ul>FL=Flusso in uscita dal LED: 100lm F 2  =Flusso in uscita dalla lente in tutto il semi-spazio 2  : 88lm Efficienza Totale= ( F 2  /FL) x100= 88% 85% 90% 88% 88%
  16. 17. <ul><li>Efficienza Utile: La potenza dove serve veramente </li></ul>75lm (+/-10°) Eff. Tot=90% 65lm (+/-10°) Eff. Tot=80% 45lm (+/-10°) Eff. Tot=88% Flusso LED=100lm
  17. 18. <ul><li>Etendue: un prodotto che si conserva. </li></ul><ul><li>Area*Angolo Solido=costante </li></ul>Source Optic AREA source AREA optic SA source SA optic
  18. 19. <ul><li>Etendue: un prodotto che si conserva. </li></ul><ul><li>Area*Angolo Solido=costante </li></ul>Area Lente1*AngoloSolido1=Area Lente2*Angolo Solido2 Source Optic AREA source AREA optic SA source SA optic Source Optic AREA source AREA optic SA source SA optic
  19. 20. <ul><li>Lente Grande o Piccola: quando serve il controllo </li></ul>Cd/lm
  20. 21. <ul><li>Lente e LED: flusso più alto vince sempre? </li></ul>1200 cd 1000 cd Narrow 80 lm 100 lm
  21. 22. <ul><li>La produzione: </li></ul><ul><li>La lavorazione a macchina utensile, </li></ul><ul><li>Lo stampo </li></ul><ul><li>Lo stampaggio termoplastico </li></ul><ul><li>Lo stampaggio a inietto-compressione </li></ul>
  22. 23. Flange Insert Body Insert Top Insert Chimney Insert
  23. 24. <ul><li>Direct machining / hand (or vapor) polishing </li></ul><ul><ul><li>~70% confidence of geometry matching simulation </li></ul></ul><ul><ul><li>Expensive option </li></ul></ul><ul><ul><li>Lead time: < 2 weeks </li></ul></ul><ul><li>Direct diamond turning </li></ul><ul><ul><li>~95% confidence of geometry matching simulation </li></ul></ul><ul><ul><li>Expensive option (3x to 4x cost of direct machining) </li></ul></ul><ul><ul><li>Lead time: 4 - 6 weeks </li></ul></ul>PROTOTIPAZIONE:
  24. 25. <ul><li>Soft tooling </li></ul><ul><ul><li>~70% confidence of geometry matching simulation; not typically a good solution for thick TIR optics </li></ul></ul><ul><ul><li>Inexpensive option: low tooling and part cost depending on use of metallization </li></ul></ul><ul><ul><li>Lead time: ~ 2 weeks (depending on part complexity) </li></ul></ul><ul><li>Single cavity non-hard tooling </li></ul><ul><ul><li>~95% confidence of geometry matching simulation </li></ul></ul><ul><ul><li>Medium expense / result: higher tooling and part cost </li></ul></ul><ul><ul><li>Lead time: 4 – 8 weeks (depending on part complexity) </li></ul></ul>PROTOTIPAZIONE:
  25. 26. <ul><li>The type of tooling fabrication process will influence the cost and performance of the final molded part. </li></ul><ul><li>The two main differences are high-speed machining and hand polishing vs. diamond machining of the optical surfaces. </li></ul><ul><li>Diamond machining will take 25% longer and cost 20% more but offer a ~15% improvement in the optical performance of the surface. </li></ul>LO STAMPO:
  26. 27. Relative Cycle Time Part Size / Geometry
  27. 28. Part Size / Geometry 2 cavity 8 cavity 8 cavity 4 cavity Tooling Cost (% of max)
  28. 29. Relative Part Cost Part Size / Geometry
  29. 30. <ul><li>One main secondary process for illumination systems for HB LEDs is metallization. </li></ul><ul><li>Metallization for these systems must be low cost and reliable. </li></ul><ul><li>An average reflectance of 84% - 90% is typical for standard geometry (e.g. medium depth parabola). </li></ul><ul><li>Odd shapes or double reflective systems can offer a challenge to meet model assumptions and should be considered in the design phase. </li></ul>LA METALLIZZAZIONE:

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