對 LED 光源設計想法的不專業分享

LED光源在AOI設備應用上因為相對種類選擇多、燈珠價格便宜、長壽命等，提供了更多種光源型式的組合，可以說是目前的主流。

基本上的LED晶片通常形狀是方形，少數為圓形，
尺寸從次釐米的小燈珠到數厘米的COB燈板都有(厚度薄)，
只要對LED電極通電就會讓晶片發出光，
但是若電壓、電流不對或散熱沒很容易燒毀，
發光的型式基本上是整體對外部發光線，
利用不同材料成分或螢光粉末可以發出不同顏色的光線，
從遠距離看可以將其視為一個點光源。

實務上的光源照片需求會有其特定需求，
但是為了求經濟規模量產效益，
同常會在LED晶片上進行封裝時順便加上一次光學元件，
將晶片發出的光線限制在某個角度範圍之中。

以AOI設備用的光源數量若要講求經濟效益，
勢必要選用量產的LED燈珠去作處理與變化，
要設計AOI設備用光源就必需要先從瞭解LED燈珠開始。

但是開始找LED燈珠前，
還是要先釐清光源的需求，
如此一來在找LED燈珠可以更省事。

首先要決定是光源照射範圍跟型式：
點、線、面，或是圓形/方形環狀，圓頂狀等等各種形狀。

決定好形狀後再來是選擇光波長、光亮度(瓦數)。

如果是點光源，要注意燈的有效照射範圍，必要時使用透鏡聚或擴光。

如果範圍實在太大，就必須使用多顆燈珠組成陣列，
陣列距離的安排跟LED出光角度有很大的關係，會決定照明範圍的均勻性。

所以切記要先找出/取得LED 的亮度與角度關係資料，例如億光的 3mm LED 204-15/FNC2-2TVA：

億光 LED 照度與角度關係

設計上可以先決定照度(不同位置的比例，以下略)的平均誤差，
例如先定亮度變化在 20% 以內，
從以上圖表中的數值可以先找出照度在 0度的角度為1.0，照度 0.8 的角度值約在7.5度。
在12.5度外，照度剩 0.5，
22.5度以外的照度是等於 0 。

接下來可以使用 CAD 軟體以 LED燈珠頂端為假想出光點，
繪製夾角 7.5*2=15度 的兩條線，
假設兩兩LED之間的間距為 5mm，
將前面畫的兩條線陣列 5 mm，
然後找出兩條臨近線條的交叉點，
從交叉點量測到LED燈珠頂端出光點的距離 H.L，

線狀：兩 LED 15度交線位置照度 0.8，中心 0 度為1.0

為了方便估算，假設在7.5度以外的照度為0，
H.L 就可視為相當於在臨近線方向的照度變化在 0.8~1.0 的光照射面高度，
實際上會有來自7.5~22.5的光照度貢獻，照度應該會更均勻一些。

但是在面方向， H.L 這個高度就不夠了，
從2維視圖來看就很清楚不夠的原因，
以兩線交叉點到燈珠出光 0度 的中心線距離 (等於 LED 陣列距離的一半 5/2=2.5 )畫圓，
此時會發現圓跟圓之間會出現 0.8~1.0照度無法涵蓋的範圍，

圓的四個角落照度不到 08

如此一來在面上的照度均勻性就會出現亮度不足 20% 的規格外狀況，
所以必須將 H.L 提高到 H.P。
以等比三角形的概念來看，
H.P = H.L *2^0.5 約 1.414的高度。

多交疊部分，可以提升亮度

以上這些計算是基於很單純的幾何，並假設 LED 的照度比例與角度資料來源是以同平面方式量測，不是以等距離方式量測。

另外要注意的一點是，LED 燈珠出來的光不是點光源，
實際上會把 LED Die(方型) 的形狀投射出來：

圖片來源：TracePro 網站

所以如果要做得專業、準確，實務上有一些光學模擬軟體可以協助計算模擬出照度分佈的均勻性，
例如在台灣我比較有聽過的有：
ASAP、Code V、OSLO、TracePro、Zemax...

可惜這些軟體少有免費的教育版本可以使用，所以ㄧ直沒機會試試看模擬效果。