LED光學(xué)設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀與展望*

閆 瑞 肖志松 鄧思盛 朱 放 黃安平 范恩科

(1.北京航空航天大學(xué)物理科學(xué)與核能工程學(xué)院，北京 100191;2.陜西烽火通信集團(tuán)有限公司，寶雞 721006)

1 引言

由于LED具有壽命長、功耗低、無污染等特點(diǎn)，已在汽車尾燈、景觀裝飾燈、手機(jī)背光源、顯示屏等領(lǐng)域相繼取得了成熟廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)在是進(jìn)入通用白光照明和LCD(liquid crystal display)面板背光源關(guān)鍵時(shí)期。我國已經(jīng)初步形成了從外延片生產(chǎn)、芯片制作、LED芯片封裝 (包括單一晶粒的分立封裝和多個(gè)晶粒的集成封裝)以及LED產(chǎn)品設(shè)計(jì)與應(yīng)用的比較完整的產(chǎn)業(yè)鏈。

在LED晶粒封裝成LED光源芯片的過程中必須進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)被定義為一次光學(xué)設(shè)計(jì)。它決定了光源芯片的出光角度、光通量大小、光強(qiáng)大小和光強(qiáng)分布、色溫范圍和色溫分布等。將LED光源芯片應(yīng)用到具體產(chǎn)品時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的出光效率、光強(qiáng)、色溫的分布狀況也必須進(jìn)行設(shè)計(jì)，稱為二次光學(xué)設(shè)計(jì)。LED發(fā)光器件的二次光學(xué)設(shè)計(jì)是在一次光學(xué)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。一次光學(xué)設(shè)計(jì)保證了每個(gè)LED發(fā)光芯片的出光質(zhì)量，二次光學(xué)設(shè)計(jì)則保證整個(gè)發(fā)光器件 (或燈具)的出光質(zhì)量和發(fā)光效率。從某種意義上說，合理的一次光學(xué)設(shè)計(jì)，能夠保證系統(tǒng)二次光學(xué)設(shè)計(jì)的順利實(shí)現(xiàn)，也就提高了照明和顯示的效果。在最終的實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)場景或商業(yè)的需求，進(jìn)行后續(xù)光學(xué)設(shè)計(jì)，主要是針對LED光源進(jìn)行陣列、數(shù)量等的設(shè)計(jì)。

2 一次光學(xué)設(shè)計(jì)

LED封裝中的一次光學(xué)設(shè)計(jì)主要是由內(nèi)光學(xué)設(shè)計(jì)和外光學(xué)設(shè)計(jì)組成。大部分的內(nèi)光學(xué)設(shè)計(jì)是指灌封膠和熒光粉的設(shè)計(jì)，主要用來提高光通量、光效和光色。外光學(xué)設(shè)計(jì)重點(diǎn)是指對出射光束進(jìn)行會(huì)聚、整形，使它形成光強(qiáng)均勻分布的光場，對陣列模塊而言，還需要注意芯片陣列的排布。

一次光學(xué)設(shè)計(jì)的主要目的就是將LED芯片中發(fā)出的光能盡量多的取出，使LED光源發(fā)光芯片發(fā)出的光在空間以一定的角度出射，光線沿各個(gè)方向的分布因各種不同的封裝結(jié)構(gòu)而不同［1］。根據(jù)發(fā)光的形狀可將LED光源分為點(diǎn)光源、圈光源、發(fā)光顯示器三類;根據(jù)發(fā)光的要求，封裝時(shí)需要采用不同的材料和材料性質(zhì) (摻或不摻散色劑)，類似透鏡或漫射透鏡的作用，控制光的發(fā)散角［2］;根據(jù)不同的封裝方式，采取合理科學(xué)的一次光學(xué)設(shè)計(jì)以達(dá)到提高光效的目的。

隨著實(shí)際應(yīng)用中對照明燈具功率高需求的提出，除了之前LED單芯片的封裝技術(shù)之外，LED也被越來越多地采用多芯片的封裝技術(shù)，分別被稱為分立封裝和集成封裝。由于一次光學(xué)設(shè)計(jì)直接影響到LED的使用壽命和性能，所以分立封裝和集成封裝中的一次光學(xué)設(shè)計(jì)也受到了更多的重視。

2.1 分立封裝中一次光學(xué)設(shè)計(jì)

LED的核心發(fā)光部分是由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體構(gòu)成的pn結(jié)芯片，當(dāng)注入pn結(jié)的電子和空穴產(chǎn)生復(fù)合時(shí)，就會(huì)發(fā)出紫外光、可見光和近紅外光。由于pn結(jié)區(qū)發(fā)出的光子是非定向的，即向各個(gè)方向的發(fā)射都有相同的幾率，所以，并不是芯片產(chǎn)生的所有光都可以發(fā)射出來。LED芯片發(fā)射光的多少，取決于半導(dǎo)體材料的質(zhì)量、芯片結(jié)構(gòu)和幾何形狀、封裝內(nèi)部材料以及封裝技術(shù)和工藝，所以對于LED封裝中的一次光學(xué)設(shè)計(jì)，要根據(jù)LED的芯片大小和功率大小來選擇滿足不同封裝方式的一次光學(xué)設(shè)計(jì)。分析表明，具有復(fù)合拋物線形狀的反光杯的會(huì)聚效果最好，可以形成均勻的遠(yuǎn)場光分布［3］。

2.2 集成封裝中一次光學(xué)設(shè)計(jì)

隨著LED燈具的廣泛應(yīng)用，實(shí)際應(yīng)用對它的光效也提出了更高的要求。所以在LED芯片的封裝設(shè)計(jì)中，越來越多地從原來單一晶粒的分立封裝發(fā)展到多個(gè)晶粒的集成封裝以此來滿足大功率的要求。在集成封裝應(yīng)用產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)下，其中的一次光學(xué)設(shè)計(jì)也受到了更多的重視，并且集成封裝的技術(shù)已經(jīng)被初步應(yīng)用在照明領(lǐng)域中。例如應(yīng)用在車頭燈、路燈、廣場照明、工廠照明以及一些大型的舞臺(tái)燈光和背景設(shè)計(jì)等方面。

根據(jù)集成封裝的要求，用于整形光束的透鏡需要微型化。微透鏡陣列在光路中可以發(fā)揮二維并行的會(huì)聚、整形、準(zhǔn)直等作用，具有排列精度高、制作方便可靠、易于與其他平面器件耦合等優(yōu)點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)大功率LED的光束整形提供了很好的解決方案［4］。研究表明采用衍射微透鏡陣列取代普通透鏡或菲涅爾微透鏡，可大大改善光束質(zhì)量，提高出射光強(qiáng)度［5，6］。

對于LED多芯片陣列封裝模塊，發(fā)光均勻性主要取決于封裝密度、芯片間距以及芯片與目標(biāo)面的距離。對于4×4陣列模塊，獲得均勻光分布的最大芯片間距dmax為:

式中 z——芯片與目標(biāo)面的距離;

m——芯片常數(shù)，與芯片出光半角 H/2有關(guān)，一般取 70 ～ 80［7］。

集成封裝芯片主要采用常規(guī)芯片，且高密度集成組合，其取光效率高、熱阻低。最后根據(jù)用戶的要求，可以組合電壓和電流，也可以將其制作成不同的體積和形狀，使用高折射率的材料根據(jù)光學(xué)設(shè)計(jì)的形狀對集成的LED進(jìn)行封裝。這種集成LED的價(jià)格比單芯1W功率的LED要低，但是光效高，適合在手機(jī)和LCD的面板上作為背光源，并且路燈、景觀燈也可以采用，是一種很有發(fā)展前景的LED大功率固體光源［8］。在LED應(yīng)用產(chǎn)品的不斷推動(dòng)下，LED光源中的一次光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)必將不斷發(fā)展。

3 二次光學(xué)設(shè)計(jì)

LED芯片與其他光源相比體積小，避免了光源對光線的吸收和遮擋，而且也給配套燈具系統(tǒng)的一次光學(xué)設(shè)計(jì)、二次光學(xué)設(shè)計(jì)以及后續(xù)光學(xué)設(shè)計(jì)帶來了極大的方便，保證了光學(xué)結(jié)構(gòu)的高效性和光路控制的準(zhǔn)確性。但是，由于LED的發(fā)光面積較小，因此只能朝一個(gè)方向發(fā)光，所以會(huì)出現(xiàn)某一個(gè)方向亮度很高、其他方向則會(huì)暗淡和光線不均勻，而且由于大部分LED光源的輻射角為110度至120度的郎伯分布，如果沒有經(jīng)過合理的配光，照在地面上的光形將會(huì)成為面積較大的圓形光斑，所以需要經(jīng)過適合實(shí)際應(yīng)用要求的二次光學(xué)設(shè)計(jì)來改善LED燈具的光照分布性能，最終使它具有滿足條件的發(fā)散角。

3.1 非成像理論

作為半導(dǎo)體照明光源的核心，LED芯片本身是一個(gè)近似的朗伯光源，即LED芯片的光分布是以垂直LED發(fā)光面的軸線方向?yàn)榱愣冉堑挠嘞曳植迹虼?，LED所發(fā)出光線的照度隨出射角Φ的增大而迅速衰減即 (如圖1所示):

Iφ≡ I0cosφ

圖1 LED芯片 (朗伯光源)照明示意圖

這樣的光源很難滿足各種照明用途的要求，因此必須根據(jù)不同的應(yīng)用場合和需求，針對LED光源設(shè)計(jì)不同的光學(xué)系統(tǒng)，對LED芯片發(fā)出的光進(jìn)行整形，改變其光強(qiáng)分布情況，這樣的光學(xué)設(shè)計(jì)問題屬于非成像光學(xué)的范疇［9］。

3.2 設(shè)計(jì)要求

對LED芯片進(jìn)行一次光學(xué)設(shè)計(jì)，目的是將其發(fā)出的光能盡量多地取出，而二次光學(xué)設(shè)計(jì)是把LED器件發(fā)出的光線集中到期望的燈具上，從而讓整個(gè)燈具系統(tǒng)發(fā)出的光能達(dá)到設(shè)計(jì)的需要。

為了減輕眩光帶來的不好的影響，要盡可能使光學(xué)系統(tǒng)在目標(biāo)面上可以形成均勻的光斑，而獲得亮度均勻的照明面有兩種方法:重疊和裁剪。重疊即是將光源發(fā)出的光細(xì)分為多個(gè)部分，然后在照明區(qū)域上互相重疊以消除光源總體光束的不均勻性，最終得到一個(gè)均勻的分布，例如復(fù)眼系統(tǒng)照明的設(shè)計(jì)。裁剪即是在已知光源發(fā)光分布的情況下，通過反射鏡或照明透鏡的面型 (例如非對稱、不規(guī)則的自由曲面)，來控制每條光線的走向，最終在照明區(qū)域里取得均勻的能量或照度分布［10］。

3.3 設(shè)計(jì)方式

在二次光學(xué)設(shè)計(jì)中主要采用反射、折射和反射折射混合等設(shè)計(jì)方式，使LED器件發(fā)出的光線能夠高效的投射到目標(biāo)面上，并在照射目標(biāo)上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用需要的各項(xiàng)照明指標(biāo)。

(1)反射式的二次光學(xué)設(shè)計(jì)

反射式二次光學(xué)系統(tǒng)能夠使LED的下部光、側(cè)部光、和上部光經(jīng)直射、反射和折射充分輸出至受光面，它是一種能夠重新分配、控制光源光通量的設(shè)計(jì)。光源發(fā)出的光經(jīng)反射器作用后，投射到要求的方向，LED器件最終的發(fā)光效率就會(huì)得到顯著地提高。

反射器的設(shè)計(jì)包括反射材料的反射系數(shù)、反射分布形狀以及適當(dāng)反射曲面的構(gòu)成，對于要求光效高、方向性好的燈具可采用鏡面反射材料;對于光線要求柔和的燈具可采用擴(kuò)散反射材料;對于眩光控制要求高的燈具可采用較大的截光角;對于光輸出分布比較規(guī)則的燈具可選擇合適的特種幾何曲面，如拋物面，橢球面;對于光輸出分布各向不均勻的燈具 (如汽車前燈)就要采用復(fù)雜的曲面，甚至是自由曲面［11］。

(2)折射式的二次光學(xué)設(shè)計(jì)

在折射型的設(shè)計(jì)中主要用到的是透鏡。利用光的折射原理將某些透光材料做成燈具元件，常用的燈具元件有折射器和棱鏡兩大類，這些燈具元件是用來改變初始出射光線的前進(jìn)方向和出光角度的大小，從而改變照明面積和照度，最后獲得合理的分布。LED采用透鏡時(shí)，會(huì)使點(diǎn)光源發(fā)出的光線進(jìn)行會(huì)聚或擴(kuò)散，所以，LED光源經(jīng)過透鏡光學(xué)系統(tǒng)后形成的泛光照明均勻柔和、不易引起視覺疲勞且無眩光污染。當(dāng)LED光源的陣列方式和透鏡的光學(xué)系統(tǒng)合理搭配時(shí)，每個(gè)LED的光能量利用率可達(dá)到約98%以上，多束光投射在同一個(gè)焦平面上，最終形成的光亮度就會(huì)倍數(shù)增加。

目前應(yīng)用越來越多的雙排復(fù)眼透鏡是由一系列小透鏡組合形成，將雙排復(fù)眼透鏡陣列應(yīng)用于照明系統(tǒng)可以獲得高的光能利用率和大面積的均勻照明［12］。例如LED在信號(hào)燈中的二次光學(xué)設(shè)計(jì)，由于信號(hào)燈需要將LED發(fā)出的光集中于一個(gè)較小的立體角范圍內(nèi)，所以就需要選用透鏡作為準(zhǔn)直光學(xué)組件，使得LED發(fā)出的光滿足要求。

(3)反射折射混合式的二次光學(xué)設(shè)計(jì)

在制作LED路燈燈具的時(shí)候也可以采用反射折射相混合的形式。該系統(tǒng)由準(zhǔn)直系統(tǒng)和復(fù)眼系統(tǒng)組成，其中準(zhǔn)直系統(tǒng)由反射器和中央準(zhǔn)直透鏡組成。準(zhǔn)直系統(tǒng)是將LED發(fā)出的光線分別通過鏡面反射和折射的方式調(diào)制為平行于器件主光軸的光束，最后輸出到復(fù)眼透鏡;而復(fù)眼透鏡則用來控制出射光束的發(fā)散角度。

現(xiàn)在的二次光學(xué)設(shè)計(jì)主要利用全反射TIR(total internal reflection)的照明設(shè)計(jì)方法，由于LED的出光范圍大，反射型或折射型的照明系統(tǒng)往往很難控制LED的全部出光，TIR利用折射和全反射，可以有效地收集LED大范圍的出光，并控制光束的分布，保證照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的緊湊［8］。TIR透鏡的設(shè)計(jì)一般是用于聚光，結(jié)構(gòu)可分為透鏡頂部與底部，光源發(fā)出的光在透鏡底部界面發(fā)生全反射，從而全部向頂部出射，配合頂部表面的特殊設(shè)計(jì)高效地在指定方向上聚集光線，用于重點(diǎn)照明。

4 設(shè)計(jì)流程

二次光學(xué)設(shè)計(jì)前，首先要根據(jù)實(shí)際的需要以及設(shè)計(jì)的要求，明確設(shè)計(jì)思想;其次根據(jù)具體應(yīng)用場合的尺度所決定的LED光源的配光角度和空間光強(qiáng)分布來確定設(shè)計(jì)條件和要求;再次根據(jù)常用的理論計(jì)算來設(shè)計(jì)模型。經(jīng)常用到的方法有邊緣擴(kuò)張度守恒、微分方程法、多參數(shù)優(yōu)化法、多表面同時(shí)設(shè)計(jì)法等，將理論計(jì)算得到的模型導(dǎo)入光學(xué)設(shè)計(jì)軟件中，建立相應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)模型，最終建立配光系統(tǒng)模型;最后通過光線追跡獲得目標(biāo)受照面上的照度分布結(jié)果，進(jìn)行數(shù)據(jù)的修改，優(yōu)化配光系數(shù)和配光系統(tǒng)。因此，一般設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 二次配光一般設(shè)計(jì)流程

5 后續(xù)光學(xué)設(shè)計(jì)

在對LED芯片進(jìn)行了一次光學(xué)設(shè)計(jì)和二次光學(xué)設(shè)計(jì)后，根據(jù)軟件中不斷優(yōu)化所得到的光學(xué)系統(tǒng)，需要將其設(shè)計(jì)開模制作成燈具實(shí)物，配上電源、散熱結(jié)構(gòu)和外殼構(gòu)成LED應(yīng)用產(chǎn)品。依照對實(shí)物燈具所進(jìn)行的光照度、熱性能等基礎(chǔ)性能的測試以及用戶特殊光效和應(yīng)用的需求而設(shè)計(jì)的總體燈具排布和布燈方案，包括LED的數(shù)量、間距、陣列方式以及光學(xué)、熱和電氣系統(tǒng)效率的設(shè)計(jì)即后續(xù)光學(xué)設(shè)計(jì)，以此來滿足各種視覺作業(yè)任務(wù)的要求，使人的視覺感官獲得最大程度的舒適。

后續(xù)光學(xué)設(shè)計(jì)也可以直接建立在一次光學(xué)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，從LED的光學(xué)特性出發(fā)創(chuàng)新地利用不同發(fā)光角的LED陣列組件進(jìn)行配光，可以通過基本配光模型和光強(qiáng)分布模型的優(yōu)化來建立配光的燈具，不需要聚光透鏡或反光器的光學(xué)設(shè)計(jì)，也就省略了二次光學(xué)設(shè)計(jì)的過程。

6 光學(xué)設(shè)計(jì)的展望

本文以LED產(chǎn)品設(shè)計(jì)與應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)鏈為主線，從分立封裝和集成封裝中一次光學(xué)設(shè)計(jì)的探討，得知不同封裝中的一次光學(xué)設(shè)計(jì)是不同的，而且隨著高功率光效輸出的需求，集成封裝將會(huì)越來越重要，即集成封裝中的一次光學(xué)設(shè)計(jì)也會(huì)受到更多的關(guān)注;在二次光學(xué)設(shè)計(jì)中主要介紹了它的原理、設(shè)計(jì)要求、常用的設(shè)計(jì)方式以及設(shè)計(jì)流程，由此看出二次光學(xué)設(shè)計(jì)仍然起著舉足輕重的作用，在以后的學(xué)習(xí)和生活中還需要進(jìn)行深入的研究;隨著人們對精神生活要求的提高，后續(xù)光學(xué)設(shè)計(jì)也將成為一項(xiàng)重要的工程。

LED自身已具有了很多優(yōu)點(diǎn)，并且在現(xiàn)代社會(huì)對節(jié)能的提倡下，它已被廣泛的用在交通信號(hào)燈、城市照明工程、背光源、LED顯示屏等特種照明等領(lǐng)域。隨著信息化社會(huì)的到來以及LED材料技術(shù)和二次光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷更新，LED已經(jīng)在社會(huì)經(jīng)濟(jì)的許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ED的照明要求有所不同，所以LED二次光學(xué)設(shè)計(jì)仍將在LED的設(shè)計(jì)過程中扮演著重要的角色。

二次光學(xué)設(shè)計(jì)已經(jīng)引起了很大的重視，但就目前集成封裝發(fā)展的趨勢而言，未來將會(huì)特別重視對有明確應(yīng)用需求的LED集成封裝所進(jìn)行的一次光學(xué)設(shè)計(jì)。針對應(yīng)用環(huán)境和需求盡量減少和簡化LED光學(xué)設(shè)計(jì)的層級(jí)和流程;針對特定產(chǎn)品和應(yīng)用需求提供集成化和模塊化的設(shè)計(jì)方法、軟件和服務(wù)?，F(xiàn)在，LED已被廣泛的應(yīng)用于室內(nèi)照明，以及大型舞臺(tái)背景和晚會(huì)裝飾等許多方面，所以后續(xù)光學(xué)設(shè)計(jì)也會(huì)受到更多的關(guān)注，因此需要通過適當(dāng)?shù)暮罄m(xù)光學(xué)設(shè)計(jì)，使得LED的光輸出效率達(dá)到最大，并且在外觀上加入更多的設(shè)計(jì)以給人們越來越舒適和美的感受。

［1］朱小清.LED光源在道路交通中的應(yīng)用研究 ［D］.重慶:重慶大學(xué)，2009.

［2］李 農(nóng).LED照明設(shè)計(jì)與應(yīng)用 ［M］.北京:科學(xué)出版社，2009.

［3］Brukilacchio T，Demilo C.Beyond the limit ations of today ps LED packages:optimizing high brightness LED performance by a comprehensive systems design approach［J］.Proc.SPIE，2005，5366:161 2172.

［4］陳明祥，羅小兵，馬澤濤，劉 勝.大功率白光LED封裝設(shè)計(jì)與研究進(jìn)展 ［J］.半導(dǎo)體光電，2006.27(6).

［5］Sales T R M，Chakmakjian S，Schertler D J，et al.LED illumination controland colormixing with engineered diffusers［J］.Proc.SPIE，2005，5530:133 2140.

［6］Rossi M，Gale M.Micro 2optics promotes use of LEDs in consumer's goods［J］.LEDs Magazine，2005:27229.

［7］MorenoI， Tzonchev R I. Effects on illumination uniformity due to dilution on arrays of LEDs［J］.Proc.SPIE，2005，5 529:268 2275.

［8］陳元燈.LED制造技術(shù)與應(yīng)用 ［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007:35.

［9］羅毅.半導(dǎo)體照明中的非成像光學(xué)及其應(yīng)用 ［J］.中國激光，2008.35(7).

［10］黃健.非成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法及其在LED道路照明工程中的應(yīng)用 ［D］.浙江:浙江大學(xué)，2008.

［11］徐晨潔.LED汽車路燈的光學(xué)設(shè)計(jì) ［D］.上海:復(fù)旦大學(xué)，2009.

［12］Glaser I.Applications of the lens let array processor［A］.SPIE，1983，564:180～185.