閆 瑞 肖志松 鄧思盛 朱 放 黃安平 范恩科

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

1 引言

由于LED具有壽命長、功耗低、無污染等特點，已在汽車尾燈、景觀裝飾燈、手機背光源、顯示屏等領域相繼取得了成熟廣泛的應用，現在是進入通用白光照明和LCD(liquid crystal display)面板背光源關鍵時期。我國已經初步形成了從外延片生產、芯片制作、LED芯片封裝 (包括單一晶粒的分立封裝和多個晶粒的集成封裝)以及LED產品設計與應用的比較完整的產業(yè)鏈。

在LED晶粒封裝成LED光源芯片的過程中必須進行光學設計，這種設計被定義為一次光學設計。它決定了光源芯片的出光角度、光通量大小、光強大小和光強分布、色溫范圍和色溫分布等。將LED光源芯片應用到具體產品時，整個系統(tǒng)的出光效率、光強、色溫的分布狀況也必須進行設計，稱為二次光學設計。LED發(fā)光器件的二次光學設計是在一次光學設計的基礎上進行的。一次光學設計保證了每個LED發(fā)光芯片的出光質量，二次光學設計則保證整個發(fā)光器件 (或燈具)的出光質量和發(fā)光效率。從某種意義上說，合理的一次光學設計，能夠保證系統(tǒng)二次光學設計的順利實現，也就提高了照明和顯示的效果。在最終的實際應用中，需要根據場景或商業(yè)的需求，進行后續(xù)光學設計，主要是針對LED光源進行陣列、數量等的設計。

2 一次光學設計

LED封裝中的一次光學設計主要是由內光學設計和外光學設計組成。大部分的內光學設計是指灌封膠和熒光粉的設計，主要用來提高光通量、光效和光色。外光學設計重點是指對出射光束進行會聚、整形，使它形成光強均勻分布的光場，對陣列模塊而言，還需要注意芯片陣列的排布。

一次光學設計的主要目的就是將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，光線沿各個方向的分布因各種不同的封裝結構而不同［1］。根據發(fā)光的形狀可將LED光源分為點光源、圈光源、發(fā)光顯示器三類;根據發(fā)光的要求，封裝時需要采用不同的材料和材料性質 (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］;根據不同的封裝方式，采取合理科學的一次光學設計以達到提高光效的目的。

隨著實際應用中對照明燈具功率高需求的提出，除了之前LED單芯片的封裝技術之外，LED也被越來越多地采用多芯片的封裝技術，分別被稱為分立封裝和集成封裝。由于一次光學設計直接影響到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設計也受到了更多的重視。

2.1 分立封裝中一次光學設計

LED的核心發(fā)光部分是由p型半導體和n型半導體構成的pn結芯片，當注入pn結的電子和空穴產生復合時，就會發(fā)出紫外光、可見光和近紅外光。由于pn結區(qū)發(fā)出的光子是非定向的，即向各個方向的發(fā)射都有相同的幾率，所以，并不是芯片產生的所有光都可以發(fā)射出來。LED芯片發(fā)射光的多少，取決于半導體材料的質量、芯片結構和幾何形狀、封裝內部材料以及封裝技術和工藝，所以對于LED封裝中的一次光學設計，要根據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設計。分析表明，具有復合拋物線形狀的反光杯的會聚效果最好，可以形成均勻的遠場光分布［3］。

2.2 集成封裝中一次光學設計

隨著LED燈具的廣泛應用，實際應用對它的光效也提出了更高的要求。所以在LED芯片的封裝設計中，越來越多地從原來單一晶粒的分立封裝發(fā)展到多個晶粒的集成封裝以此來滿足大功率的要求。在集成封裝應用產品的實現下，其中的一次光學設計也受到了更多的重視，并且集成封裝的技術已經被初步應用在照明領域中。例如應用在車頭燈、路燈、廣場照明、工廠照明以及一些大型的舞臺燈光和背景設計等方面。

根據集成封裝的要求，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)揮二維并行的會聚、整形、準直等作用，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，為實現大功率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，可大大改善光束質量，提高出射光強度［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——芯片與目標面的距離;

m——芯片常數，與芯片出光半角 H/2有關，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光學設計的形狀對集成的LED進行封裝。這種集成LED的價格比單芯1W功率的LED要低，但是光效高，適合在手機和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應用產品的不斷推動下，LED光源中的一次光學設計技術必將不斷發(fā)展。

3 二次光學設計

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)的一次光學設計、二次光學設計以及后續(xù)光學設計帶來了極大的方便，保證了光學結構的高效性和光路控制的準確性。但是，由于LED的發(fā)光面積較小，因此只能朝一個方向發(fā)光，所以會出現某一個方向亮度很高、其他方向則會暗淡和光線不均勻，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，如果沒有經過合理的配光，照在地面上的光形將會成為面積較大的圓形光斑，所以需要經過適合實際應用要求的二次光學設計來改善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

作為半導體照明光源的核心，LED芯片本身是一個近似的朗伯光源，即LED芯片的光分布是以垂直LED發(fā)光面的軸線方向為零度角的余弦分布，因此，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，因此必須根據不同的應用場合和需求，針對LED光源設計不同的光學系統(tǒng)，對LED芯片發(fā)出的光進行整形，改變其光強分布情況，這樣的光學設計問題屬于非成像光學的范疇［9］。

3.2 設計要求

對LED芯片進行一次光學設計，目的是將其發(fā)出的光能盡量多地取出，而二次光學設計是把LED器件發(fā)出的光線集中到期望的燈具上，從而讓整個燈具系統(tǒng)發(fā)出的光能達到設計的需要。

為了減輕眩光帶來的不好的影響，要盡可能使光學系統(tǒng)在目標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)出的光細分為多個部分，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，最終得到一個均勻的分布，例如復眼系統(tǒng)照明的設計。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 設計方式

在二次光學設計中主要采用反射、折射和反射折射混合等設計方式，使LED器件發(fā)出的光線能夠高效的投射到目標面上，并在照射目標上實現應用需要的各項照明指標。

(1)反射式的二次光學設計

反射式二次光學系統(tǒng)能夠使LED的下部光、側部光、和上部光經直射、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計。光源發(fā)出的光經反射器作用后，投射到要求的方向，LED器件最終的發(fā)光效率就會得到顯著地提高。

反射器的設計包括反射材料的反射系數、反射分布形狀以及適當反射曲面的構成，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)就要采用復雜的曲面，甚至是自由曲面［11］。

(2)折射式的二次光學設計

在折射型的設計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，會使點光源發(fā)出的光線進行會聚或擴散，所以，LED光源經過透鏡光學系統(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LED光源的陣列方式和透鏡的光學系統(tǒng)合理搭配時，每個LED的光能量利用率可達到約98%以上，多束光投射在同一個焦平面上，最終形成的光亮度就會倍數增加。

目前應用越來越多的雙排復眼透鏡是由一系列小透鏡組合形成，將雙排復眼透鏡陣列應用于照明系統(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在信號燈中的二次光學設計，由于信號燈需要將LED發(fā)出的光集中于一個較小的立體角范圍內，所以就需要選用透鏡作為準直光學組件，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設計

在制作LED路燈燈具的時候也可以采用反射折射相混合的形式。該系統(tǒng)由準直系統(tǒng)和復眼系統(tǒng)組成，其中準直系統(tǒng)由反射器和中央準直透鏡組成。準直系統(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制為平行于器件主光軸的光束，最后輸出到復眼透鏡;而復眼透鏡則用來控制出射光束的發(fā)散角度。

現在的二次光學設計主要利用全反射TIR(total internal reflection)的照明設計方法，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)結構的緊湊［8］。TIR透鏡的設計一般是用于聚光，結構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計高效地在指定方向上聚集光線，用于重點照明。

4 設計流程

二次光學設計前，首先要根據實際的需要以及設計的要求，明確設計思想;其次根據具體應用場合的尺度所決定的LED光源的配光角度和空間光強分布來確定設計條件和要求;再次根據常用的理論計算來設計模型。經常用到的方法有邊緣擴張度守恒、微分方程法、多參數優(yōu)化法、多表面同時設計法等，將理論計算得到的模型導入光學設計軟件中，建立相應的光學系統(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受照面上的照度分布結果，進行數據的修改，優(yōu)化配光系數和配光系統(tǒng)。因此，一般設計流程如圖2所示。

圖2 二次配光一般設計流程

5 后續(xù)光學設計

在對LED芯片進行了一次光學設計和二次光學設計后，根據軟件中不斷優(yōu)化所得到的光學系統(tǒng)，需要將其設計開模制作成燈具實物，配上電源、散熱結構和外殼構成LED應用產品。依照對實物燈具所進行的光照度、熱性能等基礎性能的測試以及用戶特殊光效和應用的需求而設計的總體燈具排布和布燈方案，包括LED的數量、間距、陣列方式以及光學、熱和電氣系統(tǒng)效率的設計即后續(xù)光學設計，以此來滿足各種視覺作業(yè)任務的要求，使人的視覺感官獲得最大程度的舒適。

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

6 光學設計的展望

本文以LED產品設計與應用的產業(yè)鏈為主線，從分立封裝和集成封裝中一次光學設計的探討，得知不同封裝中的一次光學設計是不同的，而且隨著高功率光效輸出的需求，集成封裝將會越來越重要，即集成封裝中的一次光學設計也會受到更多的關注;在二次光學設計中主要介紹了它的原理、設計要求、常用的設計方式以及設計流程，由此看出二次光學設計仍然起著舉足輕重的作用，在以后的學習和生活中還需要進行深入的研究;隨著人們對精神生活要求的提高，后續(xù)光學設計也將成為一項重要的工程。

LED自身已具有了很多優(yōu)點，并且在現代社會對節(jié)能的提倡下，它已被廣泛的用在交通信號燈、城市照明工程、背光源、LED顯示屏等特種照明等領域。隨著信息化社會的到來以及LED材料技術和二次光學設計技術的不斷更新，LED已經在社會經濟的許多領域得到了廣泛的應用，不同的應用領域對LED的照明要求有所不同，所以LED二次光學設計仍將在LED的設計過程中扮演著重要的角色。

二次光學設計已經引起了很大的重視，但就目前集成封裝發(fā)展的趨勢而言，未來將會特別重視對有明確應用需求的LED集成封裝所進行的一次光學設計。針對應用環(huán)境和需求盡量減少和簡化LED光學設計的層級和流程;針對特定產品和應用需求提供集成化和模塊化的設計方法、軟件和服務?，F在，LED已被廣泛的應用于室內照明，以及大型舞臺背景和晚會裝飾等許多方面，所以后續(xù)光學設計也會受到更多的關注，因此需要通過適當的后續(xù)光學設計，使得LED的光輸出效率達到最大，并且在外觀上加入更多的設計以給人們越來越舒適和美的感受。

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