唐文婷，張 瑞，陳寶瑨,，李樹(shù)琪，王保興，孫云飛，閔嘉華，齊薩仁，蔡 勇

（1.上海大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072；2.中國(guó)科學(xué)院 蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所 納米器件與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215123；3.蘇州科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009；4.寧波天炬光電科技有限公司，浙江 寧波 315301）

引言

近年來(lái)，具有良好性能的LED 受到了廣泛的關(guān)注[1-3]。隨著其性能的持續(xù)提升和成本的不斷下降，LED 被應(yīng)用于許多不同的領(lǐng)域，而不同的應(yīng)用往往需要不同的光場(chǎng)。將具有特定光場(chǎng)形狀的LED光源應(yīng)用于某一特定的場(chǎng)合，不僅可以提高光的利用效率，節(jié)約能源，降低成本，還能增加人眼的舒適度。光場(chǎng)的研究由來(lái)已久，目前光場(chǎng)的研究主要集中在單顆小芯片和LED 芯片陣列上，如板上芯片(chip on board,COB）[4]。

一般LED光源的光場(chǎng)是朗伯型光場(chǎng)，它的光束角一般是120°。光束角的定義是二分之一最大光強(qiáng)所對(duì)應(yīng)的角度范圍。朗伯型光場(chǎng)在一些應(yīng)用中是有優(yōu)勢(shì)的，但在大部分情況下都需要被調(diào)整，但是調(diào)整具有如此大光束角LED光源的光場(chǎng)會(huì)帶來(lái)二次光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度和成本增加的問(wèn)題。傳統(tǒng)熒光粉涂覆的白光LED 封裝由芯片、熒光粉和基板組成[5]。由于芯片和熒光粉產(chǎn)生的2 種光的光場(chǎng)不匹配，作為衡量人眼舒適度的重要性能要素的空間光色分布均勻性將會(huì)受到嚴(yán)重影響，這也使得光學(xué)透鏡的設(shè)計(jì)更具挑戰(zhàn)性[6]?？臻g光色分布均勻性一般有兩種表示方法：一種是用全空間中色溫（correlated color temperature,CCT）隨角度變化的曲線表示[7-8]；另一種是用遠(yuǎn)場(chǎng)中黃光光輸出功率與藍(lán)光光輸出功率之比（P(B)/P(Y)）隨角度變化的曲線表示[9-11]。

當(dāng)前大部分的研究都集中在二次自由表面光學(xué)系統(tǒng)上。Hu 等人[12]構(gòu)造了二次雙自由曲面透鏡的擬合曲線。Le 等人[13]提出了一種改進(jìn)的網(wǎng)格方法來(lái)設(shè)計(jì)具有花瓣?duì)罟鈭?chǎng)的二次自由曲面透鏡。基于幾何光學(xué)分析和自由曲面構(gòu)造，Chen 等人[14]設(shè)計(jì)了一個(gè)二次LED 準(zhǔn)直自由曲面透鏡。與二次光學(xué)系統(tǒng)相比，一次光學(xué)透鏡更緊湊，體積更小，質(zhì)量更輕，還能提高LED光源的光提取效率（light extraction efficiency,LEE）。隨著芯片面積的擴(kuò)大，一次光學(xué)透鏡的優(yōu)勢(shì)將會(huì)更加明顯。目前有關(guān)LED 一次透鏡的研究報(bào)道很少，Wang 等人[4]報(bào)道了用于道路照明應(yīng)用的一次光學(xué)透鏡封裝的LED 芯片陣列的仿真。Lee 等人[15]研究了帶有一次光學(xué)透鏡的芯片陣列的顏色混合。而關(guān)于用一次光學(xué)透鏡調(diào)控單片集成發(fā)光二極管（monolithically integrated light-emitting diode,MI-LED）光源光場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)研究則沒(méi)有報(bào)道。

本文用Tracepro 仿真軟件設(shè)計(jì)了用于50 W 氮化鎵基MI-LED 芯片的一次光學(xué)透鏡，根據(jù)仿真結(jié)構(gòu)模型制備了封裝有一次透鏡的熒光粉涂覆的白光LED光源，用光譜儀和光電測(cè)試系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行了表征。

1 大功率單片集成發(fā)光二極管

MI-LED 芯片內(nèi)部包含1 個(gè)由相互電學(xué)隔離的單胞（即1 個(gè)基本的二極管單元）通過(guò)金屬互聯(lián)連接而成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[16-17]。MI-LED 芯片內(nèi)單胞的制作和電學(xué)連接是在微米級(jí)半導(dǎo)體工藝中形成的，MI-LED 芯片具有比芯片陣列更緊湊和功率密度更大的優(yōu)點(diǎn)。相同功率下，尺寸更小的MI-LED 更適合用于一次透鏡封裝，這樣可以減小一次透鏡的體積。如圖1所示，本研究中使用的50 W 氮化鎵基藍(lán)光MI-LED 芯片包含1 個(gè)由36 個(gè)單胞串聯(lián)連接組成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。表1 列出了50 W 氮化鎵基藍(lán)光MI-LED 芯片的主要參數(shù)。

圖1 50 W 氮化鎵基藍(lán)光MI-LED 芯片F(xiàn)ig.1 50 W GaN-base blue light MI-LED chip

表1 50 W 氮化鎵基藍(lán)光MI-LED 芯片參數(shù)Table 1 50 W GaN-base blue light MI-LED chip parameters

2 一次透鏡設(shè)計(jì)

一次光學(xué)透鏡的結(jié)構(gòu)和參數(shù)分別如圖2 和表2所示。一次光學(xué)透鏡具有2 個(gè)表面：頂部球面和側(cè)面拋物面。如圖2所示，透鏡的上直徑用L1 表示，下直徑用L2 表示，R是球面的半徑，H是球面的高度，拋物線焦點(diǎn)位于透鏡的下表面內(nèi)。如圖3（a）所示，光從熒光粉層入射到透鏡時(shí)，大角度的光首先被側(cè)面拋物面反射到光軸方向，然后被頂部球面折射出去，而小角度的光則通過(guò)頂部球面朝光軸方向直接會(huì)聚。

圖2 一次透鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)網(wǎng)格圖Fig.2 Grid diagram of structural parameters of primary optical lens

表2 一次透鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Structural parameters of primary optical lens

圖3 仿真效果圖Fig.3 Effect diagram of simulation

光線在透鏡中的傳播通過(guò)光線追蹤軟件（Tracepro）進(jìn)行模擬。仿真LED光源的結(jié)構(gòu)模型和光在透鏡中傳播的示意圖如圖3（a）所示，封裝有一次透鏡LED光源的光跡追蹤示意圖如圖3（b）所示。表3 列出了仿真LED光源的幾何模型參數(shù)。

表3 仿真LED光源模型的關(guān)鍵參數(shù)Table 3 Key parameters of simulated LED light source model

這項(xiàng)工作的目的是初步驗(yàn)證一次光學(xué)透鏡對(duì)大功率白光MI-LED光源光場(chǎng)調(diào)控的實(shí)驗(yàn)可行性，而不在于用專業(yè)的光學(xué)設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)復(fù)雜的透鏡結(jié)構(gòu)。

3 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證一次透鏡對(duì)光場(chǎng)的調(diào)控效果，首先基于模具倒模技術(shù)制備了與仿真透鏡結(jié)構(gòu)參數(shù)一樣的4 個(gè)硅膠透鏡，然后將硅膠透鏡無(wú)縫粘貼于LED光源表面，從而得到加一次透鏡的白光LED光源。制作加一次透鏡的白光LED光源主要有3 步：第1 步是準(zhǔn)備白光LED光源。通過(guò)銀環(huán)氧樹(shù)脂粘合劑將藍(lán)光MI-LED 芯片粘貼在沉金的銅芯PCB 上，然后將硅膠滴在藍(lán)光MI-LED 芯片周圍形成圍壩。金線鍵合后，將混合有黃光Ce∶YAG磷光體晶體的硅樹(shù)脂滴到藍(lán)光MI-LED 芯片上，在90 ℃的烤箱中加熱2 h，在180 ℃的烤箱加熱1 h。第2 步是制備硅膠透鏡。制備透鏡的倒模模具如圖4所示，為了方便加工，將模具設(shè)計(jì)分為上、下2 個(gè)獨(dú)立的部分。上面的A 部分包括4 個(gè)可拆卸部分，每個(gè)部分都定義了一種拋物面結(jié)構(gòu)，下面的B 部分是限定4 種透鏡頂部表面形狀的整體?；诘鼓＜夹g(shù)制備了4 個(gè)不同結(jié)構(gòu)的硅膠透鏡，透鏡的制作過(guò)程包括：1）將硅膠（n=1.4）注入到倒模模具中；2）抽真空除去氣泡；3）加熱固化；4）冷卻并取出透鏡。第3 步，將4 個(gè)硅膠透鏡無(wú)縫地連接到白光LED光源（即沒(méi)有加載一次透鏡的白光LED光源，如圖5所示）上得到如圖6所示的LED光源。加一次透鏡的LED光源在點(diǎn)亮和不點(diǎn)亮?xí)r的俯視圖如圖7所示。

圖4 用于制備一次透鏡的倒模模具視圖Fig.4 View of inverted mold used for preparation of primary optical lens

圖5 沒(méi)有加載一次透鏡的白光LED光源Fig.5 White light LED light source without primary optical lens

圖6 加不同結(jié)構(gòu)一次透鏡的白光LED光源Fig.6 White light LED light source with primary optical lens of different structures

圖7 加一次透鏡的白光LED光源的俯視圖Fig.7 Top view of white light LED light source with primary optical lens

4 結(jié)果與分析

4.1 光提取效率

由于氮化鎵芯片（n=2.35）與空氣（n=1）之間的折射率差異，大部分光不能入射到空氣中，導(dǎo)致LED光取出效率低。對(duì)于COB 白光LED光源，LED 芯片表面的混合有熒光粉的有機(jī)樹(shù)脂層（n=1.4）可以提高藍(lán)光的光取出效率。但是仍然有一些藍(lán)光和黃光受到平坦表面引起的全內(nèi)反射（total internal reflection,TIR）的影響無(wú)法逃逸到空氣中，導(dǎo)致LED光源的LEE 不高。由于一次透鏡可以在一定程度上破壞TIR 條件，所以可以提高LED光源的LEE。

LED光源的光提取效率如表4所示，加一次硅膠透鏡的LED光源E1、E2、E3 和E4 的光提取效率分別提高了8.19%、9.89%、7.23%和6.22%。研究表明，LED光源的光提取效率主要取決于一次透鏡的結(jié)構(gòu)，即拋物線曲率、拋物面高度以及球心與熒光粉層之間的距離。同時(shí)在設(shè)計(jì)的光學(xué)透鏡中，還應(yīng)考慮藍(lán)光和黃光的轉(zhuǎn)換機(jī)理以及藍(lán)光和黃光的空間分布。拋物線曲率越大，拋物面高度越小，球心與熒光粉層之間的距離越短，光提取效率越高。

表4 LED光源的光提取效率Table 4 Light extraction efficiency of LED light source

4.2 光場(chǎng)分布

仿真和實(shí)驗(yàn)LED光源的歸一化光場(chǎng)分布曲線如圖8所示。方案1 仿真結(jié)果表示加一次透鏡的仿真LED光源；方案1 實(shí)測(cè)結(jié)果表示加一次透鏡的實(shí)驗(yàn)LED光源；無(wú)透鏡實(shí)測(cè)結(jié)果表示沒(méi)有加一次透鏡的實(shí)驗(yàn)LED光源。實(shí)驗(yàn)制備的LED光源E（i）（i=1,2,3,4）與仿真時(shí)的LED光源S（i）具有相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的一次透鏡。如圖8所示，仿真和實(shí)驗(yàn)光場(chǎng)基本重合，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果之間具有良好的一致性。從表5 的仿真和實(shí)驗(yàn)LED光源的光束角數(shù)據(jù)可知，加具有相同結(jié)構(gòu)參數(shù)一次透鏡的實(shí)驗(yàn)LED光源和仿真LED光源的光束角大小基本一致。存在一定差距的原因如下：1）仿真LED光源模型經(jīng)過(guò)了簡(jiǎn)化處理。例如：藍(lán)光光源和黃光光源被設(shè)置為兩個(gè)獨(dú)立的發(fā)光表面，沒(méi)有設(shè)置熒光粉晶體對(duì)光的散射作用的相關(guān)系數(shù)；2）光跡追蹤的光線數(shù)不夠；3）實(shí)驗(yàn)制備的硅膠透鏡表面不夠光滑存在光的散射。

圖8 極坐標(biāo)下LED光源的歸一化光場(chǎng)分布曲線Fig.8 Distribution curves of LED light source in polar coordinates under normalized optical field

表5 仿真和實(shí)驗(yàn)LED光源的光束角Table 5 Beam angles of simulated LED light source and experimental LED light source

從表5 中可知，樣品E1、E2、E3 和E4 的光束角分別為48°、72°、60°和55°。在50 W 白光LED光源中，由于MI-LED 芯片更加緊湊，所以透鏡的尺寸較小。應(yīng)該指出的是，本次工作的一次透鏡是未完全優(yōu)化的，如果透鏡被完全優(yōu)化，透鏡尺寸將會(huì)進(jìn)一步縮小。

4.3 空間光色分布

本實(shí)驗(yàn)使用的光源是藍(lán)光芯片加黃光熒光粉得到的白光LED光源。受測(cè)試設(shè)備的限制，本實(shí)驗(yàn)表征空間光色均勻性采用的是較為簡(jiǎn)單的黃、藍(lán)光光功率之比P(Y)/P(B)隨角度的變化曲線[18]。在相同的驅(qū)動(dòng)電流下，在探測(cè)器前面分別加黃光和藍(lán)光濾光片進(jìn)行測(cè)試，最終得到兩種光的空間分布曲線，然后通過(guò)計(jì)算得到P(Y)/P(B)隨角度的變化曲線。

實(shí)驗(yàn)制備的LED光源的空間光色分布曲線如圖9所示，實(shí)線表示加一次透鏡的LED光源，虛線表示沒(méi)有加一次透鏡的LED光源。在0°～85°范圍內(nèi)，曲線單調(diào)遞增，P(Y)/P(B)增加了75%，在?60°～60°光束角范圍內(nèi)，P(Y)/P(B)增加了40%。在熒光粉涂覆的白光LED光源中，藍(lán)光由芯片產(chǎn)生，黃光由混合在硅膠層中的熒光粉激發(fā)產(chǎn)生。根據(jù)Snell 定理，射到空氣中的藍(lán)光和黃光的光場(chǎng)都是朗伯型光場(chǎng)，但是藍(lán)光的光束角比黃光的光束角小。這一差距來(lái)源于氮化鎵與空氣的折射率差大于氮化鎵與硅膠的折射率差[19]，所以藍(lán)光在小角度上更加集中。換句話說(shuō)，這種白光光源在小角度上更像是“冷光源”，在大角度上更像是“暖光源”。加一次透鏡后LED光源的P(Y)/P(B)在全空間中的變化幅度比沒(méi)有加一次透鏡LED光源的P(Y)/P(B)小，說(shuō)明加一次透鏡后LED光源的空間光色分布更加均勻，所設(shè)計(jì)的4 個(gè)一次透鏡能提高LED光源的光品質(zhì)。

圖9 LED光源的空間光色分布曲線Fig.9 Spatial light color distribution curves of LED light source

5 結(jié)論

本文對(duì)一次光學(xué)透鏡調(diào)控白光MI-LED光源光場(chǎng)進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明4 個(gè)一次透鏡將白光MI-LED光源的光束角從120°降到了48°～72°范圍內(nèi)。初步研究顯示一次透鏡不僅能夠調(diào)控白光MI-LED光源的光場(chǎng)，還能提高LED 的光取出效率，增加空間光色分布的均勻性。值得一提的是本文中透鏡并未完全優(yōu)化，完全優(yōu)化的透鏡有望進(jìn)一步地減小體積并提高LED光源的性能。

由于成本低、結(jié)構(gòu)緊湊和集成度高的優(yōu)點(diǎn)，MI-LED 在未來(lái)大功率照明應(yīng)用中具有巨大的潛力。隨著LED 向高質(zhì)量和小型化方向發(fā)展，LED的一次光學(xué)透鏡封裝將有望得到應(yīng)用。