1、申請 工學碩士 學位論文論文題目：大功率LED照明系統的光學設計OPTICAL DESIGN OF LIGHTING SYSTEM WITH HIGH POWER LEDA Thesis Submitted to Shaanxi University of Science and Technologyin Partial Fulfillment of the Requirement for the Degree of Master of EngineeringBy Ning Lei Thesis Supervisor: Professor Shi Yongsheng May, 2011摘 要關

2、鍵詞：發光二極管，出光率，反射器，自由曲面透鏡 OPTICAL DESIGN OF LIGHTING SYSTEM WITH HIGH POWER LEDABSTRACT urce since incandescent and fluorescent lamp, which had merits of high luminous efficiency, lsize, strong directivity and environmental f Firstly, generally, LED optical design includes two parts, the 1st (packagin

3、g) and the 2nd optical design. The 1st optical design was performed firstly in this work, the influence of package eight of cavity Secondly, with Finally, a freeform lens was constructed, using ideal of the energy conservation in grid. The ideal was based on the mathmatical functions between the lig

4、ht source and illuminative plane. At first, discretion of light source and plane was performed, then, energy of beams was followed to canculted the directions of beam, eventually, the lens was obtained via refraction law. The whole process was grammerized using relative softwares, and the effects si

5、ngle lens was simulted, the results meet with the lighting requirements.There is more than 70% lighting energy in the target area,while drawing the three views of freeform len.KEY WORDS:LED,lighting extraction,reflector,freeform len目 錄摘 要IABSTRACTII1 緒論11.1課題背景及意義11.1.1 LED發展歷史回顧11.1.2 國內外發展現狀21.2 L

6、ED照明特點及應用31.2.1 LED照明優點31.2.2 LED的應用41.3 本科題研究內容52 LED發光機理及照明設計62.1 LED發光機理62.1.1 半導體器件的發光原理62.1.2 LED芯片結構及能帶結構62.1.3 白光LED82.2 LED照明光學設計102.2.1 LED一次光學設計102.2.2 LED二次配光設計112.3 照明技術基本參數113 LED一次光學設計153.1 利用Tracepro軟件進行一次光學設計153.1.1 關于設計軟件TracePro簡介153.1.2 一次配光設計步驟163.2 影響出光率的因素研究173.2.1 封裝腔體形狀與出光率的關

7、系173.2.2 封裝腔體張角與出光率的關系183.2.3 封裝腔體頂面凹凸性與出光率的關系183.2.4 其它因素對出光效率的影響193.3 一次配光結論194 LED照明的二次光學設計214.1 非成像光學設計214.1.1 非成像光學發展歷史及應用214.1.2 半導體照明中的非成像光學設計224.2 大功率LED照明反射器優化設計234.2.1 反射器的優化設計234.2.2 模擬分析及結論264.3 LED照明自由曲面透鏡設計274.3.1 偏微分方程法構造自由曲面透鏡284.3.2 能量守恒劃分網格法構造自由曲面透鏡294.4 LED二次光學設計結論395總結和后續研究415.1

8、總結415.2 后續研究41致謝42參考文獻43附錄A：自由曲面離散點坐標46附錄B：自由曲面透鏡三視圖48攻讀學位期間發表的學術論文目錄49原創性聲明及關于學位論文使用授權的聲明501 緒論1.1課題背景及意義 LED發展歷史回顧利用PN結或類似結構把電能轉換成光能的器件叫發光二極管，即LED(light emitting diode)。這種發光是由注入在N型層內的電子和P型層內空穴復合而產生的發光，因此也稱為注入式發光。LED照明光源是繼白熾燈，熒光燈之后的第三代綠色固體照明光源，具有發光效率高、壽命長、無污染、體積小、可靠性高、綠色環保等特點，然而從LED的發現到應用經歷了相當長的時間及

9、不平凡的道路1。早在1907年就曾報道過，在金剛砂晶體通以正，反兩個方向的電流時可以看到發光現象。這是在無機半導體上觀察到發光現象。1936年，George Destiau出版了一個關于硫化鋅粉末反射光的報告。1950年，人們大都在對SiC，-族化合物半導體的礦物質發光現象進行研究。1954年人工合成GaP晶體發光。20世紀50年代后，隨著半導體知識的不斷增加，以及人工制作發光結構技術的不斷提高，人們開始嘗試利用半導體晶體的發光現象。1962年，美國通用電氣公司的霍洛亞克博士用化合物半導體材料磷砷化鎵(GaAsP)研制出發紅光的二極管。 20世紀80年代之前，LED的發光材料主要是以GaAsP

10、三元化合物為主，通過其不同的組分配比，得到紅綠黃等顏色的光。該時期的光效僅為1lm/W，亮度低，價格貴。在當時僅用于電子產品的燈。進入20世紀80年代之后，AlGaAs(鋁鎵砷)材料開始被人們作為發光二極管的發光材料，發光效率大大的提高，90年代初期，汽車燈和顯示屏應用了此材料，但光衰相對較大。80年代后期，隨著金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)技術的成熟，以AlInGaP(鋁銦鉀磷)為材料系的紅光LED芯片和黃光LED芯片開始被人們研究。與此同時，隨著其LED發光芯片結構和襯底技術的不斷提高，AlInGaP(鋁銦鉀磷)四元材料在今天已經成為重要的高亮度LED發光材料之一。1994年，日本科學

11、家中寸修二在GaN基片上研制出了第一只藍光二極管。這一轉折性的突變使人們可以通過混色的方法來實現白光。GaN基藍光LED的商業化，大大推動了RGB全彩動態大屏幕顯示應用的發展2。90年代中期以來，越來越多的廣告，娛樂場開始應用LED。采用在藍光芯片覆蓋發黃光的釔鋁石榴石為主體的熒光粉制成的白光LED，其亮度大大的提高。目前LED已被廣泛的應用在照明領域，如果要像熒光一樣的普及，白光LED還需要性價比的進一步提升。我國于1986年在長春中科院研究所研制開發了第一只LED，表明了LED在我國正式起步，20世紀80年代LED在我國初步形成，90年代具有很小規模的生產，隨著后期迅猛的發展，當今LED從

12、外延到管芯，再到封裝，最后到照明整條產業鏈在我國遍地開花。1.1.2 國內外發展現狀目前，國外LED發展技術水平較高，主要形成以美國，日本，歐洲三大區域為主，日本Nichia、Toyoda Gosei，美國Cree、Lumileds，德國Osram等均技術水平較高，美國和日本企業主要在前段、中段技術比較領先，而歐洲企業主要在產品的后段應用方面處于領先地位，表1-1是一些在LED行業技術較領先的國家和企業。表1-1 LED領先水平的國外廠家Tab1-1 LED leading level of foreign manufactures這些企業和廠商代表了當今LED的最高水平，日亞公司是研究出第一

13、只LED產品的公司，同時，封裝LED用的YAG熒光粉也是本公司的專利，cree公司生產的管芯在目前是比較領先的，德國Osram公司的高亮度LED處于領先3。LED產業在我國起步于20世紀70年代，經過40多年的發展，在我國已經形成了產業化，中國政府大量支持LED的發展，在政策，稅收和資金上給予支持，同時863光電子項目的投入，加大了大學，科研機構的重視，各地政府和企業的投入加速了LED的發展，目前形成上海、大連、南昌、廈門、深圳、揚州和石家莊7個國家半導體照明工程產業化基地。 隨著2008年北京奧運會上，2009年國慶60周年閱兵上，2010年上海世博會上對LED大量的應用，加速了LED在我國

14、發展的步伐，我國LED企業4000余家，在LED的外延，管芯，封裝，應用，原材料上初步形成了產業鏈，在芯片制造上，除了科研機構和大學的研究外，主要生產的企業有廈門三安，大連路美，江西聯創，深圳方正等幾十家企業；在封裝方面，我國的生產企業較多，主要集中在廣州，深圳等沿海區域；在照明應用方面，有上千家生產企業。盡管我國LED企業數量較多，但規模普遍偏小。同時，技術要求較高含金量較大的中上游企業較少，其中中上游企業60多家，封裝企業1000多家，下游企業3000多家。因此LED在我國的發展，還需要一段時期和國外的差距才可能減小。同時也應看到我國在襯底、外延、芯片以及封裝的部分領域內也取得了一些成績，

15、一些科研院所擁有的專利技術也可以與跨國公司相抗衡4。1.2 LED照明特點及應用 LED照明優點LED自其誕生之日起，就憑借著其體積小、全固態、長壽命且環保省電的特點，使其在研發及應用領域都倍受青睞。在其實現全彩化和高亮度化，并產生白光LED后，更是帶來了人類照明史上的又一次飛躍5。隨著LED技術的不斷發展完善，以及人們節能環保意識的逐漸增強，大功率白光LED必然日益受到追捧，LED技術預計在未來很有可能挑戰白熾燈、熒光燈的主導地位，成為“第三代”綠色照明光源。相對于傳統的白熾燈、熒光燈等照明光源，LED應用于照明領域主要具有以下方面的優點：a亮度高其發光效率可超過150lm/W（2010年）

16、。將LED與普通白熾燈、螺旋節能燈及T5三基色熒光燈進行對比，結果顯示普通白熾燈的光效為12lm/W，螺旋節能燈的光效為60lm/W，T5熒光燈則為96lm/W，而直徑為5毫米的白光LED光效可以超過150lm/W，有人還預測，未來的LED光效上限將更大。b使用壽命長普通白熾燈的壽命約為一千小時，熒光燈、金屬鹵化物燈的壽命一般不會超過一萬小時，LED相對其壽命較長，平均壽命達5-10萬小時。c體積小、重量輕由于LED的發光面積很小，當面積達到一定程度時LED的發光效率會大大降低，目前面積較大的芯片也僅在45mil*45mil左右(1mil=25.4微米)，理論上計算LED的最大發光面積也小于2

17、平方毫米，即LED默認為是點發光源6。因此LED體積小、重量輕。d綠色、環保與白熾燈和熒光燈相比，LED光源屬于綠色光源，由于白熾燈，熒光燈的發光效率低，因此在用白熾燈和熒光燈照明時，消耗很多電能，而大部分的電能又來自火力發電，要燃燒大量的煤炭，從而污染了環境，由于LED的發光效率較高，消耗電能會減少，因此節能綠色。同時LED燈不像熒光燈那樣有污染物汞，當燈壞了時，燈內的水銀會污染環境，而LED燈則不存在此問題，因此LED燈照明綠色而且環保7。 LED的應用a液晶顯示器背光源最近幾年，隨著LED技術的不斷提高，LED背光源已廣泛的應用于液晶電腦顯示器，大屏幕液晶電視，與傳統的CCFL背光源相比

18、，LED背光源具有色域寬、壽命長、色還原性好等優點。到2010年底，幾乎所有的液晶電視生產廠家，都拿出了自己采用LED背光源的液晶電視。據估計，在不久的將來，將會有大量的液晶電視和筆記本電腦將會使用LED背光源。b汽車火車車燈市場雖然LED有很多優點，但在汽車火車應用中LED的用量還很有限，只在汽車尾燈，轉向燈，剎車燈，指示燈等方面有一定的應用，在汽車最重要的前燈中及火車燈中用量幾乎為零。由于LED還面臨著散熱量大等困難問題，如果解決不好LED燈的散熱問題，LED的發光效率必然受到影響，壽命也將大大的減少8。c室內裝飾燈市場LED燈體積小、重量輕、色彩多的特點，因此LED燈可以很方便滿足室內裝

19、飾，與傳統光源相比，傳統光源很難實現成百上千種顏色的變化，LED燈可以實現多種顏色，容易串接，小型LED裝飾燈目前在技術上比較成熟，隨著LED燈的發展，LED燈在室內裝飾的市場空間更大。d景觀照明市場景觀照明區域主要以社區，街道，廣場的照明為主，由于LED的節能特點，在耗電量巨大的景觀照明市場具有相當大的空間，隨著城市化速度大加快，綠色照明也成為城市發展的重要方向。現在幾乎所有的城市都可以看到LED景觀燈，中國景觀燈照明市場早在2005年已超過了7億元，目前正在以很高的速度增長。e通用照明市場通用照明市場是LED最有發展潛力的市場，也是產生經濟效益和社會效益最大的市場，現階段，通用照明市場LE

20、D燈已商業化，但是LED要真正的進入照明市場，還面臨很多問題，一是發光效率要更大的提高，雖然小功率的LED光效較高，但是要用在通用照明領域，必須多顆小功率燈珠實現串并聯，由于需要多顆燈珠共同完成通用照明，如果一顆燈珠出現異常，則整個照明系統就會出現異常，從而影響了通用照明，大功率LED光效雖然有大的提高，如果要用在通用照明領域，還須進一步的提高LED的亮度。二是LED燈的價格較高，由于LED燈在制造時流經外延，管芯，封裝，照明等工藝流程較多，加上LED專利的保護，使得LED燈的價錢較貴。三是LED燈的光學設計和散熱問題，若LED燈配光不好，就會產生照度不均勻；同時LED發光時會產生大量的熱，若

21、散熱設計不好，LED就會由于熱的影響而產生光衰，使得LED的發光效率降低。f其它照明市場由于LED有較多的優點，在其它照明中也相應的有所應用，隨著現代農業的發展，LED應用于農用機械的照明，同時還有養魚行業也應了LED照明，現代溫室也可以用LED進行溫室照明。1.3 本科題研究內容LED由于其自身特點，將LED應用于照明領域必須對LED進行光學設計，本科題主要對LED的光學設計進行研究：第一主要介紹了LED發展的歷史，國內外的發展狀況，LED光源的特點及照明應用。第二章主要介紹了LED的發光原理，照明設計及照明技術指標。第三章主要研究了一次光學設計對出光率的影響。第四章首先運用區域疊加和優化設

22、計的方法設計了一款大功率LED照明反射器，其次通過對偏微分方程構造自由曲面透鏡和能量守恒劃分網格構造自由曲面透鏡的理論分析，研究了運用能量守恒劃分網格構造單顆LED燈自由曲面透的方法。同時運用劃分網格法設計了一款自由曲面透鏡，并用Tracepro軟件對其照明系統進行了仿真，最后畫出了自由曲面透鏡的三視圖。第五章對本課題進行了總結及后續的研究。2 LED發光機理及照明設計光作用在物質上時，要和物質發生作用，遇到半導體材料時，半導體材料會吸收光，半導體中的電子吸收一定能量后，會從基態跳到激發態，同樣處于激發態的電子也會跳回基態，伴隨著光子的釋放。對于某些材料的半導體器件，當其加上一定的電壓時，對于

23、電子來說，處于電場中的電子得到了一定的能量，很可能會從基態跳到激發態，當從激發態跳回基態時，伴隨著能量的釋放，即發光。2.1 LED發光機理 半導體器件的發光原理半導體器件的發光可以分為電致發光，光致發光和陰極射線發光。電致發光是當半導體器件加正向電壓時，半導體中的電子和空穴由于得到了能量而進行運動，進而復合發光。光致發光是當一定的光照射半導體時，半導體中的電子和空穴吸收了光的能量，進而復合發光，實質上是一種光轉化發光。陰極射線發光，當某些射線射到半導體上時，由于半導體中的載流子吸收了能量，進而復合發光9。半導體器件的發光有輻射發光和非輻射發光之分，如果處于激發態的電子在從激發態向基態躍遷時，

24、發射光子的能量處于可見光光子的能量，就屬于輻射發光，如果處于非可見光區域就屬于無輻射發光。可見光的波長范圍在380-760nm之間。PN結注入發光和異質結發光：PN結注入發光是當某些PN結半導體器件加上一正向電壓時，削弱了空間電荷區的寬度，降低了勢壘高度，N區的電子通過勢壘區進入P區成為少數載流子，P區的空穴進入N區成為少數載流子，當少子遇見多子時就會復合發光，即電子和空穴的復合發光，由于加了一定的電壓稱為電致發光。異質結發光是P區與N區不同的襯底材料構成的異質結半導體器件發光，由于兩種材料的禁帶寬度不同，構成PN結時對于一些區域內的載流子勢壘相對較高，而相反區域內的載流勢壘相對較低，當加一正

25、向電壓時，相對勢壘低的載流子很快越過勢壘進入相對勢壘高的載流子區成為少子，而相對勢壘高的載流子很難越過勢壘，因此很容易形成電子與空穴的復合，有利于發光，而且發光效率較高。 LED芯片結構及能帶結構LED芯片的基本結構如圖2-1所示。結構為層狀結構，先在襯底（常用藍寶石）上通過MOCVD（金屬有機物化學氣相沉積）制作外延片，然后在外延片上刻蝕出N極，蒸鍍擴散電流的ITO薄膜層，蒸鍍P型，N型電極，最后進行研磨，拋光，劃片，裂片，測試，分揀，包裝，入庫等工序完成管芯加工制造。圖2-1 LED芯片結構Fig2-1 Chip structure of LEDLED發光二極管是PN結結構的器件， P型半

26、導體是向襯底材料中摻雜了受主雜質，N型半導體是向襯底材料中摻雜了施主雜質，同時向襯底材料中摻雜施主雜質和受主雜質的器件就構成了PN結器件。圖2-2為發光二極管PN結的能帶結構，P型半導體中產生空穴，N型半導體中產生電子，在中間產生耗盡層即PN結。通過P型區的空穴與N型區的電子復合發光。圖2-2 LED能帶圖Fig2-2 Energy diagram of LED從本質上講，LED就是一個p-n結，它的發光原理即p-n結的電致發光原理：當p-n結處于平衡時，其內部載流子的擴散運動達到穩定，存在一定的勢壘區；加一正向偏壓，勢壘便降低，勢壘區相應的內建電場也隨之減弱。因此可以繼續發生載流子的擴散運動

27、，電子由n區注入p區，同時空穴由p區注入n區。這些進入p區的電子和進入n區的空穴都稱為非平衡少數載流子，這些非平衡少數載流子不斷與多數載流子復合而發光。值得指出的是，電子和空穴的復合可以分為兩類：一類是伴隨著發光現象的輻射復合，稱為電子的躍遷輻射復合，是空穴和電子復合時，將多余的能量以光子的形式輻射出來，這是發光的主要機理，也是發光器件所努力追求的；另一類是不發光的無輻射復合，這一類復合對于固體發光器件來說是有害的，其是以熱的形式將復合時產生的多余能量輻射出來，使器件溫度升高，導致器件失效。對于固體發光器件而言，應設法增強電子的輻射復合，使光子的出射增多，即就是令半導體p-n結在流過正向電流時

28、，能以較高的能量轉換效率來輻射出390760nm波長范圍的可見光譜，從而做成實用的發光器件10。 白光LED白光是多種顏色的光復合在一起而形成的復色光，根據顏色合成原理可以配置白光，因此為了得到白光LED，可以用不同的方法來實現，目前，通過LED技術實現白光主要有三種途徑：第一種途徑是藍光和黃光的混色產生白光，圖2-3是白光LED的光譜圖，此白光LED是用藍光芯片和黃色熒光粉合成的光色。方法是用發藍光的LED芯片和黃色的熒光粉進行封裝而形成發白光的LED，給LED藍光芯片上涂覆黃色熒光粉，藍光芯片發出波長460nm左右的藍光，發出的藍光可以激發黃色的熒光粉發黃光，黃光的波長為540nm左右，藍

29、光和黃光的混合產生了白光。目前常用的熒光粉是YAG黃色熒光粉，YAG熒光粉性能穩定，不易水解，不易吸潮，光衰小等特點。由于顯色指數較高的光源光譜范圍較寬，為了提高白光的顯色指數，在進行白光合成時應選擇較多的單色光來合成白光，因此用此方法制作LED時常在黃色熒光粉中加入一定量的紅色熒光粉，根據需要有時也加入一定量的綠色熒光粉，由于紅色熒光粉的發光效率較低，進而對合成的白光LED的發光效率產生影響。因此用此方法在制作白光LED時，若要同時兼顧發光效率和顯色指數，須加入適量的綠色熒光粉和紅色熒光粉。同時，在熒光粉的選擇中還要考慮熒光粉與LED芯片的匹配性，芯片的發光光譜與熒光粉的激發光譜一致性要好，

30、當芯片發出的光譜與熒光粉的激發光譜一樣時，熒光粉的發光效率達到最高，如果芯片的波長和熒光粉的激發光譜不匹配，此時熒光粉的發光效率就很低，光轉換就低，為了使合成的白光LED發光效率高，選擇的芯片一定要與熒光粉相匹配。圖2-3 白光LED光譜圖11Fig2-3 Spectrogram of white LED圖2-4為CIE色品圖，通過此圖可以來合成白光，作為基礎光源的藍光芯片發出藍光的波長通常在4602.5nm，為了得到白光，根據色品圖配色原理，從此圖可以看出需要選擇波長在570nm左右的黃光來合成白光，因而需要發射光波長為570nm左右的黃色熒光粉。由于YAG熒光粉有許多優點，常選則YAG熒光

31、粉。圖2-4 CIE色品圖12Fig2-4 Chromaticity coordinate of LEDYAG熒光粉具有兩大特點：一是它的最佳激發波長在430480nm范圍內的不同位置；二是它的發射光的波長主峰在500580nm范圍內，即黃光區域的任意位置。因此，選用該系列熒光粉加上配有不同波長藍光的LED，就可以制備出不同色溫的白光LED。從圖2-5所示的YAG:Ce激發光譜中可以看出，YAG:Ce的激發峰在460nm處，與所選用 的GaN基藍光LED芯片的發射光譜匹配良好，所以這種材料的使用可以獲得較高的熒光轉換效率。另外，通過熒光材料YAG:Ce的發射光譜中可以得知YAG:Ce的發射峰在

32、570nm左右。因而該材料是目前制備白光LED中使用的最廣泛、也是性能最好的熒光材料，用此方法制造白光LED的技術比較成熟，目前大多數廠商采用此方法制造白光LED。圖2-5 YAG:Ce熒光粉激發光譜13Fig2-5 Excitation spectrum of YAG:Ce fluorescent powder第二種途徑是用RGB三基色LED混合。此方法是將R、G、B三色LED芯片按一定方式排布集合成一個發白光的LED，在合成白光LED時，均用紅、綠、藍光LED，不需要進行光譜轉換，用此方法合成的白光LED效率高，同時用紅、綠、藍三種單色光合成白光，光譜范圍較寬，顯色指數高。但是用此方法合成

33、的光源在點亮一段時間后會發生光色變異，由于LED芯片隨著溫度的升高會產生光衰現象，用紅光芯片，綠光芯片，藍光芯片合成白光LED時，三種芯片光衰的時間不一致，因此經過一段時間會產生顏色變異，用此方法制造白光LED時，紅、綠、藍光芯片的一致性要好，若控制紅、綠、藍發光芯片來調節白光的顏色，芯片的不一致性會讓驅動芯片的控制電路變得較為復雜，難易滿足要求。因此雖然用此方法制造白光LED，但合成白光LED的質量較差。第三種途徑是用紫外LED芯片激發RGB熒光粉產生白光，此方法是用紫外LED發出的紫外光來激發三基色熒光粉，產生紅、綠、藍三種光，從而復合得到白光，此方法與三基色熒光燈的原理相似。目前這種方法

34、的發光效率不是很高，期望能獲得較高的光效，同時，由于是采用了紫外光源，紫外線的放射作用有可能會產生紫外污染14。2.2 LED照明光學設計LED光學設計主要包括一次光學設計和二次光學設計，一次光光學設計也稱封裝設計。LED通常由芯片，環氧樹脂透鏡和支架構成，芯片通常放在支架上的反光杯內，環氧樹脂透鏡在芯片上，起保護芯片的作用。一次設計主要考慮LED的發光角度，光通量，出光率，散熱等。LED二次光學設計主要是把多顆LED燈珠組合起來，形成LED模組，用于照明領域，二次設計主要關心的是配光的均勻性，燈的亮度，燈的散熱等15,16。 LED一次光學設計為了讓LED應用于照明，必須對LED進行一次光學

35、設計，即封裝設計，由于LED芯片非常小，目前所用單顆芯片的最大面積大約45mil*45mil，芯片的P電極和N電極更小，LED通入穩定的直流電后會發光，(確保直流電流滿足LED的正常工作要求)。因此需要對LED芯片的兩個電極進行焊結之后引出正，負電極之分，同時還需要對芯片和電極進行保護。圖2-6是封裝好的直插式LED燈珠，它主要由LED芯片、反光碗、透明環圖2-6 LED的結構17Fig2-6 Structer of LED氧樹脂、陰極桿、陽極桿、楔型支架、引腳架等幾個部分組成。一次配光不僅決定發光器件的出光角度、光通量大小、光強大小、光強分布等。同時封裝結構也會影響芯片的出光效率，因此封裝結

36、構的設計對LED照明來說也起到很重要的作用。 LED二次配光設計在使用LED發光器件時，整個系統的出光效果、光強、色溫，顯色指數的分布狀況也必須進行考慮，由于封裝好的單顆LED燈珠難易滿足照明要求，在使用LED照明時要多顆LED燈珠進行組合，形成LED模組，從而滿足照明要求，因此需對LED進行二次光學設計。二次光學設計的目的是要讓LED照明時照明面亮度高，同時亮度要均勻，如要提高照度我們可以選擇亮度較高的單顆LED進行設計，如果要滿足均勻性，必須對LED燈具進行合理的設計，由于LED發光有較強的方向性，因此設計主要考慮把中心光強向周圍轉移，使其在照明面上的均勻性達到一致。目前常用的設計方法有優

37、化設計法，裁剪法，自由曲面透鏡法，混合設計法等。優化設計法：此方法是用軟件進行模擬優化設計，先對要設計的系統進行分析，然后設計一種模型，用軟件對設計的模型進行模擬分析，如果滿足要求就可以作為燈具使用，若不滿足要求，對設計的燈具進行優化設計，讓達到所要滿足的要求18。裁剪法：此方法是把照明空間分為若干部分進行設計，最后對若干部分部分進行組合，達到設計要求19-21。自由曲面設計法：此方法是設計一個無規則的曲面，此曲面不能用方程進行表示，需要用計算進行求解一些離散的點，然后把所有的點進行連接，構造自由曲面。最后對設計的燈具進行模擬分析及加工22,23。混合設計法：主要是以上方法同時使用，設計出滿足

38、要求的燈具。總之，無論用什么方法設計都要對其進行模擬分析。目前常用的燈具有透鏡，反射器，折光板。透鏡：對光線具有一定的匯聚或發散作用，光源發出的光線經過透鏡后會改變方向，LED用透鏡是對光線進行再次整合，從而達到控制照明的均勻性。反射器：反射器對光線具有反射作用，光源發出的光線經過反射器后改變方向，通過控制反射器的反射角來控制照明目標面的均勻性。折光板：用來改變光線的方向或在某些特定的方向上用來改變光束的角度，一般包括齒形折光板、球形折光板、梯形折光板和柱形折光板。2.3 照明技術基本參數a色溫當絕對黑體在某一特定絕對溫度下，其輻射的光譜與某一光源的光譜具有相同的特性，則絕對黑體的這一特定溫度

39、定義為光源的色溫，色溫并非光源本身的實際溫度，而是用來表征其光譜特性的參量。色溫較低顏色偏黃，色溫較高，顏色偏藍。b光譜光效函數在產生相同亮度感覺的情況下，特定波長光的輻射定義為。顯然，越大，亮度敏感程度越低。的倒數稱為光譜光效能，可用來衡量視覺對波長為的光的敏感程度，用表示實測表明，對波長為555nm的光，最大光效能 Km=K(555)。光譜光效函數V()定義為任意波長光的光效能K()與Km之比。 (2-1)若用相同主觀亮度感覺時所需各波長光的輻射功率表示光譜光效函數，則有。主觀亮度感覺是由標準觀察者觀測的，來自許多正常視覺觀察者測試結果的平均值。顯然，光譜光效函數可以理解為光的輻射功率轉化

40、為人眼亮度感覺的效率。c光通量對于輻射功率波譜為的光源，總的光通量為各波長成分的光通量之和，即 (2-2)光通量的單位為流明，用lm表示。對于=555nm的單色光，當輻射功率為1W時，所產生的光通量為683lm或者稱為1光瓦。由此可得，K=683lm/W。有時也稱為光功當量。d發光強度發光強度定義為光源在給定方向單位立體角的光通量。 (2-3)，發光強度的單位為坎德拉，用cd表示。1cd是指波長為555nm的單色光源向指定方向發出強度為1/683W/sr的光。發光強度I一般會因方向而異，將其角分布表示為I(,)各項同性點光源，。e亮度亮度定義為單位面積上的發光強度，即 (2-4)其中，為觀察方

41、向與面法線方向之間的夾角。亮度的單位為坎德拉/平方米用cd/m2表示。對于完全擴散面光源（均勻發光面），亮度僅僅與有關，可設為發光面積為A時，沿方向的發光強度為：，如常數，且記則有該發光面成為郎伯發射面，或者均勻漫反射面，余弦漫反射面，上式稱為郎伯定律。對于郎伯發射面，對積分。f光出射度光出射度定義為單位面積上所發射的光通量，單位為流明/平方米，用lm/m2表示。 (2-5) 對于郎伯發射面g光照度光照度定義為通過單位面積上的光通量，單位為勒克斯，用lx表示。1lx=1lm/m2 (2-6)對于發光強度為1的點光源，設點光源到受光面的距離為D，受光面法線方向與光線之間的夾角為，則有，對于面積為

42、，亮度為L的面光源，當法線方向與光線的夾角為時，可得 因此對于各項同性的點光源，因此，這就是照度的距離平方反比定律。h顯色指數顯色性是指光源照到物體上所產生的客觀效果，如果各色物體受照的效果和標準光源（黑體或重組日光）照射時一樣，認為該光源的顯色性好，顯色指數高；反之，如果物體在受照后顏色失真，則該光源的顯色性就差，顯色指數低。顯色性也稱演色性或傳色性。i色坐標一般顏色可以由三個基本或主要的顏色來表示，例如紅色(R)，藍色(B)，綠色(G)，但有些顏色無法用這種正值來表示，尤其是接近單色的顏色，因此采用假定的三個單位X,Y,Z來表示，即，其中是標準色彩匹配函數，是1931年CIE所采用的理想觀

43、察者的特性，為了方便引入于是，所以只要用x，y兩個坐標即可，即色坐標。j壽命燈的壽命是評價燈的性能的一個重要指標，燈的壽命有全壽命、平均額定壽命和有效壽命之分。有效壽命是根據燈的發光性能來定義的。當所有發出的光下降到起初始值的80%或70%時，它所已經點燃的時間被定義為它的有效壽命或經濟壽命。燈從點燃到不能工作的時間稱為燈的全壽命，而當有一半的燈已不能工作時的燃點時間則成為燈的平均額定壽命。 燈的壽命試驗有額定電壓試驗和超電壓試驗兩種方法。在進行額定電壓實驗時，電壓、電流值與額定值的偏差應小于0.25%。超電壓試驗，超電壓試驗是基于電壓和燈的壽命之間的關系，采用這一方法可以大大加速光源的壽命試

44、驗過程，但應指出，這種形式的加速壽命試驗可能產生相當的誤差，因此，加速壽命試驗的結果只是近似的24。k色溫差色溫差是指不同色溫之間的差異，描述顏色之間差異的物理量。l發光效率所謂發光效率是指光源發出的光通量和該光源消耗的電功率之比，即 (2-7) 的單位是lm/W但是，加在光源上的電功率并不全部變成可見光，其中有相當一部分是變成其它形式的能量（比如熱）。考慮到這一點，可以將上式改寫成 (2-8) 式中，表示可見輻射通量在輸入功率P中所占的比例。是當(即輸入功率全部轉換成可見光)時燈的光效，稱為輻射光效(luminous efficiency of the radiation)。顯然，K是由燈在

45、可見光區的光譜能量分布情況決定的。既然各種燈在可見光區都有自己獨特的光譜能量分布形式，因此就有各自的輻射光效。對于照明光源來說，總是希望越高越好，從光源發光效率的定義我們知道，當輻射的光通量越大，或者消耗的電能越少時，發光效率就越高，因此為了提高發光效率我們可以想辦法提高發光體的輻射能量，或者降低照明光源的消耗功率。對黑而言，在黑體輻射中我們知道，輻射按4次方的關系極快地隨溫度升高而增加；而峰值輻射的波長隨溫度的升高逐漸向短波移動，有更多的輻射落在可見光部分。因此，升高黑體溫度對提高它的光效是有利的。當黑體溫度是6500K時，可見光區域的輻射在輻射能中所占的比例為最大。對于其它照明光源而言，我

46、們想辦法降低光源的消耗功率25,26。3 LED一次光學設計封裝結構對出光率有很大影響，設計合適的封裝結構有利于光線射出，可以提高LED發光的外量子效率。目前常用封裝結構包括引腳式封裝、平面式封裝、表面貼片二極管(SMD)封裝、食人魚封裝以及大功率封裝等，這些封裝的腔體結構都會影響出光率。此次設計主要提出一種優化LED封裝結構的方法，分析了封裝的關鍵因素，提出了影響出光率的關鍵因素。利用TracePro軟件模擬分析LED封裝結構與出光率的關系，從形狀、張角、腔體頂面凹凸性以及其它因素等方面對LED封裝結構進行分析，探討封裝結構與出光率的關系。3.1 利用Tracepro軟件進行一次光學設計3.

47、1.1 關于設計軟件TracePro簡介目前在照明光學設計中的軟件很多，常用的軟件有Lighttools，ASAP，Tracepro等軟件，然而，在臺灣地區多以ASAP軟件為主，在大陸地區則以Tracepro軟件為主，本次設計借助于Tracepro軟件進行光學設計，下面就此軟件做一些簡單介紹：TarcePro是Lambda Research公司研制的一套光學機構仿真軟件，同時滿足工業標準的固體建模，具有較強的信息轉換能力，強大的光學分析能力，由于其易于讓初學者上手，因此目前在眾多照明設計中廣泛應用，通常在路燈設計，照明光學系統設計，LED等設計中均應用此軟件。TracePro是一個可以進行實體

48、建模的軟件，通過在此軟件建立實體模型，可以對模型進行編輯，如比可以移動，選裝，染色，疊加等，還可以對實體模型進行材料定義，如可以定義實體的材質，表面的屬性，可以定義為反射，折射，散射，也可以對系統進行定義，如，系統的衍射等。TracePro是一個以Monte Carlo算法設計光線的軟件，Monte Carlo算法是一種用于計算隨機過程所產生結果的一種技術，其產生的光線具有隨機性，光線在系統中傳播時，滿足折射，散射，衍射，反射等定律，可以對光線進行定義光通量，可以產生不同種類的光源，比如扇形光源，郎伯光源，垂直于發光體光源，偏振源，還有隨機方向產生的光源。TracePro可以對光線追跡結果進行

49、分析，可以進行照度分析，亮度分析，灰度分析，發光強度分析，發光的立體角，偏振分析，通過照度圖可以觀察照明面設計的均勻性，照明面上各位置點的亮度，通過發光強度可以分析照明系統的出光效率，照明系統的發光角度。通過偏振分析可以看到一些偏振的現象。最后TracePro還可以與眾多軟件相兼容，比如CAD軟件的兼容，可以把其它軟件中設計的模型導入到此軟件中，然后進行光線追跡分析，觀察結果，也可以把在TracePro建立的模型導入到其它一些兼容的軟件中去，這樣有利于光學系統的設計和分析，從而可以提高設計效率。如何用此軟件對實體模型進行分析，要通過以下步驟：a創建一個實體模型(Creating a Solid

50、 Model)第一步是建立或導入一個幾何模型，代表你所希望分析的系統。如果你要建立一個模型，幾何圖形通常是剛開始簡單而最終會變得很精確，很詳細。b定義屬性(Defining Properties)材料和表面屬性代表希望物體所具備的特征，如反射、折射、吸收和散射等。你可以使用TracePro屬性庫里定義好的材料和表面屬性，也可以制定新的屬性滿足你具體的要求。c應用屬性(Applying Properties)一旦屬性定義好，你可以應用于這些屬性到你模型中合適的物件和表面上去。d追跡光線(Ray Tracing)通過實體進行光線追跡，需先定義光線起始點，有如下幾種定義方式：柵格光源(Grid So

51、urces)、表面光源(Surface Sources)和導入已有光源(Imported Sources)。如何引入光源到模型以及哪些光線追跡參數會被調用，須根據實際情況來確定。e分析(Analysis)一系列的分析選項可以用來確定方位、區域和光線追跡后的光能量分布。分析選項有多種，包括輝度圖(Irradiance Maps)、照度圖(Illuminance Maps)、坎德拉圖(Candela Maps)和通量圖(Volume Flux Maps)。 一次配光設計步驟LED可發紅、黃、綠、藍或白光，LED內光學系統由芯片、反射鏡和塑料密封材料制成的光學透鏡組成27,28。芯片、反射鏡和樹脂透

52、鏡的幾何形狀決定LED的光提取效率和光能量分布，進行合理的設計LED封裝結構來提高出光率，封裝材料和封裝結構都對LED的發光效率有較大影響。對于封裝結構的設計，可以通過軟件模擬的方法設計合適的LED封裝結構，利用TracePro軟件模擬需要以下幾步：a在TracePro軟件中進行LED封裝腔體的結構設計，例如設計出3.0*2.5*1.5mm的LED，在模擬時需要封裝腔體的反射腔深度為0.8mm，頂面開口圓半徑為1.0mm，底面圓半徑約為0.5mm。b對LED封裝腔體的材料以及對腔體內表面反射率進行定義，LED封裝材料可選用折射率為1.5的樹脂材料，封裝腔的內表面反射率可定為80%，材料吸收率則

53、為20%。c對LED發光芯片進行定義，同時進行光線追蹤。LED芯片發光面設置為lambertian發光，光通量為1lm。(4) 模擬出candela光強分析圖并計算出出光率，討論光效與結構的關系。圖3-1 LED封裝結構外形Fig3-1 Shape of LED package structure圖3-2 LED candela光強分析Fig3-2 Candela of LED按照以上步驟分析LED封裝結構對出光率影響。設置一圓臺，底面圓半徑為0.5mm，頂面圓半徑為1.0mm，高度為0.8mm，圖3-1是LED封裝結構的外形圖。(1代表封裝腔體頂面凹凸形，2代表腔體高度，3代表強體底面圓形狀

54、，4代表腔體母線，5代表腔體形狀，兩對稱母線夾角為腔體張角)圓臺以材料樹脂填充，樹脂折射率為1.5。檢測體設置為一個底面半徑為1000mm高10mm的圓柱體，測試面為圓面，測試面距離發光面40mm。利用軟件模擬得到candela光強分析圖如圖3-2，通過對圓臺體LED封裝腔體結構設計與模擬可以得到LED的發光立體角，計算出LED的出光率，用同樣的方法可模擬橢圓臺體封裝腔、方臺體封裝腔等。3.2 影響出光率的因素研究從形狀、張角、腔體頂面凹凸性以及其它因素等方面來討論封裝結構與出光率的關系。 封裝腔體形狀與出光率的關系為了得到LED封裝腔體的形狀與出光率的關系，在設計封裝腔體時讓腔體高度相同，體

55、積也大體相同，可以得出僅僅封裝腔體形狀與出光率的關系。設計的LED封裝結構有圓臺體、橢圓臺體、方臺體。軟件模擬結果如表3-1。通過表3-1可以看到出光率大體相同，不同反射體形狀封裝的LED的出光率都基本反射體形狀發光立體角度出光率圓臺x=100y=10067.13%橢圓臺x=120y=10066.21%方臺x=110y=11066.05%相同。考慮到在設計時體積誤差的因素，不同形狀封裝的LED出光率之間有所不同。同時還可以得到腔體形狀不同時直接影響的是出光的光強分布。由于圓臺體和方臺體封裝的LED在x方向和y方向長度相等，在照明面的x方向和y方向發光立體角度相同，而橢圓臺體封裝的LED在x方向

56、和y方向長度不相等，在照明面的x方向和y方向發光立體角度不相等。因此，反射體形狀與出光率關系不大，影響發光立體角度，在對LED進行封裝結構設計時，任何形狀反射體均可，但考慮到實際加工的方便，常選圓臺體形狀的反射體。 封裝腔體張角與出光率的關系選擇封裝腔體的形狀為圓臺形，控制封裝腔體頂面圓半徑一定，高度一定，當底面圓半徑變化時，即腔體的張角變化，模擬得到LED的出光率和發光立體角度如表3-2。表3-2 腔體張角與發光效率關系Table 3-2 封裝腔體底面圓半徑（mm）發光立體角度出光率1.0x=100 y=10040.01%0.8x=120 y=12051.55%0.6x=100 y=10065.85%通過表3-2可知，當LED封裝腔體底面圓半徑減小時，封裝腔體張角變大，出光率增大。由于底面圓半徑越小，張角越大，光線從腔體內出射時，減少了在腔體內的反射次數，使能量損失大大的減少，減小底面半徑有利于光線出射，出光率提高。同時，可以