LED 封裝光源光學(xué)設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀

彭輝仁，王 憶，李遠(yuǎn)興，申冬玲，范東華

(五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院，廣東 江門 529020)

引言

目前，進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)后的LED封裝光源，在照明領(lǐng)域的應(yīng)用中具有無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，適合于各種照明場(chǎng)合。LED封裝光源的光學(xué)設(shè)計(jì)分為一次光學(xué)設(shè)計(jì)和二次光學(xué)設(shè)計(jì)。一次光學(xué)設(shè)計(jì)是指對(duì)LED芯片封裝過程進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)，利用折射、反射、折射和反射混合等方式對(duì)LED封裝光源進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)及優(yōu)化，提高LED芯片的出光效率[1]。二次光學(xué)設(shè)計(jì)是指對(duì)LED封裝光源的具體應(yīng)用進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)，主要是在一次光學(xué)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)光學(xué)反光杯、光學(xué)擴(kuò)散板及光學(xué)透鏡的設(shè)計(jì)，提高了LED照明系統(tǒng)的質(zhì)量[2]。

LED封裝光源光學(xué)設(shè)計(jì)包括單顆芯片或多顆芯片組合一起封裝的點(diǎn)光源的光學(xué)設(shè)計(jì)、多顆芯片組合封裝的擴(kuò)展光源的光學(xué)設(shè)計(jì)以及封裝光源的自由曲面光學(xué)設(shè)計(jì)[2-3]。本文主要是介紹光學(xué)模擬軟件及LED封裝光源光學(xué)設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀，并討論LED封裝光源光學(xué)設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 光學(xué)軟件及光學(xué)設(shè)計(jì)的步驟

目前，國內(nèi)外主要的光學(xué)模擬設(shè)計(jì)軟件比較多，例如：TracePro、ASAP、LightTools、OSLO和ZEMAX等，他們各有各的特點(diǎn)，見表1。

表1 現(xiàn)有常用的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件的比較Table 1 Comparison of the optical design softwares

LED封裝光源的光學(xué)設(shè)計(jì)步驟為：(1)明確照明設(shè)計(jì)的目標(biāo)、條件要求、所用材料結(jié)構(gòu)和光照效率等，然后進(jìn)行理論計(jì)算并確定設(shè)計(jì)方案；(2)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模型設(shè)計(jì)并利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件對(duì)整個(gè)照明系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，將模擬結(jié)果與設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行對(duì)照，并對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行反復(fù)修改優(yōu)化；(3)確定設(shè)計(jì)方案。其設(shè)計(jì)的流程圖如圖1所示。

圖1 LED封裝光源的光學(xué)設(shè)計(jì)流程圖Fig.1 Flow chart of optical design for LED packaged light source

2 點(diǎn)光源的光學(xué)設(shè)計(jì)

點(diǎn)光源就是相對(duì)于目標(biāo)平面尺寸較小的封裝光源，屬于遠(yuǎn)場(chǎng)照明，光源的大小對(duì)整個(gè)照明系統(tǒng)的照明效果沒有影響，可以看作一個(gè)點(diǎn)，即把光源理想化。研究者一般把光源的尺寸小于等于整個(gè)照明系統(tǒng)所用的光學(xué)器件尺寸的1/5時(shí)的照明光源稱為點(diǎn)光源，把大于1/5的照明光源看作為擴(kuò)展光源[4]。

為了解決圓對(duì)稱光斑點(diǎn)光源照度的均勻性，王林梓等人(2005年)利用在點(diǎn)光源照明系統(tǒng)，研究光照均勻性與光線入射角的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)控制照明面上的出射光線的高度能夠提高照明系統(tǒng)的光照均勻性[5]。王愷等人(2011年)利用光源與目標(biāo)平面的能量關(guān)系，實(shí)現(xiàn)圓對(duì)稱光斑的點(diǎn)光源任何出光角度以及對(duì)其配光曲線容易控制的照明系統(tǒng)[6]。周壹義等人(2012年)利用步進(jìn)法進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得封裝的點(diǎn)光源光效高達(dá)96.011%，照度均勻度也達(dá)95%以上[7]。然而，點(diǎn)光源的應(yīng)用領(lǐng)域比較窄，只能應(yīng)用于特定的應(yīng)用，例如：?jiǎn)晤w燈珠照明的小電筒、遠(yuǎn)場(chǎng)射燈或者節(jié)日裝飾燈等，只要進(jìn)行簡(jiǎn)單的光學(xué)設(shè)計(jì)。目前照明應(yīng)用領(lǐng)域的光源，大部分是擴(kuò)展光源，我們必須創(chuàng)新和優(yōu)化擴(kuò)展光源的光學(xué)設(shè)計(jì)的方法。

圖2 1W的LED封裝點(diǎn)光源實(shí)物圖Fig.2 Picture of 1 W LED packaged point light source

圖2是1W的LED封裝光源的實(shí)物圖，在加工的過程中進(jìn)行了光學(xué)設(shè)計(jì)，從外表可以看到已經(jīng)加上了光學(xué)封裝小透鏡，使得出光效率有所提高且較均勻，沒有出現(xiàn)暗斑，具有良好的照明效果，能廣泛應(yīng)用于各種燈具的照明光源。

3 擴(kuò)展光源的光學(xué)設(shè)計(jì)

擴(kuò)展光源就是指發(fā)光部分的面積比較大，光源尺寸相對(duì)較大，光線的出射方向較多。現(xiàn)有很多所用的LED封裝光源大部分都是擴(kuò)展光源，對(duì)擴(kuò)展光源的光學(xué)設(shè)計(jì)有利于提高現(xiàn)有照明產(chǎn)品的照明質(zhì)量，良好的光學(xué)設(shè)計(jì)有助于LED封裝光源的應(yīng)用。

圖3大功率LED封裝光源反射式舞臺(tái)燈設(shè)計(jì)原理圖，角度θ較小的反射光線照射在目標(biāo)表面的上方，角度θ較大的反射光線照射在目標(biāo)表面的下方。通過兩個(gè)LED封裝光源的光照度疊加，能夠?qū)崿F(xiàn)均勻照明。

圖3 大功率LED封裝光源反射式舞臺(tái)燈設(shè)計(jì)原理圖Fig.3 Schematic design of high-power LED packaged light source in reflective stage lamp

目前，很多光學(xué)設(shè)計(jì)研究者不斷對(duì)擴(kuò)展光源進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)研究。F. R. Foumier等人(2008年)對(duì)于擴(kuò)展光源提出一種光學(xué)反光杯的優(yōu)化方法[8]。A. J. W. Whang等人(2009年)對(duì)于擴(kuò)展光源通過逆向思維的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的光照均勻性[9]。王愷等人(2011年)對(duì)于擴(kuò)展光源提出了反饋優(yōu)化的自由曲面光學(xué)透鏡的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了照明效果良好的矩形光斑[6]。周壹義等人(2012年)對(duì)于擴(kuò)展光源利用邊緣光線理論的算法，設(shè)計(jì)出照明均勻度達(dá)90%以上，并提出一種實(shí)現(xiàn)均勻照明的反射器的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出光照利用效率為87.747%，照明均勻度達(dá)85%的反射器[7]。孫惠等人(2013年)對(duì)于擴(kuò)展光源，提出了一種大功率LED封裝光源反射式舞臺(tái)燈的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)照明的均勻度達(dá)到80%[10]。然而，對(duì)擴(kuò)展光源的光學(xué)設(shè)計(jì)還存在很多不足，例如：小角度的均勻照明、偏振光的影響和多個(gè)光學(xué)元器件的整體搭配問題等，對(duì)擴(kuò)展光源的光學(xué)設(shè)計(jì)還有待提高和改善。

圖4 (a) 多芯片封裝的COB擴(kuò)展光源，經(jīng)過光學(xué)設(shè)計(jì)后，出光均勻，出光效率高且無眩光，人的視覺效果柔和、均勻。圖4(b)經(jīng)過光學(xué)設(shè)計(jì)后加工組裝的燈具，應(yīng)用于照明達(dá)到良好的照明效果。

圖4 COB擴(kuò)展光源與燈具Fig.4 COB Packaged light source and lamp

4 自由曲面的光學(xué)設(shè)計(jì)

自由曲面光學(xué)設(shè)計(jì)是照明光學(xué)設(shè)計(jì)的重要組成部分，主要應(yīng)用于非成像光學(xué)領(lǐng)域，能夠提高光照系統(tǒng)的光照效率和空間光照的均勻性以及對(duì)光照形狀的容易控制，還具有自由度高等特點(diǎn)[11-12]。同時(shí)，自由曲面光學(xué)透鏡常用的材料有玻璃、PMMA及PC等，其在整個(gè)照明系統(tǒng)中能夠發(fā)揮很好的調(diào)光作用，不僅能夠應(yīng)用于點(diǎn)光源也能應(yīng)用于擴(kuò)展光源，它有助于提高整個(gè)照明系統(tǒng)的光學(xué)照明質(zhì)量。

目前，對(duì)自由曲面光學(xué)設(shè)計(jì)的方法比較多，比如：H. Ries等人(2002年)提出了利用剪裁法進(jìn)行自由曲面的設(shè)計(jì)，即是通過求解一組根據(jù)snell定律建立的非線性微分方程組。通過求解這一方程組的解，利用MATLAB軟件進(jìn)行編程，然后在CAD軟件中導(dǎo)出光學(xué)自由曲面。利用剪裁法設(shè)計(jì)的自由曲面透鏡在封裝光源的照射中能夠得到“OEC”等字樣的照明效果，如圖5所示[13]。后來，郝翔等人也基于剪裁法，設(shè)計(jì)出圓對(duì)稱光斑且出光角度較小的自由曲面透鏡，達(dá)到光照均勻性較高的效果[14]。Timinger等人(2003年)在路燈照明上利用自由曲面光學(xué)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了矩形光斑的照明系統(tǒng)[15]。P. Benítez等人(2004年)根據(jù)光照能量的分布關(guān)系(即是輸入和輸出的兩束光波的能量對(duì)應(yīng)關(guān)系)提出了SMS 法，英文叫Simultaneous Multiple Surfaces法，可以方便設(shè)計(jì)出多個(gè)光學(xué)自由曲面透鏡[16]。蔣金波等人(2008年)利用邊緣光線擴(kuò)展度(Etendue)守恒的原理創(chuàng)建了一套采用自由曲面控制網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)矢量的計(jì)算方法，利用此方法可以在很短時(shí)間內(nèi)就能夠優(yōu)化出配光精確高以及光照效率好的自由曲面光學(xué)元件[17]。丁毅等人(2008年)根據(jù)Snell定律以及結(jié)合立體坐標(biāo)系的思想和能量守恒定律，還有光源發(fā)光的特性和所需的照明條件，建立了一組微分方程，通過解這組微分方程，就可以得到自由曲面面型數(shù)據(jù)，從而得到不同的自由曲面，并提出非連續(xù)的自由曲面光學(xué)透鏡設(shè)計(jì)的概念[18-20]。盡管很多研究者熱衷于對(duì)自由曲面光學(xué)透鏡的設(shè)計(jì)，但是依然存在很多問題，例如：自由曲面透鏡的微加工問題和透鏡的制造成本問題等因素都限制著自由曲面光學(xué)透鏡在市場(chǎng)上的應(yīng)用，這些因素都有待去研究解決，需要更多的努力。

圖5 自由曲面透鏡Fig.5 Free form lens

圖6(a)為自由曲面設(shè)計(jì)的SMS法設(shè)計(jì)示意圖，圖6(b)為經(jīng)過自由曲面光學(xué)設(shè)計(jì)后生產(chǎn)的LED封裝光源，點(diǎn)亮后能夠照射出均勻的矩形光斑，此產(chǎn)品能夠應(yīng)用于照明要求為矩形光斑的領(lǐng)域，具有光照亮度均勻，光照效率高等優(yōu)點(diǎn)，擁有良好的照明質(zhì)量。

圖6 LED封裝光源Fig.6 LED packaged light source

圖7 (a)為設(shè)計(jì)得到的自由曲面透鏡模型圖，利用朗伯型LED封裝光源進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，光學(xué)模擬的整體效果圖如圖7(b)所示，從圖7(c)和圖7(d)的光照分布圖可知其均勻性達(dá)到90%，由于自由曲面是多個(gè)曲面并接形成的，導(dǎo)致在對(duì)角方向上的光照度有所下降。從整體的光照效果圖可以看出自由曲面光學(xué)透鏡不僅能夠提高光照的均勻性，還能容易控制光照的形狀。

圖7 自由曲面透鏡模型與效果Fig.7 Model and effect of free form lens

5 存在問題及展望

LED封裝光源在照明領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，為了得到高質(zhì)量的照明效果，必須對(duì)LED封裝光源進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)。高質(zhì)量的光學(xué)設(shè)計(jì)體現(xiàn)在光照利用效率高、照明顏色均勻度高以及光照光斑容易控制等特點(diǎn)。目前，對(duì)LED封裝光源的光學(xué)設(shè)計(jì)方法還存在如下一些問題：

(1)對(duì)LED封裝光源的自由曲面光學(xué)透鏡的設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法以及自由曲面透鏡的加工技術(shù)還有待改進(jìn)，同時(shí)由于熒光粉在LED封裝時(shí)對(duì)光學(xué)設(shè)計(jì)的影響也不能忽略，還要對(duì)光學(xué)設(shè)計(jì)的算法進(jìn)行優(yōu)化，使得設(shè)計(jì)的光照效果更好。

(2)對(duì)實(shí)現(xiàn)任意配光曲線的LED封裝光源光學(xué)設(shè)計(jì)的計(jì)算過程比較復(fù)雜，應(yīng)用的成本較高，還有待改善提高。

(3)現(xiàn)有在照明應(yīng)用的光源都是擴(kuò)展光源或COB平面光源，對(duì)其進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)要考慮的因素比較多，造成光學(xué)設(shè)計(jì)上的困難，同時(shí)也要考慮到散熱問題等因素。

未來對(duì)LED封裝光源的光學(xué)設(shè)計(jì)將會(huì)更多地考慮其照明效果對(duì)人的舒適度、LED封裝光源的光學(xué)散熱和體積大小問題、LED封裝光源的照明設(shè)計(jì)壽命、添加熒光粉對(duì)整個(gè)照明系統(tǒng)的色溫及光效的影響以及任意配光曲線的封裝光源的光學(xué)設(shè)計(jì)的算法等問題。未來LED封裝光源的光學(xué)設(shè)計(jì)將會(huì)向設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且自由度高，光照利用效率更高、照明顏色均勻度高以及光照光斑容易控制等方向發(fā)展。

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