LED光学设计的现状与展望*

闫 瑞 肖志松 邓思盛 朱 放 黄安平 范恩科

(1.北京航空航天大学物理科学与核能工程学院，北京 100191;2.陕西烽火通信集团有限公司，宝鸡 721006)

1 引言

由于LED具有寿命长、功耗低、无污染等特点，已在汽车尾灯、景观装饰灯、手机背光源、显示屏等领域相继取得了成熟广泛的应用，现在是进入通用白光照明和LCD(liquid crystal display)面板背光源关键时期。我国已经初步形成了从外延片生产、芯片制作、LED芯片封装 (包括单一晶粒的分立封装和多个晶粒的集成封装)以及LED产品设计与应用的比较完整的产业链。

在LED晶粒封装成LED光源芯片的过程中必须进行光学设计，这种设计被定义为一次光学设计。它决定了光源芯片的出光角度、光通量大小、光强大小和光强分布、色温范围和色温分布等。将LED光源芯片应用到具体产品时，整个系统的出光效率、光强、色温的分布状况也必须进行设计，称为二次光学设计。LED发光器件的二次光学设计是在一次光学设计的基础上进行的。一次光学设计保证了每个LED发光芯片的出光质量，二次光学设计则保证整个发光器件 (或灯具)的出光质量和发光效率。从某种意义上说，合理的一次光学设计，能够保证系统二次光学设计的顺利实现，也就提高了照明和显示的效果。在最终的实际应用中，需要根据场景或商业的需求，进行后续光学设计，主要是针对LED光源进行阵列、数量等的设计。

2 一次光学设计

LED封装中的一次光学设计主要是由内光学设计和外光学设计组成。大部分的内光学设计是指灌封胶和荧光粉的设计，主要用来提高光通量、光效和光色。外光学设计重点是指对出射光束进行会聚、整形，使它形成光强均匀分布的光场，对阵列模块而言，还需要注意芯片阵列的排布。

一次光学设计的主要目的就是将LED芯片中发出的光能尽量多的取出，使LED光源发光芯片发出的光在空间以一定的角度出射，光线沿各个方向的分布因各种不同的封装结构而不同［1］。根据发光的形状可将LED光源分为点光源、圈光源、发光显示器三类;根据发光的要求，封装时需要采用不同的材料和材料性质 (掺或不掺散色剂)，类似透镜或漫射透镜的作用，控制光的发散角［2］;根据不同的封装方式，采取合理科学的一次光学设计以达到提高光效的目的。

随着实际应用中对照明灯具功率高需求的提出，除了之前LED单芯片的封装技术之外，LED也被越来越多地采用多芯片的封装技术，分别被称为分立封装和集成封装。由于一次光学设计直接影响到LED的使用寿命和性能，所以分立封装和集成封装中的一次光学设计也受到了更多的重视。

2.1 分立封装中一次光学设计

LED的核心发光部分是由p型半导体和n型半导体构成的pn结芯片，当注入pn结的电子和空穴产生复合时，就会发出紫外光、可见光和近红外光。由于pn结区发出的光子是非定向的，即向各个方向的发射都有相同的几率，所以，并不是芯片产生的所有光都可以发射出来。LED芯片发射光的多少，取决于半导体材料的质量、芯片结构和几何形状、封装内部材料以及封装技术和工艺，所以对于LED封装中的一次光学设计，要根据LED的芯片大小和功率大小来选择满足不同封装方式的一次光学设计。分析表明，具有复合抛物线形状的反光杯的会聚效果最好，可以形成均匀的远场光分布［3］。

2.2 集成封装中一次光学设计

随着LED灯具的广泛应用，实际应用对它的光效也提出了更高的要求。所以在LED芯片的封装设计中，越来越多地从原来单一晶粒的分立封装发展到多个晶粒的集成封装以此来满足大功率的要求。在集成封装应用产品的实现下，其中的一次光学设计也受到了更多的重视，并且集成封装的技术已经被初步应用在照明领域中。例如应用在车头灯、路灯、广场照明、工厂照明以及一些大型的舞台灯光和背景设计等方面。

根据集成封装的要求，用于整形光束的透镜需要微型化。微透镜阵列在光路中可以发挥二维并行的会聚、整形、准直等作用，具有排列精度高、制作方便可靠、易于与其他平面器件耦合等优点，为实现大功率LED的光束整形提供了很好的解决方案［4］。研究表明采用衍射微透镜阵列取代普通透镜或菲涅尔微透镜，可大大改善光束质量，提高出射光强度［5，6］。

对于LED多芯片阵列封装模块，发光均匀性主要取决于封装密度、芯片间距以及芯片与目标面的距离。对于4×4阵列模块，获得均匀光分布的最大芯片间距dmax为:

式中 z——芯片与目标面的距离;

m——芯片常数，与芯片出光半角 H/2有关，一般取 70 ～ 80［7］。

集成封装芯片主要采用常规芯片，且高密度集成组合，其取光效率高、热阻低。最后根据用户的要求，可以组合电压和电流，也可以将其制作成不同的体积和形状，使用高折射率的材料根据光学设计的形状对集成的LED进行封装。这种集成LED的价格比单芯1W功率的LED要低，但是光效高，适合在手机和LCD的面板上作为背光源，并且路灯、景观灯也可以采用，是一种很有发展前景的LED大功率固体光源［8］。在LED应用产品的不断推动下，LED光源中的一次光学设计技术必将不断发展。

3 二次光学设计

LED芯片与其他光源相比体积小，避免了光源对光线的吸收和遮挡，而且也给配套灯具系统的一次光学设计、二次光学设计以及后续光学设计带来了极大的方便，保证了光学结构的高效性和光路控制的准确性。但是，由于LED的发光面积较小，因此只能朝一个方向发光，所以会出现某一个方向亮度很高、其他方向则会暗淡和光线不均匀，而且由于大部分LED光源的辐射角为110度至120度的郎伯分布，如果没有经过合理的配光，照在地面上的光形将会成为面积较大的圆形光斑，所以需要经过适合实际应用要求的二次光学设计来改善LED灯具的光照分布性能，最终使它具有满足条件的发散角。

3.1 非成像理论

作为半导体照明光源的核心，LED芯片本身是一个近似的朗伯光源，即LED芯片的光分布是以垂直LED发光面的轴线方向为零度角的余弦分布，因此，LED所发出光线的照度随出射角Φ的增大而迅速衰减即 (如图1所示):

Iφ≡ I0cosφ

图1 LED芯片 (朗伯光源)照明示意图

这样的光源很难满足各种照明用途的要求，因此必须根据不同的应用场合和需求，针对LED光源设计不同的光学系统，对LED芯片发出的光进行整形，改变其光强分布情况，这样的光学设计问题属于非成像光学的范畴［9］。

3.2 设计要求

对LED芯片进行一次光学设计，目的是将其发出的光能尽量多地取出，而二次光学设计是把LED器件发出的光线集中到期望的灯具上，从而让整个灯具系统发出的光能达到设计的需要。

为了减轻眩光带来的不好的影响，要尽可能使光学系统在目标面上可以形成均匀的光斑，而获得亮度均匀的照明面有两种方法:重叠和裁剪。重叠即是将光源发出的光细分为多个部分，然后在照明区域上互相重叠以消除光源总体光束的不均匀性，最终得到一个均匀的分布，例如复眼系统照明的设计。裁剪即是在已知光源发光分布的情况下，通过反射镜或照明透镜的面型 (例如非对称、不规则的自由曲面)，来控制每条光线的走向，最终在照明区域里取得均匀的能量或照度分布［10］。

3.3 设计方式

在二次光学设计中主要采用反射、折射和反射折射混合等设计方式，使LED器件发出的光线能够高效的投射到目标面上，并在照射目标上实现应用需要的各项照明指标。

(1)反射式的二次光学设计

反射式二次光学系统能够使LED的下部光、侧部光、和上部光经直射、反射和折射充分输出至受光面，它是一种能够重新分配、控制光源光通量的设计。光源发出的光经反射器作用后，投射到要求的方向，LED器件最终的发光效率就会得到显著地提高。

反射器的设计包括反射材料的反射系数、反射分布形状以及适当反射曲面的构成，对于要求光效高、方向性好的灯具可采用镜面反射材料;对于光线要求柔和的灯具可采用扩散反射材料;对于眩光控制要求高的灯具可采用较大的截光角;对于光输出分布比较规则的灯具可选择合适的特种几何曲面，如抛物面，椭球面;对于光输出分布各向不均匀的灯具 (如汽车前灯)就要采用复杂的曲面，甚至是自由曲面［11］。

(2)折射式的二次光学设计

在折射型的设计中主要用到的是透镜。利用光的折射原理将某些透光材料做成灯具元件，常用的灯具元件有折射器和棱镜两大类，这些灯具元件是用来改变初始出射光线的前进方向和出光角度的大小，从而改变照明面积和照度，最后获得合理的分布。LED采用透镜时，会使点光源发出的光线进行会聚或扩散，所以，LED光源经过透镜光学系统后形成的泛光照明均匀柔和、不易引起视觉疲劳且无眩光污染。当LED光源的阵列方式和透镜的光学系统合理搭配时，每个LED的光能量利用率可达到约98%以上，多束光投射在同一个焦平面上，最终形成的光亮度就会倍数增加。

目前应用越来越多的双排复眼透镜是由一系列小透镜组合形成，将双排复眼透镜阵列应用于照明系统可以获得高的光能利用率和大面积的均匀照明［12］。例如LED在信号灯中的二次光学设计，由于信号灯需要将LED发出的光集中于一个较小的立体角范围内，所以就需要选用透镜作为准直光学组件，使得LED发出的光满足要求。

(3)反射折射混合式的二次光学设计

在制作LED路灯灯具的时候也可以采用反射折射相混合的形式。该系统由准直系统和复眼系统组成，其中准直系统由反射器和中央准直透镜组成。准直系统是将LED发出的光线分别通过镜面反射和折射的方式调制为平行于器件主光轴的光束，最后输出到复眼透镜;而复眼透镜则用来控制出射光束的发散角度。

现在的二次光学设计主要利用全反射TIR(total internal reflection)的照明设计方法，由于LED的出光范围大，反射型或折射型的照明系统往往很难控制LED的全部出光，TIR利用折射和全反射，可以有效地收集LED大范围的出光，并控制光束的分布，保证照明系统结构的紧凑［8］。TIR透镜的设计一般是用于聚光，结构可分为透镜顶部与底部，光源发出的光在透镜底部界面发生全反射，从而全部向顶部出射，配合顶部表面的特殊设计高效地在指定方向上聚集光线，用于重点照明。

4 设计流程

二次光学设计前，首先要根据实际的需要以及设计的要求，明确设计思想;其次根据具体应用场合的尺度所决定的LED光源的配光角度和空间光强分布来确定设计条件和要求;再次根据常用的理论计算来设计模型。经常用到的方法有边缘扩张度守恒、微分方程法、多参数优化法、多表面同时设计法等，将理论计算得到的模型导入光学设计软件中，建立相应的光学系统模型，最终建立配光系统模型;最后通过光线追迹获得目标受照面上的照度分布结果，进行数据的修改，优化配光系数和配光系统。因此，一般设计流程如图2所示。

图2 二次配光一般设计流程

5 后续光学设计

在对LED芯片进行了一次光学设计和二次光学设计后，根据软件中不断优化所得到的光学系统，需要将其设计开模制作成灯具实物，配上电源、散热结构和外壳构成LED应用产品。依照对实物灯具所进行的光照度、热性能等基础性能的测试以及用户特殊光效和应用的需求而设计的总体灯具排布和布灯方案，包括LED的数量、间距、阵列方式以及光学、热和电气系统效率的设计即后续光学设计，以此来满足各种视觉作业任务的要求，使人的视觉感官获得最大程度的舒适。

后续光学设计也可以直接建立在一次光学设计的基础上，从LED的光学特性出发创新地利用不同发光角的LED阵列组件进行配光，可以通过基本配光模型和光强分布模型的优化来建立配光的灯具，不需要聚光透镜或反光器的光学设计，也就省略了二次光学设计的过程。

6 光学设计的展望

本文以LED产品设计与应用的产业链为主线，从分立封装和集成封装中一次光学设计的探讨，得知不同封装中的一次光学设计是不同的，而且随着高功率光效输出的需求，集成封装将会越来越重要，即集成封装中的一次光学设计也会受到更多的关注;在二次光学设计中主要介绍了它的原理、设计要求、常用的设计方式以及设计流程，由此看出二次光学设计仍然起着举足轻重的作用，在以后的学习和生活中还需要进行深入的研究;随着人们对精神生活要求的提高，后续光学设计也将成为一项重要的工程。

LED自身已具有了很多优点，并且在现代社会对节能的提倡下，它已被广泛的用在交通信号灯、城市照明工程、背光源、LED显示屏等特种照明等领域。随着信息化社会的到来以及LED材料技术和二次光学设计技术的不断更新，LED已经在社会经济的许多领域得到了广泛的应用，不同的应用领域对LED的照明要求有所不同，所以LED二次光学设计仍将在LED的设计过程中扮演着重要的角色。

二次光学设计已经引起了很大的重视，但就目前集成封装发展的趋势而言，未来将会特别重视对有明确应用需求的LED集成封装所进行的一次光学设计。针对应用环境和需求尽量减少和简化LED光学设计的层级和流程;针对特定产品和应用需求提供集成化和模块化的设计方法、软件和服务。现在，LED已被广泛的应用于室内照明，以及大型舞台背景和晚会装饰等许多方面，所以后续光学设计也会受到更多的关注，因此需要通过适当的后续光学设计，使得LED的光输出效率达到最大，并且在外观上加入更多的设计以给人们越来越舒适和美的感受。

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