短波长LED近距离匀光照明系统的设计

李 燕，杨宇铭，郑怀文，于 飞，裴艳荣，杨 华，李 璟，伊晓燕，王军喜，李晋闽

(中国科学院半导体研究所，中国科学院半导体照明研发中心，中国科学院大学，北京第三代半导体材料与应用工程技术研发中心，半导体照明联合创新国家重点实验室，北京 100083)

引言

随着通用照明使用的LED器件逐步向大电流、高亮度、高密度的方向发展，高功率密度的LED已经越来越受到人们的重视，但相应的单位面积亮度的提高也可能对人们的视力带来危害，因此在灯具结构甚至封装层次如何降低光源表面亮度，制备本质安全的通用照明系统是未来的发展方向之一。同时随着低能量光子医疗技术的发展，短波长的紫外(ultra-violet, UV)LED已被用于紫外固化、环境清洁，杀菌消毒，皮肤病治疗等领域[1-4]。其中UVA和UVB可用于治疗皮肤疾病[5, 6]，其用于治疗皮肤病的安全性也已经被证实[7, 8]。

UV-LED是一种很有前景的辐射源[9]，然而将其进一步应用于可穿戴医疗装置也存在很多问题，其中最核心的一个问题是如何在近距离获得大面积的低能量密度光源。医用LED对光照均匀性有明确的要求[10]，而LED为朗伯光源，单颗芯片只有在较远的距离上才能得到均匀的照射光斑，而且一般的匀光系统中使用的有机材料均不适用于UV波段。

为了解决上述问题，我们采用低成本的磨砂蓝宝石来进行匀光系统的设计，结合光线追迹优化蓝宝石的参数，包括蓝宝石的安装方向、直径、距离UV-LED管芯的距离，最后确定了用于短波长LED匀光的最佳参数。

1 模拟设置

使用的UV-LED的模型如图1所示，该模型包括三个部分：具有朗伯分布的UV-LED，磨砂蓝宝石，和用于组装磨砂蓝宝石以及UV-LED的圆筒支架。为了使光均匀，圆筒内壁的表面特性设置为漫反射，为了满足大面积均匀光斑和可穿戴的小体积要求，圆筒直径为40 mm，圆筒的底部与磨砂蓝宝石灯罩之间的距离为10 mm。图1中的参数h表示LED光源与磨砂蓝宝石之间的距离。UV-LED发光体封装尺寸为3.5 mm×3.5 mm×2 mm，仿真光线数目为200 000条。接受屏距离灯罩1 mm。照度均匀度有两种定义，一种是接收面内照度的最小值与最大值的比值：U=Emin/Emax，另一种是接收面内的照度最小值与照度平均值的比值：U=Emin/Eavg，本文采用前一种计算方法。

图1 UV-LED模型图

2 设计过程与结果分析

图2 平面蓝宝石、左面磨砂蓝宝石、右面磨砂蓝宝石和双面磨砂蓝宝石对应的照度分布

对于中央无磨砂蓝宝石的结构，图2(a)～(d)显示了蓝宝石灯罩的磨砂面对接收面照度的影响，磨砂面的方向对照度分布的影响非常不同。灯罩为平面蓝宝石时，如图2(a)所示，其能量利用率为87.11%，能量损失主要是界面全反射损失以及圆筒内壁漫反射吸收损失，但此时的光斑面积很小，中心接收面照度过高，难以满足均匀度要求。灯罩为左面磨砂时的能量利用率为24.66%，此时光先经过磨砂面，光从蓝宝石面出射时，光从光密介质传向光疏介质，发生全反射，大部分光被限制在圆筒内，如图2(b)所示。灯罩为右面磨砂时的能量利用率为64.89%，当光从蓝宝石面出射时，由于磨砂面的漫反射因素，全反射效应降低，如图2(c)所示，此时的能量利用率比平面蓝宝石灯罩的低，原因是在设置过程中，磨砂面存在0.3的吸收损失。图2(d)为双面磨砂灯罩的模拟结果，能量利用率为47.55%，一部分光经过左面磨砂面，反射回圆筒灯内，存在一定的漫反射吸收损失，另外，双面磨砂的吸收损失更加严重，因此能量利用率在左面磨砂与右面磨砂的能量利用率之间。综上所述，在采用一层结构时，灯罩为右面磨砂的蓝宝石材料效果最好。

仅有一层磨砂灯罩时的光均匀性很差，因此考虑中间添加一层蓝宝石2，先考虑直径为20 mm的中央蓝宝石匀光片，此时蓝宝石的磨砂面对接收面照度影响的结果如图3所示，蓝宝石2的左面磨砂时，能量利用率为26.3%，此时蓝宝石2和蓝宝石1之间存在空气，光从蓝宝石平面出射时，蓝宝石和接收面之间大的折射率差导致能量利用率降低，接收面的最大光照度降低，中央光照度仍然很高，但在20 mm外部区域，光分布较为均匀，如图3(a)所示。当蓝宝石2为右面磨砂时的能量利用率为42.46%，但是对于装置的匀光毫无效果，如图3(b)所示。图3(c)为蓝宝石2为双面磨砂时的效果，此时的能量利用率为31.74%，能量利用率和匀光效果均不显著。综上所述，采用二层匀光结构的装置中，其中间层采用左面磨砂蓝宝石结构效果较好。

对于各种h1的值，图4示出了UV-LED的照度分布和能量利用率，由于灯筒内的可操作空间很小，h1的影响并不大，随着h1的增加，更少的光照射到蓝宝石2上，减小了中心点的光强度，当h1=8 mm时均匀性更高，如图4(a)所示。同时，随着h1的增加，能量利用率逐渐增加，如图4(b)所示，这可归因于随着h1的增加，更少的光照射在蓝宝石上，使得圆筒壁的漫反射吸收损失降低。当h1固定在8 mm时，随着蓝宝石2的直径d1从5 mm增加到20 mm时，均匀度呈现出先增加后降低的效果，而能量利用率逐渐降低，可以看出直径为10 mm和15 mm时的均匀性最高，如图4(c)所示，但此时的均匀度仍然小于50%。 在存在蓝宝石2的情况下，可以看出，照度分布最多可出现三个峰值，在最优的情况下，三个峰值近似相等，均匀度为30%～40%，因此考虑磨砂蓝宝石3的添加会增加峰的数目，同时会增加均匀性。综上，直径为10 mm和15 mm的左面磨砂蓝宝石的效果最好。

采用两层结构时，需要考虑的参数还包括两块蓝宝石h1和h2的变化。根据前述结果将蓝宝石2和蓝宝石3直径分别设为15 mm和10 mm，仿真结果如表1所示。可以看出，蓝宝石2比蓝宝石1靠近管芯时，得到的接收面总体均匀度更好。同时，在所有的模拟中，能量利用率均大于20%。当h1=5 mm，h2=7 mm时，所得到的均匀度达到最大值0.68。其照度分布如图5所示。

图3 左面磨砂、右面磨砂、双面磨砂蓝宝石2对应的照度分布

图4 接收面照度分布以及能量利用率

图5 h1=5 mm，h2=7 mm时的照度分布

表1 不同h1和h2的接收面均匀度

最后，我们制作了优化的短波长LED短距离匀光光源，并进行了测试，测试设备如图6(a)所示。测试使用的LED芯片为峰值波长457 nm的蓝光芯片，采用不加匀光装置的裸芯片作为对照，在高度为1 cm、直径为4 cm的圆形范围内测量照度分布，其九点的照度如图6(b)所示，可以得到，其照度均匀度仅为0.019；采用优化的实验结果参数设置的匀光结构进行同样的照度测试，其九点照度分布如图6(c)所示，可得其照度均匀度为0.209，实测结果其均匀度提升了10倍。而在仿真模拟中，裸芯片的探测面照度均匀度为0.036，优化的二层蓝宝石结构照度均匀度为0.68。实验结果和仿真结果有一定的差别。产生这一差异的主要原因在于：①模拟中灯筒内壁设定为漫反射表面特性，实验时采用铝箔，其反射率较高，若将模拟中灯筒内壁设置为镜面反射表面特性，得到的中央照度值也较高；②在实验中为了固定中间的两块蓝宝石片，设置了两种支架，仿真并没有反映实际器件中的所有光损耗；③在模型制作中不可避免地存在制造误差。

图6 实验装置、裸芯片测试照度分布以及优化光源的照度分布

我们相信，这种方法对各种不同波段通用照明应用的的LED匀光设计具有重要意义。

3 结论

我们对短波长LED的近距离匀光设计进行了摸索，制备了直径为 4 cm、厚度为1 cm的均匀光源，将磨砂蓝宝石应用于近场大面积短波长LED光源，在保证一定的能量利用率的条件下改善其照度均匀性。研究结果表明，两个直径分别为10 mm和15 mm的磨砂蓝宝石，当h1=5 mm，h2=7 mm时，其同时具有均匀的照度分布以及可接收的能量利用率，与不使用磨砂蓝宝石的结构相比，均匀度从0.036上升到0.68，实际制备样品的测试结果也从0.019提高到0.209，其照度分布均匀度提升了十倍。我们认为，这种优化的磨砂蓝宝石的应用经进一步优化不仅可以大大降低使用成本，而且仅采用简单工艺就可实现近场高品质匀光，可用于未来可穿戴医疗设备乃至被动安全的照明设备的开发。