LED一次光学设计

LED的一次光学设计•LED的一次光学设计与二次光学设计概述•引脚式LED的一次光学设计•提高芯片发光强度与出光效率的方式LED的一次光学设计•LED的一次光学设计与二次光学设计概述1、一次光学设计把LED芯片封装成LED光电组件时，要先进行一次光学设计。故一次光学设计主要是针对芯片、支架、模粒这三要素的设计。目的：提高出光效率、并解决LED的出光角度、光强、光通量大小、光强分布、色温的范围与分布。LED的一次光学设计2、二次光学设计二次光学设计是针对LED照明器具进行优化设计，这是系统层面的设计。其目的是对整个系统的出光效果、光强、色温分布进行设计。LED光源二次光学配光设计，对大面积投光和泛光照明配光需求尤为迫切。通过二次光学设计技术，设计外加的反射杯与多重光学透镜及非球面出光表面，可以提高器件的取光效率。二次光学设计模拟软件有CodeV、ZEMAX、TracePro、ASAP、LighTools等，和机械建模软件如：AutoCAD、Pro/E、UG、SOLIDWORKS等进行设计和光学仿真，不断优化而得到相应的光学透镜。透镜LED光学设计基本元件非球面反射镜椭球面抛物面双曲面折光板曲形折光板梯形折光板柱形折光板柱球形折光板一次光学设计芯片模粒支架折射式反射式折反射式背向反射式正向反射式光学设计结构图LED的一次光学设计•引脚式LED的一次光学设计模粒材料的种类LED透镜的应用分类LED透镜规格分类LED的一次光学设计1、模粒材料的种类（1）硅胶透镜a.因为硅胶耐温高（也可以过回流焊），因此常用直接封装在LED芯片上。b.一般硅胶透镜体积较小，直径3-10mm。（2）PMMA透镜a.光学级PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯），俗称亚克力。b.塑胶类材料，优点：生产效率高（可以通过注塑、挤塑完成）；透光率高（3mm厚度时穿透率93%左右）；缺点：温度不能超过80°（热变形温度92度）。LED的一次光学设计（3）PC透镜a.光学级料Polycarbonate（简称PC）聚碳酸酯。b.塑胶类材料，优点：生产效率高（可以通过注塑、挤塑完成）；透光率稍低（3mm厚度时穿透率89%左右）；缺点：温度不能超过110°（热变形温度135度）。（4）玻璃透镜光学玻璃材料，优点：具有透光率高（97%）、耐温高等特点；缺点：体积大质量重、形状单一、易碎、批量生产不易实现、生产效率低、成本高等。不过目前此类生产设备的价格高昂，短期内很难普及。此外玻璃较PMMA、PC料易碎的缺点，还需要更多的研究与探索，以现在可以实现的改良工艺来说，只能通过镀膜或钢化处理来提升玻璃的不易碎特性。LED的一次光学设计2、LED透镜的应用分类（1）一次透镜a.一次透镜是直接封装（或粘合）在LED芯片支架上，与LED成为一个整体。b.LED芯片（chip）理论上发光是360度，但实际上芯片在放置于LED支架上得以固定及封装，所以芯片最大发光角度是180度（大于180°范围也有少量余光），另外芯片还会有一些杂散光线，这样通过一次透镜就可以有效汇聚chip的所有光线并可得到如180°、160°、140°、120°、90°、60°等不同的出光角度，但是不同的出光角度LED的出光效率有一定的差别（一般的规律是：角度越大效率越高）。c.一次透镜一般用PMMA、PC、光学玻璃、硅胶等材料。LED的一次光学设计（2）二次透镜a.二次透镜与LED是两个独立的物体，但它们在应用时确密不可分。b.二次透镜的功能是将LED光源的发光角度再次汇聚光成5°至160°之间的任意想要的角度，光场的分布主要可分为：圆形、椭圆形、矩形。c.二次透镜材料一般用光学级PMMA或者PC；在特殊情况下可选择玻璃。LED的一次光学设计（3）透镜的选择及注意事项a、LED透镜作为光学级的产品，对透光性、热稳定性、密度、折射率均匀性、折射率稳定性、吸水性、混浊度、最高长期工作温度等都有严格的要求。因此，必须根据实际选择透镜的材料。原则上选择光学级PMMA，如有特殊的需求可选择光学级PC。目前为日本三菱PMMA材料为最好（VH001是经常选择的牌号），三菱公司在中国的分厂南通丽阳就会稍逊一些；b、必须配备万级甚至更高级别的无尘车间，作业人员必须着防静电服装、戴手指套、戴口罩等防静电防尘措施，并且定期对车间做检验与清理。c、须有专业的光学注塑机如东芝、德马格、海天、震雄等品牌的注塑机，并严格控制注塑工艺才能得到合格的产品。d、产品检验：无气泡、无凹陷、无缩痕、无流纹、无月牙；形状精度Rt0.005表面粗糙度Ra0.0002。e、产品必须用防静电防尘PVC包装，并且须完全密封包装，存放必须严格控制温度与湿度，并且最好不要存放超过一年以上。LED的一次光学设计透镜封装的光学系统具体分析为了提升出射光的比例，透镜的外形或者环氧封装的外形最好是拱形或半球形，这样，光线从封装材料射向空气时，几乎是垂直射到界面，入射角都会小于临界角，因而减少产生全反射的几率。如果对光强分布和出光角度有要求的话，那就要重新考虑，不同的透镜形状和封装形状会得到不同的结果。透镜的光学分析：影响出光角度，一般说透镜角度大出光角度大，透镜角度小出光角度小。硅胶和透镜的形状：影响到封装后的光强分布曲线以及出光量的多少软件模拟与实际对比LED的一次光学设计3、LED反射杯规格分类（1）折射式特点：1、当LED光线经过透镜时光线会发生折射而聚光，而且当调整透镜与LED之间的距离时角度也会变化（角度与距离成反比），经过光学设计的透镜光斑将会非常均匀，但由于透镜直径和透镜模式的限制，LED的光利用率不高及光斑边缘有比较明显的黄边；2、聚光面包含的立体角有限，约70%-80%的白光从侧面泄露，发光效率低。3、提高出光率方法：增加反光杯面积，收集侧面光线。4、聚光方法：增加透镜曲率。5、一般应用在大角度（50°以上）的聚光，如台灯、吧灯等室内照明灯具。LED的一次光学设计（2）反射式背向反射正向反射•反射面为一镀有反射膜的抛物面，管芯位于抛物面焦点。•优点：集光效率高，可以达到80%以上。•缺点：芯片对光线有遮挡。•要求芯片的纵横比小，横向尺寸：纵向尺寸4•正向反射式使用的是抛物面侧面区域。•优点：工艺简单，纵横比适中。光束发散小，集光效80%以上，光线无遮挡。LED的一次光学设计（3）折反射式•透镜的设计在正前方用穿透式聚光，而锥形面又可以将侧光全部收集并反射出去，而这两种光线的重叠（角度相同）就可得到最完善的光线利用与漂亮的光斑效果•比折反式集光提高两倍•这种透镜集光效率高，对环氧树脂透镜的要求也高。LED的一次光学设计•提高芯片发光强度与出光效率的方式1、表面粗化工艺将组件的内部及外部的几何形状粗化，破坏光线在组件内部的全反射，提升组件的光萃取率。1)表面平整时，大于临界角的光线反射进内部有，会遇到杂质产生散射出光，但光程变化衰减很大。2)直接将表面打毛:损伤发光层,损伤透明电极.MQWW金属反射层W衬底WW一般采用直接刻触成型的方法粗化方法基本上是在组件的几何形狀上形成规则的凹凸形狀，而这种规则分布的结构也依所在位置的不同分为两种形式，一种是在组件内设置凹凸形狀，另一种方式是在组件上方制作规则的凹凸形狀，并在组件背面设置反射层。目前若使用波长为400nm的紫外组件，可获得35%外部量子效率，取出效率为60%，表面粗化工艺是现在使用最方泛的方法。粗化的原理是增加发光面积。该方法适用于黄，绿，普红，普黄。等GaPa基材的外延片，另外红外LED也可采用该方法。这种方法一般可以提高30%。2、使用ITO芯片，ITO（氧化铟锡）ITO是一种透明的几型半导体薄膜1）Eg:3.5~4.3eV2）良好的导电性ρ=1.10×10-3Ω.cm3）可见光区透过率高80%4）化学稳定性和热稳定性良好可使电极部分的光不被完全遮档。LED的一次光学设计（3）透明衬底技术通常LED的衬底用GaAs材料，但GaAs是一种吸光材料，LED发出的光会被它吸收，降低出光效率。为此，在外延成PN结后，用腐蚀的方法GaAs衬底去除，然后在高温条件下将能透光的GaP粘贴上去做衬底，使PN结射出光通过金属底板反射出去，提高出光效率。这种方法在制作InGaAlP四元芯片时，在去除GaAs衬底后先用粘贴方法制作一层金属镜面反光层，然后再粘贴基板，这样使射向衬底的光放射到出光面，使芯片出光效率提高。芯片黏贴之示意图OsramOptoSemiconductors在2003年2月也发表了新的研究成果－ThinGaN，如图2-5，可将藍光LED取光效率提升至75%，比起传统提升了3倍。LED的一次光学设计衬底NMQWP4、改变芯片的几何外形作用：1）、使内部反射的光从侧壁的内部表面，再次传播到上表面，以小于临界角的角度出射，使大于临界角的光重新从侧面出射。2）、同时减少内部传播路径，减少吸收HP与Lumileds公司产品外部量子效率则大幅提升至55%，发光效率高达100lm/w，是第一个达到此目标的发光二极管。LED的一次光学设计5、芯片倒装（Flip-chip）技术蓝光LED通常采用Al2O3用衬底硬度高、热导率和电导率低，如果采用正装结构，一方向会带来防静电的问题，另一方面，在大电流情况下散热也会成为最主要的问题。同时由于正面电极朝上，会遮掉一部分光，发光效率会降低。大功率蓝光LED通过芯片倒装技术（FLIPCHIP）可以比传统的封装技术得到更多的有效出光。光从蓝宝石底部射出避开了电极和引线6、分布式布拉格反射（DBR)结构由交替的多层高析射率和低折射率的材料组成，每层的光学厚度为发射波长的1/4周期数越多，折射率相关越大，其反射率就越高作用：减少反射光反回上表面，减少衬底吸收