LED一次光学设计

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。
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（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 Rt<0.005 表面粗糙度 Ra<0.0002。 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。
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.
衬底 W
MQW WW 金属反射层 W
一般采用直接刻触成型的方法
c. 一次透镜一般用PMMA、PC、光学玻璃、硅胶等材料。
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（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
• 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。
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
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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。
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。
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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Code V、ZEMAX、TracePro、 ASAP、LighTools等，和机械建模软件如：Auto CAD、 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。
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:3.5~4.3eV 2）良好的导电性 ρ=1.10×10-3Ω.cm 3）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。
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（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。
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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）。
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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。
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（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。
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• 提高芯片发光强度与出光效率的方式
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
光学设计结构图
LED光学设计基本元件 透镜 非球面反射镜 一次光学设计 抛物面 椭球面 折光板 曲形折光板 梯形折光板 柱形折光板 柱球形折光板 双曲面
芯片
模粒
支架
折射式
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
反射式
折反射式
背向反射式 正向反射式
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• 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
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（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。
•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。
•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
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
Osram Opto Semiconductors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。
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4、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
P
MQW
N
衬底
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100 lm/w， 是第一个达到此目标 的发光二极管。
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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）。
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%。
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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（FLIP CHIP）可以比传统的封装技 术得到更多的有效出光。