LED封装结构的光学模拟与设计
LED封装的一次光学系统优化设计
万方数据《半导体光电））２００８年１０月第２９卷第５期张鉴等：ＬＥＤ封装的一次光学系统优化设计的结构进行非序列光线追迹，来模拟得到不同封装参数条件下的光能接收面的光亮度分布。
最后，本文还将对模拟的结果做较为详细的对比分析，得到该一次光学系统的一组优化结果。
２ＬＥＤ环氧封装的一次光学系统设计２．１ＬＥＤ发光芯片的实体简化建模光源的实体模型又称为光源几何造型，它是光源大小、形状、位置、方向、材料的综合表示，还反映光源的反射、折射、吸收等相关特性。
ＬＥＤ内部的发光芯片是ＬＥＤ一次光学系统的光源，因此ＬＥＤ发光芯片的模型是ＬＥＤ整体光学建模的基础。
通常，ＬＥＤ芯片内部包括限制层、有源层、基底、电极等几个部分。
从有源层出射的光子是随机的，即光子在空间各个方向都有可能出射。
光子离开ＬＥＤ芯片表面时的出射点在芯片表面上随机分布，且在芯片６个面均有不同程度出射。
但芯片外围的反光碗会改变从ＬＥＤ芯片边缘出射的光子路径，同时芯片底部的电极也会吸收部分光子，因而我们用一个立方体来表示ＬＥＤ芯片，该立方体的上表面为主要发光源。
由于芯片的厚度相对于主要发光面非常小，芯片侧面的发光可以忽略不计。
发光点在主要发光面上随机分布，也就是将六个面的发光特性集中定义在其一个面上，而这个面也同时向反射碗底出射光子。
这样可提高光线追迹效率，并保证足够的准确度。
定义该发光面出射的光线角度分布ｊ（口）符合朗伯余弦定律：Ｊ（口）＝ｊｏＣＯＳ０（１）式中，日为该方向与平面法向的夹角，Ｊ。
为法向光强。
该面的发光特性如图１所示。
甥謦图１发光面光线分布示意图２．２反光碗的模型设计由于ＬＥＤ发光芯片已构成标准的体光源，反射碗的面积相对来说非常小，因此本文采用目前通用的分段直线反光碗模型。
反光碗的材料应有较高的反射率，将由其对应的反射和漫射指数，以及它作为高斯散射体的参数盯值来定义。
ＬＥＤ封装的一次光学系统设计还必须确定反光碗的大小和位置参数，我们用底部直径、顶部直径、外径、台基厚度和碗深来表示其形状和大小，如图２所示。
LED一次光学设计演示教学
光学设计结构图
LED光学设计基本元件
透镜
一次光学设计
抛物面
非球面反射镜 椭球面
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
（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环氧树脂封装的光学设计与模拟
第31卷第10期 2008年10月合肥工业大学学报(自然科学版)JOURNAL OF H EFEI UNIVERSITY OF TECH NOLOGYV ol.31No.10 Oct.2008收稿日期:2007211202;修改日期:2007212220基金项目:合肥工业大学博士学位专项基金资助项目(1082035026)作者简介:张 鉴(1977-),男,浙江慈溪人,博士,合肥工业大学讲师,硕士生导师;杨明武(1958-),男,安徽滁州人,合肥工业大学教授,硕士生导师.LED 环氧树脂封装的光学设计与模拟张 鉴1, 杨明武1, 胡智文2(1.合肥工业大学应用物理系,安徽合肥 230009; 2.温州大学计算机科学与工程学院,浙江温州 325035)摘 要:环氧树脂封装结构的光学系统设计是提高该类LED 光学性能、降低试验成本的必经之路。
文章基于照明光学系统的非成像特点,利用光学建模和非序列光线追迹方法,对LED 封装进行设计与模拟;通过改变光学封装的形状和材料参数,对封装后的LED 发光亮度特性进行探讨,并对设计进行了原理性验证;得到了影响LED 光学性能的主要封装参数与照明特性的相关变化规律,对LED 封装的参数设计具有参考和指导作用。
关键词:发光二极管;环氧树脂封装;光线追迹;计算机辅助设计;模拟中图分类号:T N202 文献标识码:A 文章编号:100325060(2008)1021695204Design and simulation of LED epoxy resin packagesZH ANG Jian 1, YA NG Ming 2wu 1, H U Zhi 2wen 2(1.Dept.of Applied Ph ysics,H efei University of Technology,H efei 230009,China;2.School of Computer Science and Engineerin g,Wen zhou University,Wen zhou 325035,Ch ina)Abstr act:An excellent design of epoxy resin str ucture is very important to improve the LED device op 2tical performance and reduce the experiment cost.The designing and simulating of LED packages are completed based on the non 2sequence ray tracking theory.Some cor relative parameters of the epoxy resin structure and material are changed and analyzed so as to obtain the regular ity of the intensity dis 2tribution.The simulated results will provide some useful referrence for LED packaging computer 2ai 2ded design.Key words:light emitting diode(LED);epoxy resin package;r ay tracking;computer 2aided design;simulation发光二极管(Light Emitting Diode,简称LED)是一类可直接将电能转化为可见光和辐射能的发光器件。
LED汽车灯具结构设计及光学设计浅谈
LED汽车灯具结构设计及光学设计浅谈1. 引言1.1 LED汽车灯具结构设计及光学设计浅谈LED汽车灯具作为汽车外观设计中的重要组成部分，其结构设计及光学设计至关重要。
结构设计要点包括灯壳材料、散热设计、密封性能等方面，这些因素直接影响灯具的外观、使用寿命和安全性。
而光学设计原理则涉及LED光源的选用、聚光、光束控制等，影响着灯具的光照效果和能耗。
光学设计参数和要求则包括光束形状、光强分布、照度均匀性等，这些参数决定了灯具的照明效果。
在设计过程中需注意的问题包括光学部件的选择、热效应对光学性能的影响等，综合考虑才能设计出性能优异的LED汽车灯具。
实际应用中的效果评价则需要考虑照明效果、防眩目性能、节能效果等方面，从用户体验和安全性角度评价灯具的实际效果。
LED汽车灯具结构设计和光学设计的重要性不言而喻，未来的发展方向则是更加注重绿色环保、智能化和个性化，致力于打造更加优质的汽车照明系统。
2. 正文2.1 LED汽车灯具的结构设计要点1. 散热设计：LED灯具在工作时会产生一定的热量，如果散热不好，会影响LED的使用寿命和光效。
灯具的结构设计需要考虑如何有效散热，通常会采用铝合金散热片或风扇散热等方式。
2. 防水设计：汽车在使用过程中会遇到各种恶劣的天气条件，因此LED汽车灯具需要具备一定的防水性能，以确保灯具在雨天或泥泞的道路上能正常工作。
3. 色温和色rendering 要求：LED灯具的色温和色rendering 对于汽车驾驶员的视觉体验至关重要。
结构设计需要考虑如何保证LED的色温稳定和色rendering 良好，以确保灯具的光照效果符合标准要求。
4. 灯具形状设计：LED汽车灯具的形状设计需要考虑到安装位置和美观性。
要确保灯具可以灵活安装在车辆的不同位置，并且外形设计符合汽车整体造型，增加车辆的美感。
5. 维修和更换便捷性：LED灯具作为汽车零部件的一部分，需要考虑到维修和更换的便捷性。
LED汽车灯具结构设计及光学设计浅谈
LED汽车灯具结构设计及光学设计浅谈发表时间：2020-06-02T10:49:56.387Z 来源：《工程管理前沿》2020年第6卷3月6期作者：王宇[导读] 随着汽车电子技术的不断发展，汽车车灯种类不断增多。
摘要：随着汽车电子技术的不断发展，汽车车灯种类不断增多。
汽车车灯设计不仅要求具有照明功能，还要有装饰功能。
汽车大灯的基本功能还是照明，照明效果与配套装饰效果日益突出，不同类型的车辆配备不同的车灯照明。
LED是一种新型的半导体光源，其具有节能环保、响应时间短、颜色饱和度高等诸多优势，LED汽车前照灯在高端车型上应用具有很好的前景。
关键词：新型LED灯汽车灯设计 LED灯具是利用LED作为光源制造的照明器具，被誉为第四代照明灯具，LED照明灯具在汽车照明、商业照明等领域有了广泛的应用。
LED在车内照明、应急灯等方面的应用取得了显著成效，随着LED照明技术的快速发展，LED前照明技术的应用具有良好的普及前景。
对LED汽车灯的设计研究具有重要的意义。
1 汽车灯简介1.1 汽车灯的种类汽车的安全性能最终目的是保护驾驶员及车内人员安全，随着科技的发展，汽车灯已不仅是车辆的照明基础设施了，日间行车灯等设施的诞生使车辆的安全性得到了进一步的提升。
汽车灯主要种类包括组合前照灯、组合尾灯与牌照灯。
组合前照灯在车辆前部，前照灯发出的光可照亮车体前方道路，组合前照灯按光源不同分为卤钨灯、疝气灯。
组合尾灯在车辆后部，其主要作用其发出行车信号，后车灯由后尾灯、倒车灯、制动灯、后转向灯灯组成。
左右制动灯是后车灯的重要组成部分，制动灯是提示后车减速的灯，现在的制动灯一般为雾灯[1]。
高温制动灯安装在车尾上部，使后车易于发现车制动，其作用是警示后方车辆，避免发生追尾事故。
倒车灯在驾驶者挂上倒档时自动开启，其作用是夜间照明。
转向信号灯用以向行人及车辆表示车辆转向的灯具。
转向灯分为前后转向与侧转向。
1.2 LED汽车灯LED灯在汽车方面的应用非常丰富，常见的是刹车灯及转向灯，装配LED照明灯具的汽车价格呈现降低趋势，如比亚迪、上汽通用凯悦等车型后组灯广泛地应用LED光源。
大功率LED封装结构的仿真设计
２ 大 功 率 Ｌ Ｄ 的 光 学模 型 Ｅ
２ １ Ｌ Ｄ 光学 结构 分析 ． Ｅ
功 率 Ｌ Ｄ 主 要 包括 几 个 部 分 ， Ｅ 发 光 芯 片 、 光 杯 、 Ｅ Ｌ Ｄ 反 连 接正 负极 分金 线 、 粘合 剂 、 氧树 脂等 。如图 ４所 示 。 环
２ ２ ｌ Ｏ 模型 的抽 象与Ｏ建立 ． 光学 Ｏ ０ ０ ０ ０ ０
体角 山， 对应 照射 面积为 Ａ， 光通 量 为 ， 则该 方 向光强 为 ： Ｉ＝ 。 ／
＝ 。 Ｒ。Ａ ・ ／ １ ２ 大 功率 Ｌ Ｄ配 光 曲线 ． Ｅ
图 １ 光 通 量 与光 强 示 意 图
Ｌ Ｄ 配光 曲线用 于描述 光强 在空 间 的分 布 ， Ｅ 是将 光强 看成 发光 角度 的 分布 函数 得到 的 曲线 。一 般
光强用 于描述 Ｌ Ｄ 发 出的光 沿空 问各方 向的分 布 ， Ｅ 用单 位立 体
角度 内光 通量 来计算 ， 一般 用符 号 Ｊ 表示 ， 位坎德 垃 。 体角 表 ， 单 立
示 为 被照射 面积 与半 径 平方 的 比值 ， 即 一Ａ／ Ｒ 。为更 形 象说 明两 者 的关 系 ， 假设 一 Ｌ Ｄ光源 位 于球心 ， 图 １ 示 。 Ｅ 如 所 取一 个很小 的立
／
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ｌＯ Ｏ
１０ ２
图 ２ 配 光 曲线 与 半 角 值 示 意 图
LED照明系统中的光学设计与调控方法研究
LED照明系统中的光学设计与调控方法研究随着LED技术的不断发展和应用的普及，LED照明系统在照明行业中得到了广泛应用。
光学设计与调控是LED照明系统中关键的技术之一，它对于提高照明效果和能效具有重要的意义。
本文将对LED照明系统中的光学设计与调控方法进行研究和探讨，并提出相应的解决方案。
在LED照明系统中，光学设计是实现高效能照明的关键所在。
通过合理的光学设计，可以有效地提高光的利用率，减少能量的浪费。
首先，LED照明系统的光学设计需要考虑光的分布均匀性。
通过合理的光学设计，可以控制光线的出射角度和光通量分布，使得照明区域内的光照均匀，减少阴影和光斑的出现。
其次，光学设计还需要将光线聚焦在所需照明的区域内，提高照明效果。
通过合理的透镜设计，可以控制光线的传播方向和角度，使其更集中地照射目标区域，减少能量的散失。
在LED照明系统中，光学调控方法是实现可调光、可调色温的关键所在。
可调光是指LED照明系统可以根据照明需求调整光的亮度。
通过调节电流输入，可以控制LED的亮度变化，实现可调光。
可调色温是指LED照明系统可以根据照明需求调整光的色温。
通过合理选择LED芯片的材料和封装结构，可以实现不同色温范围的照明效果，如冷白光、中性白光和暖白光等。
同时，还可以利用管控光衰减和混合光源的方法，实现更广泛的可调色温范围。
为了实现LED照明系统中的光学设计与调控，需要采用一系列的方法和技术。
首先，可以利用光学软件进行光学设计和模拟。
通过建立LED照明系统的光学模型，可以预测光的分布和效果，优化光学设计方案。
其次，可以采用封装技术，如透镜封装和多芯片封装等，将LED芯片和其他光学元件相结合，实现更好的光学效果。
同时，还可以采用光学滤波器和反射镜等光学元件，对光的颜色和强度进行调控，实现可调光、可调色温的效果。
此外，光学设计与调控方法的研究还面临一些挑战和问题。
首先，LED照明系统中的热效应会影响光的性能和稳定性，需要加强散热设计，提高LED的寿命和稳定性。
LED室内灯导光板的光学模拟和设计
3 结论
(a) 3mm深度
(b) 4mm深度
本文针对LED室内灯进行二次光学设计，其中 主要是对其光出射面板的结构设计，使出射光符合 室内均匀照明要求。利用 ASAP 光学设计软件对两 种导光板，即波纹形导光板和方格形导光板进行实 体建模，通过对导光板的参数设置，观察受光面照 度分布的变化情况。发现波纹形导光板具有12~18个 波纹形周期，使LED灯具出光均匀性最好；深度为 3mm和4mm的方格形导光板其照度分布较均匀。综 合以上两种情况，在LED室内灯具结构设计中，选 择3mm方格形导光板，将在受光面获得较为均匀的 光照效果。
(d) 24个周期
4 ᇐܝᵓপ6ǃ12ǃ18ǃ24Ͼ਼ᳳⱘ♃✻ᑺߚᏗ
光板长度内，取12和18个周期波纹其照度分布较均 匀，取其余数目周期波纹，照度分布只是在横向上 均匀，在纵向分布上变化较大。当周期增加至12、 18个时，受光面的光照均匀度增加，当周期继续增 大至24个时，受光面的光线向中心聚集。经观察发 现，周期为12~18个的波纹形导光板使LED灯具的出 光均匀性最好。
根据照度分布曲线的比较可以看出，在导光板 内，取深度为3mm和4mm，其照度分布较均匀，取
（本文编辑
孙 爽）
※ 基金项目： 天津市应用基础与前沿技术研究计划自然科学基金青年项目(13JCQNJC00700)；天津市教委滨海新区科技特派员项目 (20090012)。
6
2013年第9期
内照明灯具如图 1 所示。具体包括： LED 灯板，长 200mm ，宽 6mm 的矩形，其上放置 8 颗 LED ；直线 形反光板，连接 LED 灯板和导光板，起到反射光 线、使光线向导光板聚集的作用；导光板，按照设 计为波纹或方格形PMMA材料，为获得LED室内灯 具轻薄的效果，设定与LED灯板的距离为35mm。
LED封装结构的光学模拟与设计
Ｍａｒ．，２００８，总第８５期现代显示ＡｄｖａｎｃｅｄＤｉｓｐｌａｙ图１雷曼大功率ＬＥＤ结构收稿日期：２００８－０１－１６ＬＥＤ封装结构的光学模拟与设计摘要：总结用ＣＡＤ软件对ＬＥＤ封装结构进行模拟的一般步骤，建立实际ＬＥＤ封装产品的模型并模拟其光学特性，通过实例提供了一些设计经验。
关键词：ＬＥＤ封装结构；光学模拟深圳市雷曼光电科技有限公司文章编号：１００６－６２６８（２００８）０３－００６７－０５１介绍计算机辅助设计（ＣＡＤ）正大量地渗入到工程和产品设计中，为降低成本、提高效率发挥着重要的作用。
新兴的半导体照明产业，亦应分享科技进步带来的实惠。
传统的光学设计方法中，繁杂的计算及精密的实验、调试使做出理想的产品变得相当困难；陆续涌现的光学设计辅助软件，为工程设计人员减轻劳动、缩短设计周期和提高设计质量提供了有效的支持。
可做光学设计的ＣＡＤ软件有诸如ＣＯＤＥＶ、ＯＳＬＯ、ＺＥＭＡＸ、ＴＲＡＣＥＰＲＯ及ＡＳＡＰ等，本文就ＬＥＤ封装中的光学设计，采用ＴＲＡＣＥＰＲＯ作为辅助设计软件，对现有产品进行光学模拟，并用于新产品的光学设计。
２模拟步骤２．１绘制３Ｄ结构图使用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ、Ｐｒｏ／Ｅ等软件，根据被模拟ＬＥＤ封装产品的结构尺寸，精确画好并导入ＴＲＡＣＥＰＲＯ中。
或使用软件自带的绘图功能，绘制结构简单的图形。
一般而言，支架、晶片、透镜分开成单体以便于设置属性及调整相对位置。
晶片可以是简化的模型，可用一个长方体替代。
需要注意的是，各个单体间的相对位置比较重要，应尽量与实际的一致。
２．２设置属性需要设置属性的有：碗杯（如果是平台也需设置）的表面属性，通常表面设置为ｍｉｒｒｏｒ或根据实际自行定义；晶片的发光属性，包括Ｆｌｕｘ、光线追迹数量和发光的角度分布等；透镜（或填充胶）的材料属性，主要是折射率和透光率。
若这些属性能够贴近现实中物料的属性，则对一般的ＬＥＤ封装设计而言，这些属性已经能够模拟得比较准确了。
LED的光学设计知识以及应用
LED照明光学系统具体分析
反射杯的光学分析： 我们常见的反射杯有两种，如下图所示：
平面型
曲面型
反射杯的形状和开口大小直接影响到整个系统的出光角度即光强分布曲线。 我们通过光线的反射定律很容易就能判断出一个光源经过反射杯后大概的出 光情况。我们举几个例子看一下，下面几个图是同一光源的相同的三条光线 经过不同反射杯后的出光情况。
背光源光学系统的具体分析
（2）如果导光板为一楔行板，且不做任何处理，假设有三条光线由导光板 内射出，在分界面上红色和绿色光线的入射角都小于Im，而蓝色光线入射角 大于Im，那么根据反射定律和折射定律我们就可以得到这三条光线传播路 径，如下图所示，红，绿光线都可以直接折射出导光板，而蓝色光线经过几 次反射后最终也可以射出。
LED照明光学设计案例（1）
用我们前面模拟的光源，再加一个反射杯做一个实际应用的模拟。我们的要求是LED光 源在加上反射杯后能在一米远处呈现一个比较均匀的光斑，光斑的直径在150mm左 右。 我们先看一下模拟结果
LED照明光学设计案例（2）
从上面模拟出的数据可以看出，最后的结果基本符合要求，但还存在 问题： （1）光源发出30000条光线，但在接受屏上只有11799条光线，这 说明还有很多光线并没有到接受屏上； 解决方法：我们希望尽可能多的把光线集中到接受屏上，那就要使整 个系统的发光角度变小。右下角是光强分布图，我们要做的就是把半 值角再减小，光线更集中。 具体方法： （1）改变光源的位置 （2）更换光源 （3）更换反射杯 （4）增加透镜
光学设计基础知识
－主要针对LED封装、LED照明以及背光源
CHOUCHOUYU 2008.4.28
光学设计理论知识
光具有波动性和粒子性，但在应用光学的范围内，光是作 为波动来讲的，它具有波动的一切特性，比如波长、频 率、以及传播速度等。(光波的传播速度ν=c/n) 在后面的讨论中，我们常用“光线”一词，这是一个几何概 念，只是指出光波向空间传播的方向而已。一些光线的集 合就称为光束。 光线的基本性质即几何光学的基本定理：
LED移动照明系统的光学设计和仿真研究——照明系统反光杯的光学设计和仿真研究
本科毕业设计（论文）LED移动照明系统的光学设计和仿真研究——照明系统反光杯的光学设计和仿真研究学院物理与光电工程学院专业光信息科学与技术年级班别 2005 级（2）班学号 3105010052学生姓名梁德平指导教师苏成悦2009 年 6 月LED 移动照明系统的光学设计和仿真研究梁德平物理与光电工程学院摘要本文简要介绍了多种实际应用的LED光源和LED光源常用的反光杯，并对日常用的反光杯进行建模。
本文着重的是LED光源及其反光杯的设计、仿真及改良。
对整个LED照明系统进行仿真，分析其配光曲线和光照度分布图。
在设计LED光源的光学系统时，要考虑LED芯片的几何尺寸，所要模拟的面光源大小，亮度要求和照度要求。
设计的光学系统尽可能贴近实际，尽量的反映了实际应用的情况。
在对反光杯的设计时，分析了反光杯不同的几何结构对照明系统的光照度分布的影响。
并对不同的应用情况，对反光杯进行不同的改良。
本文介绍了如何使用TracePro光学分析软件来设计及仿真LED照明系统，TracePro软件在对实体模型的光学分析上有很大的优势。
着重介绍了如何使用TracePro来设计，和分析整个LED照明系统。
LED照明系统有多种的可能，本文只提出几种设计方案，并尽可能使用光学分析软件来实现仿真。
使用TracePro 软件来进行实体建模，需要注意的是TracePro只适用于简单的实体建模。
对于复杂的实体模型，需要借助其他的CAD软件完成，然后导入TracePro中进行光学分析。
关键词：LED光源，反光杯，照明系统，TraceProAbstractThis paper introduces a wide range of practical applications of the LED light source and it’s reflector, what’s more we model it in the TracePro.This article is focused on LED light source and the reflector design, simulation and improvement.We simulate the entire LED lighting system, and analyze their light curves and the distribution of illumination.In the design of the optical systems of the LED light source, it is necessary to consider the geometry of the LED chip, the size of the source which we want to simulate, brightness requirements and illumination requirements.The design of the optical system must be as close as possible to reality, as far as possible reflects the situation in practical applications. In the design of the reflector, we analyze the different of the geometry of the reflector how to impact the distribution of illumination of the lighting systems.And make the different improvements for the different reflector .This article describes how to use the optical and analysis software TracePro to design and simulate the LED lighting systems, TracePro software have a great advantage to model and analyze the optical systems.We focuse on how to use the TracePro to design, and analyze the entire LED lighting system.There are a variety kinds of the LED lighting systems possible, this article only introduces a few design, and as far as possible, using optical analysis software to simulate. When we use the TracePro to model the optical systems,wo should be noted that the TracePro only applies to simple modeling. As we want to model a complex optical systems, we need to use other CAD software, and then import TracePro to carry out.Key words: LED light source, reflector, Lighting Systems, TracePro目录1 绪论 (1)1.1 前言 (1)1.2 LED发光机理及结构 (2)1.2.1 发光机理 (2)1.2.2 LED的材料与结构 (2)1.2.3 LED的工作特性 (3)1.3 LED光源反光杯的结构 (3)1.4 本论文主要完成的工作 (5)2 照明技术理论基础及常用光学材料简介 (6)2.1 照明技术 (6)2.1.1 光度量 (6)2.1.2 光源和灯具 (6)2.1.3 照明一般术语 (6)2.2 照明光学系统的特点 (7)2.3 常用光学材料的简介 (8)2.3.1 光学玻璃 (8)2.3.2 光学晶体 (9)2.3.3 光学塑料 (9)3 光学分析软件的简介 (11)3.1 TracePro简介 (11)3.2 TracePro的使用 (11)3.2.1软件的打开和权限的选择 (11)3.2.2 用户界面 (12)3.2.3实体建模 (13)3.2.4应用属性 (14)3.2.5光学分析 (14)4 LED照明系统的光学设计及仿真 (16)4.1 LED的光学建模 (16)4.1.1LED光源建模的基本要素 (16)4.1.2LED的封装 (16)4.2 TracePro中的LED实体建模 (18)4.2.1建立实体模型 (18)4.2.1设置应用属性 (21)4.3 LED光源反光杯的实体建模 (23)4.3.1实际参考模型 (23)4.3.2实体建模 (23)4.3.3应用属性设置 (24)4.4 LED照明系统的仿真分析 (25)4.4.1光照度分布图 (25)4.4.2坎德拉曲线分布图 (26)4.5 LED照明系统的仿真分析与实际应用的对比 (28)4.5.1测量环境及步骤 (28)4.5.2 测量结果的比对 (29)5 LED照明系统的优化设计及仿真 (32)5.1 LED光源的优化 (32)5.1.1改变碗杯结构 (32)5.1.1改变胶体结构 (34)5.2 LED光源反光杯的优化 (36)结论 (40)参考文献 (41)致谢 (42)1 绪论1.1前言半导体照明作为一种新兴的产业正在蓬勃发展。
LED照明灯具与光学系统设计
光线追迹
通过计算光线在光学系统 中的传播路径，确定光束 的形状和光强分布。
光学系统的设计流程
需求分析
光学元件选择
明确光学系统的设计要求，包括光束形状 、光强分布、光线追迹等。
根据需求选择适当的光学元件，如透镜、 反射镜等。
初始结构确定
优化设计
根据需求和光学元件选择，初步确定光学 系统的结构。
通过调整光学元件的参数和位置，优化光 学系统的性能，满足设计要求。
环境影响
评估LED照明灯具和光学系统对环境的影响，如碳排放和资源消耗。
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05
LED照明灯具与光学系统的制造工艺
LED芯片的制造工艺
芯片外延生长
在单晶衬底上生长出LED芯片的基础结构。
刻蚀与切割
将外延片加工成独立的LED芯片。
表面处理
清洗、镀膜等，以提高芯片的光电性能。
质量检测
对芯片进行电学、光学性能检测，确保质量 合格。
LED封装工艺
固晶
将LED芯片固定在支架上。
06
LED照明灯具与光学系统的性能测试
与评价
LED照明灯具的性能测试与评价
发光效率
测量LED照明灯具发出的光通量 与输入功率之比，以评估其发光
效率。
色温与显色指数
评估LED照明灯具发出的光的颜 色和真实度，以及在不同色温下
的表现。
寿命与可靠性
通过加速老化测试，评估LED照 明灯具的寿命和可靠性。
透镜
用于控制光线的方向和形状，实现 所需的照明效果。
03
02
反光碗
用于反射和扩散光线，提高照明效 果。
灯罩
保护灯具免受外界损害，同时起到 装饰作用。
led光学设计常用原理
led光学设计常用原理LED光学设计常用原理LED（Light Emitting Diode）是一种常见的光电器件，具有高效节能、寿命长、体积小等优点，在照明、显示、通信等领域得到广泛应用。
LED光学设计是指通过光学原理对LED器件进行优化设计，以实现更高的光效和更好的光学性能。
本文将介绍LED光学设计常用的原理。
1. 发光原理LED的发光是通过电流通过半导体材料时，激发产生的载流子复合放出光子而实现的。
LED的发光原理与电子跃迁有关，当电子从高能级跃迁到低能级时，会释放出能量，这些能量以光子的形式辐射出来，形成可见光。
了解LED的发光原理有助于合理设计光学系统，提高光的产出效率。
2. 反射与折射反射和折射是光在材料界面传播时常见的现象。
在LED光学设计中，反射和折射可以通过合理选择材料和优化界面结构来实现。
通过选择具有高反射率的材料，可以提高光的输出效率；通过设计适当的界面结构，可以改变光的传播方向和光束形状。
3. 理想点光源与非理想点光源理想点光源是指在空间中具有相同亮度和颜色的点，其光线是无限细的。
然而，实际LED器件不能完全符合理想点光源的特性，会存在一定的光斑大小和亮度不均匀性。
在光学设计中，需要考虑到非理想点光源的特性，通过光学元件的设计和优化，来实现光斑均匀度和亮度的改善。
4. 光散射与光聚焦光散射是指光线在透明介质中的传播过程中，由于介质内部的微小不均匀性而改变传播方向。
光聚焦是指通过透镜等光学元件，将光线聚集到一个较小的区域内。
在LED光学设计中，通过合理选择散射体和透镜的设计，可以控制光的分布和聚焦效果，以满足不同应用的需求。
5. 光学元件的选择与设计LED光学设计中常用的光学元件包括透镜、反射杯、散射体等。
透镜可以通过折射、反射和散射等方式控制光线的传播和分布；反射杯可以通过反射和聚焦的作用，提高光的输出效率；散射体可以通过散射光线，改善光斑均匀度。
在光学元件的选择和设计中，需要考虑到材料的透光性、折射率、反射率等参数，并结合具体应用需求进行优化设计。
LED封装结构的光学模拟与设计
LED封装结构的光学模拟与设计
刘丽;吴莉
【期刊名称】《通讯世界：下半月》
【年(卷),期】2015(000)009
【摘要】半导体照明是21世纪最具发展前景的高技术范畴之一。
LED作为新型高效固体光源具有长寿命、节能、绿色环保等优点，其经济和社会意义前所未有。
本文首先介绍了LED的工作原理、结构组成及主要应用领域。
然后介绍了LED封装并列举了研究LED封装中的几项关键技术。
最后利用Tracepro对LED封装结构进行模拟和分析，建立了最佳的LED封装模型。
【总页数】2页(P216-217)
【作者】刘丽;吴莉
【作者单位】武昌首义学院,湖北武汉430064
【正文语种】中文
【中图分类】TM923
【相关文献】
1.探究LED路灯探讨二次光学设计——《LED路灯节能规划及二次光学设计》培训班开班在即
2.本期主题：“——二次光学设计对于LED户外照明环境的重要性”——LED照明中非成像光学设计浅析
3.LED封装结构的光学模拟与设计
4.LED封装结构的光学模拟与设计
5.新型荧光粉涂敷LED光源COB封装结构的设计
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LED照明光学系统设计解读
LED照明光学系统设计解读LED照明光学系统设计是指通过优化LED光源的光学器件和光学结构，实现高效、均匀的光照分布和良好的照明效果的过程。
LED照明光学系统设计对于提高LED照明的亮度、能效、色温的一致性以及可靠性等方面具有重要的意义。
下面将从光源封装、光学透镜和反射杯、光学设计及照明效果等方面详细解读。
首先，光源封装是LED照明光学系统设计的基础。
光源的封装设计直接影响LED照明的亮度和能效。
高质量的封装材料和良好的封装工艺可以提高光源的光输出效率，并增加热散发。
同时，合理的封装设计可以有效控制光源的辐射角度和光照分布，实现良好的光照均匀性。
其次，光学透镜和反射杯是LED照明光学系统设计中常用的光学器件。
光学透镜的设计可以实现光束的聚光、散射和光线的整形等功能，从而控制光照的角度、亮度和分布。
反射杯主要通过反射作用，将光束从LED光源中折射出来，实现光的集中和扩散。
优化透镜和反射杯的结构和材料选择，可以减小光损耗、提高光透过率和控制光照角度，从而达到更高的照明效果和节能目标。
光学设计是LED照明光学系统设计的核心内容之一、光学设计通过光学模拟软件和实验测试手段，对照明光源、光学器件和光学结构进行合理的布置和调整，以实现最佳的光学效果。
光学设计的参数包括光源的位置、光束的角度、透镜的形状和材料等。
通过合理调整这些参数，可以实现均匀的光照分布和较高的亮度，并避免光照的盲点和温差。
最后，照明效果是衡量LED照明光学系统设计优劣的重要指标。
优秀的LED照明光学系统设计应该能够实现不同场景下的光照需求，包括光照的均匀性、亮度、色温和色彩还原指数等。
高质量的照明效果可以提高用户的舒适感和工作效率，同时也可以减少眩光、防止光污染、降低能耗和延长LED照明产品的使用寿命。
综上所述，LED照明光学系统设计是一项复杂而重要的工作。
光源封装、光学器件的优化、光学设计的合理布置以及良好的照明效果等都是实现高效、均匀照明的关键要素。
光学设计
光学设计1．光源把握要选择LED，就必须考虑满足使用要求的光学设计，通常可利用光学模拟软件等手段来进行透镜、反射器等光学元器件的设计。
在涉及LED封装的情况下，首先要从封装设计入手，充分考虑芯片的位置、大小、反射器光学器件形状等因素的影响，否则将会产生与实际不符的结果，此点应引起足够的重视。
LED芯片可能会被误认为点光源，但实际上由于芯片存在一定的面积，应视作面光源来加以考虑，光学设计时，应注意光源面上各点将向空间各方向发光。
2．透镜设计设计透镜时，首先应根据使用要求选择透镜材料。
用于透镜的材料一般有玻璃、塑料，由于材料及其等级的不同，折射率、透过率也不同，因此务必通过材料厂家提供的参数表等进行确认。
此外，还需注意温度的变化也会导致参数的变动。
参数确定后，便可根据菲涅耳定律进行光学设计。
所谓的菲涅耳定律，就是当存在两种不同材质（如玻璃与空气等介质）的情况下，其界面上入射光角度（入射角）与出射光角度（出射角）相互关系的表达式（图3.1，表3.1）。
图3.1菲涅耳定律示意思表3.1 主要介质的折射率空气 1水1．33丙烯酸1．49水晶1．54聚碳酸酯1．59光学玻璃1．45~1．92蓝宝石1．76设入射光一侧介质的折射率为n1，入射角为θ1，出射光一侧介质的折射率为n2，出射角为Ø2，则下列公式成立：n1sinθ1=n2sinθ2由于LED产生的热，会导致周围材料与透镜的线膨胀系数的差异，从而发生损坏的情况的出现，故构造设计务必注意。
3．反射器设计当需要反射器时，还需要进行反射器设计。
与透镜的设计一样，首先应选择材料，且应在充分理解材质特性的基础上进行设计。
在无法发挥材料性能的情况下，可通过蒸镀或涂刷等表面处理方法来提高其反射率。
有时反射器也用作LED 的散热材料，这种情况下，如透镜设计中所提及的那样，必须注意与周围材料线膨胀系数的差异。
4．光斑对策白光LED一般是通过蓝光芯片与黄光荧光粉结合而获得白光，或用RGB芯片经光的三原色混光获得白光，因此灯具或模组的出射光就可能在被照面上形成色斑，特别在使用多个芯片的情况下，其自身所产生的明暗、光色差异问题必须有适宜的解决对策。
LED梯度折射率封装结构的蒙特卡罗模拟
摘 要: 针对封装胶中掺杂纳米颗粒以及采用梯度折射率的 LED 封装模式, 用蒙特卡罗方法模拟
光在胶体中的传播, 分析散射系数对透光率的影响. 结果表明, 透光率随散射系数增大而减小.
对于固定的封装层数, 各层均采取最佳折射率值时, 透光率可以达到最大. 梯度折射率值逐渐减
第 39 卷第 12 期 2010 年 12 月
光子学报 A CT A P H OT ONICA SINICA
V ol. 39 N o. 12 December 2010
文章编号: 1004- 4213( 2010) 12- 2200- 4
L ED 梯度折射率封装结构的蒙特卡罗模拟*
余仁勇, 金尚忠 , 梁培, 岑松原, 王乐
值分别为 x 1 , x 2 , x 3 . 对于 3 层封装结构, 假定散射 系数 s 均相同, 随机改变 3 层材料的折射率值, 通 过模拟可以得出最后的透光率 T tot , 模拟的数值结 果如表 1.
表 1 不同折射率组合的 3 层封装结构中的透光率 Table 1 The transmittance of encapsulants with three layers
* 国家高技术研究发展计划重点项目( 2006A A 03A130) 和浙
江省科技计划项目( 2009C33104) 资助
T el: 0571- 86914581
Email: jinsz@ cjlu. edu. cn
收稿日期: 2010- 04- 12
修回日期: 2010- 08- 13
1. 1 LED 梯度折射率封装结构 研制具有高折射率、高透明度、优良耐紫外老化
到按 p ( x ) 分布的随机变量 x , x 具有[ 14]
LED双面出光面光源的光学仿真设计与优化
LED双面出光面光源的光学仿真设计与优化LED光源作为新型节能光源的典型代表，拥有体积小，功率高，寿命长，色温可调、节能环保等诸多优点。
LED光源是点光源，需进行二次配光转换为线光源或面光源后使用。
双面出光面光源因其结构紧凑，且可以双面出光广泛用于工业领域、背光领域和照明领域。
传统双面出光面光源是由两块普通导光板拼凑而成。
新型双面出光背光源是基于纳米晶导光板，散射粒子（俗称纳米晶）均匀掺杂在导光板板材中，可将点光源或线光源高效地转换为均匀的双面发光面光源。
现有纳米晶导光板的光均匀性不理想，尤其是大尺寸的纳米晶导光板中间会出现暗区。
本研究以纳米晶导光板面光源为研究对象，以米氏散射理论和蒙特卡洛统计方法做为理论依据，以光学仿真软件作为工具，考察三种常用的不同折射率散射粒子SiO2、Al2O3和TiO2。
研究这三种散射粒子在不同粒径、不同浓度的情况下对纳米晶导光板的照度平均均匀性和光耦合效率的影响规律。
1 各散射粒子的光学仿真采用的光学仿真软件是Lighttools。
Lighttools光学仿真软件内嵌导光板模型，创建新材料，材料可以添加Mie粒子，并可修改导光板基材的折射率，以及Mie粒子的折射率、粒径和掺杂浓度，运行仿真后并可统计平均均匀性和光耦合效率。
光學仿真条件设定：假定纳米晶颗粒为单一粒径的纯净颗粒且散射粒子是均匀分布在导光板内。
导光板尺寸：1000mm×1000mm×6mm，导光板基材PMMA（折射率1.49），光源为两组LED光源相对入光（设置为光通量1000流明，LED发光度角120°），上表面和下表面的表面属性设置为光滑表面（Bare Surface）;非入光边缘设置为简单反射，反射率90%，吸收率10%。
导光板的外部设置2个无限大的接收面。
考察三种散射粒子SiO2、Al2O3和TiO2的光学仿真数据，确认不同掺杂粒子，不同粒径以及不同粒子浓度对纳米晶导光板的照度平均均匀性和光耦合率的影响规律。
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２ 模 拟 步 骤
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摘 要 ： 总结 用 Ｃ Ｄ 软件 对 Ｌ Ｄ 封装 结构 进行 模 拟 的一般 步骤 ， Ａ Ｅ 建立 实际 Ｌ Ｄ 封 装产 品 的模 Ｅ
型 并模 拟其 光 学特 性 。 通过 实例提供 了一 些设 计 经验 。 关键 词 ：Ｅ 封装 结 构 ； 学模拟 ＬＤ 光
１ 介 绍
计 算机 辅 助 设计 （ＡＤ正 大量 地 渗入 到工 程 和 Ｃ ）
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深圳市雷曼光 电科技有 限公司 ：Ｅ Ｌ Ｄ封装结构的光学模 拟与设计
文章编号 ：０ ６ ６ ６ （０ ８ ０ — ０ ７ ０ １０ — ２ ８２ ０ ）３ ０６ — ５
Ｌ Ｅ Ｄ封装 结构 的光 学模 拟 与设计
深圳 市雷 曼 光 电科 技有 限公 司
９ ％， ５ 晶片 发 光表面 为 Ｆｕ （ ｓ ｒｔｎ ｅ） １ ０ ｌ Ａｂ ｏ ｐａ ｃ 及 ４ 。 ｘ 的发 光角度 。
（） ３发光 角度模拟 结果 ： 在距 离灯 仔正面 ３ ０ ０ ｍｍ
远处设一测 试 面 ， 察 Ｃ ｎ ｅａ分布 图（ 图 ３）可 观 ａｄ ｌ 见 ， 以测算 得到其 ２ｅ ， 光 角度 约 为 １ ０ ， 雷曼 实 ２ 发 ２。 与
２２ 设 置 属 性 ．
需要 设置 属性 的有 ：碗 杯 （ 果是 平 台也 需设 如
置） 的表 面 属性 ， 常 表面 设置 为 ｍｉｏ 或根 据 实际 通 ｒｒ ｒ
收 稿 日期 ： ０ ８ ０ － ６ ２ ０ － １ １ Ｍ ，ｏ ， ２ 惦 总第 ８ 期 ５
图 １ 雷 曼 大 功 率 Ｌ Ｄ 结 构 Ｅ
现 代 显 示 Ａｄ ａ ｃｄＤｉ ｌｙ ６ ｖｎ ｅ ｓ ａ ７ ｐ
维普资讯
深圳市雷曼光 电科技有限公司 ：Ｅ Ｌ Ｄ封装结构的光 学模拟与设计
的距离 ）见 图 ２ ， 。
以尝试 做 光学模 拟 。图 ５ 图 ６是 台湾 某公 司生 产 的 、
的 ３ 图 、获取 并 设定 准 确 的属 性 是 取得 良好模 拟 Ｄ
效果 的保 证 。
３ １ 雷 曼 某 大 功 率 Ｌ Ｄ 的模 拟 ． Ｅ
雷曼某款大功率 Ｌ Ｄ结构如 图 １ Ｅ 所示 ， 其蓝光
灯 仔 的发 光角度 为 １ ０ 。 ２。
（） 其尺 寸 、 １根据 结构 ， 别绘 制 晶 片、 分 支架 碗杯 、
大功率 Ｌ Ｄ之结构及其矩形 Ｃ ｎ ｅ Ｅ ａｄ ｌ ａ图。
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图 ２ 雷 曼 大 功 率 Ｌ Ｄ 的 ３ 结 构 ’ Ｅ Ｄ
（） ２ 设定 属 性 ： 杯 表 面 均 设 定 为 ７ ％ 吸 收 的 碗 ０
Ｔｂ ａ ｌ 型表 面 属性 ， 体 部 分折 射 率 １５ 、 光 率 ｅ类 胶 ．４ 透
２３ 光 线 追 迹 及 结 果 分 析 ．
在 远 场 处设置 、选择 一 平面 去观 察 光学模 型 的 Ｆ ｒ ｉｌ ｐ ｔ ｒ ， 括发 光 强度 分布 （ ａ ｄ ｌ ） ａ ｅｄ ａｔ ｎ 包 ｆ ｅ Ｃ ｎ ｅａ图 及
出光效 率等 数值 。
３ Ｌ Ｄ 封 装产 品 的 光 学 模 拟 实 例 Ｅ
胶 体 （ 充碗 杯 ，一 般 情 况 下 为 平杯 ） 填 ，并 设 定 了
００ ｍｍ 的底 胶 高度 （ ．２ 即长 方体 底 面 与支 架碗 杯 底
化 的模 型 ， 可用 一个长 方体 替代量与 实际 的一致 。
产品设计中， 为降低成本、 提高效率发挥着重要的作
用。 兴 的半导体 照 明产业 ， 新 亦应 分 享科 技进 步 带来
的实惠。传 统 的光学 设计 方法中 ， 杂 的计 算及精 密 繁
的实验 、 试使做 出理 想 的产 品 变得相 当困难 ； 续 调 陆 涌现 的光学设计辅 助软件 ， 为工程设计人 员减轻 劳动 、 缩短设计周期和提高设计质量提供 了有效的支持 。 可 做 光 学 设计 的 Ｃ Ｄ 软 件 有 诸 如 Ｃ Ａ ＯＤＥＶ 、 ＯＳ Ｏ、 Ｅ ＸＴ Ａ Ｐ Ｏ及 Ａ ＡＰ ， Ｌ Ｚ ＭＡ ， Ｒ ＣＥ Ｒ Ｓ 等 本文就 Ｌ Ｄ Ｅ 封装中的光学设计 ，采用 Ｔ Ａ Ｐ Ｏ作为辅助设计软 Ｒ ＣＥ Ｒ 件， 对现有产品进行光学模拟 ， 并用于新产品的光学设计。 在 Ｌ Ｄ 封 装产 品 的光 学模 拟 中 ， 制精 密 尺 寸 Ｅ 绘
自行定 义 ： 片 的发 光 属性 ， 晶 包括 Ｆｕ 、 线追 迹 数 ｌｘ 光 量和 发 光 的角度 分布 等 ； 镜 （ 透 或填 充胶 ） 的材 料 属
性， 主要是 折射 率和 透 光率 。 这些属 性 能够贴 近现 若
实 中物料 的属性 ，则对 一 般 的 Ｌ Ｄ封 装 设计 而 言 ， Ｅ 这些 属性 已经 能够模 拟得 比较 准确 了。