LED 封装光源光学设计的研究现状

彭辉仁，王 忆，李远兴，申冬玲，范东华

(五邑大学应用物理与材料学院，广东 江门 529020)

引言

目前，进行光学设计后的LED封装光源，在照明领域的应用中具有无法比拟的优点，适合于各种照明场合。LED封装光源的光学设计分为一次光学设计和二次光学设计。一次光学设计是指对LED芯片封装过程进行光学设计，利用折射、反射、折射和反射混合等方式对LED封装光源进行光学设计及优化，提高LED芯片的出光效率[1]。二次光学设计是指对LED封装光源的具体应用进行光学设计，主要是在一次光学设计的基础上，对光学反光杯、光学扩散板及光学透镜的设计，提高了LED照明系统的质量[2]。

LED封装光源光学设计包括单颗芯片或多颗芯片组合一起封装的点光源的光学设计、多颗芯片组合封装的扩展光源的光学设计以及封装光源的自由曲面光学设计[2-3]。本文主要是介绍光学模拟软件及LED封装光源光学设计的研究现状，并讨论LED封装光源光学设计的发展趋势。

1 光学软件及光学设计的步骤

目前，国内外主要的光学模拟设计软件比较多，例如：TracePro、ASAP、LightTools、OSLO和ZEMAX等，他们各有各的特点，见表1。

表1 现有常用的光学设计软件的比较Table 1 Comparison of the optical design softwares

LED封装光源的光学设计步骤为：(1)明确照明设计的目标、条件要求、所用材料结构和光照效率等，然后进行理论计算并确定设计方案；(2)对设计方案进行模型设计并利用光学设计软件对整个照明系统进行仿真模拟，将模拟结果与设计的要求进行对照，并对设计方案进行反复修改优化；(3)确定设计方案。其设计的流程图如图1所示。

图1 LED封装光源的光学设计流程图Fig.1 Flow chart of optical design for LED packaged light source

2 点光源的光学设计

点光源就是相对于目标平面尺寸较小的封装光源，属于远场照明，光源的大小对整个照明系统的照明效果没有影响，可以看作一个点，即把光源理想化。研究者一般把光源的尺寸小于等于整个照明系统所用的光学器件尺寸的1/5时的照明光源称为点光源，把大于1/5的照明光源看作为扩展光源[4]。

为了解决圆对称光斑点光源照度的均匀性，王林梓等人(2005年)利用在点光源照明系统，研究光照均匀性与光线入射角的关系，发现控制照明面上的出射光线的高度能够提高照明系统的光照均匀性[5]。王恺等人(2011年)利用光源与目标平面的能量关系，实现圆对称光斑的点光源任何出光角度以及对其配光曲线容易控制的照明系统[6]。周壹义等人(2012年)利用步进法进行设计，使得封装的点光源光效高达96.011%，照度均匀度也达95%以上[7]。然而，点光源的应用领域比较窄，只能应用于特定的应用，例如：单颗灯珠照明的小电筒、远场射灯或者节日装饰灯等，只要进行简单的光学设计。目前照明应用领域的光源，大部分是扩展光源，我们必须创新和优化扩展光源的光学设计的方法。

图2 1W的LED封装点光源实物图Fig.2 Picture of 1 W LED packaged point light source

图2是1W的LED封装光源的实物图，在加工的过程中进行了光学设计，从外表可以看到已经加上了光学封装小透镜，使得出光效率有所提高且较均匀，没有出现暗斑，具有良好的照明效果，能广泛应用于各种灯具的照明光源。

3 扩展光源的光学设计

扩展光源就是指发光部分的面积比较大，光源尺寸相对较大，光线的出射方向较多。现有很多所用的LED封装光源大部分都是扩展光源，对扩展光源的光学设计有利于提高现有照明产品的照明质量，良好的光学设计有助于LED封装光源的应用。

图3大功率LED封装光源反射式舞台灯设计原理图，角度θ较小的反射光线照射在目标表面的上方，角度θ较大的反射光线照射在目标表面的下方。通过两个LED封装光源的光照度叠加，能够实现均匀照明。

图3 大功率LED封装光源反射式舞台灯设计原理图Fig.3 Schematic design of high-power LED packaged light source in reflective stage lamp

目前，很多光学设计研究者不断对扩展光源进行光学设计研究。F. R. Foumier等人(2008年)对于扩展光源提出一种光学反光杯的优化方法[8]。A. J. W. Whang等人(2009年)对于扩展光源通过逆向思维的设计方法，实现照明系统的光照均匀性[9]。王恺等人(2011年)对于扩展光源提出了反馈优化的自由曲面光学透镜的设计，实现了照明效果良好的矩形光斑[6]。周壹义等人(2012年)对于扩展光源利用边缘光线理论的算法，设计出照明均匀度达90%以上，并提出一种实现均匀照明的反射器的设计方法，设计出光照利用效率为87.747%，照明均匀度达85%的反射器[7]。孙惠等人(2013年)对于扩展光源，提出了一种大功率LED封装光源反射式舞台灯的设计方法，实现照明的均匀度达到80%[10]。然而，对扩展光源的光学设计还存在很多不足，例如：小角度的均匀照明、偏振光的影响和多个光学元器件的整体搭配问题等，对扩展光源的光学设计还有待提高和改善。

图4 (a) 多芯片封装的COB扩展光源，经过光学设计后，出光均匀，出光效率高且无眩光，人的视觉效果柔和、均匀。图4(b)经过光学设计后加工组装的灯具，应用于照明达到良好的照明效果。

图4 COB扩展光源与灯具Fig.4 COB Packaged light source and lamp

4 自由曲面的光学设计

自由曲面光学设计是照明光学设计的重要组成部分，主要应用于非成像光学领域，能够提高光照系统的光照效率和空间光照的均匀性以及对光照形状的容易控制，还具有自由度高等特点[11-12]。同时，自由曲面光学透镜常用的材料有玻璃、PMMA及PC等，其在整个照明系统中能够发挥很好的调光作用，不仅能够应用于点光源也能应用于扩展光源，它有助于提高整个照明系统的光学照明质量。

目前，对自由曲面光学设计的方法比较多，比如：H. Ries等人(2002年)提出了利用剪裁法进行自由曲面的设计，即是通过求解一组根据snell定律建立的非线性微分方程组。通过求解这一方程组的解，利用MATLAB软件进行编程，然后在CAD软件中导出光学自由曲面。利用剪裁法设计的自由曲面透镜在封装光源的照射中能够得到“OEC”等字样的照明效果，如图5所示[13]。后来，郝翔等人也基于剪裁法，设计出圆对称光斑且出光角度较小的自由曲面透镜，达到光照均匀性较高的效果[14]。Timinger等人(2003年)在路灯照明上利用自由曲面光学设计，实现了矩形光斑的照明系统[15]。P. Benítez等人(2004年)根据光照能量的分布关系(即是输入和输出的两束光波的能量对应关系)提出了SMS 法，英文叫Simultaneous Multiple Surfaces法，可以方便设计出多个光学自由曲面透镜[16]。蒋金波等人(2008年)利用边缘光线扩展度(Etendue)守恒的原理创建了一套采用自由曲面控制网格节点矢量的计算方法，利用此方法可以在很短时间内就能够优化出配光精确高以及光照效率好的自由曲面光学元件[17]。丁毅等人(2008年)根据Snell定律以及结合立体坐标系的思想和能量守恒定律，还有光源发光的特性和所需的照明条件，建立了一组微分方程，通过解这组微分方程，就可以得到自由曲面面型数据，从而得到不同的自由曲面，并提出非连续的自由曲面光学透镜设计的概念[18-20]。尽管很多研究者热衷于对自由曲面光学透镜的设计，但是依然存在很多问题，例如：自由曲面透镜的微加工问题和透镜的制造成本问题等因素都限制着自由曲面光学透镜在市场上的应用，这些因素都有待去研究解决，需要更多的努力。

图5 自由曲面透镜Fig.5 Free form lens

图6(a)为自由曲面设计的SMS法设计示意图，图6(b)为经过自由曲面光学设计后生产的LED封装光源，点亮后能够照射出均匀的矩形光斑，此产品能够应用于照明要求为矩形光斑的领域，具有光照亮度均匀，光照效率高等优点，拥有良好的照明质量。

图6 LED封装光源Fig.6 LED packaged light source

图7 (a)为设计得到的自由曲面透镜模型图，利用朗伯型LED封装光源进行计算机模拟，光学模拟的整体效果图如图7(b)所示，从图7(c)和图7(d)的光照分布图可知其均匀性达到90%，由于自由曲面是多个曲面并接形成的，导致在对角方向上的光照度有所下降。从整体的光照效果图可以看出自由曲面光学透镜不仅能够提高光照的均匀性，还能容易控制光照的形状。

图7 自由曲面透镜模型与效果Fig.7 Model and effect of free form lens

5 存在问题及展望

LED封装光源在照明领域的应用越来越广泛，为了得到高质量的照明效果，必须对LED封装光源进行光学设计。高质量的光学设计体现在光照利用效率高、照明颜色均匀度高以及光照光斑容易控制等特点。目前，对LED封装光源的光学设计方法还存在如下一些问题：

(1)对LED封装光源的自由曲面光学透镜的设计和优化方法以及自由曲面透镜的加工技术还有待改进，同时由于荧光粉在LED封装时对光学设计的影响也不能忽略，还要对光学设计的算法进行优化，使得设计的光照效果更好。

(2)对实现任意配光曲线的LED封装光源光学设计的计算过程比较复杂，应用的成本较高，还有待改善提高。

(3)现有在照明应用的光源都是扩展光源或COB平面光源，对其进行光学设计要考虑的因素比较多，造成光学设计上的困难，同时也要考虑到散热问题等因素。

未来对LED封装光源的光学设计将会更多地考虑其照明效果对人的舒适度、LED封装光源的光学散热和体积大小问题、LED封装光源的照明设计寿命、添加荧光粉对整个照明系统的色温及光效的影响以及任意配光曲线的封装光源的光学设计的算法等问题。未来LED封装光源的光学设计将会向设计简单且自由度高，光照利用效率更高、照明颜色均匀度高以及光照光斑容易控制等方向发展。

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