LED 封裝光源光學(xué)設(shè)計的研究現(xiàn)狀

彭輝仁，王 憶，李遠(yuǎn)興，申冬玲，范東華

(五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院，廣東 江門 529020)

引言

目前，進(jìn)行光學(xué)設(shè)計后的LED封裝光源，在照明領(lǐng)域的應(yīng)用中具有無法比擬的優(yōu)點，適合于各種照明場合。LED封裝光源的光學(xué)設(shè)計分為一次光學(xué)設(shè)計和二次光學(xué)設(shè)計。一次光學(xué)設(shè)計是指對LED芯片封裝過程進(jìn)行光學(xué)設(shè)計，利用折射、反射、折射和反射混合等方式對LED封裝光源進(jìn)行光學(xué)設(shè)計及優(yōu)化，提高LED芯片的出光效率[1]。二次光學(xué)設(shè)計是指對LED封裝光源的具體應(yīng)用進(jìn)行光學(xué)設(shè)計，主要是在一次光學(xué)設(shè)計的基礎(chǔ)上，對光學(xué)反光杯、光學(xué)擴(kuò)散板及光學(xué)透鏡的設(shè)計，提高了LED照明系統(tǒng)的質(zhì)量[2]。

LED封裝光源光學(xué)設(shè)計包括單顆芯片或多顆芯片組合一起封裝的點光源的光學(xué)設(shè)計、多顆芯片組合封裝的擴(kuò)展光源的光學(xué)設(shè)計以及封裝光源的自由曲面光學(xué)設(shè)計[2-3]。本文主要是介紹光學(xué)模擬軟件及LED封裝光源光學(xué)設(shè)計的研究現(xiàn)狀，并討論LED封裝光源光學(xué)設(shè)計的發(fā)展趨勢。

1 光學(xué)軟件及光學(xué)設(shè)計的步驟

目前，國內(nèi)外主要的光學(xué)模擬設(shè)計軟件比較多，例如：TracePro、ASAP、LightTools、OSLO和ZEMAX等，他們各有各的特點，見表1。

表1 現(xiàn)有常用的光學(xué)設(shè)計軟件的比較Table 1 Comparison of the optical design softwares

LED封裝光源的光學(xué)設(shè)計步驟為：(1)明確照明設(shè)計的目標(biāo)、條件要求、所用材料結(jié)構(gòu)和光照效率等，然后進(jìn)行理論計算并確定設(shè)計方案；(2)對設(shè)計方案進(jìn)行模型設(shè)計并利用光學(xué)設(shè)計軟件對整個照明系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，將模擬結(jié)果與設(shè)計的要求進(jìn)行對照，并對設(shè)計方案進(jìn)行反復(fù)修改優(yōu)化；(3)確定設(shè)計方案。其設(shè)計的流程圖如圖1所示。

圖1 LED封裝光源的光學(xué)設(shè)計流程圖Fig.1 Flow chart of optical design for LED packaged light source

2 點光源的光學(xué)設(shè)計

點光源就是相對于目標(biāo)平面尺寸較小的封裝光源，屬于遠(yuǎn)場照明，光源的大小對整個照明系統(tǒng)的照明效果沒有影響，可以看作一個點，即把光源理想化。研究者一般把光源的尺寸小于等于整個照明系統(tǒng)所用的光學(xué)器件尺寸的1/5時的照明光源稱為點光源，把大于1/5的照明光源看作為擴(kuò)展光源[4]。

為了解決圓對稱光斑點光源照度的均勻性，王林梓等人(2005年)利用在點光源照明系統(tǒng)，研究光照均勻性與光線入射角的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)控制照明面上的出射光線的高度能夠提高照明系統(tǒng)的光照均勻性[5]。王愷等人(2011年)利用光源與目標(biāo)平面的能量關(guān)系，實現(xiàn)圓對稱光斑的點光源任何出光角度以及對其配光曲線容易控制的照明系統(tǒng)[6]。周壹義等人(2012年)利用步進(jìn)法進(jìn)行設(shè)計，使得封裝的點光源光效高達(dá)96.011%，照度均勻度也達(dá)95%以上[7]。然而，點光源的應(yīng)用領(lǐng)域比較窄，只能應(yīng)用于特定的應(yīng)用，例如：單顆燈珠照明的小電筒、遠(yuǎn)場射燈或者節(jié)日裝飾燈等，只要進(jìn)行簡單的光學(xué)設(shè)計。目前照明應(yīng)用領(lǐng)域的光源，大部分是擴(kuò)展光源，我們必須創(chuàng)新和優(yōu)化擴(kuò)展光源的光學(xué)設(shè)計的方法。

圖2 1W的LED封裝點光源實物圖Fig.2 Picture of 1 W LED packaged point light source

圖2是1W的LED封裝光源的實物圖，在加工的過程中進(jìn)行了光學(xué)設(shè)計，從外表可以看到已經(jīng)加上了光學(xué)封裝小透鏡，使得出光效率有所提高且較均勻，沒有出現(xiàn)暗斑，具有良好的照明效果，能廣泛應(yīng)用于各種燈具的照明光源。

3 擴(kuò)展光源的光學(xué)設(shè)計

擴(kuò)展光源就是指發(fā)光部分的面積比較大，光源尺寸相對較大，光線的出射方向較多。現(xiàn)有很多所用的LED封裝光源大部分都是擴(kuò)展光源，對擴(kuò)展光源的光學(xué)設(shè)計有利于提高現(xiàn)有照明產(chǎn)品的照明質(zhì)量，良好的光學(xué)設(shè)計有助于LED封裝光源的應(yīng)用。

圖3大功率LED封裝光源反射式舞臺燈設(shè)計原理圖，角度θ較小的反射光線照射在目標(biāo)表面的上方，角度θ較大的反射光線照射在目標(biāo)表面的下方。通過兩個LED封裝光源的光照度疊加，能夠?qū)崿F(xiàn)均勻照明。

圖3 大功率LED封裝光源反射式舞臺燈設(shè)計原理圖Fig.3 Schematic design of high-power LED packaged light source in reflective stage lamp

目前，很多光學(xué)設(shè)計研究者不斷對擴(kuò)展光源進(jìn)行光學(xué)設(shè)計研究。F. R. Foumier等人(2008年)對于擴(kuò)展光源提出一種光學(xué)反光杯的優(yōu)化方法[8]。A. J. W. Whang等人(2009年)對于擴(kuò)展光源通過逆向思維的設(shè)計方法，實現(xiàn)照明系統(tǒng)的光照均勻性[9]。王愷等人(2011年)對于擴(kuò)展光源提出了反饋優(yōu)化的自由曲面光學(xué)透鏡的設(shè)計，實現(xiàn)了照明效果良好的矩形光斑[6]。周壹義等人(2012年)對于擴(kuò)展光源利用邊緣光線理論的算法，設(shè)計出照明均勻度達(dá)90%以上，并提出一種實現(xiàn)均勻照明的反射器的設(shè)計方法，設(shè)計出光照利用效率為87.747%，照明均勻度達(dá)85%的反射器[7]。孫惠等人(2013年)對于擴(kuò)展光源，提出了一種大功率LED封裝光源反射式舞臺燈的設(shè)計方法，實現(xiàn)照明的均勻度達(dá)到80%[10]。然而，對擴(kuò)展光源的光學(xué)設(shè)計還存在很多不足，例如：小角度的均勻照明、偏振光的影響和多個光學(xué)元器件的整體搭配問題等，對擴(kuò)展光源的光學(xué)設(shè)計還有待提高和改善。

圖4 (a) 多芯片封裝的COB擴(kuò)展光源，經(jīng)過光學(xué)設(shè)計后，出光均勻，出光效率高且無眩光，人的視覺效果柔和、均勻。圖4(b)經(jīng)過光學(xué)設(shè)計后加工組裝的燈具，應(yīng)用于照明達(dá)到良好的照明效果。

圖4 COB擴(kuò)展光源與燈具Fig.4 COB Packaged light source and lamp

4 自由曲面的光學(xué)設(shè)計

自由曲面光學(xué)設(shè)計是照明光學(xué)設(shè)計的重要組成部分，主要應(yīng)用于非成像光學(xué)領(lǐng)域，能夠提高光照系統(tǒng)的光照效率和空間光照的均勻性以及對光照形狀的容易控制，還具有自由度高等特點[11-12]。同時，自由曲面光學(xué)透鏡常用的材料有玻璃、PMMA及PC等，其在整個照明系統(tǒng)中能夠發(fā)揮很好的調(diào)光作用，不僅能夠應(yīng)用于點光源也能應(yīng)用于擴(kuò)展光源，它有助于提高整個照明系統(tǒng)的光學(xué)照明質(zhì)量。

目前，對自由曲面光學(xué)設(shè)計的方法比較多，比如：H. Ries等人(2002年)提出了利用剪裁法進(jìn)行自由曲面的設(shè)計，即是通過求解一組根據(jù)snell定律建立的非線性微分方程組。通過求解這一方程組的解，利用MATLAB軟件進(jìn)行編程，然后在CAD軟件中導(dǎo)出光學(xué)自由曲面。利用剪裁法設(shè)計的自由曲面透鏡在封裝光源的照射中能夠得到“OEC”等字樣的照明效果，如圖5所示[13]。后來，郝翔等人也基于剪裁法，設(shè)計出圓對稱光斑且出光角度較小的自由曲面透鏡，達(dá)到光照均勻性較高的效果[14]。Timinger等人(2003年)在路燈照明上利用自由曲面光學(xué)設(shè)計，實現(xiàn)了矩形光斑的照明系統(tǒng)[15]。P. Benítez等人(2004年)根據(jù)光照能量的分布關(guān)系(即是輸入和輸出的兩束光波的能量對應(yīng)關(guān)系)提出了SMS 法，英文叫Simultaneous Multiple Surfaces法，可以方便設(shè)計出多個光學(xué)自由曲面透鏡[16]。蔣金波等人(2008年)利用邊緣光線擴(kuò)展度(Etendue)守恒的原理創(chuàng)建了一套采用自由曲面控制網(wǎng)格節(jié)點矢量的計算方法，利用此方法可以在很短時間內(nèi)就能夠優(yōu)化出配光精確高以及光照效率好的自由曲面光學(xué)元件[17]。丁毅等人(2008年)根據(jù)Snell定律以及結(jié)合立體坐標(biāo)系的思想和能量守恒定律，還有光源發(fā)光的特性和所需的照明條件，建立了一組微分方程，通過解這組微分方程，就可以得到自由曲面面型數(shù)據(jù)，從而得到不同的自由曲面，并提出非連續(xù)的自由曲面光學(xué)透鏡設(shè)計的概念[18-20]。盡管很多研究者熱衷于對自由曲面光學(xué)透鏡的設(shè)計，但是依然存在很多問題，例如：自由曲面透鏡的微加工問題和透鏡的制造成本問題等因素都限制著自由曲面光學(xué)透鏡在市場上的應(yīng)用，這些因素都有待去研究解決，需要更多的努力。

圖5 自由曲面透鏡Fig.5 Free form lens

圖6(a)為自由曲面設(shè)計的SMS法設(shè)計示意圖，圖6(b)為經(jīng)過自由曲面光學(xué)設(shè)計后生產(chǎn)的LED封裝光源，點亮后能夠照射出均勻的矩形光斑，此產(chǎn)品能夠應(yīng)用于照明要求為矩形光斑的領(lǐng)域，具有光照亮度均勻，光照效率高等優(yōu)點，擁有良好的照明質(zhì)量。

圖6 LED封裝光源Fig.6 LED packaged light source

圖7 (a)為設(shè)計得到的自由曲面透鏡模型圖，利用朗伯型LED封裝光源進(jìn)行計算機(jī)模擬，光學(xué)模擬的整體效果圖如圖7(b)所示，從圖7(c)和圖7(d)的光照分布圖可知其均勻性達(dá)到90%，由于自由曲面是多個曲面并接形成的，導(dǎo)致在對角方向上的光照度有所下降。從整體的光照效果圖可以看出自由曲面光學(xué)透鏡不僅能夠提高光照的均勻性，還能容易控制光照的形狀。

圖7 自由曲面透鏡模型與效果Fig.7 Model and effect of free form lens

5 存在問題及展望

LED封裝光源在照明領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，為了得到高質(zhì)量的照明效果，必須對LED封裝光源進(jìn)行光學(xué)設(shè)計。高質(zhì)量的光學(xué)設(shè)計體現(xiàn)在光照利用效率高、照明顏色均勻度高以及光照光斑容易控制等特點。目前，對LED封裝光源的光學(xué)設(shè)計方法還存在如下一些問題：

(1)對LED封裝光源的自由曲面光學(xué)透鏡的設(shè)計和優(yōu)化方法以及自由曲面透鏡的加工技術(shù)還有待改進(jìn)，同時由于熒光粉在LED封裝時對光學(xué)設(shè)計的影響也不能忽略，還要對光學(xué)設(shè)計的算法進(jìn)行優(yōu)化，使得設(shè)計的光照效果更好。

(2)對實現(xiàn)任意配光曲線的LED封裝光源光學(xué)設(shè)計的計算過程比較復(fù)雜，應(yīng)用的成本較高，還有待改善提高。

(3)現(xiàn)有在照明應(yīng)用的光源都是擴(kuò)展光源或COB平面光源，對其進(jìn)行光學(xué)設(shè)計要考慮的因素比較多，造成光學(xué)設(shè)計上的困難，同時也要考慮到散熱問題等因素。

未來對LED封裝光源的光學(xué)設(shè)計將會更多地考慮其照明效果對人的舒適度、LED封裝光源的光學(xué)散熱和體積大小問題、LED封裝光源的照明設(shè)計壽命、添加熒光粉對整個照明系統(tǒng)的色溫及光效的影響以及任意配光曲線的封裝光源的光學(xué)設(shè)計的算法等問題。未來LED封裝光源的光學(xué)設(shè)計將會向設(shè)計簡單且自由度高，光照利用效率更高、照明顏色均勻度高以及光照光斑容易控制等方向發(fā)展。

[1] 閆瑞,肖志松,鄧思盛,等. LED光學(xué)設(shè)計的現(xiàn)狀與展望[J]. 照明工程學(xué)報，2011, 22(2):38-42.

[2] 陳鐘文, 袁波, 陳小平, 等. LED集成封裝的研究現(xiàn)狀[J]. 照明工程學(xué)報，2013, 24(3):77-80.

[3] 王寶, 余榮斌, 李豐果. 多顆LED模組系統(tǒng)的排列方式及參數(shù)對光照均勻性的影響[J]. 照明工程學(xué)報，2013,24(5): 78-83.

[4] Moreno I， Sun C C. LED array: where does far-field begin? [J]. Proc. SPIE, 2008, 7058:70580R.

[5] 王林梓,朱秋東.透射式照明系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計新方法[J]. 光學(xué)技術(shù)，2005,31(6): 875-877.

[6] 王愷.大功率LED封裝與應(yīng)用的自由曲面光學(xué)研究[D]. 武漢: 華中科技大學(xué)，2011.

[7] 周壹義.大功率LED照明系統(tǒng)的二次光學(xué)設(shè)計研究[D]. 廣州: 華南理工大學(xué)，2012.

[8] Fournier F R, Cassarly W J， Rolland J P. Optimization of single reflectors for extended sources [J]. Proc. of SPIE, 2008, 7103: 710301.

[9] Whang A J W, Chen Y Y， Teng Y T. Designing uniform illumination systems by surface-tailored lens and configurations of LED arrays [J]. Journal of Display Technology,2009, 5(3): 94-103.

[10] 孫惠,李湘寧,劉曉東.反射式大功率LED舞臺燈設(shè)計[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2013,50(6): 042201.

[11] Oliker V. Freeform optical systems with prescribed irradiance properties in near-field [J].Proc. of SPIE, 2006, 634211.

[12] 黃錦勝,鄧華秋. 通過LED路燈自由曲面設(shè)計實現(xiàn)均勻照度的環(huán)形光斑[J]. 照明工程學(xué)報，2013,24(4):76-79.

[13] Ries H， Muschaweck J. Tailored freeform optical surfaces[J]. Journal of the Optical Society of America A, 2002, 19(3): 590-595.

[14] 郝翔. 基于自由曲面的LED照明系統(tǒng)研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2008.

[15] Timinger A， Muscaweek J, Ries H. Designing tailored free-form surfaces for general illumination [J]. Proc. SPIE, 2003, 5186: 128-132.

[16] Benítez P， Miano J C, Blen J, et al. Simultaneous multiple surface optical design method in three dimensions [J]. Optical Engineering, 2004, 43(7): 1489-1502.

[17] 蔣金波, 杜雪, 李榮彬. LED路燈透鏡的二次光學(xué)設(shè)計介紹[J]. 照明工程學(xué)報, 2008，19(4):59-65.

[18] 丁毅, 鄭臻榮, 顧培夫. 實現(xiàn)LED照明的自由曲面透鏡設(shè)計[J].光子學(xué)報,2009,38(6),1486-1490.

[19] 丁毅, 顧培夫, 陸巍, 等.利用微分方程數(shù)值解構(gòu)造自由曲面反光器[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2007,41(9),1516-1518.

[20] Ding Y, Liu X, Zheng Z R, et al. Freeform LED lens for uniform illumination [J]. Optics Express, 2008, 16(17): 12958-12966.