LED 封裝光源光學設計的研究現狀

彭輝仁，王 憶，李遠興，申冬玲，范東華

(五邑大學應用物理與材料學院，廣東 江門 529020)

引言

目前，進行光學設計后的LED封裝光源，在照明領域的應用中具有無法比擬的優點，適合于各種照明場合。LED封裝光源的光學設計分為一次光學設計和二次光學設計。一次光學設計是指對LED芯片封裝過程進行光學設計，利用折射、反射、折射和反射混合等方式對LED封裝光源進行光學設計及優化，提高LED芯片的出光效率[1]。二次光學設計是指對LED封裝光源的具體應用進行光學設計，主要是在一次光學設計的基礎上，對光學反光杯、光學擴散板及光學透鏡的設計，提高了LED照明系統的質量[2]。

LED封裝光源光學設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設計、多顆芯片組合封裝的擴展光源的光學設計以及封裝光源的自由曲面光學設計[2-3]。本文主要是介紹光學模擬軟件及LED封裝光源光學設計的研究現狀，并討論LED封裝光源光學設計的發展趨勢。

1 光學軟件及光學設計的步驟

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

表1 現有常用的光學設計軟件的比較Table 1 Comparison of the optical design softwares

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

圖1 LED封裝光源的光學設計流程圖Fig.1 Flow chart of optical design for LED packaged light source

2 點光源的光學設計

點光源就是相對于目標平面尺寸較小的封裝光源，屬于遠場照明，光源的大小對整個照明系統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所用的光學器件尺寸的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，研究光照均勻性與光線入射角的關系，發現控制照明面上的出射光線的高度能夠提高照明系統的光照均勻性[5]。王愷等人(2011年)利用光源與目標平面的能量關系，實現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[6]。周壹義等人(2012年)利用步進法進行設計，使得封裝的點光源光效高達96.011%，照度均勻度也達95%以上[7]。然而，點光源的應用領域比較窄，只能應用于特定的應用，例如：單顆燈珠照明的小電筒、遠場射燈或者節日裝飾燈等，只要進行簡單的光學設計。目前照明應用領域的光源，大部分是擴展光源，我們必須創新和優化擴展光源的光學設計的方法。

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，在加工的過程中進行了光學設計，從外表可以看到已經加上了光學封裝小透鏡，使得出光效率有所提高且較均勻，沒有出現暗斑，具有良好的照明效果，能廣泛應用于各種燈具的照明光源。

3 擴展光源的光學設計

擴展光源就是指發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。現有很多所用的LED封裝光源大部分都是擴展光源，對擴展光源的光學設計有利于提高現有照明產品的照明質量，良好的光學設計有助于LED封裝光源的應用。

圖3大功率LED封裝光源反射式舞臺燈設計原理圖，角度θ較小的反射光線照射在目標表面的上方，角度θ較大的反射光線照射在目標表面的下方。通過兩個LED封裝光源的光照度疊加，能夠實現均勻照明。

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

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

圖4 (a) 多芯片封裝的COB擴展光源，經過光學設計后，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)經過光學設計后加工組裝的燈具，應用于照明達到良好的照明效果。

圖4 COB擴展光源與燈具Fig.4 COB Packaged light source and lamp

4 自由曲面的光學設計

自由曲面光學設計是照明光學設計的重要組成部分，主要應用于非成像光學領域，能夠提高光照系統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，自由曲面光學透鏡常用的材料有玻璃、PMMA及PC等，其在整個照明系統中能夠發揮很好的調光作用，不僅能夠應用于點光源也能應用于擴展光源，它有助于提高整個照明系統的光學照明質量。

目前，對自由曲面光學設計的方法比較多，比如：H. Ries等人(2002年)提出了利用剪裁法進行自由曲面的設計，即是通過求解一組根據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軟件進行編程，然后在CAD軟件中導出光學自由曲面。利用剪裁法設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，設計出圓對稱光斑且出光角度較小的自由曲面透鏡，達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設計，實現了矩形光斑的照明系統[15]。P. Benítez等人(2004年)根據光照能量的分布關系(即是輸入和輸出的兩束光波的能量對應關系)提出了SMS 法，英文叫Simultaneous Multiple Surfaces法，可以方便設計出多個光學自由曲面透鏡[16]。蔣金波等人(2008年)利用邊緣光線擴展度(Etendue)守恒的原理創建了一套采用自由曲面控制網格節點矢量的計算方法，利用此方法可以在很短時間內就能夠優化出配光精確高以及光照效率好的自由曲面光學元件[17]。丁毅等人(2008年)根據Snell定律以及結合立體坐標系的思想和能量守恒定律，還有光源發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據，從而得到不同的自由曲面，并提出非連續的自由曲面光學透鏡設計的概念[18-20]。盡管很多研究者熱衷于對自由曲面光學透鏡的設計，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透鏡在市場上的應用，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)為自由曲面設計的SMS法設計示意圖，圖6(b)為經過自由曲面光學設計后生產的LED封裝光源，點亮后能夠照射出均勻的矩形光斑，此產品能夠應用于照明要求為矩形光斑的領域，具有光照亮度均勻，光照效率高等優點，擁有良好的照明質量。

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

圖7 (a)為設計得到的自由曲面透鏡模型圖，利用朗伯型LED封裝光源進行計算機模擬，光學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到90%，由于自由曲面是多個曲面并接形成的，導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封裝光源在照明領域的應用越來越廣泛，為了得到高質量的照明效果，必須對LED封裝光源進行光學設計。高質量的光學設計體現在光照利用效率高、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封裝光源的光學設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透鏡的設計和優化方法以及自由曲面透鏡的加工技術還有待改進，同時由于熒光粉在LED封裝時對光學設計的影響也不能忽略，還要對光學設計的算法進行優化，使得設計的光照效果更好。

(2)對實現任意配光曲線的LED封裝光源光學設計的計算過程比較復雜，應用的成本較高，還有待改善提高。

(3)現有在照明應用的光源都是擴展光源或COB平面光源，對其進行光學設計要考慮的因素比較多，造成光學設計上的困難，同時也要考慮到散熱問題等因素。

未來對LED封裝光源的光學設計將會更多地考慮其照明效果對人的舒適度、LED封裝光源的光學散熱和體積大小問題、LED封裝光源的照明設計壽命、添加熒光粉對整個照明系統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設計的算法等問題。未來LED封裝光源的光學設計將會向設計簡單且自由度高，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展。

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