LED雙面出光面光源的光學(xué)仿真設(shè)計(jì)與優(yōu)化

肖信武

摘 要：新型的LED雙面出光面光源采用納米晶導(dǎo)光板，納米晶導(dǎo)光板是在普通導(dǎo)光板的基礎(chǔ)上均勻摻雜納米晶顆粒而成的。借助光學(xué)仿真軟件研究納米晶粒子對納米晶導(dǎo)光板的照度平均均勻性和光耦合效率的影響規(guī)律。解決納米晶導(dǎo)光板面光源出光不均勻和光耦合效率低的問題，具有重要的理論指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：LED;雙面出光面光源;納米晶導(dǎo)光板;光學(xué)仿真

0 引言

LED光源作為新型節(jié)能光源的典型代表，擁有體積小，功率高，壽命長，色溫可調(diào)、節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)。LED光源是點(diǎn)光源，需進(jìn)行二次配光轉(zhuǎn)換為線光源或面光源后使用。雙面出光面光源因其結(jié)構(gòu)緊湊，且可以雙面出光廣泛用于工業(yè)領(lǐng)域、背光領(lǐng)域和照明領(lǐng)域[1]。

傳統(tǒng)雙面出光面光源是由兩塊普通導(dǎo)光板拼湊而成。新型雙面出光背光源是基于納米晶導(dǎo)光板，散射粒子（俗稱納米晶）均勻摻雜在導(dǎo)光板板材中，可將點(diǎn)光源或線光源高效地轉(zhuǎn)換為均勻的雙面發(fā)光面光源。現(xiàn)有納米晶導(dǎo)光板的光均勻性不理想，尤其是大尺寸的納米晶導(dǎo)光板中間會出現(xiàn)暗區(qū)[2]。本研究以納米晶導(dǎo)光板面光源為研究對象，以米氏散射理論和蒙特卡洛統(tǒng)計(jì)方法做為理論依據(jù)，以光學(xué)仿真軟件作為工具，考察三種常用的不同折射率散射粒子SiO2、Al2O3和TiO2。研究這三種散射粒子在不同粒徑、不同濃度的情況下對納米晶導(dǎo)光板的照度平均均勻性和光耦合效率的影響規(guī)律。

1 各散射粒子的光學(xué)仿真

采用的光學(xué)仿真軟件是Lighttools。Lighttools光學(xué)仿真軟件內(nèi)嵌導(dǎo)光板模型，創(chuàng)建新材料，材料可以添加Mie粒子，并可修改導(dǎo)光板基材的折射率，以及Mie粒子的折射率、粒徑和摻雜濃度，運(yùn)行仿真后并可統(tǒng)計(jì)平均均勻性和光耦合效率。光學(xué)仿真條件設(shè)定：假定納米晶顆粒為單一粒徑的純凈顆粒且散射粒子是均勻分布在導(dǎo)光板內(nèi)。導(dǎo)光板尺寸：1000mm×1000mm×6mm，導(dǎo)光板基材PMMA（折射率1.49），光源為兩組LED光源相對入光（設(shè)置為光通量1000流明，LED發(fā)光度角120°），上表面和下表面的表面屬性設(shè)置為光滑表面（Bare Surface）;非入光邊緣設(shè)置為簡單反射，反射率90%，吸收率10%。導(dǎo)光板的外部設(shè)置2個無限大的接收面。考察三種散射粒子SiO2、Al2O3和TiO2的光學(xué)仿真數(shù)據(jù)，確認(rèn)不同摻雜粒子，不同粒徑以及不同粒子濃度對納米晶導(dǎo)光板的照度平均均勻性和光耦合率的影響規(guī)律。

1.1 不同濃度的SiO2、Al2O3和TiO2粒子對導(dǎo)光板的光學(xué)性能影響

1.1.1不同粒子不同濃度對光耦合效率的影響

SiO2折射率1.45，Al2O3折射率1.76，TiO2折射率2.76，假定粒徑為2μm。僅調(diào)整顆粒密度進(jìn)行光學(xué)仿真。如圖1所示：SiO2、Al2O3和TiO2粒子的光耦合效率是隨著粒子濃度的升高而不斷提高，不同粒子在各自不同的濃度達(dá)到最佳光耦合效率。SiO2的最佳光耦合效率約71.13%，Al2O3的最佳光耦合效率約63.17%。TiO2的最佳光耦合效率約59.2%。

1.1.2 不同粒子不同濃度對照度平均均勻性的影響

如圖2所示：光散射能力排序：TiO2> Al2O3> SiO2。三種離子的光照度平均均勻性曲線均為類二次曲線。SiO2粒子在濃度為10000 /mm3時(shí)，達(dá)到最佳照度平均均勻性70.09%;Al2O3粒子在濃度為500 /mm3時(shí)，達(dá)到最佳照度平均均勻性70.81%;TiO2粒子在濃度為250 mm3時(shí)，達(dá)到最佳照度平均均勻性69.57%。TiO2粒子在最佳光照度平均均勻性時(shí)的光耦合效率為44.19%，Al2O3粒子在最佳光照度平均均勻性時(shí)的光耦合效率為44.12%，SiO2粒子在最佳光照度平均均勻性時(shí)的光耦合效率為52.39%。在最佳光照度平均均勻性的粒子濃度時(shí)，SiO2粒子的光耦合效率比其他兩種粒子高約8%。SiO2顆粒是納米晶導(dǎo)光板的優(yōu)選摻雜粒子。

1.1.3 不同粒徑分布的SiO2粒子對導(dǎo)光板的光學(xué)仿真性能影響

如圖2所示：光耦合效率是隨著粒徑的增加而不斷提高，光照度平均均勻性和粒徑為類二次曲線;優(yōu)選的SiO2粒徑范圍2000nm-3000nm。

2 結(jié)論

納米晶導(dǎo)光板優(yōu)選的摻雜粒子是SiO2，推薦SiO2濃度范圍8000/mm3-12000/mm3，推薦SiO2粒徑范圍2000nm-3000nm。現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的最佳光照度平均均勻性約70%，對應(yīng)的光耦合效率為52.39%。根據(jù)仿真結(jié)果可得僅通過調(diào)整摻雜粒子的種類、粒徑和粒子濃度無法進(jìn)一步提高光照度均勻性和光耦合效率。該優(yōu)化方案對于指導(dǎo)雙面導(dǎo)光板的設(shè)計(jì)與制作具有一定的指導(dǎo)意義與理論價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]呂海軍.我國LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展展望[J].照明工程學(xué)報(bào)，2013，24（03）：6-10.

[2]李繼紅.用于雙面發(fā)光的導(dǎo)光板，CN103353090A[P].2013.