短波長LED近距離勻光照明系統的設計

李 燕，楊宇銘，鄭懷文，于 飛，裴艷榮，楊 華，李 璟，伊曉燕，王軍喜，李晉閩

(中國科學院半導體研究所，中國科學院半導體照明研發中心，中國科學院大學，北京第三代半導體材料與應用工程技術研發中心，半導體照明聯合創新國家重點實驗室，北京 100083)

引言

隨著通用照明使用的LED器件逐步向大電流、高亮度、高密度的方向發展，高功率密度的LED已經越來越受到人們的重視，但相應的單位面積亮度的提高也可能對人們的視力帶來危害，因此在燈具結構甚至封裝層次如何降低光源表面亮度，制備本質安全的通用照明系統是未來的發展方向之一。同時隨著低能量光子醫療技術的發展，短波長的紫外(ultra-violet, UV)LED已被用于紫外固化、環境清潔，殺菌消毒，皮膚病治療等領域[1-4]。其中UVA和UVB可用于治療皮膚疾病[5, 6]，其用于治療皮膚病的安全性也已經被證實[7, 8]。

UV-LED是一種很有前景的輻射源[9]，然而將其進一步應用于可穿戴醫療裝置也存在很多問題，其中最核心的一個問題是如何在近距離獲得大面積的低能量密度光源。醫用LED對光照均勻性有明確的要求[10]，而LED為朗伯光源，單顆芯片只有在較遠的距離上才能得到均勻的照射光斑，而且一般的勻光系統中使用的有機材料均不適用于UV波段。

為了解決上述問題，我們采用低成本的磨砂藍寶石來進行勻光系統的設計，結合光線追跡優化藍寶石的參數，包括藍寶石的安裝方向、直徑、距離UV-LED管芯的距離，最后確定了用于短波長LED勻光的最佳參數。

1 模擬設置

使用的UV-LED的模型如圖1所示，該模型包括三個部分：具有朗伯分布的UV-LED，磨砂藍寶石，和用于組裝磨砂藍寶石以及UV-LED的圓筒支架。為了使光均勻，圓筒內壁的表面特性設置為漫反射，為了滿足大面積均勻光斑和可穿戴的小體積要求，圓筒直徑為40 mm，圓筒的底部與磨砂藍寶石燈罩之間的距離為10 mm。圖1中的參數h表示LED光源與磨砂藍寶石之間的距離。UV-LED發光體封裝尺寸為3.5 mm×3.5 mm×2 mm，仿真光線數目為200 000條。接受屏距離燈罩1 mm。照度均勻度有兩種定義，一種是接收面內照度的最小值與最大值的比值：U=Emin/Emax，另一種是接收面內的照度最小值與照度平均值的比值：U=Emin/Eavg，本文采用前一種計算方法。

圖1 UV-LED模型圖

2 設計過程與結果分析

圖2 平面藍寶石、左面磨砂藍寶石、右面磨砂藍寶石和雙面磨砂藍寶石對應的照度分布

對于中央無磨砂藍寶石的結構，圖2(a)～(d)顯示了藍寶石燈罩的磨砂面對接收面照度的影響，磨砂面的方向對照度分布的影響非常不同。燈罩為平面藍寶石時，如圖2(a)所示，其能量利用率為87.11%，能量損失主要是界面全反射損失以及圓筒內壁漫反射吸收損失，但此時的光斑面積很小，中心接收面照度過高，難以滿足均勻度要求。燈罩為左面磨砂時的能量利用率為24.66%，此時光先經過磨砂面，光從藍寶石面出射時，光從光密介質傳向光疏介質，發生全反射，大部分光被限制在圓筒內，如圖2(b)所示。燈罩為右面磨砂時的能量利用率為64.89%，當光從藍寶石面出射時，由于磨砂面的漫反射因素，全反射效應降低，如圖2(c)所示，此時的能量利用率比平面藍寶石燈罩的低，原因是在設置過程中，磨砂面存在0.3的吸收損失。圖2(d)為雙面磨砂燈罩的模擬結果，能量利用率為47.55%，一部分光經過左面磨砂面，反射回圓筒燈內，存在一定的漫反射吸收損失，另外，雙面磨砂的吸收損失更加嚴重，因此能量利用率在左面磨砂與右面磨砂的能量利用率之間。綜上所述，在采用一層結構時，燈罩為右面磨砂的藍寶石材料效果最好。

僅有一層磨砂燈罩時的光均勻性很差，因此考慮中間添加一層藍寶石2，先考慮直徑為20 mm的中央藍寶石勻光片，此時藍寶石的磨砂面對接收面照度影響的結果如圖3所示，藍寶石2的左面磨砂時，能量利用率為26.3%，此時藍寶石2和藍寶石1之間存在空氣，光從藍寶石平面出射時，藍寶石和接收面之間大的折射率差導致能量利用率降低，接收面的最大光照度降低，中央光照度仍然很高，但在20 mm外部區域，光分布較為均勻，如圖3(a)所示。當藍寶石2為右面磨砂時的能量利用率為42.46%，但是對于裝置的勻光毫無效果，如圖3(b)所示。圖3(c)為藍寶石2為雙面磨砂時的效果，此時的能量利用率為31.74%，能量利用率和勻光效果均不顯著。綜上所述，采用二層勻光結構的裝置中，其中間層采用左面磨砂藍寶石結構效果較好。

對于各種h1的值，圖4示出了UV-LED的照度分布和能量利用率，由于燈筒內的可操作空間很小，h1的影響并不大，隨著h1的增加，更少的光照射到藍寶石2上，減小了中心點的光強度，當h1=8 mm時均勻性更高，如圖4(a)所示。同時，隨著h1的增加，能量利用率逐漸增加，如圖4(b)所示，這可歸因于隨著h1的增加，更少的光照射在藍寶石上，使得圓筒壁的漫反射吸收損失降低。當h1固定在8 mm時，隨著藍寶石2的直徑d1從5 mm增加到20 mm時，均勻度呈現出先增加后降低的效果，而能量利用率逐漸降低，可以看出直徑為10 mm和15 mm時的均勻性最高，如圖4(c)所示，但此時的均勻度仍然小于50%。 在存在藍寶石2的情況下，可以看出，照度分布最多可出現三個峰值，在最優的情況下，三個峰值近似相等，均勻度為30%～40%，因此考慮磨砂藍寶石3的添加會增加峰的數目，同時會增加均勻性。綜上，直徑為10 mm和15 mm的左面磨砂藍寶石的效果最好。

采用兩層結構時，需要考慮的參數還包括兩塊藍寶石h1和h2的變化。根據前述結果將藍寶石2和藍寶石3直徑分別設為15 mm和10 mm，仿真結果如表1所示?？梢钥闯?，藍寶石2比藍寶石1靠近管芯時，得到的接收面總體均勻度更好。同時，在所有的模擬中，能量利用率均大于20%。當h1=5 mm，h2=7 mm時，所得到的均勻度達到最大值0.68。其照度分布如圖5所示。

圖3 左面磨砂、右面磨砂、雙面磨砂藍寶石2對應的照度分布

圖4 接收面照度分布以及能量利用率

圖5 h1=5 mm，h2=7 mm時的照度分布

表1 不同h1和h2的接收面均勻度

最后，我們制作了優化的短波長LED短距離勻光光源，并進行了測試，測試設備如圖6(a)所示。測試使用的LED芯片為峰值波長457 nm的藍光芯片，采用不加勻光裝置的裸芯片作為對照，在高度為1 cm、直徑為4 cm的圓形范圍內測量照度分布，其九點的照度如圖6(b)所示，可以得到，其照度均勻度僅為0.019；采用優化的實驗結果參數設置的勻光結構進行同樣的照度測試，其九點照度分布如圖6(c)所示，可得其照度均勻度為0.209，實測結果其均勻度提升了10倍。而在仿真模擬中，裸芯片的探測面照度均勻度為0.036，優化的二層藍寶石結構照度均勻度為0.68。實驗結果和仿真結果有一定的差別。產生這一差異的主要原因在于：①模擬中燈筒內壁設定為漫反射表面特性，實驗時采用鋁箔，其反射率較高，若將模擬中燈筒內壁設置為鏡面反射表面特性，得到的中央照度值也較高；②在實驗中為了固定中間的兩塊藍寶石片，設置了兩種支架，仿真并沒有反映實際器件中的所有光損耗；③在模型制作中不可避免地存在制造誤差。

圖6 實驗裝置、裸芯片測試照度分布以及優化光源的照度分布

我們相信，這種方法對各種不同波段通用照明應用的的LED勻光設計具有重要意義。

3 結論

我們對短波長LED的近距離勻光設計進行了摸索，制備了直徑為 4 cm、厚度為1 cm的均勻光源，將磨砂藍寶石應用于近場大面積短波長LED光源，在保證一定的能量利用率的條件下改善其照度均勻性。研究結果表明，兩個直徑分別為10 mm和15 mm的磨砂藍寶石，當h1=5 mm，h2=7 mm時，其同時具有均勻的照度分布以及可接收的能量利用率，與不使用磨砂藍寶石的結構相比，均勻度從0.036上升到0.68，實際制備樣品的測試結果也從0.019提高到0.209，其照度分布均勻度提升了十倍。我們認為，這種優化的磨砂藍寶石的應用經進一步優化不僅可以大大降低使用成本，而且僅采用簡單工藝就可實現近場高品質勻光，可用于未來可穿戴醫療設備乃至被動安全的照明設備的開發。