测试计量技术与仪器硕士论文-LED的二次配光设计.pdf

浙江大学信息学院 硕士学位论文 led的二次配光设计 姓名：梁程远 申请学位级别：硕士 专业：测试计量技术与仪器 指导教师：岑兆丰;李晓彤 20080501 摘要 发光二级管l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ) 的照明系统设计对l e d 照明的普及 以及真正实现绿色照明起了至关重要的作用，然而要想同时达到像面均匀照明和 高的光能利用率是非常困难的。 传统的成像光学强调能否在像面成像以及成像的质量，而l e d 的照明设计 需要达到一定光能的利用率和均匀性要求，因此在设计中要使用非成像光学的评 价方法。然而通常的照明设计软件如a s a p 只能对光学系统进行模拟，不具有优 化功能。 本文正是在研究了入射光线孔径角和光线在像面高度之间关系的基础上，提 出了一种可以在光学设计软件z e m a x 中自动优化系统的方法，从而使优化过程 更加方便和精确。整个研究过程分为以下几个部分：首先，针对l e d 作为朗伯 光源和非朗伯光源两种情况，公式推导得出了入射光线孔径角和光线在像面交点 坐标的关系，得出结论：为实现像面均匀照明的效果，可以通过改变不同孔径角 入射光线的相对权重值，来改变像面上到达该孔径角光线的区域的光线数即照 度，从而改变像面照度分布，达到均匀照明的效果；然后在光学设计软件z e m a x 中利用宏语言编写了基于最小二乘法的评价函数验证该关系；最后对某实际l e d 产品，通过修改宏命令中的不同孔径角光线的相对权重在z e m a x 中优化得到了 非球面透镜，实现了圆形光斑和椭圆光斑的均匀照明；通过在照明设计软件a s a p 中对整个光学系统的模拟，以及对光线追迹得到的像面照度分布、光能利用率等 结果的分析，证明了该方法是行之有效的。 关键词：l e d ，均匀照明，非球面 a b s t r a c t t h ed e s i g no fl e di l l u m i n a t i o np l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nl e d sp r e v a l e n c ea n d t h ec o m p l e t er e a l i z a t i o no f g r e e ni l l u m i n a t i o n b u ti ti sd i f f i c u l tt op r o v i d eau n i f o r m i r r a d i a n c ea n da c h i e v eh i g he f f i c i e n c ys i m u l t a n e o u s l y t r a d i t i o n a li m a g i n go p t i c sf o c u s e so ni m a g i n gq u a l i t y , b u tf o rt h eo p t i c a ld e s i g n o fl e d ，t h ek e y p o i n t sa r eu n i f o r mi r r a d i a n c ea n dp o w e re f f i c i e n c y , s oi ti sn e c e s s a r y t ou s en o n - i m a g i n go p t i c st h e o r yt od e s i g no p t i c a ls y s t e m a n dw i t ht h ei l l u m i n a t i o n s o f tw a r e s ，o n l ys i m u l a t i o na n dn oo p t i m i z a t i o nc a nb ed o n e b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea p e r t u r ea n g l ea n dt h e h e i g h to fr a yo nt h ei m a g i n gs u r f a c e ，t h i sp a p e rd i s c u s s e sam e t h o dt oo p t i m i z e a s p h e r i cl e n sw h i c hc a nb eu s e di nt h ec o m m e r c i a l l ya v a i l a b l es o f t w a r ez e m a x t h e p r o c e s so fr e s e a r c hi sa sf o l l o w i n g f i r s t ，f o rl a m b e r t i a na n dn o n l a m b e r t i a nl i g h t s o u r c e ，t e s t i f yt h er e l a t i o n s h i pw i t hf o r m u l a s a n dt h er e s u l ti l l u s t r a t e st h a tt h e u n i f o r mi r r a d i a n c ed i s t r i b u t i o nc a nb ea c h i e v e db yc h a n g i n gt h ew e i g h t so f r a y sw i t h d i f f e r e n ta p e r t u r ea n g l e s s e c o n d ，a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fl e a s ts q u a r e s ，am e r i t f u n c t i o ni sp r o g r a m m e da n di n t e g r a t e di n t oz e m a x l a s t ，t h i sm e t h o di sa p p l i e di na p r a c t i c a lp r o j e c t ：b yd e b u gt h ew e i g h t so fr a y s ，r o u n da n de l l i p s ef a c u l a ea r ea c h i e v e d w i t har e a ll e dl i g h ts o u r c e b ys i m u l a t i n gt h eo p t i c a ls y s t e ma n da n a l y z i n gt h e i r r a d i a n c ed i s t r i b u t i o ni nt h ei l l u m i n a t i o nd e s i g ns o f t w a r eo f a s a p , t h em e t h o di s v e r i f i e da g a i n k e yw o r d ：l e d ；u n i f o r mi r r a d i a n c e ；a s p h e r i cl e n s 浙江大学硕士论文 第一章绪论 1 1 课题背景和意义 1 1 1l e d 发展历程 发光二极管( l i g h te m i t t i n gd i o d e ，英文简写成l e d ) 是一种新型固态冷光 源，在正向偏压作用下，n 区电子和p 区空穴分别向对方注入，这些被注入的少 数载流子在p n 结附近复合，产生光子而发光。它诞生于2 0 世纪6 0 年代初， 具有结构简单、体积小、重量轻、耗能少、响应速度快、抗震性能好、使用方便 等优点，因此，其在现代光电系统和照明中的有着广泛的应用和良好的发展前景。 在同样照度下，l e d 灯的电能消耗和寿命比白炽灯和日光灯都有明显的优势。 1 9 6 2 年，g e 、m o n s a n t o 、i b m 联合实验室开发出发红光的半导体化合物g a a s p 。 1 9 6 5 年，全球第一款用锗材料做成的可发红外光的商用l e d 诞生。不久，m o n s a n t o 和惠普公司推出用g a a s p 材料制作的效率为0 1 1 l m w 的商用红色l e d 。1 9 6 8 年， 利用氮掺杂工艺使g a a s p 材料l e d 器件的效率达到1 l m w ，并能发出红、橙和黄 色光。1 9 7 1 年，具有相同效率的g a p 绿色芯片l e d 推出。 随后，电脑、电子器件和控制系统等商业以及个人应用产品的兴起形成了 对l e d 的强烈市场需求，并且l e d 以其鲜明的特点被应用在这些电子器件上作指 示用途。八十年代早期开发出a 1 g a a s 材料l e d ，能以l o l m w 的效率发出红光。 这一时期的产品能够达到较高的亮度，主要应用于信号、标识、显示等方面，经 过1 5 年的演进，l e d 安全出口标识基本替代了白炽灯、荧光灯。由于这一时期 l e d 具有亮度高、体积小、耐用等特点，在汽车尾灯、交通信号灯等方面的应用 也具有了非常广阔的市场前景乜1 。 1 9 9 0 年，丌发出a 1 i n g a p 技术，其性z 日4 匕- 比标准g a a s p 器件高1 0 倍。在1 9 9 1 年至2 0 0 1 年期间，材料技术、芯片尺寸和外形方面的进一步发展使商用l e d 的 光通量提高了近3 0 倍。 直到2 0 世纪9 0 年代后期，单管l e d 发出的光只能照亮很近的物体。为了更 好地用于照明，唯一的方法就是把许多l e d 放在一起，l e d 照明更适合只需要一 浙江大学硕士论文 种颜色照明的情况。 1 9 9 4 年，日本科学家中村修二在g a n 基片上研制出第一只蓝光l e d 。这是l e d 发展史上极为关键的一步，促使了白光l e d 的出现。到了2 0 世纪九十年代后期， 终于研制出了通过蓝光激发y a g 荧光粉产生白光的l e d 口1 。白光l e d 的诞生，给 世界照明史带来了突破性的发展，催生了一种新兴的照明产业一一半导体照明， 同时也引发了一场世界性的争夺半导体照明产业制高点的战斗。 伴随技术的不断进步，近年来白光l e d 的发展相当迅速，功率型白光l e d 的内发光效率已经达到1 5 0 1 m w ，并且每年以1 0 2 0 1 m w 的速度提升，大大超过 白炽灯( 1 5 1 m w ) ，而向荧光灯迫近。使用l e d 照明的地方也越来越多，例如大 型商场等公共场所，桥梁等标志型建筑，以及一些特殊照明领域，其应用发展很 快h 1 ，预计在未来，l e d 的发光效率将会达到2 0 0 1 m w ，成为实现绿色照明的主力 军。 根据发光二极管技术和应用不同的发展阶段来看，l e d 产业的发展历程大致 可以分为以下三个阶段：首先是指示应用阶段；然后是信号、显示应用阶段；最 后是照明应用阶段。 1 9 6 8 年，中科院长春物理所研制开发了国内第一只l e d ，我国l e d 材料和 器件正式起步，2 0 世纪8 0 年代形成产业，9 0 年代已经初具规模，在9 0 年代后 期得到迅猛发展。总体上，我国l e d 产业经历了进口器件销售一进口芯片封装一 进口外延片制管封装一自制生产材料和器件四个阶段嵋1 。 1 1 2 半导体照明的产业概况和发展趋势 目前，l e d 的发光效率己高于白炽灯，预计至0 2 0 1 0 年将超过荧光灯，有望进 入占全球电力消耗1 5 “ - - 2 0 的普通照明领域，节能效果将更加显著。半导体照 明正以更快的速度拓展其应用范围，大尺寸液晶电视背光源、汽车、商业和工业 用照明已逐步成为l e d 的主要应用领域。2 0 0 6 年，全球l e d 的市场超过7 0 亿美元， 年均增长率超过2 0 ，未来5 1 0 年将形成5 0 0 亿1 0 0 0 亿美元以上的潜在市场。 目前，全球半导体照明产业形成了以美国、亚洲、欧洲三足鼎立的全球产业格局。 浙江大学硕士论文 世界主要厂商分布在美国、日本、欧盟等地，他们拥有核心技术专利，同时在产 业规模方面也具有优势。我国台湾地区和韩国l e d 产业近年来发展也很快。鉴于 半导体照明产业令人鼓舞的发展前景，同本的“2 1 世纪光计划”、美国的“下一 代照明计划”、欧盟的“彩虹计划”、韩国的“g a n 半导体发光计划”等政府计 划纷纷启动。世界三大传统照明工业巨头飞利浦、通用电气、欧司朗也与半导体 公司合作，成立了半导体照明企业1 。 我国是世界第一大照明电器生产国和出口国，2 0 0 6 年照明行业产值约1 6 0 0 亿 元，出口t o o t 5 美元。我国十分重视半导体照明这一新兴产业。2 0 0 3 年6 月，科技 部联合信息产业部、教育部、建设部、中科院、轻工业联合会等单位，成立了国 家半导体照明工程协调领导小组，紧急启动了国家半导体照明工程，也叫“绿色 照明工程”，所谓的“绿色照明”是指上世纪九十年代初国际上对节约电能、 保护环境的照明系统的形象性说法，其科学定义为：通过科学的照明设计，采用 效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明电器产品( 电光源、灯用电器附件、灯 具、配线器材，以及调光控制和控光器件) ，改善提高人们工作、学习、生活的 条件和质量，从而创造一个高效、舒适、安全、经济、有益的环境并充分体现现 代文明的照明盯_ 8 1 。 经过“十五”期间工程的组织与实施，功率型芯片和功率型白光封装达到了 国际产业化先进水平，发光功率和发光效率分别达至j jt 8 9 m w 和4 7 1 m w ，改变了 蓝光芯片主要依赖进口的局面；包括l e d 车灯、矿灯等四大类1 4 0 多个新产品陆续 开发成功。2 0 0 6 年国产芯片市场占有率4 4 ，2 0 0 1 “ - - 2 0 0 6 年l e d 市场销售额增长 率4 8 ，2 0 0 6 年l e d 封产值1 4 6 亿元。形成了从外延片生产、芯片制备、器件封 装到集成应用的比较完整的研发体系。预计2 0 1 0 年我国半导体照明及相关产业产 值将达到1 0 0 0 亿元旧1 。 2 0 0 6 年初，国务院发布了国家中长期科学和技术发展规划纲要，“高效节能、 长寿命的半导体照明产品”被列入中长期规划第一重点领域( 能源) 的第一优先主 题( 工业节能) 。2 0 0 6 年1 0 月，国家“十一五”8 6 3 计划“半导体照明工程”重大 项目正式启动。我国半导体照明产业j 下在进入自主创新、实现跨越式发展的重大 历史机遇期。“十一五”国家半导体照明工程的发展，将重点围绕半导体普通白 浙江大学硕士论文 光照明的目标，强调创新性，突破白光照明技术的部分核心专利，实现重点跨越； 强化技术集成，围绕重大战略产品，产学研上下游联合攻关，解决制约产业发展 的共性关键技术；实施产业技术联盟与人才培养、基地建设战略，建立完善的技 术创新体系与特色产业集群，提升产业持续创新的能力，最终形成有自主知识产 权和中国特色的半导体照明新兴产业n 0 _ 川。 1 2l e d 光学系统设计 l e d 芯片只是一块很小的固体，它的两个电极也非常地小，加入电流后它才 会发光。在制作工艺上，除了要对l e d 芯片的两个电极进行焊接，从而引出正、 负电极之外，同时还要对l e d 芯片和两个电极进行保护。此外，还需要将l e d 芯片 发出的光尽可能多地引出l e d ，并达到一定的照明设计要求( 发光强度、均匀性 等要求) 。因此，这就需要对l e d 芯片进行封装。在封装的过程中，为了能够最 高效率地输出可见光的功能，需要进行光学设计，合适选择封装材料的形状、结 构和材料。 此外，不同的照明环境往往具有不同的照明要求，有时甚至是互相矛盾的。 l e d 一次光学系统并不能满足所有的实际需要。那么如何提高它的效率即如果高 效的利用l e d 发光二极管，并达到一定的照度分布要求又成为了一个关键的问题。 这就要对l e d 进行二次光学系统的设计，形成一个更加完善的照明器具，满足照 明要求。 综上所述，l e d 应用于照明需要进行光学系统的设计，以便达到更高效的利 用光能和像面的照度均匀分布等设计要求，其中设计包括两个方面：一是l e d 的管 壳设计即封装设计，二是l e d 的外部光学系统设计，及二次配光设计。 1 3 本课题的研究内容 l e d 直接应用，有时不能达到设计需要，因此有必要进行二次配光设计对光 线进行汇聚并在像面实现均匀照明，其中主要解决两大类问题：一是光能的收集 4 浙江大学硕士论文 问题，其关注焦点在于光能的收集效率；二是光能的分配问题，其关注焦点在于 如何实现预先给定的光场分布。而传统的成像光学强调的是能否在屏幕上成像以 及成像质量如何，并用传递函数、点扩散函数、弥散斑等指标来衡量成像的质量 的好坏，这并不能满足照明设计的需要。非成像光学则强调光能的传输效率以及 光能的分配，因此对于l e d 的二次配光设计应该使用非成像光学设计。 一般非成像光学的设计可以使用一些照明设计软件女i t r a c e p r o 、l i g h t t o o l s 、 a s a p ，但是这些软件通常只能对光学系统进行模拟，而并不能进行自动的优化， 整个的优化过程需要操作人员凭经验手动修改系统参数，逐步调整。 本文针对l e d 光源，通过研究入射光线的孔径角和光线在像面焦点高度坐标 之间的关系，得出结论：通过修改不同孔径角入射光线的相对权重来改变照明区 域的照度分布从而实现均匀照明。使用这种方法，可以在光学设计软件z e m a x 中通过修改宏命令对光学系统进行自动优化，实现像面均匀照明的效果和达到一 定的光能传输效率，不但节省了优化时间，而且提高了精确性。为了验证该方法 得正确性，对给定l e d 产品，进行了光学系统的实例设计，实现了圆形光斑和椭 圆光斑的均匀照明，结果在a s a p 中得到模拟和证实。 浙江大学硕士论文 第二章l e d 基础知识和两次光学设计 2 1l e d 基础知识 2 1 1l e d 基本机构和发光原理 发光二极管l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ) 是一种将电能转化为光能并具有 二极管特性的电子器件。工作时，外加电源通过两个电极( 正极、负极) 加在l e d 上，具有单向导电性，电流的大小由加载电压的大小来控制。其内部结构存在p 区和n 区，p 区和n 区相交的界面形成p - n 结n2 1 ，电子在外加电压的作用下向p n 结运动最终复合发光。 l e d 器件的制造目的是为了得到光，所以它的结构与普通半导体二极管不一 样。典型的l e d 结构如图2 1 所示，它主要由l e d 芯片、反光碗、透明环氧树 脂、阴极杆、阳极杆、楔型支架、引脚架等几个部分组成。 图2 1l e d 结构图 e d 棼片 有发射碗约阴极轻一 制作半导体发光二极管的材料是重掺杂的，热平衡状态下形成p n 结，扩散 和漂移运动相等时，内建电场稳定，此时n 区有很多迁移率很高的电子，p 区有 较多的迁移率较低的空穴。由于p n 结阻挡层的限制，在常态下，二者不能发生 自然复合，当p n 结加正向电压时，外加电场将削弱内建电场，使空i b j 电荷区变 6 浙江大学硕士论文 窄，结区势垒降低，载流子的扩散运动加强。由于电子迁移率总是远大于空穴的 迁移率，因此电子由n 区扩散到p 区是载流子扩散运动的主体。由半导体的能带 理论可知，当导带中的电子与价带中的空穴复合时，电子由高能级跃迁到低能级， 电子将多余的能量以发射光子的形式释放出来，产生电致发光现象。除了这种发 光复合外，还有些电子被非发光中心( 这个中心介于导带、介带中间附近，也就 是杂质能级或者缺陷) 捕获，尔后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形 成可见光。也就是说这些不发光的载流子将可能被杂质能级( 或缺陷) 所捕获，最 后以发热的形式消耗掉n 3 1 制。 2 1 2l e d 的分类 结区 图2 2l e d 发光原理图 目前有很多生产l e d 的厂商，对于l e d 的分类也没有统一的标准。一般情况 下，l e d 芯片有按芯片功率大小分类的，也有按波长、颜色分类的，还有按材料 的不同进行分类的。 1 根据l e d 的发光颜色进行分类 按照l e d 发出的光波波长来分，主要有以下三类：波长在3 8 0 n m 7 6 0 n m 范 浙江大学硕士论文 围内的可见光、红外波段以及紫外波段。经常接触到的红外波长包括9 4 0 n m ， 8 8 0 n m ，8 5 0 n m ，可将这类l e d 做成各种红外接收管和红外发射管。例如，家用电 器的遥控收发系统就是由红外发射管和红外接收管组成的。短波长的有紫外光， 紫外光可用来杀菌消毒，也可用作验钞机的光源。防伪越好的纸币要用波长越短 的紫外光作为光源进行检验。目前，可以大量供应的是3 9 0 n m 以上的紫外光l e d ； 波长短于3 9 0 n m 的紫外光l e d 的使用范围较小，其应用有待开发n 3 1 。 根据l e d 的功率进行分类 按目前市场产品的输入功率进行分类，其输出功率为几十个m w 的单灯，称 为传统的小功率芯片；输入功率小于1 w 的l e d ，叫做功率l e d ；对于输入功率等 于或大于1 w 的l e d ，n n q 做w 级功率( 大功率) l e d 。w 级功率l e d 通常有两种 结构：一种是单芯片w 级功率l e d ，另一种是多芯片组合的w 级功率l e d 。 2 1 3 白光l e d 1 9 9 8 年基于蓝光l e d 芯片的白光l e d 被成功开发，这一创新开创了l e d 照明 的新纪元，使得l e d 照明真正地开始普及和实用化，成为照明史上的巨大进步。 白光l e d 作为照明用途，有着众多的优点： 1 与白炽灯相比，是一种冷光源，辐射波长主要集中在可见光波段，产生热量 较少，同时也消除了非可见光电磁波对人体的危害；与含有较多线状光谱的荧光 灯光谱相比，白光l e d 的连续光谱更加接近于自然光； 2 节能：l e d 相对于传统光源，有着非常高的发光效率，因此能耗较小，仅为白 炽灯的八分之一，荧光灯的二分之一。目前同常使用的白光l e d 的发光效率达到 5 0 1 m w ，超过了普通白炽灯的水平。如果按现在的l e d 技术发展速度预测，到了 2 0 1 5 年，白光l e d 的发光效率有望达到1 5 0 2 0 0 l m w ，远远超过了现在所有照 明光源的发光效率6 1 。 3 结构牢固：l e d 是用环氧树脂封装的固态光源，其结构中没有玻璃泡、灯丝等 易损坏的部件，因此能够经受得住震动、冲击而不致引起损坏。 浙江大学硕士论文 4 寿命长：普通白炽灯的寿命约为1 0 0 0 个小时，荧光灯、金属卤化物灯的寿命 不会超过一万个小时，而目前l e d 的使用寿命可达到数万个小时。 5 环保：现在广泛使用的荧光灯、汞灯等光源中都含有危害人体健康的汞，这 些光源的生产过程和废弃的灯管都会对环境造成污染。l e d 则没有这些问题，其 发光颜色纯正，是一种清洁的光源n 7 1 。 白光l e d 有着诱人的发展前景，但半导体材料的发光机理决定了单一的l e d 芯片不可能发出连续光谱的白光，必须有其它的方式合成白光。合成白光的方式 有很多种，一般可以分为单晶型和多晶型两种： 1 多晶型：直接将红、绿、蓝三种颜色的l e d 芯片组成一组，实现白光， 但是这种方式其安装结构比较复杂，而且各色l e d 的驱动电压、发光效率和配光 曲线都不相同，温度特性也存在差异。还有一种多晶型是在紫外l e d 芯片里面涂 敷了红、绿、蓝三基色荧光粉，芯片发出的紫外光激发荧光粉产生白光。 2 单晶型：蓝色l e d 芯片里涂敷黄色荧光粉，蓝光以及被蓝光激发的荧光粉 所发射的黄光相混合得到不同色温的白光。 本文中提到的以及在第四章实例设计中所使用的白光l e d 基本上都是采用单 晶型方式，即蓝光l e d 芯片涂敷黄色荧光粉，其中g a n 芯片发蓝光( 允。= 4 6 5 n m ， = 3 0 h m ) ，y a g 荧光粉受到蓝光l e d 激发后发出黄色光，峰值在5 5 0 n m ，l e d 基片发出的蓝光被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光结合得到白 光。 2 1 4l e d 的应用 l e d 取得突破性进展的时期，即白光l e d 的诞生和发展时期，适逢全球性能 源危机同渐加剧，环保压力越来越大的时候，采用l e d 作为照明光源所独有的节 能、环保、安全、长寿、可靠性高等优点，使其成为世界公认的节能环保的重要 途径，令人们对白光l e d 充满了期待。市场的需求促进了l e d 的飞速发展，而l e d 的极大发展又不断地拓宽着l e d 的应用范围。下面介绍l e d 的主要应用领域，并 9 浙江大学硕士论文 重点谈了l e d 在照明方面的应用c 1 8 。 1 信号指示 所有电子设备的功能指示用灯，并且在交通信号等方面也主要使用高亮度 红、绿、黄色l e d 信号灯，既节能，可靠性又高，交通信号灯正在逐步换代，而 且推广速度很快，市场需求量很大。 2 显示应用 各种广告牌、计分牌、金融和交通指示牌等，分为全色、三色、单色显示屏， 2 0 0 3 年中国市场超过1 0 亿元。目前户外彩色大屏幕显示屏也已经应用的非常普 遍。由于目前l e d 尺寸较大，多数只局限于室外显示屏幕，如要进入室内市场， 必须有待l e d 尺寸缩小以及显示技术的进一步提升引。 3 照明应用 l e d 在照明方面也有着极为广泛的应用： ( 1 ) 汽车用灯：高位刹车灯、刹车灯、转向灯、倒车灯、车内照明灯、侧 灯、前灯等。一部汽车可用l e d 芯片2 0 0 “ - 3 0 0 只，中国汽车工业正处于发展时 期，是推广超高亮度l e d 的好时机啪1 。 ( 2 ) 特殊照明：太阳能庭院灯、太阳能路灯、室内装饰灯、橱窗灯、画灯、 景观灯、地埋灯等。在各种商业场所中，l e d 照明更是有着极大的优势。如：中 高级专卖店、商场等室内商业气氛照明，它的全光谱色彩范围很适合烘托气氛， 其在局部照明、重点照明和区域照明方面存在很大的优势，能营造出传统照明光 源所无法比拟的高质量光环境。 ( 3 ) 背光照明：普通电子设备功能显示背光源，笔记本电脑背光源，手机、 数码相机及p d a 背光源，大尺寸l c d 显示器背光源心。 ( 4 ) 投影光源：投影产品的一个主要核心就是光源照明系统，用户们希望 获得更加小巧便携、性价比更高的投影产品，而l e d 光源技术，已经成为最值得 关注的投影新发展方向之一乜引。 l o 浙江大学硕士论文 ( 5 ) 通用照明：通用照明领域的电力消耗占全球电力消耗的1 5 - - - , 2 0 ，l e d 照明进入该领域，代替白炽灯和荧光灯，产生更加显著的节能效果。目前，各种 l e d 灯具相继问世，有的已比较普及，只是在价格方面的优势尚且不明显，随着 l e d 技术的不断进步，其性价比方面也会有大幅度的提升瞳3 1 。 2 2 两次光学设计 2 2 1 一次配光设计 为了使l e d 芯片发出的光能够更好地输出，得到最大程度的利用，并且在照 明区域内满足设计要求，需要对l e d 进行光学系统的设计。其中，在封装过程中 的设计被称为一次光学设计；而在l e d 之外进行的光学设计被称为二次光学设计， 也叫二次配光设计。 l e d 芯片只是一块很小的固体，它的两个电极要在显微镜下才能看见，加入 电流后它才会发光。在制作工艺上，除了要对l e d 芯片的两个电极进行焊接，从 而引出正、负电极之外，同时还要对l e d 芯片和两个电极进行保护。因此，这就 需要对l e d 芯片进行封装。在封装的过程中，为了能够最高效率地输出可见光的 功能，需要进行光学设计，合适选择封装材料的形状、结构和材料，这种设计在 业内被称为一次配光设计，也叫封装设计。 一次配光设计主要是决定发光器件的出光度、光通量大小、光强大小、光强 分布等。而影响封装出光效率的高低、效果的好坏，主要是由芯片、支架和模粒 三要素来决定的。 1 l e d 芯片是发光的主体，发光多少直接与芯片的质量有关。 2 支架承载着芯片，起着固定芯片的作用。支架碗的形状大小及与芯片的 匹配，对出光效率起着重要作用。 3 模粒灌满环氧树脂之后就成为透镜，出光的角度和光斑的质量都与模粒 形成的透镜有关。 浙江大学硕士论文 2 2 2 二次配光设计 在使用l e d 发光器件时，整个系统的出光效果、光强、色温的分布状况也必 须进行设计，把器件发出的光线集中到期望的照明区域内，从而让整个l e d 照明 系统能够满足设计的需要，这被称为二次光学设计，也n - - 次配光设计。 二次配光设计必须在l e d 发光器件一次配光设计的基础上进行。一次配光设 计是保证每个l e d 发光器件的出光质量，考虑将l e d 芯片中发出的光能尽量多地取 出。而二次配光设计是考虑怎样把l e d 器件发出的光线集中到期望的照明区域上， 从而让整个系统发出的光能满足设计需要。从某种意义上来说，只有封装设计( 即 一次配光设计) 合理，才能保证系统的二次配光设计顺利实现，从而提高照明和 显示的效果。 基于l e d 的二次配光设计，对最终的照明器件和产品的性能起着至关重要的 作用。第一，部分光线未能达到有效的照明范围从而导致能量的损失，需要使用 大数值孔径的光学系统对光线进行汇聚，进一步提高光能利用率；第二，封装之 后，像面照度分布均匀性达不到设计要求，难以在每一点的照度值都大于要求的 最低照度值呛利，这都需要对l e d 进行二次配光设计。 目前，进行l e d 二次配光设计所使用的基本光学元件主要有透镜、反射镜和 折光板等。 1 透镜：透镜的作用是使光源发出的光线进行汇聚或发散，起到改变出光 角度的大小从而改变照明面积和照度的作用。在实际使用中，通过改变光源到镜 头的距离来控制光束发散角。该距离减小，发散角增大，反之则减小心引。透镜形 状采用什么样的面形根据实际情况而定。 2 反射镜：反射镜与透镜在原理上是不同的，透镜是利用折射原理，而反 射镜采用反射或全反射原理，形状通常为旋转二次曲面，包括抛物面、椭球面和 双曲面。尽管表面上都能改变光源的光束角，但所包容的孔径角差别很大。由于 材料的折射率有限，透镜的孔径角很小，一般在5 0 。以下，而反射镜的孔径角可 以达到1 3 0 。以上。孔径角的大小表示反射器收集光线的能力，也就是说反射镜 浙江大学硕士论文 的集光能力较透镜强，光能利用率更高。当然，如果光源本身的发散角就比较小， 则适合使用透镜。图2 3 是抛物面作为反射面时的光路。 图2 3 抛物面作为反射面光路图 3 折光板：折光板的作用是改变光线的方向或在特定的方向上改变光束的 角度，通常包括齿形折光板、梯形折光板和柱形或球形折光板。 鉴于单个透镜结构简单和安装方便的优点，本文针对单个非球面透镜进行了 研究，并且通过改变透镜前、后表面的面形得到不同的结果。 浙江大学硕士论文 第三章光学系统设计 l e d 直接应用，有时不能达到设计需要，因此有必要进行二次配光设计对光 线进行汇聚并在受照面实现均匀照明，而传统的成像光学强调的是能否在像面上 成像以及成像质量如何，成像系统的评价面是与物面共轭的像面，可以用点列图、 波像差、传递函数等像质指标进行评价，如果物面是自身发光的或者被均匀照明， 只要成像系统的像质足够好，像面上各点的照度就反映了物面上各共轭点的照 度，从而得到物的共轭像。但照明系统与成像系统不同之处在于评价面通常不是 光源的像面，适用于成像系统的点列图、波像差、传递函数等评价方法不再适用， 而非成像光学更强调光能的传输效率以及光能的分配，即收集更多的光能并在指 定照明区域达到一定的均匀性要求，因此对于l e d 的二次配光设计应该使用非成 像光学设计。 非成像光学设计通常可以使用t r a c e p r o 、l i g h t t o o l s 、a s a p 等软件，但是这 些软件只能对光学系统进行模拟，缺乏能够满足需要的自动优化功能，需要操作 人员凭经验手动修改系统参数，过程较为繁琐。而z e m a x 软件拥有多种优化设计 方法，不仅可以对系统预定义的评价函数进行优化设计，而且为用户提供了开放 的二次开发环境，用户可以用系统提供的宏语言编写自定义的评价函数，这使用 户不仅可以利用该软件对成像系统进行优化设计，而且可以在建立照明均匀性物 理模型的基础上，找出照明均匀性与光线路径的关系，使编写自定义评价函数对 非成像系统进行优化设计成为可能，提高设计效率。 本文针对l e d 光源，利用入射光线的孔径角和光线在像面交点高度坐标之间 的关系，可以在光学设计软件z e m a x 中通过修改宏命令对系统进行自动优化， i i 不但节省了时间，而且提高了精确性。 i 1 4 浙江大学硕士论文 3 1 基本原理 对于朗伯光源和非朗伯光源，入射光线的孔径角与光线在像面交点高度坐标 之间存在一定的关系，利用这一关系，在光学设计软件z e m a x 中编写宏命令，通 过修改宏命令中不同孔径角光线的相对权重值，可以改变照明区域的照度分布， 实现像面的均匀照明。使用这种方法可以利用z e m a x 自动优化非球面透镜，并且 该方法在本文第四章通过实例设计和a s a p 的模拟验证了其正确性。 从该方法的提出到最后的验证过程可以分为以下几个部分：首先对朗伯光源 和非朗伯光源两种情况，用公式推导了入射光线孔径角和光线在像面高度坐标之 间的关系；然后在光学设计软件z e m a x 中编写了基于最小二乘法的评价函数以验 证该关系的正确性；从而得出结论：为实现像面均匀照明的效果，可以改变不同 z e m a x 宏命令中入射孔径角光线的权重值，来改变到达像面上对应该孔径角入 射光线区域的光线数目，从而改变该区域的照度，使用这用方法在z e m a x 中就 可以自动优化非球面的面形；最后在照明设计软件a s a p 中模拟光学系统，通过分 析追迹光线得到的像面照度分布、光能利用率等照明质量的评价指标，进一步检 验该方法是可行的，并经过反复调试得到了均匀照明的像面。流程如下图所示： 图3 一l光学系统设计流稗图 1 5 的孔嚣鬻竺。? 搠雌讯懒桃黜 篓意耋翥午耄= 。芝光线在像面的淼篓焉竺篆差 咱帆鼢砘) o 煳姗橼摩蜩札i 罢鼢藤始 j 6 ，l jll，1j 1 是 的 睁 娅 蛐 魄聃 孑 j 竹 角 奇 k 线 群蝴蚱 目砭 盯 缇 硒 n 月 i o 期 靠 这 协 越 椰 角 轨 堍 咖 晚 嘶 饪 刀 之 k 毙 施 法 为 面 菇 表 彰 光 玑 ， 一 发 ， 和 小 线 九 泡 盼 为 角 秒， 慨 中 立 其 砬 浙江大学硕士论文 光通量，将光通量在0 角范围内积分，得到 对于像面，由于照度被定义为单位受照面积接收的光通量，所以有 耻鲁 元面积d a = 2 n y a y ，对像面任一半径内的光通量积分有 y = ，e ( y ) 2 n y d y o ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) 忽略非球面透镜的反射和吸收损失，利用能量守恒定律，则有l e d 发出的到达透 镜前表面的光通量全部能够到达屏幕，那么( 3 2 ) 和( 3 4 ) 式相等，有 n占y 归c 。s 觚= z j l a s i n 2 0 d 0 = j e ( y ) 2 n y d y ( 3 - - 5 ) 0 00 该处使用能量守恒定律时没有考虑透镜的反射和吸收损失，例如，到达透镜前表 面的光线会有部分被反射而不能进入透镜，到达后表面的光线也会有反射而不能 出射，并且透镜边缘对光线也存在吸收，这些都会导致能量的损失。但是使用近 似可以更简便和直观地研究孔径角和光线在像面的高度坐标之间的关系，该结果 的j 下确与否最后在第四章的实例设计和a s a p 的模拟中会有进一步的验证。 假设像面均匀照明，任一点的照度e ) = e 。，将( 3 - - 5 ) 式积分得到 耻半 ( 3 6 ) 再将( 3 5 ) 用于r = 尺一，0 = 。，即透镜边缘的最大孔径角的情况，到达透 镜前表面的所有光通量等于像面光斑的能量。得 耻警 1 7 ( 3 7 ) 秒甜1 、ln趴4l 口ro 万 = 9甜n丌1 、|秒oc4l 目r，o =觚 oc4己 c=r，o = 浙江大学硕士论文 ( 3 6 ) 和( 3 7 ) 式相比 ，：土a l s i n 伊 7 s i n 0 。 其中y 为照面上任一点坐标。 ( 3 8 ) 可以看出对于朗伯光源，任意入射光线的孔径角和光线在照明面的交点高度坐标 之间均存在式( 3 8 ) 的关系。 2 非朗伯光源 由于朗伯光源只是对某些情况下实际光源的近似，严格来说，实际光源都不 是朗伯体，下面针对已知配光曲线的非朗伯光源，重新推导了光线入射孔径角与 在像面高度坐标之间的关系。 光学系统同样如图3 2 所示，由于发光强度等于单位立体角内发出的光通 量，则点光源在某一方向上的发光强度可表示为 ，抛 一一 d r 2 那么，在立体角内的光通量为 q口 j i ( o ) a d f 2 = i ( o ) a 2 ，r s i no d o ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) ，p ) 为配光曲线上对应孔径角为秒的光强度，像面均匀照明，础) = 岛，同样不 考虑非球面透镜的反射和吸收损失，根据能量守恒定律 n0 yy ，i ( o ) a d n = ，i ( e ) a 2 z r s i ne a o = i e c y ) 2 v + = e 。2 砷( 3 - - 11 ) 0000 对r = r 。，0 = 的透镜边缘最大孔径角的情况，有 q m 缸o m “r m vr m l x f i ( o ) a d n = i ( o ) a 2 万s i no d o = e ( y ) 2 n y d y = e o ，2 7 呐( 3 - - 1 2 ) 0000 浙江大学硕士论文 将( 3 1 1 ) 和( 3 1 2 ) 两式相比，得 口y j，p)sin倒口j删y200 ，p ) sn尺n l f a l i o d o y d y i 越y m a x f ，p ) snf y2 口 ，p ) s i no d o 0 ，p ) s i n o d o 0 ( 3 一1 3 ) ( 3 1 4 ) 由( 3 1 4 ) 式可以看出，对于非朗伯光源，入射光线的孔径角和光线在照 明面的交点高度坐标之间依然存在一定的关系。光源发出的光能量通过光线传 播，每一条光线可以被看作带有一定的光能量。那么，通过判断到达某一区域光 线数的多少就可以得知到达该区域的光能量的多少，进而得到照度的大小。例如 对于某一实际l e d 光源，出射光通量2 0 0 1 m ，令光线数为2 0 0 万条，则每条光线 的光通量为百万分之一流明，如果到达像面某指定区域的光线数为5 0 万条，则 到达该区域的光通量为5 0 1 m ，如果区域均匀照明，面积已知，便可得到该区域的 照度。 所以可以得出结论：由于入射光线孔径角和光线在像面交点高度之间存在关 系，通过修改配光曲线中不同孔径角入射光线的相对权重值( 分布在o 一1 区间 上) ，就可以改变到达像面上不同区域光线的多少，从而改变像面上各区域的光 能量分布，实现均匀照明。当受照面上某一区域较暗时，可以减少对应该区域的 入射光线的权重，增加到达该区域的光线数，从而增加该区域的照度，反之区域 较亮时可以增加对应光线的权重。 3 2 评价函数 在光学设计软件z e m a x 中用宏语言编写评价函数验证3 1 中公式推导的结果 ( 3 8 ) 式和( 3 1 4 ) 式的正确性，即对于朗伯光源以及非朗伯光源，入射光 线孔径角和光线在像面高度坐标之间是否存在关系。 1 9 浙江大学硕士论文 3 2 1z e m a x 光学设计软件 本文中对光学系统的设计和优化使用的是z e m a x 光学设计软件。z e m a x 提供突 出的优化功能，其优化采用的算法是阻尼最小二乘法，这种算法能够优化加权目 标值组成的评价函数，系统自带了2 0 种评价函数，如点列图r m s 半径、m t f 传递函 数等等；并且z e m a x 带有强大的宏语言功能，可以自行编写评价函数，优化系统 中的任意参数，包括半径、厚度、玻璃、非球面系数、视场、孔径等。在优化过 程中，z e m a x 对每个目标值进行控制，来寻找最佳化的系统结构，将得到的优化 结构显示在镜头的数据编辑器中，得到新的系统结构参数；如果不能满足要求， 还可以进行人工干预，对一些参数进行局部调整，使设定的目标值满足像差的要 求。本文中评价函数的编写正是基于了z e m a x 的z p l 宏语言。 3 2 2 评价函数算法 为了评价( 3 8 ) 式和( 3 1 4 ) 式的正确性，在z e m a x 中利用宏语言编 写了基于最小二乘原理的评价函数，比较由公式计算的光线在像面高度与 z e m a x 实际追迹的光线在像面高度两者之间的偏差。其算法如下式所示： f = ：，一y 了 ( 3 一1 5 ) 其中y ；为z e m a x 追迹的第i 条光线与屏幕交点的坐标。对于朗伯光源，y ：为公 式( 3 8 ) 计算的第i 条光线与屏幕的交点坐标；对于非朗伯光源，y ：为公式( 3 1 4 ) 计算的第i 条光线与屏幕的交点坐标。 将按照( 3 1 5 ) 式编写的评价函数保存为z p l 文件并引入z e m a x 中，对某一 实际光学系统，取i 为某一个数，表示对半孔径作i 等分，将对通过这i 等分点的i 条光线进行比较，如果计算的误差平方和f 函数在一个较小的范围内，则晚明公 式计算的结果矛i j z e m a x 追迹的结果有一致性，光线在像面的交点坐标和入射光线 的孔径角确实存在关系。易知，当i 数越大，评价函数得到的结果越精确。 2 0 浙江大学硕