（光学专业论文）半导体照明光学系统的设计与仿真.pdf

摘要 半导体照明已经成为世界上新型照明光源的发展趋势，而高亮度、大功率的 发光二极管( l e d ) 更是照明光源中的需求热点。本文主要研究半导体照明中光源 模型的构建和照明光学系统的设计，并利用光学机构软件对照明光学系统进行设 计与仿真，以此简化系统设计的流程，缩短系统设计的周期。 论文分为以下四个部分： 首先，简要地介绍了半导体照明技术的历史与发展、l e d 的原理和关键技 术等问题，并阐明了光学仿真在半导体照明光学系统设计中的意义。 其次，详细介绍了照明光学系统设计的基本知识、计算机辅助光学设计中光 线追迹理论、以及光学机构仿真软件( t r a c e p r o 和l i g h t t o o l s ) 的光线追迹和l e d 建模等方法，并对光源的c a d 实体模型、光源的发光特性、光强的空间分布等 三个光源建模要素进行深入的剖析。提出了利用光学机构软件进行l e d 光源建 模和照明光学系统设计的方法，并以蝙蝠翼型光分布的l e d 光源设计为例，对 光分布的设计步骤和光线追迹仿真进行了详细的说明。 再次，详细介绍了便携式l e d 照明光学系统的技术及其特点，总结了l e d 照明光学系统设计的方法。根据实际要求，设计了一个多光源照明系统，对系统 的光强分布、照度均匀度等参数进行深入地分析，并在此基础上，对系统参数进 行优化，给出系统的最佳设计方案。 最后，论述了背光源的原理、特点、应用及发展现状。给出利用光机仿真软 件对l e d 背光源进行建模的方法。对各个组成构件进行几何建模和光学界面定 义，并对背光源系统进行光线追迹仿真，通过仿真结果的分析，调整系统参数， 从而满足背光源的设计要求。 本文的创新之处在于应用光机仿真软件来实现半导体照明光学系统的设计， 提出了实现其他光分布的l e d 光源的设计仿真方法，以及l e d 光学系统的设计 与分析。这些研究为以后在照明系统光学领域的研究提供了方向。 关键词：半导体照明；光学系统设计与仿真；l e d 背光源 a b s t r a c t s o l i d - s t a t el i g h t i n gh a sb e c o m ec u r r e n to fn e wl i g h ts 0 1 1 f c e $ ，a n dh i g h b r i g h t n e s s , h i g h - p o w e rl e d sa rei nh o td e m a n do fl i g h ts o u i c c s t h i sp a p e ri sf o c u s i n go n s o u l c e s m o d e l i n ga n do p t i c a ls y s t e md e s i g n o fs o l i d s t a t el i g h t i n g r a y - t r a c i n g s o f t w a r ei sa p p l i e dt ot h er e s e a r c ho fd e s i g na n ds i m u l a t i o no fo p t i c a ls y s t e m s t h r o u g ht h es i m u l a t i o n ，t h ed e s i g np r o c e s so fl i g h t i n gs y s t e mc a nb es i m p l i f i e da n d t h ed e s i g nc y c l ec a nb ea l s os h o r t e n e d t h i sp a p e ri sd i v i d e di n t of o u rs e c t i o n s ； f i r s to fa l l ，s o l i d - s t a t el i g h t i n gt e c h n o l o g ya n dd e v e l o p m e n t ，p r i n c i p l e sa n dk e y t e c h n o l o g yo fl i g h te m i r i n gd i o d e sw e r eb r i e f l yi n t r o d u c e d ，a n dt h es i g n i f i c a n c ea n d a p p l i c a t i o no fo p t i c a ls i m u l a t i o ni nt h eo p t i c a ls y s t e mw e r e i l l u s t r a t e d t h e n , b a s i ck n o w l e d g eo fl i g h t i n go p t i c a ls y s t e m ，r a y - t r a c i n gt h e o r y o f c o m p u t e r - a i d e dd e s i g nw e r ed i s c u s s e di nd e t a i l s ，a n dt r a c e p r oa n dl i g h t t o o l sb a s e d r a y - t r a c i n gm e t h o da n dl e dm o d e l i n gw a so u t l i n e d t h i e em a j o re l e m e n t so fs o u r c e m o d e l i n gw e r ea n a l y z e di nd e p t h ，i n c l u d i n gt h ec a d m o d e lo fl i g h ts o u r c e s , t h el i g h t f e a t u r e so fl i g h ts o u r c e s ，a n dt h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no fl i g h ti n t e n s i t y o nt h eb a s i s ，a l e ds o u r c ew i mb a t w i n gl i g h td i s t r i b u t i o nw a sm o d e l e du s i n gr a y - t r a c i n gs o f t w a r e i na d d i t i o n , s i m u l a t i o ns t e p sa n d r a y - t r a c i n gr e s u l t so fl e d s o u r c e sw e r ei l l u s t r a t e d t h e n ，f e a t u r e sa n dt e c h n o l o g yo fo p t i c a ls y s t e mo fp o r t a b l el e dl i g h t i n gd e v i c e s w e r ed e s c r i b e di nd e t a i l s ，a n do p t i c a ls y s t e md e s i g nm e t h o d so fl e dl i 曲t i n gw e r e a l s os u m m a r i z e d a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n t s ，o p t i c a ls y s t e mw i t h m u l t i p l el e d s o u r c e sc o u l db eb u i l t t h el i g h ti n t e n s i t yd i s t r i b u t i o no fo p t i c a ls y s t e m a n di l l u m i n a n c ee v e n n e s so fl i g h t i n gp l a n ew e r ea n a l y z e d o nt h eb a s i s ，o p t i c a l s y s t e mp a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e d ，a n dm o s ts a t i s f a c t o r yd e s i g np r o g r a mc o u l db e c o n c l u d e df o rd e s i g nr e q u i r e m e n t s f i n a l l y , o p e r a t i o n a lp r i n c i p l e ，c h a r a c t e r i s t i c s ，a p p l i c a t i o n sa n dd e v e l o p m e n to f b a c k l i g h tw e r ed e s c r i b e d l e db a c k l i g h tm o d e lw a se s t a b l i s h e di nr a y - t r a c i n g s o f t w a r e v a r i o u sc o m p o n e n t sf o ri n t e r f a c ed e f i n i t i o no fo p t i c a la n dg e o m e t r i c m o d e l i n gw e r ep r o g r e s s e d ，a n db a c k l i g h ts y s t e m sw e r er a y - t r a c e d t h r o u g ht h e s i m u l a t i o nr e s u l t s ，p a r a m e t e r so fb a c k l i g h ts y s t e mc o u l db ea d j u s t e dt oa c h i e v e b a c k l i g h td e s i g nr e q u i r e m e n t s t h em a i ni n n o v a t i o no ft h i s p a p e ri s t h a tr a y - t r a c i n gs o f t w a r ei sa p p l i e dt o o p t i c a ls y s t e md e s i g no fs o l i d s t a t el i g h t i n g t h em e t h o dw h i c hr e a l i z e sv a r i o u s p r o p o s e dl i g h td i s t r i b u t i o no fl e ds o u r c e si sd i s c u s s e d ，d e s i g na n da n a l y s i sf o r o p t i c a ld e s i g no fl e dl i g h t i n gi sa l s oa n a l y z e d t h i sr e s e a r c hp r o v i d e st h ed i r e c t i o n f o rt h ef u t u r er e s e a r c hi nt h ef i e l do fl i g h t i n go p t i c a ls y s t e m s k e yw o r d s ：s o l i d s t a t el i g h t i n g ；o p t i c a ls y s t e md e s i g na n ds i m u l a t i o n ；l e db a c k l i g h t 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在 文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利 和责任。 a n n a ( 签名) ：莎荔承 脚挈年月冶日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦 门大学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸 质版和电子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关 数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 本学位论文属于 l 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( ) ( 请在以上相应括号内打“”) 作者签名：荔窃承 导师签名。扩 日期：沏憎年【- 月多日 日期：灿丫年y 月歹日 第一章绪论 1 1半导体照明技术 第一章绪论 半导体照n ( n 态照明) 一s o l i d s t a t el i g h t i n g ( 简写为s s l ) ，也就是发光二极 管( l e d ) 照明，被公认为是2 l 世纪的新一代照明【l 】。发光二极管( l i g h te m i t t i n g d i o d e ，简写为l e d ) 是一种可将电能转变为光能的半导体发光器件，属于固态 光源。l e d 是冷光源，光效高，工作电压低，耗电量小，体积小，可平面封装， 易于开发轻薄型产品，结构坚固且寿命很长，光源本身不含汞、铅等有害物质， 无红外和紫外污染，不会在生产和使用中产生对外界的污染。在同样亮度下，半 导体灯耗电仅为普通白炽灯的1 1 0 ，而寿命却可以延长1 0 0 倍，因此，l e d 照 明具有节能、环保、寿命长等优点。l e d 作为新型照明光源都具有替代传统照 明光源的极大潜力【2 - 5 。 表1 ：l e d 与传统照明光源的比较表 照明方式特点 具有发热量低、耗电量少( 现在为白炽灯泡的八分之一，荧光 l e d 灯泡的二分之一左右) 、寿命长( 数万小时以上，是荧光灯的 1 0 倍以上) 、响应速度快、体积小、可平面封装等优点，易开 发成轻薄短小产品，制造过程对环境影响小且废弃物可全回收 荧光灯荧光灯省电，但制造过程对环境影响大，废弃物不可全回收， 而且存在汞污染、易碎等问题 白炽钨丝灯泡低效率、高耗电、寿命短、易碎、制造回收过程对环境影响大。 大自然引来的第一堆篝火，奏响人类首次人工照明的开篇序曲。火，揭开了 传统照明史的第一篇章，火照明在人类的发展史上占据了相当长的篇幅。1 8 7 9 年，爱迪生发明了第一只钨丝白炽灯。从此，人类开始告别利用火光照明的历史， 照明技术进入一个崭新的时代，人类现代文明拉开了帷幕：1 9 3 8 年荧光灯推出， 以儿更离的光敛和坐好的光包 h 快占领了照j ! j j 的、 诤山，g l l y f6 0 多年段j 硅j ，】 尘荧光已经成为地球i 蛾人们光源使川右行j 1 0 i 枉继续卫己展。 1 9 6 2 年l e d 光源推f 杯志着真正引艇剐判挂术质变的、 导体j ( 1 i 蛆技术的诞 小，枷、志荇人类照明止t ：f i c i 叉次重大革命，l e d 可望拉腱成为筇叫代光源a 如罔i 1 所示，标明了迄令为止整个照明领域f f j 发展历程睁。 图卜i 传统照明与、 导体照明的发展概i 兄【l o i l e d = 畦早诞生十在2 0l 吐纪6 0 年 铷期，早 | l e d 以发出微删的红光光讲 居彩，发光教牢微低，光通艟很小。t i t 干当叫的技术和工艺条件限制，早期牛产 的发光二极管采什| 的足液体十h 位外延技术，酐i - e 艺生产f f j 二极管发光的亮度始 终术超过0i 流叫一瓦。8 0 年代以来，几本几家大企业虽先实现了技术突破发 光兜度在5 一l o 流明，f l ，这个时期的l e d 产，铺大多用在仪器仪农，辅密i 5 备的指 求灯显示，r 导体收音机音响等等：9 0 年代蚍来，随着管芯材料、结构年”装 技术的小断进步，粟舣r 型为先进的低jj 、会墉有帆物气州外延( l p m o v p e ) 和低 胍食属有机物化学气柑淀秘外延方法( l p m o c v d ) ，k 产出商亮艘的l e d ，l e d 颜色品种增多，光效人幅度提高，目前的红色l e d 的光效已经达到1 0 0l m f q v ， 绿色l e d 也可达到5 0i m w ，堆个l e d 的光通量l 【r 达到几i 流明，尤其是1 9 9 8 年n 光l e d 的盯发成功及商i 协化对rl e d 0 ： 孚通她州领域i , i j l j 乳们重要意义。 第一章绪论 1 2l e d 发光原理及其结构 l e d 是继1 9 世纪5 0 年代硅( s i ) 半导体技术后，由三五族( i i i v 族) 化合物半 导体发展的半导体器件。l e d 的发光原理是利用半导体中的电子和空穴结合而 发出光子，不同子灯泡需要在高温下操作，也不必像同光灯需使用高电压激发电 子束，只需要低电压，就能够直接将电能转换成可见光，在常温下就可以正常动 作，寿命也比传统光源来得更长。l e d 所发出的颜色，主要是取决于电子与空 穴结合所释放出来的能量高低，也就是由所用的半导体材料的能隙所决定。l l 1 同一种材料的波长都很接近，因此与传统光源都混有多种颜色相比，l e d 的光 色都很纯。 1 2 1 l e d 的发光原理 半导体发光二极管是由i i l v 族化合物，如g a a s ( 砷化镓) 、g a p ( 磷化镓) 、 g a n ( 氮化镓) 、i n g a n ( 铟镓氮) 等半导体制成的，其核心是p n 结。因此，它具有 一般p n 结的特性，即正向导通，反向截止，击穿特性。此外，它还具有发光特 性。在正向电压下，电子由n 区注入p 区，空穴由p 区注入n 区。进入对方区 域的少数载流子( 少子) 一部分与多数载流子( 多子) 复合而发光，如图1 2 所 示 ! 图1 - 2l e d 发光原理示意图 半导体照明光学系统的设计与仿真 发光二极管的核心部分是由p 型半导体和n 型半导体组成的芯片，在p 型 半导体和n 型半导体之间有一个过渡层，称为p - n 结，因此它具有一般p - n 结 的i u 特性，即正向导通，反向截止，击穿特性；此外在一定的条件下，它还具 有发光特性。注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式 释放出来，从而把电能直接转换为光能。p - n 结加反向电压，少数载流子难以注 入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称 l e d 。当它处于正向工作状态时( 即两端加上正向电压) ，电流从l e d 阳极流向阴 极，半导体芯片就能发出从紫外到红外不同波长的光线，光的强弱与电流有关。 1 2 2l e o 的基本结构 金线连接线 m 茜 反_ 射碗 阴扳 树脂封装 图1 3 高亮度发光二极管构造图 图1 4 功率型发光二极管构造图 现有l e d 主要有高亮度和大功率l e d 两种。典型的亮度l e d 结构如图1 3 所示，它主要由l e d 芯片、反光碗、透明环氧树脂、电极等几个部分组成。而 4 第一章绪论 功率型l e d 主要由l e d 芯片、反射碗、热沉、树脂透镜等部分组成。 1 2 3l e d 的光学特性 l e d 是利用化合物材料制成p - n 结的光电器件。它具备p - n 结型器件的光学 特性光谱响应特性、发光光强指向特性、时间特性。1 1 2 q 4 1 发光二极管有非可见光 与可见光两个系列，前者可用辐射度，后者可用光度学来量度其光学特性。 1 发光强度( 法向光强) 是表征发光器件发光强弱的重要性能。l e d 大量 应用要求是圆柱、圆球封装，由于凸透镜的作用，故都具有很强指向性：位于法 向方向光强最大，其与水平面交角为9 0 。当偏离正法向不同0 角度，光强也 随之变化。发光强度随着不同封装形状在法向角方向变化。 2 发光强度的角分布，是描述发光在空问各个方向上光强分布。它主要取 决于封装的工艺。白炽灯、荧光灯和气体放电灯，其光强分布范围几乎接近4 空 间；但是l e d 接近2 空间的配光曲线都是很少的，因为l e d 的方向性很强。配 光曲线一般都采用极坐标来表示，对于l e d ，只要o - , - 1 8 0 。的极坐标就满足。 1 2 4 白光l e d 及其照明光学系统的实现 半导体材料的发光机理决定了单一l e d 芯片不可能发出连续光谱的白光， 必须以其他的方式合成白光。 i s q 9 图1 5 表示了白光l e d 的发光原理和类型。 目前产生白光的方式有两种：一是用单色光激发荧光粉发出其他颜色的光，最终 混合成白光，即单芯片型；二是采用将几种不同色光的芯片封在一起，构成发白 光的l e d ，即多芯片型。单芯片型结构又可分为两种：( 1 ) 将蓝色l e di n g a n 芯片与钇铝石榴石( y a g ) 荧光粉组合成二基色白光l e d ，或由i n g a n ( 蓝光峰值 4 3 0n m 或4 7 0n m ) 与红色( 6 5 0n m ) 和绿色( 5 4 0n m ) 荧光粉组成三基色白光l e d ； ( 2 ) 用i n g a nl e d 发出的紫外光激励三基色荧光粉发出白光。( 3 ) 对于多芯片 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。 5 导件照驯光学系统的世 l 仿真 n 虻 t 一一 弧 霞 一。= 真l | j 戏乏j 红绿蓝i 勘叠加紫外岫加r g 嬲- 蝴 蓝光l 邱加黄色荧光粉 a ) b 1 f l 图l 一5 白光l e d 的产生方法：a ) 红绿蓝l e d 叠加b ) 紫外l e d 加r g b 荧光粉c 1 蓝光l e d 加黄色荧光粉 自色l e d 具有低电压驱动、显色性好、调光性能好、寿命长f 达几打小时以 l ) 、色温变化时不会产生视觉误差。m 引i l e d 的光效仍在不断地提高，足照明 的理想光源。然而由于单只l e d 功率小，光亮度低，光分布不能达到需求等关 系，l e d 不能够单独使用，为此必须将对单个或者多个l e d 加l 适合的光学系 统，组装在一起设计成为实用的l e d 照明系统，则具有广阔的应i j 前景。目前 开发币同应用范围和品种规格的l e d 照明光学系统已经照明研究的方向。照明 光学系统的设计内容如下： 1 根据照明对象、光通量的需求，秩定光学系统的形状、l e d 的数目和功 率的太小。 2 将若t 个l e d 发光管组合设计成点光源、环形光源或面光源的“二次光 源”，根据组合成的“次光源”，汁算照明光学系统。 3 构成照明光学系统设计的“二次光源”上的l e d 光源配光分布控制f 分 重要，是决定l e d 照明光学系统的光强和照度分布的重要部件。 第一章绪论 1 2 5 半导体发光二极管的特点 l e d 是一种符合绿色照明要求的光源。所谓“绿色照明”的概念就是指通 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，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。 l e d 是半导体器件通过p n 结来实现电光换。其特点为： 1 节能、不引起环境污染。l e d 的能耗小，随着技术的进步，将成为一种新 型的节能照明光源。目前白光l e d 的光效已超过1 0 0l m w ，而预计到2 0 1 0 - 2 0 1 5 年，自光l e d 的光效有可能达到1 5 0 - - 2 0 0l m w ，远远超过了现在所有照明光源 的光效。此外，现在广泛使用的荧光灯、汞灯等光源中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造成对环境的污染。l e d 则没有这些问 题，是一种“清洁”的光源。 2 寿命长一般来讲，普通白炽灯的寿命约为1 0 0 0 小时，荧光灯、金属卤 化物灯的寿命也不超过l 万小时，而l e d 的使用寿命可长达数万小时。 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，是一种全固体结构，因此能够经受得住震动、冲击而不致引 起损坏。除此之外，l e d 作为照明用光源还有其他光源无法匹敌的优点，例如： 发光体接近点光源，便于照明光学系统的设计；发光响应时间短；易于做成薄型 灯具，节省安装空问等等。 1 3 半导体照明的应用及其发展前景 全色超高亮度、大功率l e d 的实用化和商品化，使照明领域面临一场新的 革命。l e d 是2 l 世纪最具有竞争力的新型电光源，尽管其完全取代白炽灯和荧 光灯尚需5 年 - - 1 5 年，但l e d 早已与人们的生活密不可分。鉴于l e d 的自身 特点，目前主要应用于以下几大方面 2 2 - 2 5 】： 7 半导体照明光学系统的设计与仿真 ( 1 ) 显示屏、交通信号显示光源的应用。l e d 灯具有抗震耐冲击、光响应速 度快、省电和寿命长等特点，广泛应用于各种室内、户外显示屏，分为全色、三 色和单色显示屏，。交通信号灯主要用超高亮度红、绿、黄色l e d ，因为采用l e d 信号灯既节能，可靠性又高，所以交通信号灯j 下在逐步更新换代，而且推广速度 快，市场需求量很大，是个很好的市场机会。 ( 2 ) 汽车工业上的应用。超高亮度功率型l e d 的出现，大大扩展了l e d 在 各种信号显示和照明光源领域的应用。尤其具有代表性的应用汽车灯和交通信号 灯。汽车用灯包含汽车内部的仪表板、音响指示灯、开关的背光源、阅读灯和外 部的刹车灯、尾灯、侧灯以及头灯等。汽车用白炽灯耐震动和撞击差、易损坏、 寿命短，需要经常更换。l e d 作为新代照明光源在照明市场中所占的比重也 将呈现出逐年递增的趋势。整体看，汽车用灯l e d 化是一个非常广阔的市场。 当前，美国、日本、欧洲的一些高档汽车已经开始部分使用半导体照明，但由于 汽车领域的准入门槛较高，所以汽车用l e d 灯在国内还没有广泛进入市场，相 信随着国内汽车工业的不断发展，汽车用l e d 灯将在未来几年广泛的应用在国 内汽车市场中。 ( 3 ) l e d 背光源以高效侧发光的背光源最为引人注目，l e d 作为l c d 背光 源应用，具有寿命长、发光效率高、无干扰和性价比高等特点，已广泛应用于电 子手表、手机、电子计算器和刷卡机上，随着便携电子产品同趋小型化，l e d 背光源更具优势，因此背光源制作技术将向更薄型、低功耗和均匀一致方面发展。 对于l c d 背光源来说，虽然目前l e d 已经用在l c d 背光源中，但使用的范围 主要集中在小尺寸l c d 背光源中。在大、中尺寸l c d 背光源市场中仍以c c f l 为主。虽然c c f l 具有线型发光、光源均匀等特点，但耗电量高、环保性差；相 比较之下，l e d 因采单点发光、耗电量低，再加上寿命长、小巧轻薄、环保等 优势，更适合用作l c d 背光源使用。相信随着l e d 发光效率的不断改进，l e d 将逐步成为大、中尺寸l c d 用背光源。 ( 4 ) l e d 照明光源。早期的产品发光效率低，光强一般只能达到几个到几十 个m c d ，适用在室内场合，在家电、仪器仪表、通讯设备、微机及玩具等方面应 用。目前直接目标是l e d 光源替代白炽灯和荧光灯，这种替代趋势已从局部应 第一章绪论 用领域开始发展。我国也于2 0 0 4 年投资5 0 亿大力发展节能环保的半导体照明计 划。目前还是主要用于一些特殊的场合，如景观照明市场包括建筑装饰、室内装 饰、旅游景点装饰等，如重要建筑、街道、商业中心、名胜古迹、桥梁、社区、 庭院、草坪、家居、休闲娱乐场所的装饰照明，以及集装饰与广告为一体的商业 照明。广泛使用的光源应该是白色的l e d 。 ( 5 ) 其它应用。超高亮度功率型l e d 所具有的低电压、低功耗、体积小、重 量轻、寿命长、高可靠等优点，在军事上还可作为野战、潜水、航天、航空所需 的特种固体光源。功率型白光l e d 在便携式照明光源如钥匙灯、手电筒、及矿 工灯等产品也得到越来越多的应用。正在流行的l e d 圣诞灯，由于造型新颖、 色彩丰富、不易破碎以及低压使用的安全性，近期在香港等东南亚地区销势强劲， 受到人们普遍的欢迎，正在威胁以白炽灯泡为主的圣诞市场。使用超高亮度功率 型红、绿、蓝三基色l e d ，可制成结构紧凑发光效率比传统白炽灯光源高的多 的数字式调色调光光源，配合计算机控制技术，可得到极其丰富多彩的发光效果。 因此，随着半导体照明技术的不断发展，白光l e d 市场将会发展迅速，l e d 越来越多的进入到各种照明领域中。对于室内、室外照明来说，随着未来技术的 不断发展，功率型l e d 在发光效率、光衰问题、显色性等阻碍其进入普通照明 市场的障碍将被不断解决。一只l e d 照明灯具的使用寿命可长达5 万1 0 万小 时。l e d 照明产品的平均售价每年下降约3 0 或更多。以此速度推断，2 5 年后 l e d 照明将会全面进入寻常百姓家。到2 0 1 0 年以后，半导体灯发光效率大幅 提高，价格降低9 0 ，未来的生活，l e d 光源将无处不在。届时，由于技术的 成熟，规模化生产的实现，价格也将不断下降，以上因素都将极大地推动了l e d 进入照明市场。 1 4 光学仿真在半导体照明设计中的意义 随着l e d 技术的飞速发展，l e d 光源的应该愈来愈广泛，从显示领域逐 渐扩展到照明领域，l e d 照明光学系统的设计也受到光学设计人员的重视。由 于计算机的运行速率和性能不断提高，用计算机来辅助设计照明光学系统成为可 能，而照明光学系统的研究方法也随之发生了巨大的改变，这主要表现在光学机 9 半导体照明光学系统的设计与仿真 构仿真软件在照明光学系统设计方面的普及。光学机构仿真软件基于集合的线性 和非线性的光线追迹，设计光学系统的参数，模型方便，有效，能够在计算机软 件中实现系统的参数优化，从而大大提高了照明系统光学设计的效率和质量。光 学工程师运用光学原理和计算机辅助相结合来设计l e d 的实际光学系统。尽管 计算机程序不能代替光学工程师来设计光学系统，但计算机辅助设计大大简化和 加快了设计过程。随着计算机运算能力的快速提高，图形工具的不断完善，设计 人员能够从理论上多方位检测光学系统的性能，而不需耗资巨大来制造试验样 品。 1 5 本文的研究内容与目的 本文是从半导体照明技术出发，重点研究半导体照明中光学系统的设计，提 出t n 用计算机光学机构软件来建构和仿真光学系统，从而能够简化设计，节省 设计中理论与实践相结合过程所消耗的时间与成本，提高效率。 本文的主要研究工作有： 1 、现在兴起的半导体照明的光学系统的设计出发，在以前光学系统设计的基 础上，利用几何光学知识，从理论上给出了l e d 光源模型经典的设计与 仿真方法，并在此基础上模拟l e d 光源应用于二次光学系统的光源建模 例子，在光机软件中通过修改l e d 的封装结构达到取得预期光源的目的。 使得能够兼具光源建模的准确度和设计上的方便性。 2 、为了避免传统的光学系统设计过程中的弊端，提高设计效率，本文的另一 个研究工作，在光源模型的基础上，在计算机光学机构软件中建构光学系 统的各个光学结构，通过光学结构的模拟，反复进行光线追迹试验，已经 模型参数的不断优化调整，来获得最佳的光学结构，得到所需要的最佳的 光学系统参数，这种方法能够把光学设计的理论和实践结合起来，通过计 算机的模拟仿真，把仿真的结果参数应用到实际的光学设计中，从而大大 提高了照明光学系统设计的效率。 3 、针对液晶显示背光源采用新型的l e d 光源以替代c c f l ，本文的另一个研 究工作是设计一个l e d 的双侧背光源结构。在非对称枕形透镜封装的大 l o 第一章绪论 功率l e d 光源的基础上，利用矩形菲涅耳透镜和棱镜阵列面进行导光， 利用光学机构软件对l e d 光源系统进行仿真，通过系统设计参数的不断 修正，使得l e d 背光源光学结构的亮度均匀性达到背光源的要求。 本课题的研究目的在于对于半导体照明光学系统的设计提出一个利用光学机 构仿真软件，将光学设计的理论和实际联系起来，实现在计算机中模拟光学系统， 这种方法不仅对l e d 照明光学系统的设计有指导作用，而且同样适用于液晶显 示背光源的设计和仿真。 半导体照明光学系统的设计与仿真 参考文献 【l 】廖志凌，阮新波半导体体照明j 门鼙的现状与发展趋势半导体照明! i ：程的现状与发展趋 势【j 】电工技术学报，2 0 0 6 ，( 2 1 ) ：9 【2 】e j o n e s l i g h te m i t t i n gd i o d e s ( l e d s ) f o rg e n e r a li l l u m i n a t i o ni m w a s h i n g t o n , d c ： o p t o e l e c t r o n i e si n d u s t 哆d e v e l o p m e n ta s s o c i a t i o n ，2 0 0 1 【3 】d s t e i g e r w a l d ，j b h a t ，d c o l l i n s ，e ta 1 i l l u m i n a t i o nw i t hs o l i ds t a t el i g h tt e c h n o l o g y 【j 】 i e e ej o u r n a lo ns e l e c t e dt o p i c si nq u a n t u me l e t r o n i c s ，2 0 0 2 ，8 ( 2 ) ：31 0 - 3 2 0 【4 】l i g h tr e s e a r c hc e n t e r s o l i d s t a t el i g h t i n gp r o m i s e st ot r a n s f o r mt h ew a yw el i g h tt h ew o r l d 【5 】e s c h u b e r t ，j k i m s o l i d - s t a t el i g h ts o u r c e sg e t t i n gs m a r t 【j 】s c i e n c e , 2 0 0 5 ，3 0 8 ( 5 2 7 4 ) ： 1 2 7 4 12 7 8 【6 】陈哲艮关于发光二极管和半导体照明的探讨【j 】能源：1 ：程，2 0 0 4 ，2 ：1 - 2 【7 】周太明，宋贤杰，周伟l e d 一2 1 世纪照明新光源f j 】照明：翻整学报，2 0 0 1 ，1 2 ( 4 ) ：3 7 - 4 0 【8 】陈云生2 l 世纪的灯一白色l e d 照明技术【j 】灯与照明，2 0 0 3 ，2 7 ( 2 ) ：3 6 - 3 8 【9 】刘梅半导体照明：引发照明领域第三次技术革命【j 】天津科技，2 0 0 7 ，( 2 ) ：1 8 1 9 【l o 】崔元日、潘苏予第四代照明光源一白光l e d j 灯与照明，2 0 0 4 ，2 8 ( 2 ) ：3 1 3 4 【l l 】徐建华l e d 技术应用与前景展望【j 】科技情报开发与经济，2 0 0 3 ，1 3 ( 7 ) ：2 8 7 2 8 8 【1 2 】刘行仁、薛胜薜、黄德森等白光l e d 现状和问题【j 】光源与照明，2 0 0 3 ，( 3 ) ：4 _ 8 【l3 】t t a n g e h i p r e s e n ts t a t u sa n df u t u r ep r o s p e c to fs y s t e ma n dd e s i g ni nw h i t el e dl i g h t i n g t e c h n o l o g i e s j p r o c s p i e ，2 0 0 4 ，5 5 3 0 ：7 - 1 6 【1 4 】魏智l e d 的技术发展与应用【j 】国外电子元器件，2 0 0 3 ，( 1 ) ：7 3 7 5 【1 5 】李强超高亮度l e d 技术及其应用的概述【j 】连云港师范高等专科学校学报， 2 0 0 7 ，( 1 ) ：9 3 - 9 5 一 【1 6 】d s t e i g e r w a l d ，e t a 1 硎态发光技术的照明用途【j 】i e e ej o u r n a l so ns d e c t e dt o p i c so n q u a n t u me l e c t r o n i c s ，2 0 0 2 ( 8 ) ：31 0 - 3 2 0 【1 7 】s m u t h u ，c ta 1 白光照明用的红、绿、利蓝光l e d j i e e ej o u r n a l so ns e l e c t e dt o p i c so n q u a n t u me l e c t r o n i c s ，2 0 0 2 ( 8 ) ：3 3 3 3 3 8 【1 8 】刘有源，方福波，陈定方高亮度l e d 在绿色照明：i ：程中的应用研究【j 】武汉理：【：大学 学报：交通科学与工程版，2 0 0 3 ，2 7 ( 2 ) ：2 1 5 - 2 1 8 1 2 第一章绪论 【19 m u e l l e r - m a c h ，r e g i n a ；m u d l e r , g e r d - ow h i t e d i g h t - e m i t t i i l gd i o d e sf o ri l l u m i n a t i o n j p r o c s p 正2 0 0 0 、，0 1 3 9 3 8 ：3 0 - 4 i 【2 0 n n a r e n d r a n ，n m a l i y a g o d a , a b i e r m a n ，e t a l c t m m c t c r i z i n gw h i t el e d sf o rg e n e r a l i l l u m i n a t i o na p p l i c a t i o n s j i e e e j o np h o t o n i c sw e s tc o n f e r e n c e , 2 0 0 0 ，3 9 3 8 3 9 ：1 - 9 【2 1 】h c w l c t t p a c k a r dc o b e n e f i t so fl u m i n l e d ss o l i d - s t a t el i g h t i n gs o l u t i o n sv sc o n v e n t i o n a l l i g h t i n g j ，a p p l i c a t i o nn o t e , 1 9 9 8 ，v 0 1 11 4 9 ，n o 6 【2 2 】雷玉堂黎慧未来的照明光源一自光l e d 技术及其发展【j 】，光学与光电技术，2 0 0 3 ， ( 5 ) ：3 3 - 3 4 【2 3 】胡兴军，江怀半导体照明的开发与应用【j 】，光源与照明，2 0 0 5 ，( 2 ) ：1 6 - 2 4 【2 4 】夏继军，江t ：杰半导体发光二极管( l e d ) 的应用及发展前途，2 0 0 7 ，( 5 ) ：1 1 1 2 2 5 】m i c h a e lk r i c k l l e do p e r a t i o n j 电子产品 h = 界，2 0 0 4 ，( 3 ) 1 3 半导体照明光学系统的设计与仿真 2 1引言 第二章照明光学系统的基础知识 照明光学系统不同于成像光学系统，属于非成像光学系统，虽然它采用了许 多类似于传统光学系统的设计方法，它注重于能量的分配而不是信息的传递。但 它与成像光学系统确实存在大量的不同之处。一个照明光学系统大致可分为三个 部分：光源、光学系统、照明平面l 。表2 1 列出了两者之间的区别： 表2 - 1 列出照明光学系统与成像光学系统的区别 照明光学系统成像光学系统 必须考虑光源( 如灯丝) 的形状，不太考虑物方空间的亮度分布， 设计思路 需要照亮的往往是一个立体空间在像方一般是成一个平面像 没有物像共扼系统，在照明区域 物像空间有着相应的点与点对应 中任意一点的照度都是由光源上 的共扼关系，故可在视场中心和 评价方法 许多点发出的光能通过照明系统 边缘选取并追迹光线取几个抽样 分配后叠加形成的，用光照度图 点，追迹光线到相应像点，利用 垂直像差、点列图或光学传递函 和空问光强分布图进行评价 数对系统成像质量进行评价 其形成多样，通常是由许多面型 大小各不相同的镜组合起来的，虽然可以非常复杂，但在绝大多 从光源发出的任意一条光线只通数情况下可以把其中的各光学面 系统结构 过一个面镜，即构成了一组非顺作有序排列，所有光线均按此顺 序光学面，对非顺序光学面数学序逐一通过各面 处理和光线追迹要复杂得多 2 2 照明光学系统的结构组成 2 2 1光源 在日常生活和科学研究中，光源的种类很多。而在照明光学系统中，对使用 的光源却有一些特殊的要求。不同的照明光学系统需要不同的光源，照明的光 源可大致分为以下几种2 - 5 】： 1 4