LED一次光学设计ppt课件

1、LED的一次光学设计,LED的一次光学设计与二次光学设计概述 引脚式LED的一次光学设计 提高芯片发光强度与出光效率的方式,LED的一次光学设计,LED的一次光学设计与二次光学设计概述 1、一次光学设计 把LED 芯片封装成LED光电组件时，要先进行一次光学设计。故一次光学设计主要是针对芯片、支架、模粒这三要素的设计。 目的：提高出光效率、并解决LED的出光角度、光强、光通量大小、光强分布、色温的范围与分布,LED的一次光学设计,2、二次光学设计 二次光学设计是针对LED照明器具进行优化设计，这是系统层面的设计。其目的是对整个系统的出光效果、光强、色温分布进行设计。LED光源二次光学配光设计，

2、对大面积投光和泛光照明配光需求尤为迫切。通过二次光学设计技术，设计外加的反射杯与多重光学透镜及非球面出光表面，可以提高器件的取光效率。 二次光学设计模拟软件有Code V、ZEMAX、TracePro、ASAP、LighTools等，和机械建模软件如：Auto CAD、Pro/E、UG、SOLIDWORKS等进行设计和光学仿真，不断优化而得到相应的光学透镜,光学设计结构图,LED的一次光学设计,引脚式LED的一次光学设计 模粒材料的种类 LED透镜的应用分类 LED透镜规格分类,LED的一次光学设计,1、模粒材料的种类 （1） 硅胶透镜 a. 因为硅胶耐温高（也可以过回流焊），因此常用直接封装

3、在LED芯片上。 b. 一般硅胶透镜体积较小，直径3-10mm。 （2）PMMA透镜 a. 光学级PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯），俗称亚克力。 b .塑胶类材料，优点：生产效率高（可以通过注塑、挤塑完成）；透光率高（3mm厚度时穿透率93%左右）；缺点：温度不能超过80（热变形温度92度,LED的一次光学设计,3）PC透镜 a. 光学级料Polycarbonate（简称PC）聚碳酸酯。 b. 塑胶类材料，优点：生产效率高（可以通过注塑、挤塑完成）；透光率稍低（3mm厚度时穿透率89%左右）；缺点：温度不能超过110（热变形温度135度）。 （4）玻璃透镜 光学玻璃材料，优点：具有透光率高（97%

4、）、耐温高等特点；缺点：体积大质量重、形状单一、易碎、批量生产不易实现、生产效率低、成本高等。不过目前此类生产设备的价格高昂，短期内很难普及。此外玻璃较PMMA、PC料易碎的缺点，还需要更多的研究与探索，以现在可以实现的改良工艺来说，只能通过镀膜或钢化处理来提升玻璃的不易碎特性,LED的一次光学设计,2、 LED透镜的应用分类 （1）一次透镜 a. 一次透镜是直接封装（或粘合）在LED芯片支架上，与LED成为一个整体。 b. LED芯片（chip）理论上发光是360度，但实际上芯片在放置于LED支架上得以固定及封装，所以芯片最大发光角度是180度（大于180范围也有少量余光），另外芯片还会有一

5、些杂散光线，这样通过一次透镜就可以有效汇聚chip的所有光线并可得到如180、160、140、120、90、60等不同的出光角度，但是不同的出光角度LED的出光效率有一定的差别（一般的规律是：角度越大效率越高）。 c. 一次透镜一般用PMMA、PC、光学玻璃、硅胶等材料,LED的一次光学设计,2）二次透镜 a. 二次透镜与LED是两个独立的物体，但它们在应用时确密不可分。 b. 二次透镜的功能是将LED光源的发光角度再次汇聚光成5至160之间的任意想要的角度，光场的分布主要可分为：圆形、椭圆形、矩形。 c. 二次透镜材料一般用光学级PMMA或者PC；在特殊情况下可选择玻璃,LED的一次光学设计

6、,3）透镜的选择及注意事项 a、 LED透镜作为光学级的产品，对透光性、热稳定性、密度、折射率均匀性、折射率稳定性、吸水性、混浊度、最高长期工作温度等都有严格的要求。因此，必须根据实际选择透镜的材料。原则上选择光学级PMMA，如有特殊的需求可选择光学级PC。目前为日本三菱PMMA材料为最好（VH001是经常选择的牌号），三菱公司在中国的分厂南通丽阳就会稍逊一些； b、 必须配备万级甚至更高级别的无尘车间，作业人员必须着防静电服装、戴手指套、戴口罩等防静电防尘措施，并且定期对车间做检验与清理。 c、须有专业的光学注塑机如东芝、德马格、海天、震雄等品牌的注塑机，并严格控制注塑工艺才能得到合格的产品

7、。 d、产品检验：无气泡、无凹陷、无缩痕、无流纹、无月牙；形状精度 Rt0.005 表面粗糙度 Ra0.0002。 e、产品必须用防静电防尘PVC包装，并且须完全密封包装，存放必须严格控制温度与湿度，并且最好不要存放超过一年以上,LED的一次光学设计,透镜封装的光学系统具体分析 为了提升出射光的比例，透镜的外形或者环氧封装的外形最好是拱形或半球形，这样，光线从封装材料射向空气时，几乎是垂直射到界面，入射角都会小于临界角，因而减少产生全反射的几率。如果对光强分布和出光角度有要求的话，那就要重新考虑，不同的透镜形状和封装形状会得到不同的结果,透镜的光学分析：影响出光角度，一般说透镜角度大出光角度大

8、，透镜角度小出光角度小。 硅胶和透镜的形状：影响到封装后的光强分布曲线以及出光量的多少,软件模拟与实际对比,LED的一次光学设计,3、LED反射杯规格分类 （1）折射式,特点： 1、当LED光线经过透镜时光线会发生折射而聚光，而且当调整透镜与LED之间的距离时角度也会变化（角度与距离成反比），经过光学设计的透镜光斑将会非常均匀，但由于透镜直径和透镜模式的限制，LED的光利用率不高及光斑边缘有比较明显的黄边； 2、聚光面包含的立体角有限，约70%-80%的白光从侧面泄露，发光效率低。 3、提高出光率方法：增加反光杯面积，收集侧面光线。 4、聚光方法：增加透镜曲率。 5、一般应用在大角度（50以上

9、）的聚光，如台灯、吧灯等室内照明灯具,LED的一次光学设计,2）反射式,反射面为一镀有反射膜的抛物面，管芯位于抛物面焦点。 优点：集光效率高，可以达到80%以上。 缺点：芯片对光线有遮挡。 要求芯片的纵横比小，横向尺寸：纵向尺寸4,正向反射式使用的是抛物面侧面区域。 优点：工艺简单，纵横比适中。光束发散小，集光效80%以上，光线无遮挡,LED的一次光学设计,3） 折反射式,透镜的设计在正前方用穿透式聚光，而锥形面又可以将侧光全部收集并反射出去，而这两种光线的重叠（角度相同）就可得到最完善的光线利用与漂亮的光斑效果 比折反式集光提高两倍 这种透镜集光效率高，对环氧树脂透镜的要求也高,LED的一次

10、光学设计,提高芯片发光强度与出光效率的方式,1、表面粗化工艺 将组件的内部及外部的几何形状粗化，破坏光线在组件内部的全反射，提升组件的光萃取,1)表面平整时，大于临界角的光线反射进内部有，会遇到杂质产生散射出光，但光程变化衰减很大。 2)直接将表面打毛:损伤发光层,损伤透明电极,一般采用直接刻触成型的方法,粗化方法基本上是在组件的几何形上形成规则的凹凸形，而这种规则分布的结构也依所在位置的同分为两种形式，一种是在组件内设置凹凸形，另一种方式是在组件上方制作规则的凹凸形，并在组件背面设置反射层。目前使用波长为400nm的紫外组件，可获得35%外部子效，取出效为60,表面粗化工艺是现在使用最方泛的

11、方法。粗化的原理是增加发光面积。该方法适用于黄，绿，普红，普黄。等GaPa基材的外延片，另外红外LED也可采用该方法。这种方法一般可以提高30,2、使用ITO芯片，ITO（氧化铟锡） ITO是一种透明的几型半导体薄膜 1） Eg:3.54.3eV 2）良好的导电性 =1.1010-3.cm 3）可见光区透过率高 80% 4）化学稳定性和热稳定性良好 可使电极部分的光不被完全遮档,LED的一次光学设计,3）透明衬底技术 通常LED的衬底用GaAs材料，但GaAs是一种吸光材料，LED发出的光会被它吸收，降低出光效率。为此，在外延成PN结后，用腐蚀的方法GaAs衬底去除，然后在高温条件下将能透光的

12、GaP粘贴上去做衬底，使PN结射出光通过金属底板反射出去，提高出光效率。 这种方法在制作InGaAlP四元芯片时，在去除GaAs衬底后先用粘贴方法制作一层金属镜面反光层，然后再粘贴基板，这样使射向衬底的光放射到出光面，使芯片出光效率提高,芯片黏贴之示意图,Osram Opto Semiconductors在20032月也发表新的研究成果ThinGaN，如图 2-5，可将光LED取光效提升至75%，比起传统提升3倍,LED的一次光学设计,4、改变芯片的几何外形 作用： 1）、使内部反射的光从侧壁的内部表面，再次传播到上表面，以小于临界角的角度出射，使大于临界角的光重新从侧面出射。 2）、同时减少内部传播路径，减少吸收,HP与Lumileds公司产品外部子效则大幅提升至55%，发光效高达100 lm/w，是第一个达到此目标的发光二极管,LED的一次光学设计,5、芯片倒装（Flip-chip）技术 蓝光LED通常采用Al2O3用衬底硬度高、热导率和电导率低，如果采用正装结构，一方向会带来防静电的问题，另一方面，在大电流情况下散热也会