基于微透镜阵列的LED光学性能

　　1　引言

　　LED因其全固态、环保等诸多优点,被认为是新一代的绿色照明光源。功率型LED要真正进入照明领域,实现家庭日常照明,要解决的问题还有很多,其中最重要的便是发光效率。目前功率型LED的流明效率还远达不到家庭日常照明的要求,大多用于特种照明使用,为了提高LED的发光效率,一方面需要芯片技术的进步;另一方面就是改进封装结构,特别是二次光学设计,进一步提高取光效率。

　　微透镜通常指直径10～100μm的微小透镜,把一系列微透镜规则排列起来就是微透镜阵列(MLA)。近年来,人们将MLA技术用于改善LED的取光效率,做了大量的研究[1～4]。DongwooKim等[5]用等离子刻蚀技术制得了10μm的MLA,可将LED光强度提高40%。本文研究了一种典型LED的封装结构,通过在光线出射面安装微透镜阵列,改善光线分布,探索微透镜阵列对LED光学性能的影响,取得了较好的效果。

　　2　LED封装模型设计

　　LED封装的模型设计如图1所示。LED芯片用银胶粘贴在金属基板上,芯片电极通过金线引出,反射杯表面经过金属化处理增加反射效果,内部用硅胶封装保护芯片和引线。各部分的结构尺寸为:基板7mm×7mm,芯片1mm×1mm×0.25mm,反射杯底部半径0.8mm,顶部半径1.5mm,倾角55°。经过有限元软件ANSYS模拟,得到封装结构的最高温度出现在LED芯片,达到76℃,最低温度出现在硅胶上表面,为25℃,能够满足器件对散热性能的要求。

　　图1　LED模型设计

　　3　微透镜阵列设计

　　在微光学系统中,微透镜阵列有广泛的应用,然而传统光学元器件的尺寸一般都较大,通常都在毫米量级及以上。例如,采用玻璃冷加工技术制作的透镜、棱镜,由于工艺的限制,直径都在1mm以上,制作直径更小的(如几十微米)透镜,采用这种工艺一般是不可能的。为了制作微型透镜,就不能采用传统的机械加工方法,而必须采用新发展起来的光学微加工方法。微透镜阵列的发展,主要是在20世纪80年代,在微电子技术基础上,光学微加工技术有了迅速发展,出现了一系列制作微透镜阵列的新工艺。目前据文献报道的微透镜加工方法包括热熔(reflow)法[6]、压印(em-bossing)法[7]、微液滴(droplet)法[8]灰阶光罩(grayscale)法[9]、刻蚀(etching)法[10]等。

　　用于照明的LED光源朝着大功率方向发展,然而目前存在着取光效率不高等问题,光学元件制作技术的巨大进步为解决这一问题开辟了新的道路。图2(a)为传统的方法,通过大尺寸的透镜达到聚光的目的,但这种方法不适用于多芯片LED;图2(b)为采用微光学元件的方法,能够满足小型化、低成本、高性能的要求。Heptagon公司采用独有的REEMO技术生产的折射型和衍射型七边形MLA具有成本低、耐久性好、易于大量生产等优点[11]。

　　图2　用于LED的光学透镜元件

　　图3为光线出射面安装微透镜阵列的三维图,该微透镜为折射型半球形透镜,其中微透镜直径为0.1mm,有效孔径比为78.5%,整个光出射表面为31×31阵列。

　　图3　微透镜阵列模型设计

　　4　光学模拟与分析

　　TracePro是广泛应用的光学设计与分析软件,本文借助TracePro对所设计的LED模型进行配光的仿真试验。分别将图1和图3设计的封装模型导入TracePro,建立配光模型,定义各表面属性和芯片光通量等参数就可以进行模拟仿真。设置发光面出射光线50000条,光通量为100lm,反射杯内表面为镜面,即反射率为100%,微透镜是折射率为1.493的透明合成树脂。对LED封装结构模型做如下假设:从芯片发出的光线没有损失,且满足朗伯特分布;反射杯内表面为理想的全反射;不考虑光子的吸收以及电性能、温度的影响。

　　图4为经过模拟的光强度分布图。从图中可以看出,光线出射角度都较小,这主要取决于反射杯的杯深与倾角,OliverKuckmann[12]研究了大功率LED阵列的封装技术,发现要想增加LED的发光效率,反射元件的设计非常重要,一般采用的方法是直接将透镜安装在LED之上,也有附加二次光学元件的设计,这取决于封装的光学要求。图4(a)中光强度分布较窄,发光强度随角度均匀的变化,中心发光强度最大,这是反射杯聚光的结果;图4(b)经过安装微透镜阵列,光强度分布成椭圆形,半强度角为40°,发光强度随角度变化较小,光线较(a)发散,这是由于经过微透镜的二次折射,光线重新分布所致。

　　图4　光强分布图(a)原始模型光强分布图;(b)微透镜阵列模型光强分布图

　　图5为经过模拟的照度分布图。模拟中,在距离LED为100mm处设置一接收屏幕,屏幕尺寸为1000mm×1000mm×1mm,朝向LED光线出射一面设置为完全吸收,得到屏幕上显示的照度图。从图中可以看出,照度呈阶梯状均匀分布,图5(a)光斑直径约为800mm,中心照度最高,为10000lux,图5(b)光斑直径约为240mm,中心照度达到4750lux。如果同取直径为200mm的范围,二者照度几乎相同,但前者的照度衰减了90%,安装微透镜阵列后照度衰减了78.9%,照度衰减降低了12%以上,虽然也有衰减,但明显优于前者,全部的光线分布在更小的面积上,因此微透镜阵列对增加光照度是非常显著的。

　　图5　照度图(a)原始模型照度图;(b)微透镜阵列模型照度图

　　表1给出了不同透镜尺寸对LED光学性能的影响,安装微透镜与无透镜相比,光强与光通量皆有减小,这是透明树脂对光线的吸收、折射等损耗了一部分光线以及杂散光的存在所致。改变透镜的尺寸,经过模拟发现,微透镜直径越小,光强度越大,而光通量越小。这是由于微透镜直径越小,发光面上的微透镜数量就越多,势必增加光通量的损失,但单位立体角内的光通量(即光强度)会增加。如果光线出射面加上直径为3mm的透镜,光强度反而又增大,但出现中心光强度小,周围光强度大,容易出现光斑。对于出现这种情况的原因可能与反射杯的设计有关,还需要进一步深入研究。

　　表1　透镜尺寸对LED光学性能的影响

　　5　结论

　　微透镜阵列作为微光学领域的主要器件,在聚光、光束变换、光学成像等方面具有重要的用途。将半导体制程技术与各种微光学组件结合可形成完整的微光机电系统(MOEMS),此系统可具有分光、光束偏折、聚焦、切换等功能,被广泛应用于如LCD之背光模块、投影机、光纤通讯系统等光电及通讯产品。

　　本文根据LED的发光特点设计了一种应用微透镜阵列的LED光学系统,研究了微透镜阵列对LED光强、照度等光学性能的影响,模拟结果表明,基于微透镜阵列的LED光学系统能改善照明系统的取光效率,光强度分布以及照度分布,能将LED的照度衰减降低12%以上,从而得到更加均匀的照明系统。

编辑：Cedar