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LED光学设计的现状与展望

闫瑞;肖志松;邓思盛;朱放;黄安平;范恩科

【摘要】近年来,在各种新兴应用领域不断涌现的带动下,LED市场规模得到了快速

地提升,应用于LED产品不同阶段的光学设计也显得尤为重要.本文分别对LED的

一次光学设计、二次光学设计和后续光学设计进行了探讨.主要阐述了分立封装和

集成封装的一次光学设计;二次光学设计方法中常用的反射、折射、反射折射相混

合的模式以及二次光学设计的流程;简要地描述了后续光学设计.最后展望了不同阶

段光学设计的发展趋势.

【期刊名称】《照明工程学报》

【年(卷),期】2011(022)002

【总页数】5页(P38-42)

【关键词】LED;一次光学设计;二次光学设计;后续光学设计

【作者】闫瑞;肖志松;邓思盛;朱放;黄安平;范恩科

【作者单位】北京航空航天大学物理科学与核能工程学院,北京100191;北京航空

航天大学物理科学与核能工程学院,北京100191;北京航空航天大学物理科学与核

能工程学院,北京100191;北京航空航天大学物理科学与核能工程学院,北京

100191;北京航空航天大学物理科学与核能工程学院,北京100191;陕西烽火通信

集团有限公司,宝鸡721006

【正文语种】中文

1引言

由于LED具有寿命长、功耗低、无污染等特点，已在汽车尾灯、景观装饰灯、手

机背光源、显示屏等领域相继取得了成熟广泛的应用，现在是进入通用白光照明和

LCD(liquidcrystaldisplay)面板背光源关键时期。我国已经初步形成了从外延片

生产、芯片制作、LED芯片封装(包括单一晶粒的分立封装和多个晶粒的集成封装)

以及LED产品设计与应用的比较完整的产业链。

在LED晶粒封装成LED光源芯片的过程中必须进行光学设计，这种设计被定义为

一次光学设计。它决定了光源芯片的出光角度、光通量大小、光强大小和光强分布、

色温范围和色温分布等。将LED光源芯片应用到具体产品时，整个系统的出光效

率、光强、色温的分布状况也必须进行设计，称为二次光学设计。LED发光器件

的二次光学设计是在一次光学设计的基础上进行的。一次光学设计保证了每个

LED发光芯片的出光质量，二次光学设计则保证整个发光器件(或灯具)的出光质

量和发光效率。从某种意义上说，合理的一次光学设计，能够保证系统二次光学设

计的顺利实现，也就提高了照明和显示的效果。在最终的实际应用中，需要根据场

景或商业的需求，进行后续光学设计，主要是针对LED光源进行阵列、数量等的

设计。

2一次光学设计

LED封装中的一次光学设计主要是由内光学设计和外光学设计组成。大部分的内

光学设计是指灌封胶和荧光粉的设计，主要用来提高光通量、光效和光色。外光学

设计重点是指对出射光束进行会聚、整形，使它形成光强均匀分布的光场，对阵列

模块而言，还需要注意芯片阵列的排布。

一次光学设计的主要目的就是将LED芯片中发出的光能尽量多的取出，使LED光

源发光芯片发出的光在空间以一定的角度出射，光线沿各个方向的分布因各种不同

的封装结构而不同［1］。根据发光的形状可将LED光源分为点光源、圈光源、发

光显示器三类;根据发光的要求，封装时需要采用不同的材料和材料性质(掺或不掺

散色剂)，类似透镜或漫射透镜的作用，控制光的发散角［2］;根据不同的封装方

式，采取合理科学的一次光学设计以达到提高光效的目的。

随着实际应用中对照明灯具功率高需求的提出，除了之前LED单芯片的封装技术

之外，LED也被越来越多地采用多芯片的封装技术，分别被称为分立封装和集成

封装。由于一次光学设计直接影响到LED的使用寿命和性能，所以分立封装和集

成封装中的一次光学设计也受到了更多的重视。

2.1分立封装中一次光学设计

LED的核心发光部分是由p型半导体和n型半导体构成的pn结芯片，当注入pn

结的电子和空穴产生复合时，就会发出紫外光、可见光和近红外光。由于pn结区

发出的光子是非定向的，即向各个方向的发射都有相同的几率，所以，并不是芯片

产生的所有光都可以发射出来。LED芯片发射光的多少，取决于半导体材料的质

量、芯片结构和几何形状、封装内部材料以及封装技术和工艺，所以对于LED封

装中的一次光学设计，要根据LED的芯片大小和功率大小来选择满足不同封装方

式的一次光学设计。分析表明，具有复合抛物线形状的反光杯的会聚效果最好，可

以形成均匀的远场光分布［3］。

2.2集成