1 　引言

　　研发光学特性优异、可靠性高的封装技术是照明用发光二极管(L ED) 走向实用化的必经之路,而依靠经验开模对L ED 封装进行优化,成本是极其巨大的。因此,用数值方法设计性能优异的一次光学系统,对L ED 的封装意义重大,也是优化L ED 一次光学系统的唯一途径。

　　LED 光学系统属于一种非成像光学系统,不同于传统的成像光学系统,它注重于能量的分配而不是信息的传递。L ED 光学系统可以分为三个部分:光源、光学系统和光能接收面。光源和发光器件的内部系光学结构构成所谓的一次光学系统。光能接收面作为一种评价界面存在于被研究的光学系统之外,对L ED 封装及绝大多数照明光学系统来说,光能接收面所评价的大多是光亮度及其分布情况。本文将首先对L ED 发光芯片进行体光源的面发光特性简化建模,然后参照实际常用L ED 的封装结构形式,设定反射碗的形状描述函数,并改变反射碗、环氧树脂结构的相关形状、位置和材料参数,对所设计的结构进行非序列光线追迹,来模拟得到不同封装参数条件下的光能接收面的光亮度分布。最后,本文还将对模拟的结果做较为详细的对比分析,得到该一次光学系统的一组优化结果。

　　2 　LED 环氧封装的一次光学系统设计

　　2. 1 　LED 发光芯片的实体简化建模

　　光源的实体模型又称为光源几何造型,它是光源大小、形状、位置、方向、材料的综合表示,还反映光源的反射、折射、吸收等相关特性。L ED 内部的发光芯片是L ED 一次光学系统的光源,因此L ED发光芯片的模型是L ED 整体光学建模的基础。通常,L ED 芯片内部包括限制层、有源层、基底、电极等几个部分。从有源层出射的光子是随机的,即光子在空间各个方向都有可能出射。

　　光子离开L ED 芯片表面时的出射点在芯片表面上随机分布,且在芯片6 个面均有不同程度出射。但芯片外围的反光碗会改变从L ED 芯片边缘出射的光子路径,同时芯片底部的电极也会吸收部分光子,因而我们用一个立方体来表示L ED 芯片,该立方体的上表面为主要发光源。由于芯片的厚度相对于主要发光面非常小,芯片侧面的发光可以忽略不计。发光点在主要发光面上随机分布,也就是将六个面的发光特性集中定义在其一个面上,而这个面也同时向反射碗底出射光子。这样可提高光线追迹效率,并保证足够的准确度。

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