0 引 言

　　LED 相对于传统光源具有诸多优点：光效高，寿命长，响应快，节能环保等。被公认为是继节能灯之后的第四代光源，具有广阔的应用前景。

　　当前，实现大功率LED 照明封装的方式主要有单颗功率型芯片封装和多芯片集成封装。由于局限于芯片尺寸，单颗芯片封装的大功率光源工艺复杂，成本较高。集成封装的光源具有光效高、成本低、芯片排布灵活等优点，能解决单颗芯片应用时遇到的困难，已经在照明领域得到了广泛的应用。采用集成封装芯片数目多，芯片发出的光线出光效率低，所以需要对集成光源进行一次光学设计。一次光学设计是二次光学设计的基础，其主要目的就是增大LED 光源的出光效率，使芯片发出的光满足特定的光强分布，但目前文献中仅对单颗或者COB 形式的光源进行了设计，多杯集成封装的出光模拟文献较少。

　　本文主要从逐一改变芯片间距d、反光杯的底部半径r2 与深度h、硅胶折射率n 四个参数的角度来研究了对出光效率和光强分布的影响。

　　1 基于Tracepro 进行一次光学设计与优化的原理

　　Tracepro 是一款由美国Lambda Research 公司开发，基于Monte Carlo 的非序列光线追迹光学仿真软件，主要用于照明设计和杂散光分析[8-9]，可以将真实立体模型与光学仿真分析紧密结合起来。本文首先通过对比模拟与实测单颗芯片的光强分布曲线来证明基于此设计方法的准确性，然后将其应用于多芯片的集成光源设计。LED 光源的一次光学设计主要是针对芯片封装的出光效率和光强分布而进行的，本设计实验中对出光效率和光强分布的主要影响因素为芯片间距d、反光杯的底部半径r2 与深度h、硅胶折射率n 四个参数，故设计过程中采取固定三个变量、改变单变量的方法来获得每个参数的影响规律，得到每个参数最优值后，逐步优化，从而得到整体性能的最优值。模拟过程中得到的相关参数的影响规律对于实际的生产都具有一定的参考意义。

　　2 单颗芯片模拟

　　模拟采用功率型芯片，LED 芯片的尺寸和整个光源相比，不能将其视为点光源处理。在芯片的建模中，可以依据芯片内部结构建立模型。通常包括衬底、限制层、有源层、电极等[10]几部分，其中每一部分结构的材料及材料尺寸、性质等均不相同。若均进行模拟，将会使设计变得复杂化，同时还会耗费大量的系统资源，给后续的工作造成不便[6]。因此，对芯片进行模拟时，可以将芯片简化为立方体;考虑到软件运行时所消耗的时间以及模拟光线对计算机性能的要求，本文定义芯片的上表面为发光面，简化模型模拟时间，减少计算机的使用资源，提高设计的速度。

　　本文中以BRIDGELUX 的BXCE4545 型芯片作为研究对象进行建模，芯片尺寸为1.14 mm×1.14mm×0.15 mm，芯片折射率n=2.415，发光面出射的光线满足Lambertian 分布，即：

　　其中：IN为法向光强，I(θ)为与法向光强成θ角度的光强值。图1 是模拟出的光强分布曲线图，可以很好地吻合芯片规格书提供的实测曲线(图2)，为下面的多芯片模拟提供了依据。