文档介绍：光学设计基础知识
-主要针对LED封装、LED照明以及背光源
CHOUCHOUYU
光学设计理论知识
光具有波动性和粒子性,但在应用光学的范围内,光是作
为波动来讲的,它具有波动的一切特性,比如波长、频
率、以及传播速度等。(光波的传播速度ν=c/n)
在后面的讨论中,我们常用“光线”一词,这是一个几何概
念,只是指出光波向空间传播的方向而已。一些光线的集
合就称为光束。
光线的基本性质即几何光学的基本定理:
(1)独立传播定律
从不同光源发出的光束,以不同的方向通过空间某点时,彼此互不影
响,各光束独立传播。彼此并没有什么相互作用,譬如斥拒或吸引等;
(2)直线传播定律
在各向同性的均匀介质中,光沿直线传播(光线是直线)。直
线传播的例子是非常多的,如:日蚀,月蚀,影子等等。
光学设计理论知识
(3)反射定律
定义:反射光线和入射光线在同一平面、且分居法线两侧,入射角和反射大
小相等,符号相反。
当光线射到不同介质的界面上时,一部分光线依照反射定律返回第一介
质内。
(4)折射定律
定义:入射光线、折射光线、通过投射点的法线三者位于同一平面,
且
当光线从一种介质射入另一种介质时,
有一部分光线即按折射定律改变方向进入第二介质;
光学设计理论知识
(5)全反射定律
定义:光线从光密介质射入到光疏介质,并且当入射角大于某值时,在二种
介质的分界面上光全部返回到原介质中的现象。
刚刚发生全反射的入射角为临界角,用Im表示。
(6)光路可逆现象
一条光线沿着一定的路线,从空间的A点传播到B点,如果我们在B点,按
照与B点处出射光线相反的反向投射一条光线,则此反向光线必沿同一条路
线通过A点,光线传播的这种现象称为光路可逆。
光路可逆现象,不论在均匀介质中光线直线传播时,还是在两种均匀介质界
面上发生折射与反射时都同样存在。
光学设计理论的作用
挑选合理的初始结构、设计指标
尽量少用光线就能对现状作出判断,包括
初始要求是否合理,可能不可能达到要求
判断修改的方向
光学系统设计方法
1)根据使用要求提出光学系统设计要求;
2)把光学中“不可能”的要求去掉;
3)制定光学系统合理的技术参数;
4)光学系统总体设计布局,光学部件的设计;
5)根据设计要求优化结构,一般由计算机完成;
6)如结果不合理,则反复试算并调整各光学部件
的位置和结构,直到达到预期的目标为止。
注意:光学设计不仅要考虑基本的设计概念和理
论,而且要预计可制造能力与可测试能力。
LED封装的光学设计
主要分析的光学部分:LED芯片、反射杯、封装
硅胶或者环氧、荧光胶以及透镜。
进行光学分析所需参数:
芯片:折射率、光通量、光强分布、外形尺寸
反射杯:材料表面特性(如反射率、
吸收率、是镜面反射还是
漫反射)、外形尺寸
硅胶或者环氧:折射率、透光率
透镜:折射率、透光率、表面特性、外形尺寸
要注意的问题:荧光胶(目前荧光粉的厂家很难
提供模拟计算所需的参数,所以现在还很难去准
确模拟和计算光线在荧光胶里的能量传递和分
布)
LED封装的光学系统具体分析
芯片的光学分析:以GaN蓝色芯片来说,,当光线从芯片
内部射向空气时,根据全反射定律,临界角Im=argsin(n’/n),其中n等于1,即
空气的折射率,n’是GaN的折射率,。在这种情
况下,,因此其有源层
产生的光只有小部分被取出,大部分容易在內部经多次反射而被吸收。
封装硅胶或者环氧的光学分析:为了提升芯片的取光效率,必须提升n的值,即
提升封装材料的折射率,从而提升芯片的取光效率。也就是说芯片覆盖上硅胶或
者环氧之后,芯片的取光效率会有所提升,硅胶或者环氧的折射率越高芯片的取
光效率也就越高。同时也要提高透光率。这样将会有更多的光线从芯片进入到封
装材料中,那如何将这些进入到封装材料中的光线尽可能多的取出来呢?
LED封装的光学系统具体分析
透镜形状或者环氧形状的光学分析:由于光从封装材料射出到空气中也是从光密
介质到光疏介质,所以同样也存在全反射现象,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