文档介绍：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×,,,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,,%,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