第六章 LED封装的配光基础

一、封装配光的几何光学法

1、由折射定律确定LED芯片的出光率：

1）折射定律用于半导体芯片：根据光的折射定律，光线从光密介质芯片向光疏介质空气行进时，会发生全反射，条件是入射角需大于临界角。光线以小于临界角射向芯片与空气的界面，折射光线以大于入射角的方向进入空气；光线以临界角入射到界面，则折射光线沿界面折射；光线以大于临界角的方向入射到界面，这此时产生全反射，反射角与入射角相等。

2）芯片对出光率的影响：

a.芯片出光率对光效的影响：芯片的电光转换效率（光效）是芯片的光功率（光通量）和电流注入功率之比，单位是lm/W；芯片的光效几乎取决于芯片的出光率；

b.芯片出光率对发热量的影响：前述LED的出光效率不到10%，90%的光线返回芯片，最终消耗转化为热量，使芯片温度升高，光衰加剧，光效变差，寿命减短；

3）LED封装配光时技术参数不一致对出光率的影响：

a.LED封装配光导致的技术参数不一致性；

b.配光时芯片位置对出光率的影响；

c.芯片倾角对出光率的影响；

4）对LED配光时提高出光率的途径：

a.降低出射面两边介质的折射率差，增大出射光锥

◆寻找低折射率的芯片材料；

◆增加中间过渡层；过渡层要求无色、透气，中间层的折射率尽量接近芯片的折射率，另外要求具有可塑性和可加工性；

b.增加出光面透过率的措施：在p型区表面蒸镀一层膜；改变芯片表面微结构；

c.去除涂层，采用倒装技术增加出光率。

2、由几何光学建立LED光学模型

1）光学模型：芯片是LED光学系统的光源，一般包括限制层、有源层、基底、电极等几个部分。光子在有源层中产生，先经芯片各层界面的折射，再经芯片和环氧树脂界面的折射以及反光碗的反射，最后经透镜表面折射进入空气。根据不同光线对出射光强影响的不同，把芯片发出的光线分为三类：

Ⅰ类为从芯片出射直接射向球面的光线，这类光线是整个光学系统中最主要的，他们对LED输出光强贡献最大；

Ⅱ类为从芯片出射后经反光碗作用的光线，这类光线对输出光强的影响取决于光线经反光碗作用后偏离法向角度的大小；

Ⅲ类为从芯片出射后直接射向圆柱面的光线，该类光线对输出光强的影响很小，经界面折射之后在观察屏上将形成圆形的、沿径向渐远渐弱的背景光分布。

2）配光效果检测：在模型参数中，对环氧树脂进行材料属性定义，对芯片的5个出光表面进行面光源属性定义，对反光碗的内表面进行面属性定义，最后用TracePro软件对光线进行追踪，得到依据模型的该LED的相对出射光强分布曲线。

3）用光学追踪软件TracePro进行计算分析

a.反光碗张角α对光强分布的影响；

b.芯片深度对光强分布的影响；

c.环氧树脂折射率对光强分布的影响；

d.环氧树脂封装透镜的半径对光强分布的影响。

 

二、基于蒙特卡罗（Monte Carlo）模拟方法的配光设计

1、蒙特卡罗方法概述：. Monte Carlo方法（简称MC方法）是一种数理统计方法，又称统计实验方法（statistical），用MC方法求解物理问题的过程可以归结为以下三个主要步骤：

1）建立与问题相关的一个随机模型，在其上形成某个随机变量，使它的某个数字特征正好是问题的解；

2）对模型进行大量的随机模拟实验，从而获得随机变量的大量的实验值（抽样值），即通过模拟实验得到总体的一个子样，每个抽样值就是子样中的一个元素，这里要解决的是如何从已知概率分布实现抽样的问题；

3）计算处理模拟的结果从而产生待求数字特征的估计量给出问题的解及解的精确估计。

2、LED封装前光学模型的建立：LED封装光学结构的模拟必须建立在正确有效的模型上，说建立的模型要求尽量反映LED封装光学结构的主要特征，抓住影响LED光学分布的主要因素，简化计算模型，抽象出最简洁有效的LED封装光学结构模型。

3、蒙特卡罗方法的计算机求解过程

1）LED封装光学结构的数学MC模型表述；

2）LED封装光学结构模型的计算机求解，光子的一系列作用过程如下所述：

a.光子的产生和随机数序列的生成；

b.光子与封装表面碰撞位置的计算；

c.光子与封装表面作用有效性的判断；

d.光子在封装表面的反射与折射；

e.光子的内俘获；

f.光子的收集统计。

4、模拟结果的数值统计和表现

对于所追踪的每一个光子，只要它能够从封装结构中出射，由它的出射坐标和出射方向向量可以精确地计算出它落在观察屏上的精确位置，即坐标点。

5、LED封装光学结构的MC模拟

1）LED的照度分布的模拟与测试；

2）LED配光光强分布的模拟与测试

a.样管的制备；

b.LED样管的模拟测试及配光曲线对比分析

◆模拟中参数的选取原则；

◆模拟结果的统计和光强分布图的输出；

◆样管光强分布的测量

LED各个结构参数对其光强分布皆有影响，设计人员在配光设计时，用蒙特卡罗方法进行计算机模拟，在封装前找到最佳光强分布至关重要。