使用LED光源的非成像光学系统的设计方法研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 1.46MB 61 页 15积分

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第一章绪论

§1.1 半导体照明技术简介

五颜六色的白炽灯和荧光灯，装点着大街小巷，给人们带来光明，带来美好

的遐想。随着第三代半导体材料氮化镓的突破和蓝、绿、白光发光二极管的问世，

半导体技术在引发微电子革命之后，又在孕育一场新的产业革命——照明革命，

其标志就是用半导体光源逐步替代白炽灯和荧光灯。半导体光源具有体积小、寿

命长、节能、环保和安全等特点，用它代替白炽灯、荧光灯是人们梦寐以求的目

标。面对半导体光源的巨大商机和新一代照明革命的浪潮，美、欧、日、韩等国

家和地区纷纷制订发展计划，以抢占半导体照明的制高点[1]。

半导体照明给人类展示了无限美好的前景。据报道，全球 2000 年白炽灯及荧

光灯的市场规模约为 43 亿美元，同年半导体照明产业的市场规模为 1.18 亿美元，

且近年保持 40%的增长速度。2002 年美国光电工业发展协会预计，半导体灯将于

2007 年替代白炽灯。科学家也预测，按照目前的技术水平和发展趋势，半导体照

明普遍市场开始启动的时间大约会在 2006 年前后，在未来的 5年至 10 年，这种

灯泡很可能成为下一代照明的主流产品。

§1.2 课题背景及意义

§1.2.1 半导体照明的发展背景和趋势

从20 世纪 60 年代第一只发光二极管问世以来，LED 经历了 40 多年的发展。

早期所用的材料 GaAsP 发红光(650nm)，在驱动电流 20mA 时，光通量只有千分之

几流明，发光效率只有 0.1 lm/W，只能做指示灯。到了 70 年代，材料研究的不断

深入，引入了 AlGaInP 材料体系，使 LED 产生绿光(555nm)、黄光(590nm)和橙光

(610nm)，光效提高到了 1 lm/W，应用进入到了显示领域。80 年代后，出现了 GaAlAs

的LED，其封装技术也逐步提高，红、黄色 LED 光效可达 10 lm/W。90 年代初，

发红光、黄光的 GaAlInP 和发绿光、蓝光的 GaInN 两种新材料开发成功，使 LED

光效得到大幅度提高。1993 年日本日亚化学公司率先在蓝色氮化镓 LED 技术上突

破并很快产业化，进而于 1996 年实现白光 LED 之后，1998 年推向市场，为 LED

找到了照明的新舞台。白光 LED 得到了迅速的发展，并在普通照明领域显示出良

第一章绪论

好的应用前景[2]。

面对半导体照明的巨大商机和令人鼓舞的发展前景，世界各国纷纷行动，日

本、美国、欧盟、韩国等近年来相继投入巨资，推出国家半导体照明计划。

日本于 1998 年在世界上率先开展“21 世纪照明”计划，旨在通过使用长寿命、

更薄更轻的 GaN 高效蓝光和紫外 LED 技术使照明的能量效率提高到传统荧光灯的

两倍，减少 CO2的产生。该计划由日本金属研发中心和新能源产业技术综合开发

机构发起和组织，参与机构包括 4所大学、13 家公司和一个协会。整个计划的财

政预算为 60 亿日元。从 1998～2002 年，是耗资 50 亿日元的第一期目标，目前己

经完成。现在，日本正在实施第二期计划，计划到 2010 年，LED 的发光效率达到

120 lm/W。

美国“半导体照明国家研究项目”由美国能源部制定，计划用 10 年时间，耗

资5亿美元开发半导体照明，参加者包括 13 个国家重点实验室、公司和大学。实

施该计划的目的是为了使美国在未来照明光源市场竞争中，领先于日本、欧洲及

韩国等竞争者。计划的时间节点是，2002 年20 lm/W，2007 年75 lm/W，2012 年

150 lm/W。

欧盟的“彩虹计划”于 2000 年7月启动，委托 6个大公司、2所大学，通过

欧盟的补助金来推广白光发光二极管的应用。希望通过应用半导体照明实现高效、

节能、不使用有害环境的材料、模拟自然光的目标[3]。

韩国“GaN 半导体开发计划”从 2000 年至 2008 年，由政府投入 4.72 亿美元，

企业投入 7.36 亿美元。研究项目包括以 GaN 为研究材料的白光 LED，蓝、绿光

Laser Diode 及高功率电子组件 HEMT(High-Electron Mobility Transistor)三大领域，

分别由心 Knowledge On、Samsung 及LG 公司负责进度管理。希望到 2008 年，LED

发光效率达 80 lm/W。

在我国，LED 产业起步于上世纪 70 年代。经过 30 多年的发展，我国 LED 产

业己初步形成了包括 LED 外延片的生产、芯片制备、封装以及产品应用在内的较

为完整的产业链。中国政府于 2003 年6月启动了国家半导体照明工程，旨在节约

照明用电，减少资源消耗，保护环境，实现人与自然的和谐发展。包括宁波、厦

门、扬州等多个城市都相继建立或即将建立半导体照明产业化基地，并将其作为

重点发展的新兴支柱产业，大力发展半导体照明技术[4-6]。

发展半导体照明产业也是关系到我国未来经济发展的战略选择。到 2002 年年

底，我国己是仅次于美国的第二大发电国，2002 年的发电总量为 1.65 万亿千瓦，

其中 1.34 万亿千瓦为火力发电，仅照明用电就占发电总量的 12%，约 2000 亿千瓦，

而且目前仍以每年 5%至10%的速度增长，控制照明用电的速度增长对缓解我国电

第一章绪论

力供应不足将大有益处。同时，火力发电每年需要燃烧大量的原煤和石油，产生

大量的粉尘和二氧化碳、二氧化硫气体，造成严重的环境污染，在全国 3000 个污

染大户中，电力占了 45%。发展半导体照明绿色产业将在一定程度上缓解我国能

源相对短缺、污染日益严重的局面，对国民经济可持续发展战略具有重大意义。

§1.2.2 半导体照明的优势

发光二极管之所以能得到业内人士的普遍关注，在指示、照明领域具有如此

大的发展潜力，是因为同传统光源相比，它具有很多优点：

1.发光效率高：与白炽灯或部分荧光灯相比较，LED 有着更高的发光效率。

Cree 的Xlamp xR-E LED 的发光效率可达 100 lm/W 以上。而高能量转换效率就意

味着在获得相同光照强度的情况下可以节省更多的电能，降低照明用电量，更加

环保。

2.光线质量高：由于光谱中几乎没有紫外线和红外线，故没有热量，没有辐射，

LED 属于典型的绿色照明光源。

3.光色纯：与白炽灯全频段光谱不同，典型的 LED 光谱狭窄，发出的光线很

纯。

4.能耗小：单体 LED 的功率一般在 0.05~1 W，通过集群方式可以量体裁衣的

满足不同的需要，浪费很少。

5.寿命长：光通量衰减到 70%的标准寿命为 10 万小时。

6.可靠耐用：没有钨丝、玻壳等容易损坏的部件，非正常报废的可能性很小，

维护费用极为低廉。

7.应用灵活：体积小，可平面封装，易开发成轻薄短小产品，做成点、线、面

等各种形式的具体应用产品。

8.绿色环保：废弃物可回收，没有污染，不像荧光灯含有汞成分[7]。

由于 LED 有上述的诸多优点及其节能环保的重要特性。各国都将之作第三代

照明的最主要产品加以推广。

§1.2.3 非成像光学照明系统研究的现状和意义

20世纪30、40年代在美国的一些生产光学产品的公司中已经出现了非成像光

学器件，但直到70年代非成像光学理论才逐渐成为一个体系，并随着对太阳能收

集等问题研究的深入，逐渐成为一门新兴的光学分支。非成像光学最先主要研究

太阳能收集利用问题，关心如何将一个大入射孔径的入射光线收集，完全传输到

第一章绪论

一个小出射孔径，从而提高能量密度，方便利用。在研究的过程中逐渐产生一整

套关于控制光线能量传输的理论。非成像光学系统简洁、能量利用率高，逐渐被

照明领域所关注，也因此被借鉴到照明系统的设计中。根据不同的设计要求，非

成像光学研究的问题可以分为两大类：光线耦合问题和给定光分布问题。

相对于传统的成像光学来说，非成像光学并不强调光源是否在屏幕上成像以

及成像质量如何，而是强调光能的传输效率及分配。利用非成像光学控制光辐射

的传输，主要可以解决两大类问题。一是光能的收集问题，其关注焦点在于光能

的收集效率；二是光能的分配问题，其关注焦点在于如何实现预先给定的光场分

布[8]。

从保护人眼健康和提高照明效果出发，很多场合都需要利用灯具进行均匀照

明，即在一个给定的位置和一个给定的区域内，形成一个照度均匀的光斑，照射

到这个区域之外的光被视为无效光。由于LED本身的朗伯特性，它在屏幕上形成

的照度沿径向迅速衰减，因此难以满足使用要求。另一方面，由于在照明范围内

每一点的照度都必须大于某一个最低照度值，同时还考虑到有相当一部分光能量

泄漏到有效范围以外，因此，往往只能通过提高光源的光输出才能达到照明要求，

这实际上造成了能源的浪费。使用均匀照明光学系统可以基本解决上述的问题。

它的功能是对光的能量进行重新分配，属于非成像光学照明系统的研究范畴。

§1.3 本课题的研究内容

本课题围绕非成像光学系统的两个关键问题，即效率和均匀度，开展了对使

用LED 光源的非成像光学系统的设计方法研究，提出了由非球面复合透镜和自由

曲面反射器构成的光学系统实现均匀照明。该均匀照明系统的复合透镜的凸面和

反射器的反射面是根据配光的要求设计出的自由曲面，并且靠近光轴的光线和远

离光轴的光线分别由复合透镜和自由曲面反射器独立控制。我们通过 Solidworks

进行二次开发，在 VB 中编写 ActiveX DLL 建立 Solidworks API 接口，通过 ActiveX

DLL 对计算复合透镜的凸面和反射器的反射面的轴对称平面上光线折射点和反射

点的坐标工程的调用，由 Solidworks 自动完成系统模型的建立，再将计算出的光

学模型在 ASAP 中进行光学仿真实验，根据实验分析的结果，调整光学系统的各

项参数。通过反复的调整和仿真实验，最后得出光强分布与实验值吻合较好的模

型。

第二章 LED 光源与非成像光学的理论基础

§2.1 LED 光源简介

§2.1.1 LED 的发光基理

如图 2-1 所示为发光二极管的发光原理：制作半导体发光二极管的材料是重掺

杂的，热平衡状态下形成 PN 结，扩散和漂移运动相等时，内建电场稳定，此时 N

区有很多迁移率很高的电子，P区有较多的迁移率较低的空穴。由于 PN 结阻挡层

的限制，在常态下，二者不能发生自然复合，当 PN 结加正向电压时，外加电场将

削弱内建电场，使空间电荷区变窄，结区势垒降低，载流子的扩散运动加强。

图2-1 LED 发光原理示意图

由于电子迁移率总是远大于空穴的迁移率，因此电子由 N区扩散到 P区是载

流子扩散运动的主体。由半导体的能带理论可知，当导带中的电子与价带中的空

穴复合时，电子由高能级跃迁到低能级，电子将多余的能量以发射光子的形式释

放出来，产生电致发光现象。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这

个中心介于导带、介带中间附近，也就是杂质能级或者缺陷）捕获，尔后再与空

穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。也就是说这些不发光的载流子

将可能被杂质能级（或缺陷）所捕获，最后以发热的形式消耗掉。

通常定义 LED 的内部量子效率为 PN 结产生的光子数与注入的电子空穴对之

比。内部效率与半导体材料的特性、制作工艺有关，通常减少半导体材料的杂质、

晶格缺陷和位错，可提高内部效率。

PN 结发出的光子是非定向的，即向各个方向发射有相同的几率。PN 结半导

第二章 LED 光源与非成像光学的理论基础

体材料相对于空气有较高的折射率，因此半导体内部发出的光子只有极少数能逸

出半导体材料与空气的界面，大多数被反射回到半导体内部，最终被吸收。我们

定义逸出效率为逸出发光二极管的光子数与 PN 结产生的光子数之比。为了提高逸

出效率，可以选择不同的封装材料、封装几何形状。这样，从晶片透出的光子首

先进入封装透镜，然后再逸出，因为封装材料的折射率在半导体材料和空气折射

率之间，因此光子逸出率大大提高，同时，封装透镜还起到保护半导体晶片和控

制输出光的分布。

§2.1.2 LED 的封装结构的类型

当前 LED 的封装包括传统的直插型、PPA(PolyPhthalamide 聚对苯二酞对苯二

胺又称工程塑料)框架式、电热分离功率型等几种典型的结构。如图 2-2 是应用最

为广泛的直插型红光 LED。如常规的子弹头型 LED 封装是将边长约 0.2mm 的正

方形芯片粘结在引线架上，芯片的正极通过球形接触点与金丝键合为内引线与一

条管脚相连，负极通过反射碗和引线架的另一管脚相连，然后其顶部用环氧树脂

包封起来，与外界隔绝。

图2-2 直插型红光 LED

另一种是 Piranha（食人鱼型）LED，如图 2-3，它的封装形式与子弹头类似，

只是引脚分布形式和外形有所不同。

图2-3 Piranha（食人鱼型）LED

Snap 型LED 是Lulmileds 公司专为车灯市场开发的一款 LED 产品，通过其专

第二章 LED 光源与非成像光学的理论基础

利TS(Transparent Structure)—透明衬底芯片技术，使其光通量达到 3~6 lm，一般 1

只车灯需要 30~50 颗一起使用，应用较复杂，发热量高。虽然采用高性能的抗 UV

环氧树脂封装，但由于环氧树脂固有的缺陷，无法完全避免因长时间高温工作发

生黄变而影响光输出。

图2-4 Lulmileds 的Snap 型LED

图2-5 结构是 Osram 公司开发的 PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier)—带引线的

塑料芯片载体型 LED，他属于 SMT(Surfaced Mounting Technology)即表面贴装技术

LED 的一种，主要应用在背光照明领域，由于其体积小、电流小（70 或150mA），

易于组合安装。但由于 PPA 的热导率很差，无法承受更大的电流，也就无法产生

更高的光输出。

图2-5 Osarm 的PLCC 型LED

还有一种是小芯片集束式封装的结构，由于采用普通 20mA 芯片，直接在铝

基PCB 上固晶、打线、发热量相比其它采用高功率芯片封装的结构小得多，由此

使用比较简单，但由于采用串、并联的方式进行芯片连接，芯片自身电参数的差

异对产品可靠性有很大影响，且其体积较大、也不利于批量生产。

图2-6、2-7 是两款大功率 LED 封装的典型结构，分别为 Osram 公司的 Golden

Dragon 系列的 LED（如型号为 LUW-W5SM，工作电流在 350mA，其光通量可达

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第一章绪论1第一章绪论§1.1半导体照明技术简介五颜六色的白炽灯和荧光灯，装点着大街小巷，给人们带来光明，带来美好的遐想。随着第三代半导体材料氮化镓的突破和蓝、绿、白光发光二极管的问世，半导体技术在引发微电子革命之后，又在孕育一场新的产业革命——照明革命，其标志就是用半导体光源逐步替代白炽灯和荧光灯。半导体光源具有体积小、寿命长、节能、环保和安全等特点，用它代替白炽灯、荧光灯是人们梦寐以求的目标。面对半导体光源的巨大商机和新一代照明革命的浪潮，美、欧、日、韩等国家和地区纷纷制订发展计划，以抢占半导体照明的制高点[1]。半导体照明给人类展示了无限美好的前景。据报道，全球2000年白炽灯及荧光灯的...

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