大功率LED照明系统的光学设计

论文分类号： 2 学校代码：10708 学 号：0809007

大功率LED照明系统的光学设计

宁磊

指导教师姓名：史永胜 副教授

申请学位级别：硕士 专业名称：电力电子与电力传动 论文提交日期：2011年3月 论文答辩日期：2011年5月 学位授予单位和日期：陕西科技大学 2011年6月

答辩委员会主席：孟彦京

评阅人：盲审

申请 工学硕士 学位论文

论文题目：

大功率LED照明系统的光学设计

申请学位学科：工学

所学学科专业：电力电子与电力传动 培 养 单 位：电气与信息工程学院

硕士生：宁磊

导 师：史永胜 副教授

2011年5月

OPTICAL DESIGN OF LIGHTING SYSTEM WITH

HIGH POWER LED

A Thesis Submitted to

Shaanxi University of Science and Technology in Partial Fulfillment of the Requirement for the Degree of

Master of Engineering

By Ning Lei

Thesis Supervisor: Professor Shi Yongsheng

May, 2011

目 录

摘 要 .......................................................................................................................................... I ABSTRACT ............................................................................................................................... II 1 绪论 ......................................................................................................................................... 1

1.1课题背景及意义 ............................................................................................................ 1

1.1.1 LED发展历史回顾 ............................................................................................. 1 1.1.2 国内外发展现状 ................................................................................................. 2 1.2 LED照明特点及应用 ................................................................................................... 3

1.2.1 LED照明优点 ..................................................................................................... 3 1.2.2 LED的应用 ......................................................................................................... 4 1.3 本科题研究内容 ........................................................................................................... 5 2 LED发光机理及照明设计 ..................................................................................................... 6

2.1 LED发光机理 ............................................................................................................... 6

2.1.1 半导体器件的发光原理 ..................................................................................... 6 2.1.2 LED芯片结构及能带结构 ................................................................................. 6 2.1.3 白光LED ............................................................................................................ 8 2.2 LED照明光学设计 ..................................................................................................... 10

2.2.1 LED一次光学设计 ........................................................................................... 10 2.2.2 LED二次配光设计 ........................................................................................... 11 2.3 照明技术基本参数 ..................................................................................................... 11 3 LED一次光学设计 ............................................................................................................... 15

3.1 利用Tracepro软件进行一次光学设计 ..................................................................... 15

3.1.1 关于设计软件TracePro简介........................................................................... 15 3.1.2 一次配光设计步骤 ........................................................................................... 16 3.2 影响出光率的因素研究 ............................................................................................. 17

3.2.1 封装腔体形状与出光率的关系 ....................................................................... 17 3.2.2 封装腔体张角与出光率的关系 ....................................................................... 18 3.2.3 封装腔体顶面凹凸性与出光率的关系 ........................................................... 18 3.2.4 其它因素对出光效率的影响 ........................................................................... 19 3.3 一次配光结论 ............................................................................................................. 19 4 LED照明的二次光学设计 ................................................................................................... 21

4.1 非成像光学设计 ......................................................................................................... 21

4.1.1 非成像光学发展历史及应用 ........................................................................... 21 4.1.2 半导体照明中的非成像光学设计 ................................................................... 22 4.2 大功率LED照明反射器优化设计 ........................................................................... 23

4.2.1 反射器的优化设计 ........................................................................................... 23 4.2.2 模拟分析及结论 ............................................................................................... 26 4.3 LED照明自由曲面透镜设计 ..................................................................................... 27

4.3.1 偏微分方程法构造自由曲面透镜 ................................................................... 28 4.3.2 能量守恒划分网格法构造自由曲面透镜 ....................................................... 29 4.4 LED二次光学设计结论 ............................................................................................. 40 5总结和后续研究 .................................................................................................................... 41

I

5.1 总结 ............................................................................................................................. 41 5.2 后续研究 ..................................................................................................................... 41 致谢 ........................................................................................................................................... 42 参考文献 ................................................................................................................................... 43 附录A：自由曲面离散点坐标 ............................................................................................... 46 附录B：自由曲面透镜三视图 ............................................................................................... 48 攻读学位期间发表的学术论文目录 ....................................................................................... 49 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 ....................................................................... 50

II

大功率LED照明系统的光学设计

1 绪论

1.1课题背景及意义

1.1.1 LED发展历史回顾

利用PN结或类似结构把电能转换成光能的器件叫发光二极管，即LED(light emitting diode)。这种发光是由注入在N型层内的电子和P型层内空穴复合而产生的发光，因此也称为注入式发光。LED照明光源是继白炽灯，荧光灯之后的第三代绿色固体照明光源，具有发光效率高、寿命长、无污染、体积小、可靠性高、绿色环保等特点，然而从LED的发现到应用经历了相当长的时间及不平凡的道路[1]。

早在1907年就曾报道过，在金刚砂晶体通以正，反两个方向的电流时可以看到发光现象。这是H.J.Round在无机半导体上观察到发光现象。20世纪20年代后期Bernhard Gudden和Robert Wichard 在德国使用从锌硫化物与铜中提炼的黄磷发光。1936年，George Destiau出版了一个关于硫化锌粉末反射光的报告。1950年，人们大都在对SiC，Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体的矿物质发光现象进行研究。1954年人工合成GaP晶体发光。

20世纪50年代后，随着半导体知识的不断增加，以及人工制作发光结构技术的不断提高，人们开始尝试利用半导体晶体的发光现象。1962年，美国通用电气公司的霍洛亚克博士用化合物半导体材料磷砷化镓(GaAsP)研制出发红光的二极管。

20世纪80年代之前，LED的发光材料主要是以GaAsP三元化合物为主，通过其不同的组分配比，得到红绿黄等颜色的光。该时期的光效仅为1lm/W，亮度低，价格贵。在当时仅用于电子产品的灯。进入20世纪80年代之后，AlGaAs(铝镓砷)材料开始被人们作为发光二极管的发光材料，发光效率大大的提高，90年代初期，汽车灯和显示屏应用了此材料，但光衰相对较大。

80年代后期，随着金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术的成熟，以AlInGaP(铝铟钾磷)为材料系的红光LED芯片和黄光LED芯片开始被人们研究。与此同时，随着其LED发光芯片结构和衬底技术的不断提高，AlInGaP(铝铟钾磷)四元材料在今天已经成为重要的高亮度LED发光材料之一。

1994年，日本科学家中寸修二在GaN基片上研制出了第一只蓝光二极管。这一转折性的突变使人们可以通过混色的方法来实现白光。GaN基蓝光LED的商业化，大大推动了RGB全彩动态大屏幕显示应用的发展[2]。90年代中期以来，越来越多的广告，娱乐场开始应用LED。采用在蓝光芯片覆盖发黄光的钇铝石榴石为主体的荧光粉制成的白光LED，其亮度大大的提高。

目前LED已被广泛的应用在照明领域，如果要像荧光一样的普及，白光LED还需要性价比的进一步提升。我国于1986年在长春中科院研究所研制开发了第一只LED，表

1

陕西科技大学硕士学位论文 明了LED在我国正式起步，20世纪80年代LED在我国初步形成，90年代具有很小规模的生产，随着后期迅猛的发展，当今LED从外延到管芯，再到封装，最后到照明整条产业链在我国遍地开花。 1.1.2 国内外发展现状

目前，国外LED发展技术水平较高，主要形成以美国，日本，欧洲三大区域为主，日本Nichia、Toyoda Gosei，美国Cree、Lumileds，德国Osram等均技术水平较高，美国和日本企业主要在前段、中段技术比较领先，而欧洲企业主要在产品的后段应用方面处于领先地位，表1-1是一些在LED行业技术较领先的国家和企业。

表1-1 LED领先水平的国外厂家

Tab1-1 LED leading level of foreign manufactures

公司名称 日本Nichia 日本Toyoda Gosei 日本Toshiba 美国Cree 美国Lumileds

美国Gelcore(现名Lumination)

德国Osram

主要内容

主要生产GaN基蓝、绿、紫及紫外LED外延、管芯

GaN基蓝、绿LED管芯，以及封装 以生产GaN基LED产品为主

在SiC衬底上生长管芯，有蓝光，绿光，紫外光LED，紫

外光LED比较领先。

LED封装技术领先，白光亮度较高。 白光技术及应用领先，LED灯具设计世界领先

欧洲相对较大的超高亮度LED厂家

这些企业和厂商代表了当今LED的最高水平，日亚公司是研究出第一只LED产品的公司，同时，封装LED用的YAG荧光粉也是本公司的专利，cree公司生产的管芯在目前是比较领先的，德国Osram公司的高亮度LED处于领先[3]。

LED产业在我国起步于20世纪70年代，经过40多年的发展，在我国已经形成了产业化，中国政府大量支持LED的发展，在政策，税收和资金上给予支持，同时863光电子项目的投入，加大了大学，科研机构的重视，各地政府和企业的投入加速了LED的发展，目前形成上海、大连、南昌、厦门、深圳、扬州和石家庄7个国家半导体照明工程产业化基地。

随着2008年北京奥运会上，2009年国庆60周年阅兵上，2010年上海世博会上对LED大量的应用，加速了LED在我国发展的步伐，我国LED企业4000余家，在LED的外延，管芯，封装，应用，原材料上初步形成了产业链，在芯片制造上，除了科研机构和大学的研究外，主要生产的企业有厦门三安，大连路美，江西联创，深圳方正等几十家企业；在封装方面，我国的生产企业较多，主要集中在广州，深圳等沿海区域；在照明应用方面，有上千家生产企业。尽管我国LED企业数量较多，但规模普遍偏小。同时，技术要

2

大功率LED照明系统的光学设计

求较高含金量较大的中上游企业较少，其中中上游企业60多家，封装企业1000多家，下游企业3000多家。

因此LED在我国的发展，还需要一段时期和国外的差距才可能减小。同时也应看到我国在衬底、外延、芯片以及封装的部分领域内也取得了一些成绩，一些科研院所拥有的专利技术也可以与跨国公司相抗衡[4]。

1.2 LED照明特点及应用

1.2.1 LED照明优点

LED自其诞生之日起，就凭借着其体积小、全固态、长寿命且环保省电的特点，使其在研发及应用领域都倍受青睐。在其实现全彩化和高亮度化，并产生白光LED后，更是带来了人类照明史上的又一次飞跃[5]。随着LED技术的不断发展完善，以及人们节能环保意识的逐渐增强，大功率白光LED必然日益受到追捧，LED技术预计在未来很有可能挑战白炽灯、荧光灯的主导地位，成为“第三代”绿色照明光源。相对于传统的白炽灯、荧光灯等照明光源，LED应用于照明领域主要具有以下方面的优点：

a亮度高

其发光效率可超过150lm/W（2010年）。将LED与普通白炽灯、螺旋节能灯及T5三基色荧光灯进行对比，结果显示普通白炽灯的光效为12lm/W，螺旋节能灯的光效为60lm/W，T5荧光灯则为96lm/W，而直径为5毫米的白光LED光效可以超过150lm/W，有人还预测，未来的LED光效上限将更大。

b使用寿命长

普通白炽灯的寿命约为一千小时，荧光灯、金属卤化物灯的寿命一般不会超过一万小时，LED相对其寿命较长，平均寿命达5-10万小时。

c体积小、重量轻

由于LED的发光面积很小，当面积达到一定程度时LED的发光效率会大大降低，目前面积较大的芯片也仅在45mil*45mil左右(1mil=25.4微米)，理论上计算LED的最大发光面积也小于2平方毫米，即LED默认为是点发光源[6]。因此LED体积小、重量轻。

d绿色、环保

与白炽灯和荧光灯相比，LED光源属于绿色光源，由于白炽灯，荧光灯的发光效率低，因此在用白炽灯和荧光灯照明时，消耗很多电能，而大部分的电能又来自火力发电，要燃烧大量的煤炭，从而污染了环境，由于LED的发光效率较高，消耗电能会减少，因此节能绿色。同时LED灯不像荧光灯那样有污染物汞，当灯坏了时，灯内的水银会污染环境，而LED灯则不存在此问题，因此LED灯照明绿色而且环保[7]。

3

陕西科技大学硕士学位论文 D00,D01......D0B N00,N01......N0B D10,D11......D1B N10,N11......N1B

DA0,DA1......DAB NA0,NA1......NAB

则透镜表面的所有数据点及其法矢量求解完毕，即确定了一个透镜的表面。

(3) 自由曲面透镜设计过程及结论

根据能量守恒划分网格原理，借助于计算机辅助设计，运用matlab软件编程设计了一款LED灯的自由曲面透镜，并对其设计的透镜用Tracepro软件进行仿真，画出了自由曲面透镜的三视图。其设计条件和仿真结果如下：

a照明系统的条件

设计1W大功率LED灯珠的自由曲面透镜一款，要求光源距照明面的距离为120mm，光源垂直入射照明面，照明区域为矩形区域，照明面的面积为100mm*400mm，照明均匀性好，照明用光源为1W大功率LED1颗，近似为郎伯光源，光通量100lm。

b计算机辅助设计自由曲面透镜的过程

首先进行理论计算，按照能量守恒的方法建立照明面和点光源之间的对应关系，然后对得到的关系进行分离变量，对纵向能量守恒和横向能量守恒离散化求解，得到光源出射光线的方向和光线照到照明目标面上的点，最后运用折射定律与空间坐标系下求解切平面相结合，进一步求出自由曲面透镜上的离散点。此过程运用matlab软件对其进行编程求解。

计算机软件编程求解，按照理论计算的方法运用matlab软件对其进行编程。第一步是根据对应关系，选择合适的步长进行求解光源发射光线方向的方向角，第二步根据折射定律和空间切平面公式求解光线入射到自由曲面透镜的入射点，第三步运行程序可以得到自由曲面透镜上的离散点。

注：此部分编程见附录A

借助于计算机求解后，对得到的离散点进行连接，优化设计构造自由曲面透镜，得到的自由曲面透镜导入到Tracepro中，图4-11是导入此自由曲面透镜后的结果，是自由曲面透镜的三维立体图，图4-12和图4-13是从不同方向观察的自由曲面透镜轮廓图，此透镜是单颗LED灯珠的自由曲面透镜，从外观上分析，此透镜是中心内凹，两边凸起，靠近坐标原点处即透镜底面中心处有一球冠，图4-12和图4-13可以清楚的看到球冠，此球冠就是要放1W大功率LED灯珠的位置。由于设计的自由曲面透镜从外观看起来像花生壳形状，我们也称为花生状透镜。

34

大功率LED照明系统的光学设计

图4-11 自由曲面透镜

Fig4-11 Three-dimensional model of freeform len

图4-12 自由曲面透镜结构1 Fig4-12 Structure 1 of freeform len

图4-13 自由曲面透镜结构2 Fig4-13 Structure 2 of freeform len

为了更清晰的观察自由曲面透镜，可以用三视图来描述自由曲面透镜，图4-14是俯视自由曲面透镜的结果，图4-15是主视自由曲面透镜的结果，图4-16是左视自由曲面透镜的结果，图4-17是自由曲面透镜左视图。图4-17是图4-16的轮廓图。

图4-14 俯视自由曲面透镜 Fig4-14 Vertical view of freeform len

35

陕西科技大学硕士学位论文

图4-15 主视自由曲面透镜 Fig4-15 Front view of freeform len

图4-16 左视自由曲面透镜 Fig4-16 Left view of freeform len

图4-17 自由曲面透镜左视图 Fig4-17 Left view of freeform len

Tracepro软件仿真：

第一步向Tracepro软件中导入自由曲面透镜模型，建立LED光源模型，LED光源放置在自由曲面透镜底部的球冠内，LED灯珠和球冠表面紧贴。建立照明目标面，照明面距离LED光源120mm。第二步对光源进行条件设定，本次仿真所用光源是1W大功率LED，光源选择朗伯光源，光通量100lm，对自由曲面透镜进行材质定义，此自由曲面透镜的材质定义为透光性材质。第三步进行光线追迹，光线数量为100000根。第四步进行

36

大功率LED照明系统的光学设计

照度，发光强度，光均匀性分析。光线追迹如图4-18和图4-19，图4-18和4-19分别是从不同角度观察光线追迹结果。从追迹过程可以看到从LED灯发出的光透过自由曲面透镜照射到照明面上。图4-19可以看到在进行光线追迹时有几根光线从LED灯的背面射出，这是由于在进行光线追迹时，TracePro是一个以Monte Carlo算法设计光线的软件，其产生的光线具有随机性，因此可能产生的几根光线是随机光线，并非实际中有用的光线。同时从图4-18和图4-19可以看到，在进行光线追迹时大量的光线通过自由曲面透镜折射后照到了照明目标区域，有少数的光线折射到照明目标区域以外，说明通过自由曲面透镜后的能量不是都照到了照明目标区域，而是一小部分能量照到了照明目标区域以外。一方面是光通过自由曲面透镜时发生多次反射后折射出透镜所致，这是理论设计的不足，但在进行光线追迹时设定了大量的光线，少数光线的偏移不会影响照明系统的均匀性，可以通过进一步的优化设计使通过自由曲面透镜后的能量大量集中于照明目标区域。另一方面也有在仿真时仿真软件的误差所致。

图4-18 光线追迹1

Fig4-18 Three-dimensional ray tracing 1

图4-19 光线追迹2

Fig4-19 Three-dimensional ray tracing 2

c仿真结果分析：

图4-20是用Tracepro软件仿真得到的照度图，由于在设计时，要求设计的自由曲面透镜满足LED光源通过此透镜后照射面形状为矩形，照射面积为100mm*400mm，从方针结果我们可以观察到LED光源照到照明面的形状为矩形，照明面的面积大约为100mm*400mm。同时从照度图4-20也可以看到，虽然在照明区域以外的区域有微弱的

37

陕西科技大学硕士学位论文 能量，但照明区域集中了70%以上的能量，而且照度均匀。图4-21是用Tracepro软件仿真得到照明面中心照度分布，即X=0(Vertical)和Y=0(Horizontal)位置处的照度分布，从此图可以看出在X=0，Y=±170mm的矩形区域内照度在2500lx附近震荡，因此表明在此区域的照明均匀性较好，在此矩形区域外的区域照度虽然有所降低，但此区域的照明均匀性较好，同时可以看出在Y=0，X=±50mm的矩形区域内照度在2500lx附近震荡，因此表明在此区域的照明均匀性好，由于在X，Y方向的照明均匀性均好，表明此照明系统均匀性好。

照明面照度计算：E=Φ/S=100lm/0.04m2=2500lx，理论计算得到照明面的平均照度为2500lx，同时从图4-21可以看到通过软件模拟得到照明面的照度在2500lx附近震荡，与理计算相符合。

图4-20 LED灯照度图 Fig4-20 Illmunation of LED lamp

图4-21 照明面中心照度图

Fig4-21 Center illmunation of target area

图4-22是模拟照明系统的发光强度图，从发光强度图可以看到LED光强并非在中心位置光强最强，而是光强向两边分散，表明LED灯珠的能量通过自由曲面透镜后由中心处向四周转移，从而可以满足照明面照明的均匀性，虽然LED灯通过自由曲面透镜后的光强曲线不是光滑的蝙蝠翼状曲线，但有接近蝙蝠翼状的趋势，同时可以看到在照明目标区域以外的区域分布极小的光强。

照明均匀性分析：

表4-2是用TracePro软件模拟的照明系统的照度表，根据照度均匀性公式可以计算

38

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/afsh.html