用于LED的微透镜阵列的光学性能研究

　　0　引言

　　LED因其绿色、环保等诸多优点,被认为是新一代的照明光源。功率LED要真正进入照明领域,实现家庭日常照明,要解决的问题还很多,其中最重要的是发光效率。目前功率LED的照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,改善光强和光束分布,提高光线的有效利用率。

　　微透镜通常指直径从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]。D.W.Kim等人[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透射型微透镜阵列,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。

　　1　LED封装模型

　　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7 mm×7 mm,芯片1 mm×1 mm×0·25 mm,反射杯底部半径0·8 mm,顶部半径1·5 mm,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℃,最低温度为25℃出现在硅胶上表面,能够满足器件对散热性能的要求。

　　2　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1 mm以上,若要制作直径更小的(如几十微米)透镜,这种工艺一般是不可能实现的。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法[6]、压印[7]、微液滴法[8]、灰阶光罩法[9]、刻蚀[10]等。

　　用于照明的LED光源正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)为传统透镜方法,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)为微透镜阵列方法,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]。