大功率LED照明系统的光学设计.doc

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 LEDA Thesis Submitted to Shaanxi University of Science and Technologyin Partial Fulfillment of the Requirement for the Degree of Master of EngineeringBy Ning Lei Thesis Supervisor: Professor Shi Yongsheng May, 2011大功率LED照明系统的光学设计摘 要LED被认为是继白炽灯、荧光灯后的第三代照明光源，具有发光效率高、寿命长、无污染、体积小、光方向性强、绿色环保等特点，是未来最有发展潜力的光源之一。但LED发光光方向性较强的特点限制了其在照明领域的应用，如何合理分配LED的能量使其在照明面上照度均匀是一个值得研究的问题，本文主要对LED的光学设计进行了研究。首先，对LED进行了一次光学设计，利用TracePro软件模拟分析研究了封装结构对LED出光率的影响，研究结果表明：封装腔体的形状与出光率关系不大，而封装腔体的张角、封装腔体顶面的凹凸性与出光率有较大关系，另外出光率还与腔体的高度、封装腔体的反射率、腔体的母线均相关。其次，运用区域叠加和优化设计相结合的方法对LED进行二次光学设计，用Tracepro软件模拟了使用该反射器的LED路灯照度分布及光强分布，最后实验验证了此反射器可以用于大功率LED路灯，研究结论是运用转移中心光强的方法可以设计大功率LED路灯反射器。第三，讨论了偏微分方程法构造自由曲面透镜的原理，根据折射定律，对LED照明光学系统进行了数学建模，分析了偏微分方程构造自由曲面透镜的过程。由于求解此偏微分方程比较复杂，还将有待理论进一步的研究。 最后，运用能量守恒划分网格法构造自由曲面透镜；此方法的数学思想是通过建立光源和照明面之间的映射关系，对光源和照明面区域进行离散化，进行对每条光线能量的跟踪，计算出发射光线的发射方向，结合折射定律求解自由曲面。运用软件对其数学思想进行编程，通过此方法求解出了自由曲面透镜，并对单颗透镜进行了模拟分析，照度均匀性较好，70%以上的能量集中到了照明目标区域，同时绘制了自由曲面透镜的三视图。关键词：发光二极管，出光率，反射器，自由曲面透镜 IIIOPTICAL DESIGN OF LIGHTING SYSTEM WITH HIGH POWER LEDABSTRACTLight emitting diode(LED) was considered as 3-Gen lightting source since incandescent and fluorescent lamp, which had merits of high luminous efficiency, long lifetime, no pollutions, small size, strong directivity and environmental friend. LED is the most promising and perspective light source in the future. But LED light sources characteristics confined its application in lighting field. It is a question which is deserved to be studied that how to allocate the LED power rationally to form the ideal luminance on the target plane.The optical design is of essential importance in application of LED as light source, so the work focus on researches on relative optical design.Firstly, generally, LED optical design includes two parts, the 1st (packaging) and the 2nd optical design. The 1st optical design was performed firstly in this work, the influence of package structure on the light extraction of LED were presented by simulations with TracePro. The results showed that the shape of package cavity has little effect on light outcouple, however, package cavity open-angle and the convexity of top surface closely are related to light extractions. In addition, the light extraction is related with the height of cavity, the reflectivity as well as cavity bus.Secondly, with regional superposition and optimization approaches, the 2nd optical design for LED was processed and illumination and intensity distributions were simulated by TracePro when a special reflector was applied. Experiments proved that the reflector can be used in street lamp with high-power LED, moreover, the method of transfering the central intensity was suggested to help the design of HPLED street lamp reflector.Thirdly, construction principle of free surface lens, basing on partial differential equations, was further discussed. According to the law of refraction, LED illumination optical system was mathematically modeled, the free surface lens was obtained on the basis of certain boundary conditions. As this partial differential equation is quite complex, further researches should be processed.Finally, a freeform lens was constructed, using ideal of the energy conservation in grid. The ideal was based on the mathmatical functions between the light source and illuminative plane. At first, discretion of light source and plane was performed, then, energy of beams was followed to canculted the directions of beam, eventually, the lens was obtained via refraction law. The whole process was grammerized using relative softwares, and the effects single lens was simulted, the results meet with the lighting requirements.There is more than 70% lighting energy in the target area,while drawing the three views of freeform len.KEY WORDS:LED,lighting extraction,reflector,freeform len目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1课题背景及意义11.1.1 LED发展历史回顾11.1.2 国内外发展现状21.2 LED照明特点及应用31.2.1 LED照明优点31.2.2 LED的应用41.3 本科题研究内容52 LED发光机理及照明设计62.1 LED发光机理62.1.1 半导体器件的发光原理62.1.2 LED芯片结构及能带结构62.1.3 白光LED82.2 LED照明光学设计102.2.1 LED一次光学设计102.2.2 LED二次配光设计112.3 照明技术基本参数113 LED一次光学设计153.1 利用Tracepro软件进行一次光学设计153.1.1 关于设计软件TracePro简介153.1.2 一次配光设计步骤163.2 影响出光率的因素研究173.2.1 封装腔体形状与出光率的关系173.2.2 封装腔体张角与出光率的关系183.2.3 封装腔体顶面凹凸性与出光率的关系183.2.4 其它因素对出光效率的影响193.3 一次配光结论194 LED照明的二次光学设计214.1 非成像光学设计214.1.1 非成像光学发展历史及应用214.1.2 半导体照明中的非成像光学设计224.2 大功率LED照明反射器优化设计234.2.1 反射器的优化设计234.2.2 模拟分析及结论264.3 LED照明自由曲面透镜设计274.3.1 偏微分方程法构造自由曲面透镜284.3.2 能量守恒划分网格法构造自由曲面透镜294.4 LED二次光学设计结论395总结和后续研究415.1 总结415.2 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5051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，-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公司名称主要内容日本Nichia主要生产GaN基蓝、绿、紫及紫外LED外延、管芯日本Toyoda GoseiGaN基蓝、绿LED管芯，以及封装日本Toshiba以生产GaN基LED产品为主美国Cree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。美国LumiledsLED封装技术领先，白光亮度较高。美国Gelcore(现名Lumination)白光技术及应用领先，LED灯具设计世界领先德国Osram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。1.2.2 LED的应用a液晶显示器背光源最近几年，随着LED技术的不断提高，LED背光源已广泛的应用于液晶电脑显示器，大屏幕液晶电视，与传统的CCFL背光源相比，LED背光源具有色域宽、寿命长、色还原性好等优点。到2010年底，几乎所有的液晶电视生产厂家，都拿出了自己采用LED背光源的液晶电视。据估计，在不久的将来，将会有大量的液晶电视和笔记本电脑将会使用LED背光源。b汽车火车车灯市场虽然LED有很多优点，但在汽车火车应用中LED的用量还很有限，只在汽车尾灯，转向灯，刹车灯，指示灯等方面有一定的应用，在汽车最重要的前灯中及火车灯中用量几乎为零。由于LED还面临着散热量大等困难问题，如果解决不好LED灯的散热问题，LED的发光效率必然受到影响，寿命也将大大的减少8。c室内装饰灯市场LED灯体积小、重量轻、色彩多的特点，因此LED灯可以很方便满足室内装饰，与传统光源相比，传统光源很难实现成百上千种颜色的变化，LED灯可以实现多种颜色，容易串接，小型LED装饰灯目前在技术上比较成熟，随着LED灯的发展，LED灯在室内装饰的市场空间更大。d景观照明市场景观照明区域主要以社区，街道，广场的照明为主，由于LED的节能特点，在耗电量巨大的景观照明市场具有相当大的空间，随着城市化速度大加快，绿色照明也成为城市发展的重要方向。现在几乎所有的城市都可以看到LED景观灯，中国景观灯照明市场早在2005年已超过了7亿元，目前正在以很高的速度增长。e通用照明市场通用照明市场是LED最有发展潜力的市场，也是产生经济效益和社会效益最大的市场，现阶段，通用照明市场LED灯已商业化，但是LED要真正的进入照明市场，还面临很多问题，一是发光效率要更大的提高，虽然小功率的LED光效较高，但是要用在通用照明领域，必须多颗小功率灯珠实现串并联，由于需要多颗灯珠共同完成通用照明，如果一颗灯珠出现异常，则整个照明系统就会出现异常，从而影响了通用照明，大功率LED光效虽然有大的提高，如果要用在通用照明领域，还须进一步的提高LED的亮度。二是LED灯的价格较高，由于LED灯在制造时流经外延，管芯，封装，照明等工艺流程较多，加上LED专利的保护，使得LED灯的价钱较贵。三是LED灯的光学设计和散热问题，若LED灯配光不好，就会产生照度不均匀；同时LED发光时会产生大量的热，若散热设计不好，LED就会由于热的影响而产生光衰，使得LED的发光效率降低。f其它照明市场由于LED有较多的优点，在其它照明中也相应的有所应用，随着现代农业的发展，LED应用于农用机械的照明，同时还有养鱼行业也应了LED照明，现代温室也可以用LED进行温室照明。1.3 本科题研究内容LED由于其自身特点，将LED应用于照明领域必须对LED进行光学设计，本科题主要对LED的光学设计进行研究：第一主要介绍了LED发展的历史，国内外的发展状况，LED光源的特点及照明应用。第二章主要介绍了LED的发光原理，照明设计及照明技术指标。第三章主要研究了一次光学设计对出光率的影响。第四章首先运用区域叠加和优化设计的方法设计了一款大功率LED照明反射器，其次通过对偏微分方程构造自由曲面透镜和能量守恒划分网格构造自由曲面透镜的理论分析，研究了运用能量守恒划分网格构造单颗LED灯自由曲面透的方法。同时运用划分网格法设计了一款自由曲面透镜，并用Tracepro软件对其照明系统进行了仿真，最后画出了自由曲面透镜的三视图。第五章对本课题进行了总结及后续的研究。2 LED发光机理及照明设计光作用在物质上时，要和物质发生作用，遇到半导体材料时，半导体材料会吸收光，半导体中的电子吸收一定能量后，会从基态跳到激发态，同样处于激发态的电子也会跳回基态，伴随着光子的释放。对于某些材料的半导体器件，当其加上一定的电压时，对于电子来说，处于电场中的电子得到了一定的能量，很可能会从基态跳到激发态，当从激发态跳回基态时，伴随着能量的释放，即发光。2.1 LED发光机理2.1.1 半导体器件的发光原理半导体器件的发光可以分为电致发光，光致发光和阴极射线发光。电致发光是当半导体器件加正向电压时，半导体中的电子和空穴由于得到了能量而进行运动，进而复合发光。光致发光是当一定的光照射半导体时，半导体中的电子和空穴吸收了光的能量，进而复合发光，实质上是一种光转化发光。阴极射线发光，当某些射线射到半导体上时，由于半导体中的载流子吸收了能量，进而复合发光9。半导体器件的发光有辐射发光和非辐射发光之分，如果处于激发态的电子在从激发态向基态跃迁时，发射光子的能量处于可见光光子的能量，就属于辐射发光，如果处于非可见光区域就属于无辐射发光。可见光的波长范围在380-760nm之间。PN结注入发光和异质结发光：PN结注入发光是当某些PN结半导体器件加上一正向电压时，削弱了空间电荷区的宽度，降低了势垒高度，N区的电子通过势垒区进入P区成为少数载流子，P区的空穴进入N区成为少数载流子，当少子遇见多子时就会复合发光，即电子和空穴的复合发光，由于加了一定的电压称为电致发光。异质结发光是P区与N区不同的衬底材料构成的异质结半导体器件发光，由于两种材料的禁带宽度不同，构成PN结时对于一些区域内的载流子势垒相对较高，而相反区域内的载流势垒相对较低，当加一正向电压时，相对势垒低的载流子很快越过势垒进入相对势垒高的载流子区成为少子，而相对势垒高的载流子很难越过势垒，因此很容易形成电子与空穴的复合，有利于发光，而且发光效率较高。2.1.2 LED芯片结构及能带结构LED芯片的基本结构如图2-1所示。结构为层状结构，先在衬底（常用蓝宝石）上通过MOCVD（金属有机物化学气相沉积）制作外延片，然后在外延片上刻蚀出N极，蒸镀扩散电流的ITO薄膜层，蒸镀P型，N型电极，最后进行研磨，抛光，划片，裂片，测试，分拣，包装，入库等工序完成管芯加工制造。图2-1 LED芯片结构Fig2-1 Chip structure of LEDLED发光二极管是PN结结构的器件， P型半导体是向衬底材料中掺杂了受主杂质，N型半导体是向衬底材料中掺杂了施主杂质，同时向衬底材料中掺杂施主杂质和受主杂质的器件就构成了PN结器件。图2-2为发光二极管PN结的能带结构，P型半导体中产生空穴，N型半导体中产生电子，在中间产生耗尽层即PN结。通过P型区的空穴与N型区的电子复合发光。图2-2 LED能带图Fig2-2 Energy diagram of LED从本质上讲，LED就是一个p-n结，它的发光原理即p-n结的电致发光原理：当p-n结处于平衡时，其内部载流子的扩散运动达到稳定，存在一定的势垒区；加一正向偏压，势垒便降低，势垒区相应的内建电场也随之减弱。因此可以继续发生载流子的扩散运动，电子由n区注入p区，同时空穴由p区注入n区。这些进入p区的电子和进入n区的空穴都称为非平衡少数载流子，这些非平衡少数载流子不断与多数载流子复合而发光。值得指出的是，电子和空穴的复合可以分为两类：一类是伴随着发光现象的辐射复合，称为电子的跃迁辐射复合，是空穴和电子复合时，将多余的能量以光子的形式辐射出来，这是发光的主要机理，也是发光器件所努力追求的；另一类是不发光的无辐射复合，这一类复合对于固体发光器件来说是有害的，其是以热的形式将复合时产生的多余能量辐射出来，使器件温度升高，导致器件失效。对于固体发光器件而言，应设法增强电子的辐射复合，使光子的出射增多，即就是令半导体p-n结在流过正向电流时，能以较高的能量转换效率来辐射出390760nm波长范围的可见光谱，从而做成实用的发光器件10。2.1.3 白光LED白光是多种颜色的光复合在一起而形成的复色光，根据颜色合成原理可以配置白光，因此为了得到白光LED，可以用不同的方法来实现，目前，通过LED技术实现白光主要有三种途径：第一种途径是蓝光和黄光的混色产生白光，图2-3是白光LED的光谱图，此白光LED是用蓝光芯片和黄色荧光粉合成的光色。方法是用发蓝光的LED芯片和黄色的荧光粉进行封装而形成发白光的LED，给LED蓝光芯片上涂覆黄色荧光粉，蓝光芯片发出波长460nm左右的蓝光，发出的蓝光可以激发黄色的荧光粉发黄光，黄光的波长为540nm左右，蓝光和黄光的混合产生了白光。目前常用的荧光粉是YAG黄色荧光粉，YAG荧光粉性能稳定，不易水解，不易吸潮，光衰小等特点。由于显色指数较高的光源光谱范围较宽，为了提高白光的显色指数，在进行白光合成时应选择较多的单色光来合成白光，因此用此方法制作LED时常在黄色荧光粉中加入一定量的红色荧光粉，根据需要有时也加入一定量的绿色荧光粉，由于红色荧光粉的发光效率较低，进而对合成的白光LED的发光效率产生影响。因此用此方法在制作白光LED时，若要同时兼顾发光效率和显色指数，须加入适量的绿色荧光粉和红色荧光粉。同时，在荧光粉的选择中还要考虑荧光粉与LED芯片的匹配性，芯片的发光光谱与荧光粉的激发光谱一致性要好，当芯片发出的光谱与荧光粉的激发光谱一样时，荧光粉的发光效率达到最高，如果芯片的波长和荧光粉的激发光谱不匹配，此时荧光粉的发光效率就很低，光转换就低，为了使合成的白光LED发光效率高，选择的芯片一定要与荧光粉相匹配。图2-3 白光LED光谱图11Fig2-3 Spectrogram of white LED图2-4为CIE色品图，通过此图可以来合成白光，作为基础光源的蓝光芯片发出蓝光的波长通常在4602.5nm，为了得到白光，根据色品图配色原理，从此图可以看出需要选择波长在570nm左右的黄光来合成白光，因而需要发射光波长为570nm左右的黄色荧光粉。由于YAG荧光粉有许多优点，常选则YAG荧光粉。图2-4 CIE色品图12Fig2-4 Chromaticity coordinate of LEDYAG荧光粉具有两大特点：一是它的最佳激发波长在430480nm范围内的不同位置；二是它的发射光的波长主峰在500580nm范围内，即黄光区域的任意位置。因此，选用该系列荧光粉加上配有不同波长蓝光的LED，就可以制备出不同色温的白光LED。从图2-5所示的YAG:Ce激发光谱中可以看出，YAG:Ce的激发峰在460nm处，与所选用 的GaN基蓝光LED芯片的发射光谱匹配良好，所以这种材料的使用可以获得较高的荧光转换效率。另外，通过荧光材料YAG:Ce的发射光谱中可以得知YAG:Ce的发射峰在570nm左右。因而该材料是目前制备白光LED中使用的最广泛、也是性能最好的荧光材料，用此方法制造白光LED的技术比较成熟，目前大多数厂商采用此方法制造白光LED。 图2-5 YAG:Ce荧光粉激发光谱13Fig2-5 Excitation spectrum of YAG:Ce fluorescent powder第二种途径是用RGB三基色LED混合。此方法是将R、G、B三色LED芯片按一定方式排布集合成一个发白光的LED，在合成白光LED时，均用红、绿、蓝光LED，不需要进行光谱转换，用此方法合成的白光LED效率高，同时用红、绿、蓝三种单色光合成白光，光谱范围较宽，显色指数高。但是用此方法合成的光源在点亮一段时间后会发生光色变异，由于LED芯片随着温度的升高会产生光衰现象，用红光芯片，绿光芯片，蓝光芯片合成白光LED时，三种芯片光衰的时间不一致，因此经过一段时间会产生颜色变异，用此方法制造白光LED时，红、绿、蓝光芯片的一致性要好，若控制红、绿、蓝发光芯片来调节白光的颜色，芯片的不一致性会让驱动芯片的控制电路变得较为复杂，难易满足要求。因此虽然用此方法制造白光LED，但合成白光LED的质量较差。第三种途径是用紫外LED芯片激发RGB荧光粉产生白光，此方法是用紫外LED发出的紫外光来激发三基色荧光粉，产生红、绿、蓝三种光，从而复合得到白光，此方法与三基色荧光灯的原理相似。目前这种方法的发光效率不是很高，期望能获得较高的光效，同时，由于是采用了紫外光源，紫外线的放射作用有可能会产生紫外污染14。2.2 LED照明光学设计LED光学设计主要包括一次光学设计和二次光学设计，一次光光学设计也称封装设计。LED通常由芯片，环氧树脂透镜和支架构成，芯片通常放在支架上的反光杯内，环氧树脂透镜在芯片上，起保护芯片的作用。一次设计主要考虑LED的发光角度，光通量，出光率，散热等。LED二次光学设计主要是把多颗LED灯珠组合起来，形成LED模组，用于照明领域，二次设计主要关心的是配光的均匀性，灯的亮度，灯的散热等15,16。2.2.1 LED一次光学设计为了让LED应用于照明，必须对LED进行一次光学设计，即封装设计，由于LED芯片非常小，目前所用单颗芯片的最大面积大约45mil*45mil，芯片的P电极和N电极更小，LED通入稳定的直流电后会发光，(确保直流电流满足LED的正常工作要求)。因此需要对LED芯片的两个电极进行焊结之后引出正，负电极之分，同时还需要对芯片和电极进行保护。图2-6是封装好的直插式LED灯珠，它主要由LED芯片、反光碗、透明环图2-6 LED的结构17Fig2-6 Structer of LED氧树脂、阴极杆、阳极杆、楔型支架、引脚架等几个部分组成。一次配光不仅决定发光器件的出光角度、光通量大小、光强大小、光强分布等。同时封装结构也会影响芯片的出光效率，因此封装结构的设计对LED照明来说也起到很重要的作用。2.2.2 LED二次配光设计在使用LED发光器件时，整个系统的出光效果、光强、色温，显色指数的分布状况也必须进行考虑，由于封装好的单颗LED灯珠难易满足照明要求，在使用LED照明时要多颗LED灯珠进行组合，形成LED模组，从而满足照明要求，因此需对LED进行二次光学设计。二次光学设计的目的是要让LED照明时照明面亮度高，同时亮度要均匀，如要提高照度我们可以选择亮度较高的单颗LED进行设计，如果要满足均匀性，必须对LED灯具进行合理的设计，由于LED发光有较强的方向性，因此设计主要考虑把中心光强向周围转移，使其在照明面上的均匀性达到一致。目前常用的设计方法有优化设计法，裁剪法，自由曲面透镜法，混合设计法等。优化设计法：此方法是用软件进行模拟优化设计，先对要设计的系统进行分析，然后设计一种模型，用软件对设计的模型进行模拟分析，如果满足要求就可以作为灯具使用，若不满足要求，对设计的灯具进行优化设计，让达到所要满足的要求18。裁剪法：此方法是把照明空间分为若干部分进行设计，最后对若干部分部分进行组合，达到设计要求19-21。自由曲面设计法：此方法是设计一个无规则的曲面，此曲面不能用方程进行表示，需要用计算进行求解一些离散的点，然后把所有的点进行连接，构造自由曲面。最后对设计的灯具进行模拟分析及加工22,23。混合设计法：主要是以上方法同时使用，设计出满足要求的灯具。总之，无论用什么方法设计都要对其进行模拟分析。目前常用的灯具有透镜，反射器，折光板。透镜：对光线具有一定的汇聚或发散作用，光源发出的光线经过透镜后会改变方向，LED用透镜是对光线进行再次整合，从而达到控制照明的均匀性。反射器：反射器对光线具有反射作用，光源发出的光线经过反射器后改变方向，通过控制反射器的反射角来控制照明目标面的均匀性。折光板：用来改变光线的方向或在某些特定的方向上用来改变光束的角度，一般包括齿