基于大功率LED灯的配光与散热技术研究

1 背景

半导体器件的发光现象从原理上来说可以大致分为三种：光致发光，电致发光，阴极射线发光，其中第一种发光形式是当一定数量的光线照射到半导体上面的时候，半导体本身的电子和空穴吸收了光的能量而发光的现象。第二种发光形式是当在半导体器件上施加正向电压的时候，电子和空穴由于得到了能量而运动，进而激发了发光现象。

阴极射线发光是当某些射线照射到半导体上面的时候，半导体的载流子吸收了能量，进而产生复合发光的发光现象。

LED本身也属于半导体器件，LED的自发性发光是由于电子和空穴之间的复合运动而产生的。它的发光原理是基于电致发光的发光原理，而没有采用与传统光源诸如白炽灯，节能灯等相似的发光原理。LED最重要的部分是P-N结-个由N型半导体和P型半导体组成，并且在P型半导体和N型半导体之间形成一层薄薄的真空耗尽层。P-N结的发光过程大体上可以分为三个过程：其处于正向电压下的载流子注入，复合辐射的方式，光能传输。体积非常小的半导体晶体全部被封装在干净的环氧树脂之中，当其中的电子途径晶片的时候，电子游离到空穴区并和它们复合，此时，空穴和电子同时消失并出现光子。电子与空穴由于复合运动产生的光子的能量与电子和空穴二者本身是成正比的。然而复合运动所产生的光子的能量同时又是和光子所产生的光的颜色是一一对应的，一般来讲，在可见光的频谱范围之内，不同频率的光谱所携带的能量是不同的。紫色光，蓝色光所带有的能量在通常的情况下是最多的，而红色光，桔色光所带有的能量往往是最少的。正是由于不同的材料之间带隙的差别，才造成了不同的材料可以发出不同颜色的光的现象。

2 大功率LED照明灯具成像光学

LED作为一种新型的固态冷光源，具有体积小，寿命长，发光效率高，节能环保等优点。大功率LED照明灯具广阔的市场前景引发了对于LED应用的研究高潮，特别是在大功率照明应用方面，但是由于LED芯片发出的光呈Lambertian分布，这样的光场分布如果不经过二次光学设计而直接应用到实际的大功率照明中应用的话，将会造成严重的光浪费，LED二次光学设计问题成了限制LED在照明应用方面进一步推广的主要问题。传统的照明设计方法不能进行错误预估的缺点，采用了将非成像光学理论，照明设计软件和计算机编程相结合的方法来进行大功率LED照明灯具的二次光学设计，根据非成像光学中经典的光学扩展度守恒以及边缘光线原理，得到透镜的曲面方程，然后利用Matlab编程计算出自由曲面透镜的离散点，进行三维建模，并在Tracepro中进行仿真验证了设计的正确性。而LED的基本封装结构是将一块结构是电致发光的半导体模块封装在环氧树脂之中，通过引脚作为正负电极起到支撑的作用，LED结构主要由支架，银胶，晶片，金线，环氧树脂五种物料组成，一个已经封装好的大功率LED灯珠的结构如图1所示：

大功率LED照明灯具成像光学在成像光学设计中，光学系统是作为主要的成像工具，主要通过几何光线的概念来研究光线传播的规律，对于光线传播中能量的传递产生的变化缺乏相应的研究，然而非成像光学则与成像光学是不同的，其从物理学的角度认为，光线在传播的过程之中携带着相应的辐射能，那么光线传播的方向也就是所对应的辐射能的传播方向。因此，当从研究能量变化的角度出发，光学系统本身也是传递对应的辐射能量的介质，光线的传播过程本身也就是是对应的能量的传输过程，非成像光学理论主要从这种能量传播的规律的角度对整个光学系统进行研究。非成像光学理论应用的主要目的是研究整个照明系统，但是这个照明系统本身是对光线传播过程中的光能的传递起到一种控制作用，而不是类似于成像光学理论中起到成像的作用，但是成像问题并不能被排除在非成像设计之外，非成像光学理论是主要是为了解决两大类问题而产生的，一类是如何使所传递的能量最大化，另一类是如何在目标平面上得到符合照明要求的照度分布，此两个问题在通用照明领域通常被称作集光和照明。聚光器通常可以分为两类，一类称为三维聚光器，另一类是二维聚光器，二维聚光器又可称为线性聚光器，线性聚光器的汇聚比通常用横断面上的输入与输出尺寸的比值表示。对于二维聚光器和三维聚光器(具有轴对称特性)来说，可以求得c的最大值，假设输入和输出媒介都有相同的折射率，当圆形光源在无穷远处以iθ的发散角发射光线。当通过光学系统的时候，汇聚比的最大值maxC达到21/siniθ，当出射光的角度和出射面汇聚成像二次配光。光学扩展量具有一定的物理意义：光学扩展量可以用来评价光学元件对于整个光学系统的能量利用率的影响，也可以用来描述光束本身的特性，对于具体的光学元件而言，光学扩展量则代表了光学元件对于光束的收束能力，利用光学扩展量的概念，可以判断出照明系统和成像系统的匹配程度。

3 大功率LED照明灯具透镜模型