短波長(zhǎng)LED近距離勻光照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李 燕，楊宇銘，鄭懷文，于 飛，裴艷榮，楊 華，李 璟，伊?xí)匝啵踯娤玻顣x閩

(中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體照明研發(fā)中心，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京第三代半導(dǎo)體材料與應(yīng)用工程技術(shù)研發(fā)中心，半導(dǎo)體照明聯(lián)合創(chuàng)新國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

引言

隨著通用照明使用的LED器件逐步向大電流、高亮度、高密度的方向發(fā)展，高功率密度的LED已經(jīng)越來越受到人們的重視，但相應(yīng)的單位面積亮度的提高也可能對(duì)人們的視力帶來危害，因此在燈具結(jié)構(gòu)甚至封裝層次如何降低光源表面亮度，制備本質(zhì)安全的通用照明系統(tǒng)是未來的發(fā)展方向之一。同時(shí)隨著低能量光子醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，短波長(zhǎng)的紫外(ultra-violet, UV)LED已被用于紫外固化、環(huán)境清潔，殺菌消毒，皮膚病治療等領(lǐng)域[1-4]。其中UVA和UVB可用于治療皮膚疾病[5, 6]，其用于治療皮膚病的安全性也已經(jīng)被證實(shí)[7, 8]。

UV-LED是一種很有前景的輻射源[9]，然而將其進(jìn)一步應(yīng)用于可穿戴醫(yī)療裝置也存在很多問題，其中最核心的一個(gè)問題是如何在近距離獲得大面積的低能量密度光源。醫(yī)用LED對(duì)光照均勻性有明確的要求[10]，而LED為朗伯光源，單顆芯片只有在較遠(yuǎn)的距離上才能得到均勻的照射光斑，而且一般的勻光系統(tǒng)中使用的有機(jī)材料均不適用于UV波段。

為了解決上述問題，我們采用低成本的磨砂藍(lán)寶石來進(jìn)行勻光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，結(jié)合光線追跡優(yōu)化藍(lán)寶石的參數(shù)，包括藍(lán)寶石的安裝方向、直徑、距離UV-LED管芯的距離，最后確定了用于短波長(zhǎng)LED勻光的最佳參數(shù)。

1 模擬設(shè)置

使用的UV-LED的模型如圖1所示，該模型包括三個(gè)部分：具有朗伯分布的UV-LED，磨砂藍(lán)寶石，和用于組裝磨砂藍(lán)寶石以及UV-LED的圓筒支架。為了使光均勻，圓筒內(nèi)壁的表面特性設(shè)置為漫反射，為了滿足大面積均勻光斑和可穿戴的小體積要求，圓筒直徑為40 mm，圓筒的底部與磨砂藍(lán)寶石燈罩之間的距離為10 mm。圖1中的參數(shù)h表示LED光源與磨砂藍(lán)寶石之間的距離。UV-LED發(fā)光體封裝尺寸為3.5 mm×3.5 mm×2 mm，仿真光線數(shù)目為200 000條。接受屏距離燈罩1 mm。照度均勻度有兩種定義，一種是接收面內(nèi)照度的最小值與最大值的比值：U=Emin/Emax，另一種是接收面內(nèi)的照度最小值與照度平均值的比值：U=Emin/Eavg，本文采用前一種計(jì)算方法。

圖1 UV-LED模型圖

2 設(shè)計(jì)過程與結(jié)果分析

圖2 平面藍(lán)寶石、左面磨砂藍(lán)寶石、右面磨砂藍(lán)寶石和雙面磨砂藍(lán)寶石對(duì)應(yīng)的照度分布

對(duì)于中央無磨砂藍(lán)寶石的結(jié)構(gòu)，圖2(a)～(d)顯示了藍(lán)寶石燈罩的磨砂面對(duì)接收面照度的影響，磨砂面的方向?qū)φ斩确植嫉挠绊懛浅２煌粽譃槠矫嫠{(lán)寶石時(shí)，如圖2(a)所示，其能量利用率為87.11%，能量損失主要是界面全反射損失以及圓筒內(nèi)壁漫反射吸收損失，但此時(shí)的光斑面積很小，中心接收面照度過高，難以滿足均勻度要求。燈罩為左面磨砂時(shí)的能量利用率為24.66%，此時(shí)光先經(jīng)過磨砂面，光從藍(lán)寶石面出射時(shí)，光從光密介質(zhì)傳向光疏介質(zhì)，發(fā)生全反射，大部分光被限制在圓筒內(nèi)，如圖2(b)所示。燈罩為右面磨砂時(shí)的能量利用率為64.89%，當(dāng)光從藍(lán)寶石面出射時(shí)，由于磨砂面的漫反射因素，全反射效應(yīng)降低，如圖2(c)所示，此時(shí)的能量利用率比平面藍(lán)寶石燈罩的低，原因是在設(shè)置過程中，磨砂面存在0.3的吸收損失。圖2(d)為雙面磨砂燈罩的模擬結(jié)果，能量利用率為47.55%，一部分光經(jīng)過左面磨砂面，反射回圓筒燈內(nèi)，存在一定的漫反射吸收損失，另外，雙面磨砂的吸收損失更加嚴(yán)重，因此能量利用率在左面磨砂與右面磨砂的能量利用率之間。綜上所述，在采用一層結(jié)構(gòu)時(shí)，燈罩為右面磨砂的藍(lán)寶石材料效果最好。

僅有一層磨砂燈罩時(shí)的光均勻性很差，因此考慮中間添加一層藍(lán)寶石2，先考慮直徑為20 mm的中央藍(lán)寶石勻光片，此時(shí)藍(lán)寶石的磨砂面對(duì)接收面照度影響的結(jié)果如圖3所示，藍(lán)寶石2的左面磨砂時(shí)，能量利用率為26.3%，此時(shí)藍(lán)寶石2和藍(lán)寶石1之間存在空氣，光從藍(lán)寶石平面出射時(shí)，藍(lán)寶石和接收面之間大的折射率差導(dǎo)致能量利用率降低，接收面的最大光照度降低，中央光照度仍然很高，但在20 mm外部區(qū)域，光分布較為均勻，如圖3(a)所示。當(dāng)藍(lán)寶石2為右面磨砂時(shí)的能量利用率為42.46%，但是對(duì)于裝置的勻光毫無效果，如圖3(b)所示。圖3(c)為藍(lán)寶石2為雙面磨砂時(shí)的效果，此時(shí)的能量利用率為31.74%，能量利用率和勻光效果均不顯著。綜上所述，采用二層勻光結(jié)構(gòu)的裝置中，其中間層采用左面磨砂藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)效果較好。

對(duì)于各種h1的值，圖4示出了UV-LED的照度分布和能量利用率，由于燈筒內(nèi)的可操作空間很小，h1的影響并不大，隨著h1的增加，更少的光照射到藍(lán)寶石2上，減小了中心點(diǎn)的光強(qiáng)度，當(dāng)h1=8 mm時(shí)均勻性更高，如圖4(a)所示。同時(shí)，隨著h1的增加，能量利用率逐漸增加，如圖4(b)所示，這可歸因于隨著h1的增加，更少的光照射在藍(lán)寶石上，使得圓筒壁的漫反射吸收損失降低。當(dāng)h1固定在8 mm時(shí)，隨著藍(lán)寶石2的直徑d1從5 mm增加到20 mm時(shí)，均勻度呈現(xiàn)出先增加后降低的效果，而能量利用率逐漸降低，可以看出直徑為10 mm和15 mm時(shí)的均勻性最高，如圖4(c)所示，但此時(shí)的均勻度仍然小于50%。 在存在藍(lán)寶石2的情況下，可以看出，照度分布最多可出現(xiàn)三個(gè)峰值，在最優(yōu)的情況下，三個(gè)峰值近似相等，均勻度為30%～40%，因此考慮磨砂藍(lán)寶石3的添加會(huì)增加峰的數(shù)目，同時(shí)會(huì)增加均勻性。綜上，直徑為10 mm和15 mm的左面磨砂藍(lán)寶石的效果最好。

采用兩層結(jié)構(gòu)時(shí)，需要考慮的參數(shù)還包括兩塊藍(lán)寶石h1和h2的變化。根據(jù)前述結(jié)果將藍(lán)寶石2和藍(lán)寶石3直徑分別設(shè)為15 mm和10 mm，仿真結(jié)果如表1所示。可以看出，藍(lán)寶石2比藍(lán)寶石1靠近管芯時(shí)，得到的接收面總體均勻度更好。同時(shí)，在所有的模擬中，能量利用率均大于20%。當(dāng)h1=5 mm，h2=7 mm時(shí)，所得到的均勻度達(dá)到最大值0.68。其照度分布如圖5所示。

圖3 左面磨砂、右面磨砂、雙面磨砂藍(lán)寶石2對(duì)應(yīng)的照度分布

圖4 接收面照度分布以及能量利用率

圖5 h1=5 mm，h2=7 mm時(shí)的照度分布

表1 不同h1和h2的接收面均勻度

最后，我們制作了優(yōu)化的短波長(zhǎng)LED短距離勻光光源，并進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試設(shè)備如圖6(a)所示。測(cè)試使用的LED芯片為峰值波長(zhǎng)457 nm的藍(lán)光芯片，采用不加勻光裝置的裸芯片作為對(duì)照，在高度為1 cm、直徑為4 cm的圓形范圍內(nèi)測(cè)量照度分布，其九點(diǎn)的照度如圖6(b)所示，可以得到，其照度均勻度僅為0.019；采用優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果參數(shù)設(shè)置的勻光結(jié)構(gòu)進(jìn)行同樣的照度測(cè)試，其九點(diǎn)照度分布如圖6(c)所示，可得其照度均勻度為0.209，實(shí)測(cè)結(jié)果其均勻度提升了10倍。而在仿真模擬中，裸芯片的探測(cè)面照度均勻度為0.036，優(yōu)化的二層藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)照度均勻度為0.68。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果有一定的差別。產(chǎn)生這一差異的主要原因在于：①模擬中燈筒內(nèi)壁設(shè)定為漫反射表面特性，實(shí)驗(yàn)時(shí)采用鋁箔，其反射率較高，若將模擬中燈筒內(nèi)壁設(shè)置為鏡面反射表面特性，得到的中央照度值也較高；②在實(shí)驗(yàn)中為了固定中間的兩塊藍(lán)寶石片，設(shè)置了兩種支架，仿真并沒有反映實(shí)際器件中的所有光損耗；③在模型制作中不可避免地存在制造誤差。

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置、裸芯片測(cè)試照度分布以及優(yōu)化光源的照度分布

我們相信，這種方法對(duì)各種不同波段通用照明應(yīng)用的的LED勻光設(shè)計(jì)具有重要意義。

3 結(jié)論

我們對(duì)短波長(zhǎng)LED的近距離勻光設(shè)計(jì)進(jìn)行了摸索，制備了直徑為 4 cm、厚度為1 cm的均勻光源，將磨砂藍(lán)寶石應(yīng)用于近場(chǎng)大面積短波長(zhǎng)LED光源，在保證一定的能量利用率的條件下改善其照度均勻性。研究結(jié)果表明，兩個(gè)直徑分別為10 mm和15 mm的磨砂藍(lán)寶石，當(dāng)h1=5 mm，h2=7 mm時(shí)，其同時(shí)具有均勻的照度分布以及可接收的能量利用率，與不使用磨砂藍(lán)寶石的結(jié)構(gòu)相比，均勻度從0.036上升到0.68，實(shí)際制備樣品的測(cè)試結(jié)果也從0.019提高到0.209，其照度分布均勻度提升了十倍。我們認(rèn)為，這種優(yōu)化的磨砂藍(lán)寶石的應(yīng)用經(jīng)進(jìn)一步優(yōu)化不僅可以大大降低使用成本，而且僅采用簡(jiǎn)單工藝就可實(shí)現(xiàn)近場(chǎng)高品質(zhì)勻光，可用于未來可穿戴醫(yī)療設(shè)備乃至被動(dòng)安全的照明設(shè)備的開發(fā)。