基于SC3技术平台的科锐XLamp光学设计技术

2013-11-07 admin1

  科锐XLamp XB-D LED和XT-E LED基于科锐最新的SC3技术平台。SC3技术的核心是新一代碳化硅DA(Direct Attach)芯片,具有更高的光通和光效及更好的可靠性。虽然XLamp XB-D LED和XT-E LED提供较高的性能,特殊的DA芯片结构也给光学设计带来了挑战。本文描述了这些挑战,同时提供了有效克服这些挑战的方法。

  一、DA芯片

  如图2所示,与蓝宝石衬底相比,碳化硅衬底产生更少的位错。每个位错在芯片表面形成一个微小的黑点,更少的位错意味着更少的黑点,更亮、更高的流明输出,即更高的效率(lm/w)。与蓝宝石衬底比较,这些优点结合DA芯片具有5-10%的光效提升。另外一个优点是更少的外延缺陷,制造的LED更可靠。因此DA芯片结构可提供更高的光输出、坚固性、可靠性和可制造性。

  二、XLamp XB-D LED和XT-E LED光学模型

  科锐XLamp XB-D和XT-E白光LED基于DA芯片,其光学模型有一些特别的光学特性,呈朗伯光型分布。从DA芯片示意图3看到,为了使光输出最大化,在芯片顶面的斜边切割,给LED的二次光学设计带来了挑战。由于DA芯片的特殊切割,荧光粉会沉积在SiC上面的斜边切割面上。

  对于使用EZ芯片的XP系列产品,蓝光和黄光几乎从相同的面出射。对于使用DA芯片的产品,类似小尺寸的远程荧光粉结构,蓝光从InGaN外延层出射,黄光从DA芯片顶面的斜边切割面出射,当设计小角度的二次光学时,在光强和颜色分布上可能会有一些不均匀的现象。图4和图5表示光是如何从XLamp XP LED(EZ芯片)和XB-D LED、XT-E LED(DA芯片) 产生的。

  为了改善光输出,在DA芯片顶面有斜边切割,这导致芯片上的荧光粉厚度不一致。图6是XT-E LED点亮时的近场图,注意图中心黄色的十字,这表示在十字上有更厚的荧光粉层。

  科锐使用Radiant Imaging影像式光源测角仪(SIG)生成辐射源模型(RSM)数据文件。SIG系统捕获一个精确的光源近场输出模型,生成的图像数据和RSM文件能提供完整的光源输出特性,通过ProSource软件可以导出包含任意光线数的文件,用于其它光学照明软件如ASAP、FRED、LightTools、LucidShape、TracePro、Zemax等。科锐网站提供XLamp LED的RSM文件和LED 3D模型等配套文件都可在。

  三、LED二次光学基础

  如果LED的光分布不符合特定的应用需求,需要用二次光学改变LED的光分布,使成品灯的光分布满足要求。二次光学也可用来改善在目标区域内的颜色和光分布均匀性。LED二次光学分类如下:1.反光杯、反射器;2.透镜;3.结合透镜和反光杯,如全反射透镜(TIR);4.扩散器。每种光学系统控制光的方式不同,制造技术和价格也不同。LED二次光学的主要功能:

  1)准直:使大部分光最大可能的照射在目标上,如手电筒或聚光灯。

  2)扩散:使光以更大角度传播或隐藏、模糊LED光源,如线性灯或LED球泡。

  3)照明:使光照射在特定的区域上而不照射在其他区域,如路灯或区域灯。

  抛物面反光杯在准直光方面非常有效,相对传统的透镜来说易于制造且价格便宜。但是反光杯只有一个面控制光束,很多从光源发出的光没有经过反光面反射就直接出射了,经过反射面反射的光是被控制和准直的,没有经过反射面反射的光是不被控制的,这些光被称为溢出光。

  反过来,传统透镜能很好的控制光束中心的光,但是由于透镜的尺寸问题,不能控制大角度上的光。TIR透镜是结合反光杯和传统透镜优点的二次光学:

  1)能同时控制直射光和反射光

  2)使光在离开系统前至少经过2个面

  3)即使透镜尺寸很小也会很有效

  4)相对反光杯价格较高

  如图7所示,TIR透镜包含一个全反射(TIR)面和一个折射透镜。折射透镜控制LED光束中间的光,TIR面控制大角度上的光。

  三、XLamp XB-D LED和XT-E LED光学设计技巧

  如前面提到的XLamp XB-D LED和XT-E LED使用DA芯片,在小角度时颜色会不均匀。可使用对于TIR透镜,混合颜色的方法有:

  1.透镜的顶面磨砂或增加微透镜,如图8和9所示。增加的微结构过多,会导致出光角度过大,损失过多的光,反之,太少混色会不均匀。

  四、二次光学产品介绍

  运用颜色混合技术和透镜设计软件,许多光学公司已经开发了很多针对XLamp XB-D LED和XT-E LED的很好的TIR透镜。下面是3个案例,数据由光学公司提供。

  案例1:Illumination Machines

  为XT-E LED设计的12°(FWHM) TIR透镜,光斑均匀,中心光强12.5cd/lm,光学效率89%。

  案例2:Ledlink

  为XT-E LED设计的14°(FWHM) 20mm TIR透镜,光斑均匀,中心光强8.3cd/lm。

  案例3:Gaggione

  为XB-D LED设计的20°×30°椭圆光斑16mm TIR透镜,光斑均匀,中心光强3.2cd/lm。

  五、结语

  科锐的XLamp XB-D LED和XT-E LED基于最新的SC3技术平台,并采用提供业界领先的光效的XLamp DA芯片,为了实现更好的光学设计,本文阐述了一些光学基础知识,帮助理解如何使用TIR透镜来设计XB-D LED和XT-E LED实现良好均匀一致的窄光束。

 

 

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