LED雙面出光面光源的光學仿真設計與優化

發布時間：2019-06-06所屬分類：科技論文瀏覽：1次

摘 要： 摘要：新型的LED雙面出光面光源采用納米晶導光板，納米晶導光板是在普通導光板的基礎上均勻摻雜納米晶顆粒而成的。借助光學仿真軟件研究納米晶粒子對納米晶導光板的照度平均均勻性和光耦合效率的影響規律。解決納米晶導光板面光源出光不均勻和光耦合效率低的

　　摘要：新型的LED雙面出光面光源采用納米晶導光板，納米晶導光板是在普通導光板的基礎上均勻摻雜納米晶顆粒而成的。借助光學仿真軟件研究納米晶粒子對納米晶導光板的照度平均均勻性和光耦合效率的影響規律。解決納米晶導光板面光源出光不均勻和光耦合效率低的問題，具有重要的理論指導意義。

　　關鍵詞：LED;雙面出光面光源;納米晶導光板;光學仿真

　　0引言

　　LED光源作為新型節能光源的典型代表，擁有體積小，功率高，壽命長，色溫可調、節能環保等諸多優點。LED光源是點光源，需進行二次配光轉換為線光源或面光源后使用。雙面出光面光源因其結構緊湊，且可以雙面出光廣泛用于工業領域、背光領域和照明領域[1]。

　　傳統雙面出光面光源是由兩塊普通導光板拼湊而成。新型雙面出光背光源是基于納米晶導光板，散射粒子(俗稱納米晶)均勻摻雜在導光板板材中，可將點光源或線光源高效地轉換為均勻的雙面發光面光源�，F有納米晶導光板的光均勻性不理想，尤其是大尺寸的納米晶導光板中間會出現暗區[2]。

　　本研究以納米晶導光板面光源為研究對象，以米氏散射理論和蒙特卡洛統計方法做為理論依據，以光學仿真軟件作為工具，考察三種常用的不同折射率散射粒子SiO2、Al2O3和TiO2。研究這三種散射粒子在不同粒徑、不同濃度的情況下對納米晶導光板的照度平均均勻性和光耦合效率的影響規律。

　　1各散射粒子的光學仿真

　　采用的光學仿真軟件是Lighttools。Lighttools光學仿真軟件內嵌導光板模型，創建新材料，材料可以添加Mie粒子，并可修改導光板基材的折射率，以及Mie粒子的折射率、粒徑和摻雜濃度，運行仿真后并可統計平均均勻性和光耦合效率。光學仿真條件設定：假定納米晶顆粒為單一粒徑的純凈顆粒且散射粒子是均勻分布在導光板內。

　　導光板尺寸：1000mm×1000mm×6mm，導光板基材PMMA(折射率1.49)，光源為兩組LED光源相對入光(設置為光通量1000流明，LED發光度角120°)，上表面和下表面的表面屬性設置為光滑表面(BareSurface);非入光邊緣設置為簡單反射，反射率90%，吸收率10%。導光板的外部設置2個無限大的接收面�？疾烊�種散射粒子SiO2、Al2O3和TiO2的光學仿真數據，確認不同摻雜粒子，不同粒徑以及不同粒子濃度對納米晶導光板的照度平均均勻性和光耦合率的影響規律。

　　1.1不同濃度的SiO2、Al2O3和TiO2粒子對導光板的光學性能影響

　　1.1.1不同粒子不同濃度對光耦合效率的影響

　　SiO2折射率1.45，Al2O3折射率1.76，TiO2折射率2.76，假定粒徑為2μm。僅調整顆粒密度進行光學仿真。SiO2、Al2O3和TiO2粒子的光耦合效率是隨著粒子濃度的升高而不斷提高，不同粒子在各自不同的濃度達到最佳光耦合效率。SiO2的最佳光耦合效率約71.13%，Al2O3的最佳光耦合效率約63.17%。TiO2的最佳光耦合效率約59.2%。

　　1.1.2不同粒子不同濃度對照度平均均勻性的影響

　　光散射能力排序：TiO2>Al2O3>SiO2。三種離子的光照度平均均勻性曲線均為類二次曲線。SiO2粒子在濃度為10000/mm3時，達到最佳照度平均均勻性70.09%;Al2O3粒子在濃度為500/mm3時，達到最佳照度平均均勻性70.81%;TiO2粒子在濃度為250mm3時，達到最佳照度平均均勻性69.57%。TiO2粒子在最佳光照度平均均勻性時的光耦合效率為44.19%，Al2O3粒子在最佳光照度平均均勻性時的光耦合效率為44.12%，SiO2粒子在最佳光照度平均均勻性時的光耦合效率為52.39%。在最佳光照度平均均勻性的粒子濃度時，SiO2粒子的光耦合效率比其他兩種粒子高約8%。SiO2顆粒是納米晶導光板的優選摻雜粒子。

　　1.1.3不同粒徑分布的SiO2粒子對導光板的光學仿真性能影響

　　光耦合效率是隨著粒徑的增加而不斷提高，光照度平均均勻性和粒徑為類二次曲線;優選的SiO2粒徑范圍2000nm3000nm。

　　2結論

　　納米晶導光板優選的摻雜粒子是SiO2，推薦SiO2濃度范圍8000/mm3-12000/mm3，推薦SiO2粒徑范圍2000nm-3000nm。現有結構的最佳光照度平均均勻性約70%，對應的光耦合效率為52.39%。根據仿真結果可得僅通過調整摻雜粒子的種類、粒徑和粒子濃度無法進一步提高光照度均勻性和光耦合效率。該優化方案對于指導雙面導光板的設計與制作具有一定的指導意義與理論價值。

　　參考文獻：

　　[1]呂海軍.我國LED產業發展現狀及未來發展展望[J].照明工程學報,2013,24(03):6-10.

　　[2]李繼紅.用于雙面發光的導光板,CN103353090A[P].2013.

　　相關刊物推薦：《照明工程學報》(雙月刊)是由中國科學技術學會主管，中國照明學會主辦的學術期刊。學報于1992年創刊，2010年改為雙月刊，每雙月末出版。是中國照明領域的權威學術期刊�？�物全面反映照明領域學科發展方向，著重報道最新照明科研成果、學術研究成果，介紹了大量優秀照明工程案例及最新產品。為國家核心期刊。