LED双面出光面光源的光学仿真设计与优化

2023.04.02

肖信武

摘要：新型的LED双面出光面光源采用纳米晶导光板，纳米晶导光板是在普通导光板的基础上均匀掺杂纳米晶颗粒而成的。借助光学仿真软件研究纳米晶粒子对纳米晶导光板的照度平均均匀性和光耦合效率的影响规律。解决纳米晶导光板面光源出光不均匀和光耦合效率低的问题，具有重要的理论指导意义。

关键词：LED;双面出光面光源;纳米晶导光板;光学仿真

0 引言

LED光源作为新型节能光源的典型代表，拥有体积小，功率高，寿命长，色温可调、节能环保等诸多优点。LED光源是点光源，需进行二次配光转换为线光源或面光源后使用。双面出光面光源因其结构紧凑，且可以双面出光广泛用于工业领域、背光领域和照明领域[1]。

传统双面出光面光源是由两块普通导光板拼凑而成。新型双面出光背光源是基于纳米晶导光板，散射粒子（俗称纳米晶）均匀掺杂在导光板板材中，可将点光源或线光源高效地转换为均匀的双面发光面光源。现有纳米晶导光板的光均匀性不理想，尤其是大尺寸的纳米晶导光板中间会出现暗区[2]。本研究以纳米晶导光板面光源为研究对象，以米氏散射理论和蒙特卡洛统计方法做为理论依据，以光学仿真软件作为工具，考察三种常用的不同折射率散射粒子SiO2、Al2O3和TiO2。研究这三种散射粒子在不同粒径、不同浓度的情况下对纳米晶导光板的照度平均均匀性和光耦合效率的影响规律。

1 各散射粒子的光学仿真

采用的光学仿真软件是Lighttools。Lighttools光学仿真软件内嵌导光板模型，创建新材料，材料可以添加Mie粒子，并可修改导光板基材的折射率，以及Mie粒子的折射率、粒径和掺杂浓度，运行仿真后并可统计平均均匀性和光耦合效率。光学仿真条件设定：假定纳米晶颗粒为单一粒径的纯净颗粒且散射粒子是均匀分布在导光板内。导光板尺寸：1000mm×1000mm×6mm，导光板基材PMMA（折射率1.49），光源为两组LED光源相对入光（设置为光通量1000流明，LED发光度角120°），上表面和下表面的表面属性设置为光滑表面（Bare Surface）;非入光边缘设置为简单反射，反射率90%，吸收率10%。导光板的外部设置2个无限大的接收面。考察三种散射粒子SiO2、Al2O3和TiO2的光学仿真数据，确认不同掺杂粒子，不同粒径以及不同粒子浓度对纳米晶导光板的照度平均均匀性和光耦合率的影响规律。

1.1 不同浓度的SiO2、Al2O3和TiO2粒子对导光板的光学性能影响

1.1.1不同粒子不同浓度对光耦合效率的影响

SiO2折射率1.45，Al2O3折射率1.76，TiO2折射率2.76，假定粒径为2μm。仅调整颗粒密度进行光学仿真。如图1所示：SiO2、Al2O3和TiO2粒子的光耦合效率是随着粒子浓度的升高而不断提高，不同粒子在各自不同的浓度达到最佳光耦合效率。SiO2的最佳光耦合效率约71.13%，Al2O3的最佳光耦合效率约63.17%。TiO2的最佳光耦合效率约59.2%。

1.1.2 不同粒子不同浓度对照度平均均匀性的影响

如图2所示：光散射能力排序：TiO2> Al2O3> SiO2。三种离子的光照度平均均匀性曲线均为类二次曲线。SiO2粒子在浓度为10000 /mm3时，达到最佳照度平均均匀性70.09%;Al2O3粒子在浓度为500 /mm3时，达到最佳照度平均均匀性70.81%;TiO2粒子在浓度为250 mm3时，达到最佳照度平均均匀性69.57%。TiO2粒子在最佳光照度平均均匀性时的光耦合效率为44.19%，Al2O3粒子在最佳光照度平均均匀性时的光耦合效率为44.12%，SiO2粒子在最佳光照度平均均匀性时的光耦合效率为52.39%。在最佳光照度平均均匀性的粒子浓度时，SiO2粒子的光耦合效率比其他两种粒子高约8%。SiO2颗粒是纳米晶导光板的优选掺杂粒子。

1.1.3 不同粒径分布的SiO2粒子对导光板的光学仿真性能影响

如图2所示：光耦合效率是随着粒径的增加而不断提高，光照度平均均匀性和粒径为类二次曲线;优选的SiO2粒径范围2000nm-3000nm。

2 结论

纳米晶导光板优选的掺杂粒子是SiO2，推荐SiO2浓度范围8000/mm3-12000/mm3，推荐SiO2粒径范围2000nm-3000nm。现有结构的最佳光照度平均均匀性约70%，对应的光耦合效率为52.39%。根据仿真结果可得仅通过调整掺杂粒子的种类、粒徑和粒子浓度无法进一步提高光照度均匀性和光耦合效率。该优化方案对于指导双面导光板的设计与制作具有一定的指导意义与理论价值。

参考文献：

[1]吕海军.我国LED产业发展现状及未来发展展望[J].照明工程学报，2013，24（03）：6-10.

[2]李继红.用于双面发光的导光板，CN103353090A[P].2013.