科銳XLamp XB-D LED和XT-E LED基于科銳最新的SC3技術平臺。SC3技術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。雖然XLamp XB-D LED和XT-E LED提供較高的性能，特殊的DA芯片結構也給光學設計帶來了挑戰。本文描述了這些挑戰，同時提供了有效克服這些挑戰的方法。

　　一、DA芯片

　　如圖2所示，與藍寶石襯底相比，碳化硅襯底產生更少的位錯。每個位錯在芯片表面形成一個微小的黑點，更少的位錯意味著更少的黑點，更亮、更高的流明輸出，即更高的效率(lm/w)。與藍寶石襯底比較，這些優點結合DA芯片具有5-10%的光效提升。另外一個優點是更少的外延缺陷，制造的LED更可靠。因此DA芯片結構可提供更高的光輸出、堅固性、可靠性和可制造性。

　　圖1 DA芯片側面圖

　　圖2 晶格失配對比

　　二、XLamp XB-D LED和XT-E LED光學模型

　　科銳XLamp XB-D和XT-E白光LED基于DA芯片，其光學模型有一些特別的光學特性，呈朗伯光型分布。從DA芯片示意圖3看到，為了使光輸出最大化，在芯片頂面的斜邊切割，給LED的二次光學設計帶來了挑戰。由于DA芯片的特殊切割，熒光粉會沉積在SiC上面的斜邊切割面上。

　　對于使用EZ芯片的XP系列產品，藍光和黃光幾乎從相同的面出射。對于使用DA芯片的產品，類似小尺寸的遠程熒光粉結構，藍光從InGaN外延層出射，黃光從DA芯片頂面的斜邊切割面出射，當設計小角度的二次光學時，在光強和顏色分布上可能會有一些不均勻的現象。圖4和圖5表示光是如何從XLamp XP LED(EZ芯片)和XB-D LED、XT-E LED(DA芯片) 產生的。

　　圖3 DA芯片示意圖

　　圖4 EZ芯片出射光示意圖

　　圖5 DA芯片出射光示意圖

　　為了改善光輸出，在DA芯片頂面有斜邊切割，這導致芯片上的熒光粉厚度不一致。圖6是XT-E LED點亮時的近場圖，注意圖中心黃色的十字，這表示在十字上有更厚的熒光粉層。

　　                                                                  圖6 DA芯片白光LED的近場圖

　　科銳使用Radiant Imaging影像式光源測角儀(SIG)生成輻射源模型(RSM)數據文件。SIG系統捕獲一個精確的光源近場輸出模型，生成的圖像數據和RSM文件能提供完整的光源輸出特性，通過ProSource軟件可以導出包含任意光線數的文件，用于其它光學照明軟件如ASAP、FRED、LightTools、LucidShape、TracePro、Zemax等。科銳網站提供XLamp LED的RSM文件和LED 3D模型等配套文件都可在。

　　三、LED二次光學基礎

　　如果LED的光分布不符合特定的應用需求，需要用二次光學改變LED的光分布，使成品燈的光分布滿足要求。二次光學也可用來改善在目標區域內的顏色和光分布均勻性。LED二次光學分類如下：1．反光杯、反射器；2．透鏡；3．結合透鏡和反光杯，如全反射透鏡(TIR)；4．擴散器。每種光學系統控制光的方式不同，制造技術和價格也不同。LED二次光學的主要功能：

　　1)準直：使大部分光最大可能的照射在目標上，如手電筒或聚光燈。

　　2)擴散：使光以更大角度傳播或隱藏、模糊LED光源，如線性燈或LED球泡。

　　3)照明：使光照射在特定的區域上而不照射在其他區域，如路燈或區域燈。

　　拋物面反光杯在準直光方面非常有效，相對傳統的透鏡來說易于制造且價格便宜。但是反光杯只有一個面控制光束，很多從光源發出的光沒有經過反光面反射就直接出射了，經過反射面反射的光是被控制和準直的，沒有經過反射面反射的光是不被控制的，這些光被稱為溢出光。

　　反過來，傳統透鏡能很好的控制光束中心的光，但是由于透鏡的尺寸問題，不能控制大角度上的光。TIR透鏡是結合反光杯和傳統透鏡優點的二次光學：

　　1)能同時控制直射光和反射光

　　2)使光在離開系統前至少經過2個面

　　3)即使透鏡尺寸很小也會很有效

　　4)相對反光杯價格較高

　　如圖7所示，TIR透鏡包含一個全反射(TIR)面和一個折射透鏡。折射透鏡控制LED光束中間的光，TIR面控制大角度上的光。

　　圖7 TIR透鏡

　　三、XLamp XB-D LED和XT-E LED光學設計技巧

　　如前面提到的XLamp XB-D LED和XT-E LED使用DA芯片，在小角度時顏色會不均勻。可使用對于TIR透鏡，混合顏色的方法有：

　　1．透鏡的頂面磨砂或增加微透鏡，如圖8和9所示。增加的微結構過多，會導致出光角度過大，損失過多的光，反之，太少混色會不均勻。

　　                                                                              圖8磨砂面(Ledil提供)

　　圖9微結構(Gaggione提供)

　　2. 折射透鏡上增加擴散結構，如圖10所示。

　　圖10擴散結構(Illumination Machines提供)

　　3．TIR表面增加擴散結構，如圖11所示。

　　圖11 TIR面上的擴散結構(Ledlink提供)

　　四、二次光學產品介紹

　　運用顏色混合技術和透鏡設計軟件，許多光學公司已經開發了很多針對XLamp XB-D LED和XT-E LED的很好的TIR透鏡。下面是3個案例，數據由光學公司提供。

　　案例1：Illumination Machines

　　為XT-E LED設計的12°(FWHM) TIR透鏡，光斑均勻，中心光強12.5cd/lm，光學效率89%。

　　圖12 Illumination Machines 12°XT-E TIR透鏡和光斑效果圖

　　圖13 XT-E LED光強分布(上圖)及加TIR透鏡后的光強分布對比(下圖)

　　案例2：Ledlink

　　為XT-E LED設計的14°(FWHM) 20mm TIR透鏡，光斑均勻，中心光強8.3cd/lm。

　　圖14 Ledlink 14° XT-E TIR透鏡和光斑效果圖

　　圖15 加TIR透鏡后的XT-E光強分布

　　案例3：Gaggione

　　為XB-D LED設計的20°×30°橢圓光斑16mm TIR透鏡，光斑均勻，中心光強3.2cd/lm。

　　圖16 Gaggione 20°×30° XB-D LED TIR透鏡和光斑效果圖

　　圖17 XB-D LED光強分布(上圖)及加TIR透鏡后的光強分布對比(下圖)

　　五、結語

　　科銳的XLamp XB-D LED和XT-E LED基于最新的SC3技術平臺，并采用提供業界領先的光效的XLamp DA芯片，為了實現更好的光學設計，本文闡述了一些光學基礎知識，幫助理解如何使用TIR透鏡來設計XB-D LED和XT-E LED實現良好均勻一致的窄光束。