利用Reflector提高LED的辉度

發光二極體(Light Emitting Diode；以下簡稱為LED)具有壽命長、反應速度快、耗電量低、輕巧小型等優點，隨著LED輝度逐年提高，LED已經不再是各種科技產品的照明、顯示附屬元件，它的應用已擴展至交通號誌器、道路標識、車用煞車燈等領域，未來甚至有可能取代傳統的螢光燈、白熾燈，成為新世代主要照明光源，因此提高LED的輝度成為當務之急。

提高LED輝度的方法大致上可分為兩種，分別是增加晶片(chip)本身的發光量；另一種方法是有效利用晶片產生的光線，增加光線照射至預期方向的照射量。前者是設法提高晶片活性層的發光效率，以及改善晶片形狀增加外部取光效率，或是將晶片大型化利用高密度電流增加發光量；後者是利用光波控制技術，亦即利用封裝樹脂形成特殊的光學結構，使晶片產生的光線照射至預期的方向。日本OMRON根據上述構想，利用雙反射器(Double Reflection；下簡稱為DR-LED)使LED輝度增加二倍以上。
 
傳統結構的問題點

圖1是傳統LED的結構，一般是用透明環氧樹脂將LED晶片與導線架(lead frame)包覆封裝，封裝後的鏡片狀外形可將晶片產生的光線集中照射至預期的方向，由於圓柱狀形狀類似砲彈，因此被稱為砲彈型LED。不過傳統砲彈型LED凸鏡狀外形祇能控制狹窄範圍的光線，大角度射出的光線無法折射控制因而成為損失光，也就是說砲彈型LED祇能控制小角度的光線，使得光的利用效率受到很大的限制。

圖1 傳統砲彈型LED的結構

DR-LED的結構與動作原理

圖2是DR-LED的結構，DR-LED是在傳統砲彈型鏡片部利用環氧樹脂與空氣的介面形成全反射面，為了使被全反射面全反射的光線朝前方反射，因此設置反射mirror。晶片前端射出的小角度光線(以下簡稱為前端光)利用與傳統砲彈型相同的鏡片結構，使光線能朝預定方向射出，砲彈型LED無法控制的大角度損失光則由環氧樹脂與空氣介面作一次全反射，並由反射mirror再度使光線反射朝預定方向射出。

此外晶片側面射出的光線(以下簡稱為側面光)則利用與傳統砲彈型相同的cup結構作一次反射，接著與前端光一樣利用鏡片部與反射mirror控制，使光線能朝預定方向射出。由於DR-LED可以控制傳統砲彈型無法收歛的損失光，因此可以大幅提高光的利用效率。

圖2 DR-LED的結構

如上所述DR-LED是利用改良的封裝技術達成光波控制目的，因此無晶片種類與發光色的限制，同時還可獲得DR光學效果，藉由該效果可有效利用損失光，使光線能朝預定的方向射出，其結果使得DR-LED的亮度比傳統砲彈型LED高2～3倍，這意味著相同亮度時耗電量祇有1/2～1/3。

值得一提的是利用鏡片與反射mirror的外形設計，預期照射領域的光線強度分佈與光束形狀的設計自由度相對提高。此外DR-LED是改良自傳統砲彈型LED，實際上它祇是增加反射mirror，因此製程上可延用casting mould技術，具有至量產上的優勢。
 
DR-LED的光學模擬分析

設計DR-LED時鏡片部位的光線與全反射部位的光線都經過一次反射，因此被反射mirr or再次反射的光必需透過模擬分析，才能取得最佳化的鏡片形狀、反射mirror與晶片的相對位置。不過一般常用的模擬分析軟體，建立上述錯綜複雜的分析模式時，一旦遇到變更參數等情況，經常需耗費漫長的作業時間，同時亦無法獲得詳細的光線動作軌跡資料，因此必需開發專用的模擬分析軟體以克服上述問題。

專用軟體可以輸出有關光線到達target的total profile與鏡片部位，以及從全反射面、晶片前端光與側面光各profile的分析結果。此外還能同時從profile資料與晶片射出的光線之中，獲得到達預定方向的光線百分比的資料，亦即光線有效利用率的資料。實際作業時會從上述的輸出與光線軌跡所構成的整體profile，依照各要素的光線進行個別分析。由於鏡片形狀、反射mirror形狀與晶片的相對位置都經過最佳化分析，因此DR-LED可實現極佳的光線有效利用率。

圖3是光線的構成要素與光線動作軌跡圖；圖4是光線的構成要素與profile實例。圖4①DR-LED的profile與光線有效利用率是將②～⑤的各成份重合求得；②與③是利用晶片與鏡片的相對位置、鏡片形狀三者關係求得；④與⑤是利用晶片與反射mirror的相對位置、反射mirror形狀三者關係求得。

圖3 DR-LED的光線構成要素與光線軌跡圖

圖4 DR-LED的光線構成要素與profile

紅綠藍(RGB)是構成全彩的基本三原色，通常紅色發光LED是使用AlInGaP系晶片，最近藍色發光LED是大多使用InGaN系晶片。圖5是典型的晶片結構，如圖5(a)所示AlInGaP系晶片的上下設有正、負電極，晶片整體呈立方體外形，相較之下InGaN系晶片的大多採用絕緣性藍寶石基板，晶片的上下方同樣設有正、負電極，如圖5(b)所示晶片上半部呈現段差外形。DR-LED與砲彈型LED的150指向角(半值全角)是根據AlInGaP與InGaN系晶片的參數設計，其結果如圖6所示。由圖6可知DR-LED的亮度並不會因為晶片種類不同產生依存性，這意味著紅綠藍全彩的基本三原色LED，都可透過DR(Double Reflect ion)光學系提高亮度。

圖5 LED的典型結構

圖6 光利用效率模擬分析的結果

DR-LED的實測結果

照片1是傳統砲彈型LED與DR-LED發光比較，兩LED都是使用AlInGaP系晶片與相同的驅動電流，LED的發光波長為630nm，由照片可以清楚確認DR-LED朝前方射出的光量比傳統砲彈型LED多。圖7是使用AlInGaP系晶片製成的DR-LED光強度分佈模擬分析與實測結果比較；圖8是使用InGaN系晶片製成的DR-LED光強度分佈模擬分析與實測結果比較；AlInGaP系的波長為630nm，InGaN系的波長為470nm，上述兩種DR-LED的半值全角都是150，由圖7與圖8可以確認晶片的實測值與模擬分析的結果幾乎完成相同，顯示模擬分析具有極高的真實性與精度。

照片1 傳統砲彈型LED與DR-LED發光比較結果

圖7 使用AlInGaP系晶片製成的DR-LED測試結果

圖8 使用InGaN系晶片製成的DR-LED測試結果

圖9是傳統砲彈型LED與DR-LED的光輸出結果比較，兩LED都是使用相同材質的晶片與輸出功率，測試時是在量測光軸上約0.004sr的光輸出。由圖可確認DR-LED的光輸出比傳統砲彈型LED高2倍，證明DR光學結果可有效控制損失光，增加朝前方發射的光量提高LED的外部取光率。

圖9 傳統砲彈型LED與DR-LED的光輸出比較結果

圖10是利用半值全角的差異進行DR-LED與傳統砲彈型LED的光利用效率比較結果，所謂光利用效率是指半值角內照射光量與晶片全發光量兩者的比而言。由測試結果證實模擬分析與實測的光利用效率結果幾乎完全相同，顯示DR-LED的光利用效率是傳統砲彈型LED的2～3倍之外，也證實利用傳統樹脂封裝技術構成DR光學結構具有實質效益。

圖10 傳統砲彈型LED與DR-LED的光利用效率比較結果

結語

以上介紹如何利用雙反射結構(Double Reflection)有效利用傳統砲彈型LED的損失光，進而大幅提升LED的外部取光率增加照射亮度，同時透過各種測試結果證實專用光學模擬分析軟體具有高精度的實用價值，今後將針對互外用顯示器等大指向角LED進行深入研究。