封裝硅膠對深海LED光源出光光通量的影響

陳 彤，汪 飛，殷錄橋，張建華

(上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動化學(xué)院，上海 200072)

1 引 言

海洋蘊(yùn)藏著豐富的資源，大致分為海底礦產(chǎn)、海洋生物、海洋化學(xué)與海洋旅游四類，其中海底的礦產(chǎn)資源可以緩解當(dāng)今社會的能源枯竭，海洋生物與旅游可以促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，各國對深海資源的勘探和開發(fā)都趨之若鶩，深海潛水器的研究取得了飛速發(fā)展[1-4]。由于水下環(huán)境中自然光照條件很差[5-8]，因此，水下照明設(shè)備成為深海潛水器上的關(guān)鍵設(shè)備[1]。潛水器照明使用的傳統(tǒng)光源主要有鹵素?zé)?、熒光燈和高?qiáng)度氣體放電燈。而LED燈節(jié)能、高亮度、體積小、壽命長、可靠性高等眾多優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)超越傳統(tǒng)光源[9-12]，成為當(dāng)前低碳運(yùn)動背景下水下照明領(lǐng)域的必然趨勢[13-14]。

為了給水下工作提供良好的照明效果，世界主要國家紛紛開展了深海照明研究。其中美國深海電力和照明機(jī)構(gòu)(DSPL)自38年前公司成立以來一直致力于先進(jìn)的水下照明，取得的成果最為顯著，已有一系列成熟的產(chǎn)品[15]。如2011年設(shè)計(jì)了關(guān)于照明燈透明窗口的壓力補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。透明窗口安裝在LED上，透明窗口和LED之間的空間填充有光學(xué)透明的流體，凝膠或油脂，其允許光通過并且傳遞深海壓力，補(bǔ)償了透明窗口內(nèi)外兩面的壓力差，避免透鏡由于受力不同而破裂[16]。在2017年的專利中將LED浸泡在惰性、不導(dǎo)電的充液壓力補(bǔ)償環(huán)境中，提高了燈具的抗壓能力[17]。而液體填充LED燈的缺點(diǎn)包括對光束控制的減少和LED熒光粉涂層的污染可能性增加。因此，通常首選采用壓力保護(hù)外殼設(shè)計(jì)而不是充液壓力補(bǔ)償設(shè)計(jì)來保護(hù)LED免受外部壓力。

由于光學(xué)硅膠具有不可壓縮性與優(yōu)良透光性的特點(diǎn)，本文選取了封裝硅膠作為壓力補(bǔ)償結(jié)構(gòu)介質(zhì)。利用折射定律，對封裝不同折射率的硅膠，從使光線在藍(lán)寶石透鏡窗口發(fā)生全反射的角度進(jìn)行了理論計(jì)算。利用Tracepro對折射率為1.41～1.55以及硅膠封裝厚度為1.6～3.0 mm的不同光源模組進(jìn)行了光學(xué)仿真。最后，利用設(shè)計(jì)的硅膠封裝實(shí)驗(yàn)對光源模組進(jìn)行硅膠封裝，并通過積分球進(jìn)行光通量的測試。

2 封裝硅膠后的光路傳輸分析及光學(xué)仿真

2.1 光源模組的設(shè)計(jì)

在復(fù)雜的深海環(huán)境中，海水不僅會對構(gòu)件造成腐蝕，對燈具出射的光線造成大量的吸收與散射，還會產(chǎn)生巨大的壓強(qiáng)，因此深海照明燈具要具備良好的光源模組以及抗腐蝕、抗壓性能。以LED為光源的深海照明燈其光學(xué)模組通常由抗壓透光窗口、反光杯及LED陣列光源組成。對于反光杯，不僅起到抗壓的作用，同時對光源出射的光整形匯聚，使出射的光線滿足一定的發(fā)光角。對于直接與海水接觸的透光窗口材料，不僅需要良好的抗壓與耐腐蝕能力，還需要高的透光性。從應(yīng)用角度來說，藍(lán)寶石玻璃是目前世界上透光率最好的光學(xué)玻璃之一，所以深海照明燈具的透光窗口大多采用藍(lán)寶石玻璃。由于藍(lán)寶石玻璃下方的反光杯有孔洞，所以在受到海水高壓后，會因?yàn)閼?yīng)力集中而發(fā)生形變。為保證照明燈在6 000 m以下的水深環(huán)境正常工作，需對光源模組進(jìn)行硅膠封裝。

整體的光源模組如圖1所示，由散熱銅塊、焊有LED燈珠的銅基板、墊片、反光杯、硅膠透鏡、雙面鍍膜藍(lán)寶石透鏡組成。硅膠封裝在反光杯與藍(lán)寶石透鏡之間起到透光、抗壓的作用。

圖1 整體光源模組

2.2 封裝硅膠后的光線傳輸

本文基于LED燈珠的二次光學(xué)設(shè)計(jì)，由于采用高強(qiáng)度、高折射率的藍(lán)寶石透鏡作為透光窗口材料，由折射定律可知，光線從光密介質(zhì)傳到光疏介質(zhì)會發(fā)生全反射，造成一部分光線在藍(lán)寶石透鏡的出射鏡面由于全反射而損失了能量。現(xiàn)分析光線入射到藍(lán)寶石透鏡的3種光路傳輸路徑：光線垂直入射進(jìn)透鏡，這部分光線直接出射能量最強(qiáng)；光線入射進(jìn)入透鏡出射面的入射角大于全反射的臨界值會使光線在藍(lán)寶石透鏡內(nèi)發(fā)生全反射，無法出射；當(dāng)入射光線角度小于全反射的臨界角時，光線在折射進(jìn)入空氣的同時，會在藍(lán)寶石透鏡內(nèi)部發(fā)生多次鏡面反射。為減少光線在藍(lán)寶石透鏡內(nèi)部的鏡面反射，對藍(lán)寶石透鏡雙面進(jìn)行鍍減反射膜處理。

光線在藍(lán)寶石透鏡出射面發(fā)生全反射時，由于填充的硅膠折射率不同，造成光線從硅膠入射進(jìn)入藍(lán)寶石透鏡的臨界入射角α也不同，現(xiàn)計(jì)算填充每種具體折射率硅膠時的臨界入射角α。根據(jù)折射定律sinθ1n1=sinθ2n2，藍(lán)寶石透鏡的折射率1.762,空氣的折射率1.00，可計(jì)算出全反射角度β=34°34′，繼而由此推算出發(fā)生全反射時的臨界入射角α。

由折射定律、硅膠的折射率和發(fā)生全反射的角度34°34′，計(jì)算出光線在藍(lán)寶石透鏡出射面發(fā)生全發(fā)射時從封裝硅膠入射進(jìn)入藍(lán)寶石透鏡的入射角度。表1給出的是常用的光學(xué)級封裝硅膠。由計(jì)算可知發(fā)生全反射時的臨界角隨填充硅膠折射率的增加而減小，結(jié)果如圖2所示。

表1 封裝硅膠的光學(xué)特性

圖2 發(fā)生全反射時的臨界角隨填充硅膠折射率的變化

2.3 基于Tracepro進(jìn)行LED光源模組光學(xué)仿真

2.3.1 光學(xué)仿真過程

SolidWorks中建立的3D光源模組如圖3所示，其中反光杯面型的建模選用拋物面，拋物線的曲線方程根據(jù)反光杯上、下方口徑的頂點(diǎn)坐標(biāo)以及反光杯的厚度，帶入拋物線方程即可求解。將求解出來的拋物線方程利用SolidWorks軟件繪制出來。將建立好的3D光源模組保存為step格式，導(dǎo)入Tracepro中，如圖4(a)所示。設(shè)置光源的類型和屬性，本文所用光源選擇江西晶能半導(dǎo)體有限公司型號為XG-2系列的LED光源，該LED光源半峰邊角為60°，主峰波長為450 nm，標(biāo)準(zhǔn)1.5 A電流、3.5 V電壓下的光通量為600 lm。查找所用燈珠的數(shù)據(jù)手冊，利用表面光源特性生成器(Surface source property generator)將該光源的表面光源配光曲線以及光譜特性曲線描點(diǎn)，設(shè)置完成后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入至Tracepro，最終光源的立體配光效果可在Source Beam Shape 3D Preview中查看。設(shè)置各個零件的材料及表面仿真參數(shù)如表2所示，由于藍(lán)寶石透鏡的倒角面與密封圈接觸，為更加真實(shí)地模擬出光，將倒角面設(shè)置為全吸收。為探究后續(xù)封裝不同折射率硅膠時光線在藍(lán)寶石透鏡中的鏡面反射情況，在距光源15 mm處添加60×60×2的接收屏1，不設(shè)置任何表面屬性。在距離光源1 000 mm處添加一塊6 000×6 000×2的接收光屏2，表面設(shè)置為全吸收。光線追跡數(shù)量為24 000，點(diǎn)擊Trace Rays完成光線追跡，如圖4(b)所示。查看接收屏1，光線描述為入射的光照度分析圖，接收屏2光線描述為吸收的光照度分析圖。

圖3 光源模組的主要尺寸參數(shù)(單位mm)

圖4 Tracepro光學(xué)仿真。(a)封裝硅膠的光源模組；(b)光線追跡。

表2 Tracepro仿真參數(shù)

2.3.2 封裝硅膠折射率與厚度對出光光通量的影響

光源模組仿真的反光杯厚度為1.6～3.0 mm，由于硅膠完全封裝在反光杯與藍(lán)寶石透鏡之間，所以反光杯的厚度即封裝硅膠的厚度。隨著反光杯厚度的增加，封裝硅膠的體積也在增加。封裝不同折射率的硅膠在不同厚度反光杯里的出光總光通量如圖5(a)所示，從圖5(a)可以看出同一厚度的反光杯光通量隨封裝硅膠折射率的增加而減小，且反光杯厚度從1.6 mm增加至2.5 mm的過程中光通量隨反光杯厚度的增加而增加，從2.5 mm增加至3.0 mm的過程中光通量隨反光杯厚度的增加而減少。這是由于在反光杯厚度為2.5 mm之前，隨著反光杯厚度的增加，使得較多光線經(jīng)過反光杯反射向前傳播[18]，光通量隨之增加。在2.5 mm之后，隨著反光杯厚度的增加，封裝硅膠的填充量將會增加，相應(yīng)地增加了反射光線在反光杯中的光程，即增加了硅膠材料對光線的吸收[19]，導(dǎo)致光通量減小。由仿真結(jié)果可知，最佳的反光杯厚度為2.5 mm。圖5(b)為反光杯厚度為2.5 mm的光源模組其藍(lán)寶石透鏡出射面及接收屏1的入射光線光通量的仿真結(jié)果。從圖5(b)可以看出，隨著封裝硅膠折射率的增加，藍(lán)寶石透鏡出射面的入射光通量隨之增加，而接收屏1的入射光通量隨之減小，兩者的差值逐漸增加，即更多的光線在藍(lán)寶石透鏡中發(fā)生鏡面反射而無法出射，這與光線在藍(lán)寶石透鏡出射面發(fā)生全反射時的臨界入射角隨填充硅膠折射率的增加而減小的理論計(jì)算相吻合。

圖5 Tracepro仿真結(jié)果。(a)光通量與封裝不同折射率以及封裝不同厚度硅膠的關(guān)系；(b)反光杯厚度為2.5 mm的光源模組其藍(lán)寶石透鏡出射面及接收屏1的入射光線光通量。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

3.1 不同折射率與不同厚度的硅膠封裝實(shí)驗(yàn)

選取折射率為1.41的低折射率硅膠DOW-184以及折射率為1.54的高折射率硅膠OE-6550分別進(jìn)行光源模組的封裝硅膠實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件如表3所示。將硅膠按比例配置放入ZYMC-580非介入式材料均質(zhì)機(jī)完成離心攪拌和抽真空的過程，使A、B介質(zhì)充分融合且去除硅膠中的氣泡。在注入硅膠加熱使其固化的過程中，由于焊有LED燈珠的銅基板與墊片、墊片與反光杯的接觸面存在間隙，如不進(jìn)行良好的密封會使在加熱過程中產(chǎn)生的氣泡通過間隙進(jìn)入封裝的硅膠中，嚴(yán)重影響出光效果，因此需先將硅膠涂至墊片的上下兩面，放入真空干燥箱在150 ℃的溫度下加熱1 h，完成反光杯與光源之間的密封。實(shí)驗(yàn)方案一是將配好的硅膠注入針管，通過點(diǎn)膠機(jī)將硅膠注入至與反光杯上表面平齊，由于該實(shí)驗(yàn)方案不能精準(zhǔn)地控制注入反光杯每個孔洞的硅膠，造成硅膠在固化好后進(jìn)行光源模組的螺紋旋轉(zhuǎn)裝配時，稍高于反光杯表面的硅膠會被擠出、稍低于反光杯表面的硅膠與藍(lán)寶石透鏡之間會有空氣，嚴(yán)重影響出光的光強(qiáng)。

表3 封裝硅膠實(shí)驗(yàn)條件

改進(jìn)后的硅膠實(shí)驗(yàn)通過圖6所示裝置完成整體光源模組的裝配。將配置好的硅膠直接倒入反光杯中使硅膠完全溢出反光杯表面，將藍(lán)寶石透鏡壓至反光杯上方，此時藍(lán)寶石透鏡與反光杯之間的空隙使硅膠完全填充。由于也完成了反光杯與光源之間的密封，所以加熱過程中無氣泡生成。將光源模組放至圖6裝置固定，旋轉(zhuǎn)螺桿使下方的軸承壓緊藍(lán)寶石透鏡表面，藍(lán)寶石透鏡由于在壓力的作用下與反光杯之間無相對滑動。此時旋緊燈殼，光源模組的裝配完成。將光源模組放入真空干燥箱進(jìn)行硅膠的高溫固化。

圖6 整體光源模組裝配裝置

實(shí)驗(yàn)方案一與改進(jìn)后的硅膠實(shí)驗(yàn)對比如圖7所示，改進(jìn)后的硅膠封裝實(shí)驗(yàn)很好地解決了上述問題。

圖7 硅膠封裝實(shí)驗(yàn)。(a)實(shí)驗(yàn)方案一；(b)改進(jìn)后的硅膠封裝實(shí)驗(yàn)。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證封裝硅膠的最佳厚度以及透光率采用低折射率的封裝硅膠優(yōu)于高折射率的光學(xué)仿真結(jié)果，光源模組的實(shí)驗(yàn)以反光杯厚度為2.0，2.5，3.0 mm各自封裝DOW-184折射率為1.41及OE-6550折射率為1.54的光學(xué)級封裝硅膠，通過HAAS-2000積分球進(jìn)行光學(xué)測試。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比值如表4所示。

表4 反光杯厚度為2.0，2.5，3.0 mm分別封裝折射率為1.41及1.54的光學(xué)級硅膠的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

通過上文對發(fā)生全反射時臨界入射角α的計(jì)算，封裝硅膠折射率為1.54的臨界入射角為40°29′，封裝硅膠折射率為1.41的臨界入射角為45°10′，提升約為11.5%。對應(yīng)實(shí)測結(jié)果：2.0 mm厚度的反光杯封裝折射率1.41的硅膠比封裝折射率1.54的硅膠光通量提升約9.3%，2.5 mm厚度的反光杯封裝折射率1.41的硅膠比封裝折射率1.54的硅膠光通量提升約5.3%，3.0 mm厚度的反光杯封裝折射率1.41的硅膠比封裝折射率1.54的硅膠光通量提升約5.5%；且封裝在同一折射率下，封裝硅膠厚度為2.5 mm的出光光通量大于2.0 mm和3.0 mm的出光光通量。通過實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證了仿真及理論計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié) 論

基于折射定律，應(yīng)用光學(xué)仿真軟件Tracepro，通過硅膠封裝實(shí)驗(yàn)，研究并分析了封裝硅膠折射率及厚度對光通量的影響。理論計(jì)算結(jié)果表明，光線從封裝硅膠入射進(jìn)入具有高折射率的藍(lán)寶石透鏡，使得光線在藍(lán)寶石透鏡出射面發(fā)生全發(fā)射，并且全反射的臨界入射角隨填充硅膠折射率的增加而減小。通過對封裝硅膠后的光源模組進(jìn)行光學(xué)仿真，結(jié)果表明，隨填充硅膠折射率的增加，藍(lán)寶石透鏡出射面的入射光通量增加，但其外部接收屏的入射光通量隨之減小，即更多的光線在藍(lán)寶石透鏡出射面發(fā)生全反射無法出射，導(dǎo)致光通量隨硅膠折射率的增大而減小。對封裝硅膠厚度的仿真結(jié)果表明，光通量在封裝厚度為2.5 mm時達(dá)到最大。利用硅膠封裝實(shí)驗(yàn)對2.0，2.5，3.0 mm的反光杯中分別封裝折射率為1.41的DOW-184及折射率為1.54的OE-6550的光學(xué)硅膠，利用積分球進(jìn)行光通量測試。結(jié)果表明，出光的光通量在同一厚度的反光杯中封裝低折射率的光學(xué)硅膠高于高折射率的光學(xué)硅膠。且封裝在同一折射率下，封裝硅膠厚度為2.5 mm的出光光通量大于2.0 mm和3.0 mm的出光光通量。本文研究過程中所涉及的參數(shù)均為實(shí)際生產(chǎn)中需要考慮的內(nèi)容，研究所得的規(guī)律對于實(shí)際生產(chǎn)中提高燈具的光通量具有指導(dǎo)意義。