提高LED輝度的方法大致上可分為兩種，分別是增加芯片(chip)本身的發(fā)光量；另一種方法是有效利用芯片產(chǎn)生的光線，增加光線照射至預期方向的照射量。前者是設法提高芯片活性層的發(fā)光效率，以及改善芯片形狀增加外部取光效率，或是將芯片大型化利用高密度電流增加發(fā)光量；后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，使芯片產(chǎn)生的光線照射至預期的方向。日本OMRON根據(jù)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(tǒng)結構的問題點
圖1是傳統(tǒng)LED的結構，一般是用透明環(huán)氧樹脂將led芯片與導線架(lead frame)包覆封裝，封裝后的鏡片狀外形可將芯片產(chǎn)生的光線集中照射至預期的方向，由于圓柱狀形狀類似炮彈，因此被稱為炮彈型LED。不過傳統(tǒng)炮彈型LED凸鏡狀外形祇能控制狹窄范圍的光線，大角度射出的光線無法折射控制因而成為損失光，也就是說炮彈型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
DR-LED的結構與動作原理
圖2是DR-LED的結構，DR-LED是在傳統(tǒng)炮彈型鏡片部利用環(huán)氧樹脂與空氣的接口形成全反射面，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。芯片前端射出的小角度光線(以下簡稱為前端光)利用與傳統(tǒng)炮彈型相同的鏡片結構，使光線能朝預定方向射出，炮彈型LED無法控制的大角度損失光則由環(huán)氧樹脂與空氣界面作一次全反射，并由反射mirror再度使光線反射朝預定方向射出。
此外芯片側面射出的光線(以下簡稱為側面光)則利用與傳統(tǒng)炮彈型相同的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。由于DR-LED可以控制傳統(tǒng)炮彈型無法收斂的損失光，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，因此無芯片種類與發(fā)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(tǒng)炮彈型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布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(tǒng)炮彈型LED，實際上它祇是增加反射mirror，因此制程上可延用casting mould技術，具有至量產(chǎn)上的優(yōu)勢。
DR-LED的光學仿真分析
設計DR-LED時鏡片部位的光線與全反射部位的光線都經(jīng)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與芯片的相對位置。不過一般常用的仿真分析軟件，建立上述錯綜復雜的分析模式時，一旦遇到變更參數(shù)等情況，經(jīng)常需耗費漫長的作業(yè)時間，同時亦無法獲得詳細的光線動作軌跡數(shù)據(jù)，因此必需開發(fā)專用的仿真分析軟件以克服上述問題。
專用軟件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、芯片前端光與側面光各profile的分析結果。此外還能同時從profile數(shù)據(jù)與芯片射出的光線之中，獲得到達預定方向的光線百分比的數(shù)據(jù)，亦即光線有效利用率的數(shù)據(jù)。實際作業(yè)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。由于鏡片形狀、反射mirror形狀與芯片的相對位置都經(jīng)過最佳化分析，因此DR-LED可實現(xiàn)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是利用芯片與鏡片的相對位置、鏡片形狀三者關系求得；④與⑤是利用芯片與反射mirror的相對位置、反射mirror形狀三者關系求得。
圖3 DR-LED的光線構成要素與光線軌跡圖
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