针对GaN基正装结构的LED芯片存在电流分布不均匀的问题,对传统的电极结构进行优化设计。通过建立有限元分析软件COMSOL的三维仿真模型,对传统结构和优化电极结构的芯片有源层电流分布进行了仿真,结果表明优化后的芯片电流分布更均匀。然后制备了不同结构的LED芯片进行光电性能测试,发现将N电极形状改变为扇形结构能提高LED的出光效率,在输入电流为20 mA时,LED芯片的输出光功率为31.84 mW,出光效率为52.03%,相比传统LED芯片出光效率提高了6.14%。

为提高OLED出光效率，在OLED基底上设计锥状微结构阵列，通过几何光学和光线追迹方法分析了锥状微结构对OLED出光效率的影响。结果表明：锥状微结构阵列最大可以提高60%的出光效率；锥状微结构阵列的占空比、材料折射率和坡度角对出光效率有较大影响；锥状微结构阵列不会改变OLED的辐射角，且有一定的聚光作用。结果为提高OLED出光效率提供一种新的参考和方法。

为了提高OLED出光效率, 在OLED基底表面设计了二维连续表面亚波长光栅。利用等高台阶逼近的方法近似连续表面光栅结构, 并结合等效介质理论和薄膜光学原理, 设计光栅参数: 刻蚀深度0.29 μm, 周期大小0.165 μm, 底边直径与周期的比值等于1, 可以实现宽光谱、广角度的高透射率。利用时域有限差分方法仿真计算了该光栅对OLED基底出光效率的影响, 结果表明, 出光效率最高可提高30%。

采用纳米结构是提高有机发光二极管(OLED)出光效率(LEE)的主要方法之一。当纳米结构位于有机层和氧化铟锡(ITO)阳极之间时,可以起到引导模式的重叠、增强散射、提高OLED出光效率的目的。采用金薄膜退火和湿法刻蚀技术在ITO玻璃片上制备随机分布的纳米图形用于橙光OLED器件,研究了纳米图形对器件发光性能的影响因素,同时制作了无纳米图形的标准OLED 器件作为对比。实验结果表明,当金薄膜厚度为10 nm,退火温度为570 ℃,退火时间为240 s,刻蚀深度为30 nm时,与无纳米图形的OLED相比,有纳米图形的OLED的亮度提高17%,电流效率提高34%,功率效率提高32%,外量子效率提高35%,证明纳米图形可以显著地提高OLED器件的出光效率。

为获得具有高出光效率、高导热性能的发光二极管(LED)封装基板,采用直接敷铝(Al)工艺制备了铝/氧化铝(Al2O3)复合陶瓷基板并对其表面进行化学机械抛光处理。运用光学模拟软件Tracepro和热学模拟软件ANSYS对该陶瓷基板封装的LED光源的光学性能和热学性能进行了模拟计算,并和传统氧化铝陶瓷基板封装的LED光源进行了对比分析,最后将所制备的铝/氧化铝陶瓷基板封装成板上芯片直装(COB)型LED光源进行测试。模拟和实验测试结果均表明:直接敷铝工艺制备的铝/氧化铝陶瓷基板热传递速度更快,导热性能更加优异,更适合用于大功率LED光源的封装;铝/氧化铝陶瓷基板封装的的LED光源比基于传统氧化铝陶瓷基板的LED光源的光通量大,出光效率更高。

基于能量守恒定律和网格划分法，设计了一种实现LED阵列近场均匀照明的自由曲面大角度透镜，其内曲面为椭圆形曲面、外曲面为自由曲面.根据能量守恒定律建立映射关系，对光源和目标面进行网格划分，并结合折射定律，迭代求解出外自由曲面数据点.分析了椭圆形内曲面的长短轴比值对透镜菲涅耳损耗和照度均匀性的影响.结果表明：短轴与长轴的比值在0.35~0.55时，出光效率和照度均匀性最佳.通过反馈优化法对LED阵列进行优化，重新划分网格，使叠加部分光照度减弱，提高了整体光照均匀性.仿真结果表明：仅对透镜外自由曲面的面型数据点进行优化，在目标面高度为80 mm，透镜出光角度为157 °时，优化后的整体光照均匀度由优化前的0.40提高到0.84，出光效率大于0.9.

针对导光板(LGP)网点分布设计进行了研究，提出了以导光板网点最佳平均密度(BANDD)范围的定义来阐述导光板网点的最优化设计。根据导光板导光理论建立背光源模组(BLM)的光学模型，并仿真了模型在不同均匀网点密度(NDD)下性能的变化，结果表明在0.1~0.4 之间的网点密度其出光效率与均匀性达到相对平衡。进一步对0.1~0.4范围内的网点密度进行网点排布优化以提高其均匀性，仿真结果表明网点密度在0.2~0.35范围内的网点可以达到设计阶段对均匀性指标的要求。加工了相应的实验样品，验证了导光板最佳平均网点密度范围在0.25 左右，与理论相符合。该研究结果对于实际开发具有一定的指导意义，将有助于加快背光源模组的开发进度，减少开发版次，并降低背光源模组的开发成本。

针对LED单自由曲面透镜近场大角度照明均匀性不足和出光效率低等问题, 基于边缘光线理论和网格划分法, 设计了内曲面为椭圆型, 外曲面为自由曲面的LED双自由曲面大角度透镜.透镜内曲面对LED入射光线进行发散, 外曲面对出射光线方向进行控制, 实现大角度均匀照明, 并减少全反射损失, 提高出光效率.采用扩展光源文件对透镜模型进行光学仿真, 并利用反馈优化法对外曲面进行优化, 提高近场的照度均匀性.研究表明: 在相同近场距离条件下, 出光角度为143°、151.8°时, 单自由曲面透镜照度均匀性为0.55和0.40, 出光效率为92.0%和80%, 而所设计的双自由曲面透镜照度均匀性为0.84和0.85, 出光效率为98.8%和95.0%, 照明效果明显改善.

为了分析图案化结构对LED封装出光效率和空间颜色分布的影响, 采用蒙特卡洛光线追迹的方法进行仿真分析。模拟结果表明: 图案化基板不但能提高LED的出光效率, 而且能改变光源的空间颜色分布。对于平面基板和带反光杯阵列基板加图案化结构, 在本文的参数下, 倒圆锥倾斜角α=25°时, 出光效率分别比传统平面封装提高66.2%、73.6%。无图案平面基板和带反光杯阵列平面基板结构的颜色均匀度分别为0.697和0.777;当α=30°时, 颜色均匀度分别为0.799和0.814。

针对带有常规的第一类反光杯的基板结构因受限于封装引线键合工艺而反光杯尺寸较小的情况, 通过光学理论分析了其存在反射光线不完全的问题, 提出在LED模组芯片间开设第二类反光结构的解决方案。并基于光学分析软件Tracepro的仿真研究, 验证了其有效性。在此基础上设计了新型包含两类反光杯的基板结构, 最高可使LED模组出光效率和中心光强与没有开反光杯的情况相比提升近23%和 38%。