光線從表面平坦透明材料透過空氣的光取出效率可以利用圖13作說明。對(duì)折射率n>1的環(huán)氧樹脂等透明材料，與折射率n=1的空氣界面而言，從透明材料入射的光線，它的入射角比臨界角ψc(從法線的角度)更大時(shí)，入射光會(huì)全反射再折返透明材料側(cè)，入射角比臨界角ψc更小的光線，會(huì)以部份入射能量反射折返，其它則通過空氣側(cè)，如果換成三次元方式，頂角為ψc時(shí)只有碗杯內(nèi)側(cè)的光線可以取出至外部。
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圖14(a)是傳統(tǒng)SMD封裝的斷面圖，如圖所示從LED芯片取出朝碗杯內(nèi)直接放射的光線(光線1)可以穿透空氣側(cè)，不過碗杯外的直接放射光線(光線2，3)不是過碰到白色樹脂的擴(kuò)散反射面，就是在空氣與環(huán)氧樹脂之間的界面全反射。
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理論上內(nèi)部結(jié)構(gòu)的反射率為100%，透明樹脂的吸收應(yīng)該是零 ，如果忽略芯片的吸收 ，無限次反復(fù)進(jìn)行反射 ，從封裝的光取出效率也應(yīng)該是100%，然而實(shí)際上透明樹脂會(huì)吸收，反射率也不可能100%，加上導(dǎo)線架的加工面與芯片旁的銀膠表面反射率都不盡理想，因此要提高封裝的光取出效率，盡量以少次數(shù)高效率反射成為重要課題。
此處針對(duì)碰撞到白色樹脂反射面的光線進(jìn)行探討。一次的擴(kuò)散反射只能取出碗杯內(nèi)側(cè)的反射成份，此時(shí)碗杯整體可以充分應(yīng)用的反射面角度，比水平面測(cè)定的臨界角θc(=90°-ψc)更小。此處假設(shè)透明環(huán)氧樹脂的折射率為1.53，θc= cos-1 (1/1.53)=49°戚A亦即反射面的角度低于49°戮氶A就可以有效應(yīng)用碗杯內(nèi)的光線，大幅改善光取出效率，以上是O2PERA結(jié)構(gòu)的基本動(dòng)作原理。
如上所述傳統(tǒng)SMD型LED的封裝，基于導(dǎo)線與芯片固定作業(yè)性考慮，內(nèi)部結(jié)構(gòu)具備充分的空間裕度， 其結(jié)果反而造成芯片周圍的金屬導(dǎo)線架大幅露出，擴(kuò)散反射面的角度則高達(dá)70°憤D常陡峭，該結(jié)構(gòu)下的擴(kuò)散反射面本身的面積非常少，碗杯只有一半面積可以應(yīng)用。
此外金屬導(dǎo)線架的反射率與表面材質(zhì)、加工程度有依存關(guān)系，然而基于成本考慮無法作鏡面加工，使得傳統(tǒng)SMD型LED的封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)一直未被優(yōu)化，結(jié)果造成光取出效率遭受具大折損。因此研究人員應(yīng)用O2PERA技術(shù)開發(fā)SMD型LED。
O2PERA型SMD LED優(yōu)先維持與傳統(tǒng)SMD型LED封裝的互換性，設(shè)計(jì)上未改變外形尺寸，只緩和內(nèi)部擴(kuò)散反射面的角度，因此實(shí)際上即使受到外形尺寸與LED芯片大小Die bonding的限制，O2PERA仍然可以實(shí)現(xiàn)比490臨界角更小的反射面角度。不過內(nèi)側(cè)的全反射面整體的角度一旦緩和時(shí)，wire bond(second)的空間有消失之虞，所以設(shè)計(jì)上必需預(yù)留最小wire bonding空間，在狹窄位置精密控制wire bond用capillary，是實(shí)現(xiàn)O2PERA型SMD LED的關(guān)鍵技術(shù)。
實(shí)際上考慮封裝材料的反射率、穿透率以及wire bonding空間，依此進(jìn)行光學(xué)仿真分析，證實(shí)可以提高30%左右的亮度與光束。如上所述采用不同于傳統(tǒng)固定觀念，配合光學(xué)設(shè)計(jì)與精密的生產(chǎn)技術(shù)，可以提高SMD型LED的光取出效率。
圖15是利用O2PERA-SMD封裝提高亮度的實(shí)例，LED芯片本身具有分布不均問題，因此盡力使用相同質(zhì)量的芯片進(jìn)行統(tǒng)計(jì)比較，本實(shí)例使用波長(zhǎng)為589nm黃光LED，實(shí)現(xiàn)平均值34%左右的亮度提升效果，該值與學(xué)模擬分析結(jié)果幾乎一致。
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