LED如何工作及光學介紹

1、LED如何工作及光學介紹導讀：LED技術，在照明應用領域里有一個常用的專用名詞，被稱為固態(tài)照明(SSL：solid state lighting)。這是因為區(qū)別于白熾燈的照明原理(發(fā)光是通過熱輻射在可見光譜的部分來實現(xiàn))，固態(tài)照明所指的技術是以固態(tài)的場致發(fā)光來實現(xiàn)。標簽：光學設計  白光LED  LED光學  光通量  光強分布曲線  1. LED基礎1.1 LED工作原理顧名思義，發(fā)光二極管(LED)是一種可以發(fā)出特定波長(顏色)光線的半導體器件。如同其它的半導體芯片, LED的半導體芯片(L

2、ED的實際發(fā)光單元)也會以塑料或者陶瓷進行封裝。當然，一個封裝當中可以存在一個，也可以是多個芯片。當LED處于正向?qū)?打開)時，電子會與空穴復合，同時以光子的形式釋放能量(如圖1.1.1所示)。這一效應通常被稱作為場致發(fā)光。圖1.1.1 當LED被激發(fā)，電子和空穴復合，同時，能量以特定波長(顏色)的光子形式釋放LED技術，在照明應用領域里有一個常用的專用名詞，被稱為固態(tài)照明(SSL：solid state lighting)。這是因為區(qū)別于白熾燈的照明原理(發(fā)光是通過熱輻射在可見光譜的部分來實現(xiàn))，固態(tài)照明所指的技術是以固態(tài)的場致發(fā)光來實現(xiàn)。白光LED的工作原理最常見辦法是使用單色LED(多

3、數(shù)為銦鎵砷工藝的藍光LED)配合不同顏色的熒光粉來實現(xiàn)白光，對應的LED被稱作為熒光粉白光LED. 高亮度LED(HB LED)所激發(fā)的藍光一部分通過熒光層轉(zhuǎn)化為黃光，另一部分直接以藍光方式穿過熒光層。最終，藍光和黃光的混合構成了白光。圖1.1.2 a)：常見的基于熒光粉的高亮白光LED的內(nèi)部結構圖1.1.2 b)： 空穴與電子復合產(chǎn)生的藍光光子圖1.1.2 c)：藍光的一部分直接通過熒光粉層，另外的部分在通過熒光粉層時被轉(zhuǎn)化為黃光圖1.1.2 d)：藍光和黃光部分混合在一起得到白光基于熒光粉的白光LED的光譜分析中，我們可以很清楚的看到LED所直接激發(fā)的藍光部分以及相對較寬光譜分布由熒光粉激

4、發(fā)的黃光部分。圖1.1.3 藍光與黃光混合可以得出白光，牛頓色散實驗證實了這一現(xiàn)象。2. LED 光學2.1 介紹光學是物理學的一個分支，它研究光的特性和行為，包括光與物體的相互作用、用光儀器和測光儀器的構建。燈具是一種用來改變光源光分布、使光漫射或者改變光譜成分的裝置，實現(xiàn)這一目的需要使用為特定光源設計制造的光學元件(反射器、漫射器、透鏡等)和輔助部件(插座、引線、啟輝器、鎮(zhèn)流器等)。燈具中還包含用來固定和保護光源及線路附件的部分。圖2.1.1：簡化的LED燈具功能組合光學元件光學元件的主要功能是改變光源光通量強度分布和(或)使光漫射、改變其光譜成分。不同幾何結構的光學元件能產(chǎn)生不同的光強分

5、布曲線(LIDC)。使用光學元件的目的:改變光源光通量的分布，規(guī)束它或者打散它;減少觀察者能夠感受到的一定角度內(nèi)的亮度限制眩光;改變光源發(fā)射的光譜濾光。光強分布曲線LIDC近似點光源在各方向的光強度進行測量，用矢量在以光源為中心的空間中加以標注，再將各個矢量的終點連接，就能得到該平面的光亮度表面(注：這是一個3D表面)。在計算中，通常只需要知道3D表面中幾個特定截面的數(shù)值分布就夠了，這些截面通常都是通過光源中心的。這樣，我們就得到了極坐標下的光強分布曲線。圖2.1.2：標準(EN13032-1)光強分布曲線截面體系。LIDC通常顯示在一個通過光源或燈具中心的平面上。最常用的光束面是C-(注：意

6、即我們常說的C平面)，它的軸線垂直于燈具的主出光面。制作光強分布曲線圖時，光強度值統(tǒng)一按1000lm的光源光通量來表示，這是為了使燈具的光強分布曲線不受所用光源的光通量的影響。照明空間要求使用不同的配光曲線來達到特定應用或視覺作業(yè)的標準(見圖2.1.3和2.1.4)。以下是一些有著不同光學元件的燈具，他們可以適用于各種不同的需求。圖2.1.3：光強分布曲線的基本形狀圖2.1.4：光強分布曲線的基本方向光學元件的效率 LOR(Luminaire Output Ratio)公式如下:光學元件的效率等于燈具光通量和所有光源的總光通量之比。2. LED 光學2.2 反射器反射器是一種通過反射材料的反射

7、來控制光源光線的光學元件。反射材料分為鏡面反射，漫反射和混合反射材料。反射器主要分為兩種：第一種指四種基礎的幾何圓錐形反射器橢圓形、帶狀、雙曲線和拋物線型(圖2.2.1)。第二種指非圓錐反射器，比如方形或不對稱的，它們的反射表面也是基本幾何圖形。圖2.2.1：反射器的四種基本幾何形狀橢圓形反射器如果光源被放置在橢圓形反射器的焦點，那光束將會被反射到假想橢圓的另一個焦點。這樣的反射器常應用在中寬光和寬光配光燈具中。帶狀反射器這種反射器用圓心在外部的不同圓弧相接而成。這種反射器的優(yōu)點是能精準地將光投射到想要的位置，但反射器的幾何結構對生產(chǎn)的偏差非常敏感。雙曲線型反射器產(chǎn)生中寬配光和寬配光。拋物線型

8、反射器產(chǎn)生窄配光。這樣的反射器被應用在相對小的需要高照明水平的區(qū)域。圖2.2.2：LED光源的各種反射器多晶面反射器反射器包含了大量針對反射器焦點設計的不同旋轉(zhuǎn)角的小表面，這樣可以保證在所需方向上達到更好的光通量分布。圖2.2.3：多晶面反射器：可確保在所需方向更好的光通量分布反射器遮光角遮光角指示了光源被燈具內(nèi)反射器遮住的角度。遮光角是水平面和反射器邊緣與光源末端連線的夾角(圖2.2.4)。遮光角的定義如下：h：給定光源發(fā)光表面到反射器出光口水平面的距離R：反射器出光口的半徑r：光源半徑圖2.2.4：遮光角圖2.2.5：各種光源的端點位置圖2.2.5展示了不同光源的發(fā)光表面。例如，透明白熾燈

9、泡的發(fā)光表面是算相對觀察者而言的燈絲另一側(cè)的末端。2.3 漫射器漫射器使光線通過它時產(chǎn)生散射。漫射光同樣可以通過光在白色表面上的漫反射得到?；诼湓?，漫射器分為以下幾種：乳白型、高斯型和棱鏡型漫射器。 (如圖2.3.1所示)圖 2.3.1：基本類型的擴散機制具有均勻分散穿透特性(乳白型)的漫射器可以將來自光源的光均勻漫射到各個方向卻不顯現(xiàn)光源的形狀。混合穿透特性(高斯型或棱鏡型)的漫射器將光通量分布改變至特定的方向，不僅不顯現(xiàn)光源的形狀，還可以重塑光強分布曲線。乳白型漫射器乳白型漫射器將光通過含有均勻分布的散射顆粒的普通漫射材料，產(chǎn)生余弦光強分布曲線.高斯型漫射器產(chǎn)生高斯型光強分布曲線。光

10、透過像噴砂面一樣的精細結構表面后，被散射到不同的方向。圖2.3.2：乳白型漫射器與高斯型漫射器的比較棱鏡型漫射器由微棱鏡漫射器組合而成，從根本上說它們都是折射透鏡。根據(jù)折射定律，可以利用像棱錐形、六邊形、球拱形和三角錐型這樣的幾何構造，來創(chuàng)造所需的光強分布曲線。它們通常用于要求高的照明質(zhì)量指標的燈具中(UGR-統(tǒng)一眩光值;Lavg 燈具的平均亮度).以下是最常用的微棱鏡漫射器示例：#直線115°棱鏡#直線90°棱鏡#特殊形狀的微棱鏡#方錐棱鏡#三角錐棱鏡#2.4 透鏡透鏡是一種具備精確或近似軸向?qū)ΨQ特性的光學器件，它可以使光線穿透和折射，從而會聚或者發(fā)散光束。圖2.4.1：

11、兩種基本類型的透鏡凸(會聚)透鏡圖2.4.1：兩種基本類型的透鏡凹(發(fā)散)透鏡一個單透鏡包含一個光學元件。一個復合透鏡包含一列同軸的單透鏡。使用多透鏡組合可以比使用單透鏡減少更多的像差。透鏡多為玻璃或透明塑料制成。圖2.4.2：LED光源使用的不同類型的透鏡2.5 光學元件材料不同的光學元件需要不同的光學材料。反射器多采用不同表面處理的鋁和粉末噴涂的金屬板材。而透明聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)被用于微棱鏡型漫射器和透鏡。.反射光學材料使用不同特性的材料來滿足不同種類的反射。以下是三種基本的反射類型：鏡面反射、漫反射和混合反射。不同種類反射之間的區(qū)別在于鏡面反射和漫反射之間的比例。圖2.5.1：不同類型材料的反射鋁因為鋁有優(yōu)秀的反射比，它是高質(zhì)量反射器中最常用的材料。陽極化處理鋁、拋光鋁和覆蓋多層銀的鋁片也被用于達到更高的反射率