【正文】 廣泛使用的熒光燈、汞燈等光源中都含有危害人體健康的汞，這些光源的生產(chǎn)過程和廢棄的燈管都會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。 圖 31 LED IV 特性曲線 （ 1）正向死區(qū)：（圖 oa 或 oa′段） a點(diǎn)對(duì)于 V0 為開啟電壓，當(dāng) V＜ Va，外加電場(chǎng)尚克服不少因載流子擴(kuò)散而形成勢(shì)壘電場(chǎng)，此時(shí) R很大；開啟電壓對(duì)于不同 LED其值不同，GaAs 為 1V，紅色 GaAsP 為 ， GaP 為 ， GaN 為 。 由 1MHZ 交流信號(hào)用 CV 特性測(cè)試儀測(cè)得。 LED 的點(diǎn)亮?xí)r間—— 上升時(shí)間 tr 是指接通電源使發(fā)光亮度達(dá)到正常的 10%開始，一直到發(fā)光亮度達(dá)到正常值的 90%所經(jīng)歷的時(shí)間。 下面簡(jiǎn)介描述下 光通量與 LED 節(jié)能燈上標(biāo)注的瓦數(shù)之間的關(guān)系。 發(fā)光效率和視覺靈敏度 （ 1） LED效率有內(nèi)部效率（ pn結(jié)附近由電能轉(zhuǎn)化成光能 的效率）與外部效率（輻射到外部的效率）。 由于 LED 材料折射率很高η i≈ 。 測(cè)量距離 d根據(jù) CIE 推薦的標(biāo)準(zhǔn) A和 B，按如下表 設(shè)置，下 表測(cè)量距離 d的設(shè)置標(biāo)準(zhǔn) ： CIE 推薦 LED 頂端到探測(cè)器的距離 d 立體角 平面角（全角） 標(biāo)準(zhǔn)條件 A 316mm 標(biāo)準(zhǔn)條件 B 100mm 另外為了能夠恰當(dāng)?shù)姆从吵龉庠茨芰康目臻g分布，常用如圖 37所示的發(fā)光強(qiáng)度空間分布圖來表示。它主要取決于封裝的工藝（包括支架、模粒頭、環(huán)氧樹脂中添加散射劑與否）。 在光度測(cè)量中應(yīng)用最廣的是硒光電池，這是因?yàn)樗墓庾V靈敏度比其他探測(cè)器更接近人眼的光譜靈敏度。 壽命 老化： LED 發(fā)光亮度隨著長(zhǎng)時(shí)間工作而出現(xiàn)光強(qiáng)或光亮度衰減現(xiàn)象。色溫是用來描述某發(fā)光體發(fā)出光線顏色的一個(gè)參數(shù)。因此，由于溫度升高而引起的各種熱效應(yīng)會(huì)嚴(yán)重影響到 LED 器件的使用壽命和可靠性 [4]。 ZEMAX 光學(xué)設(shè)計(jì)程序是一個(gè)完整的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，是將實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概念，優(yōu)化，分析，公差以及報(bào)表集成在一起的一套綜合性的光學(xué)設(shè)計(jì)仿真軟件。手冊(cè)中對(duì)使 ZEMAX 時(shí)的一些慣用方法進(jìn)行了解釋，對(duì)設(shè)計(jì)過程和各種功能進(jìn)行了描述。它有很多優(yōu)點(diǎn)，如光線追跡速度快、可以直接優(yōu)化和進(jìn)行公差預(yù)算。而且散射和雜光也不能用序列性分析的模式。實(shí)物如下圖 51 圖 51 LED實(shí)物圖 LED 的參數(shù) 本文采用德國 OSRAM 公司生產(chǎn)的 LED,其 規(guī)格為 小封裝 3 x 3mm，高性能集成硅鏡片，專門為信號(hào)燈、報(bào)警信號(hào)燈或尾燈制作，它的 光通量為 27lm。 因此我們沒有必要去定義光源，只需要去網(wǎng)站上直接下載 LED光源庫，并將其導(dǎo)入到 ZEMAX軟件中 。 該追溯到探測(cè)器中 的 射線數(shù)在 線光源 編輯器中參數(shù)列 “分析的射線 ”（ Analysis Rays）被 指定，這通常是一個(gè)很大的數(shù)字 ， 但需要知道一點(diǎn) 布局射線不影響探測(cè)器瀏覽器的結(jié)果，只有分析射線 才影響 。通過分析光線后打開探測(cè)器成像視窗得到近場(chǎng)照度圖 59。亮度描述的是光使物體和表面看起來是什么樣子的，它是一個(gè)主觀視覺刺激，而照度描述的是受照單位面積上接收到的光通量的大小，是一個(gè)客觀物理存在，亮度和照度都是重要且有用的計(jì)算量。由于探測(cè)器的位置發(fā)生改變了，所有我們要重新選擇合成的探測(cè)器尺寸，經(jīng)過分析，選用 4mm x 4mm 的尺寸最符合要求。 LED 的光強(qiáng)度模擬 根據(jù)要求選取 10m 作為光源與探測(cè)器直接的距離，及光源在坐標(biāo)原點(diǎn)，接收 面在 Z=10m 處 ，接收面的大小設(shè)為 40m x 40m。 LED 模擬設(shè)置 首先啟動(dòng) ZEMAX 軟件， 默認(rèn)情況下， ZEMAX 軟件啟動(dòng)順序 /混合模式 ， 要切換到純非連續(xù)模式 。 基于 ZEMAX 的 LED 光學(xué)性能模擬 23 5 LED 的光學(xué)模擬 對(duì) LED進(jìn)行光學(xué)模擬和研究是進(jìn)行 LED節(jié) 能道理照明燈具光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究的基礎(chǔ)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和光強(qiáng)分析起著重要的作用。 ZEMAX 中，所有描述面的特性參數(shù)，包括形狀、折射、反射、折射率、漸變折射率、熱系數(shù)、透射率和衍射率都可以自定義。光線按面的順序進(jìn)行追跡。 ZEMAX 中有很多功能能夠通過選擇對(duì)話框和下拉菜單來實(shí)現(xiàn)。 ZEMAX 是一套綜合性的光學(xué)設(shè)計(jì)仿真軟件，它將實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)概念、優(yōu)化、分析、公差以及報(bào)表整合在一起。目前 LED 的發(fā)光效率僅處于 15%~25%之間，其余的 75%~85%的能量轉(zhuǎn)化為熱能。 如 LED 的光衰減為原來 35%，壽命＞ 6000h。另外，亮度還與環(huán)境溫度有關(guān)，環(huán)境溫度升高，復(fù)合效率下降，亮度減小。一般采用照度計(jì)測(cè)量受照面上的照度，照度計(jì)主要是利用光生伏特效應(yīng)：某些半導(dǎo)體材料受到光照后，在受照面和背面之間會(huì)產(chǎn)生電位差，如果在兩面之間接入電流計(jì)，就會(huì)有電流產(chǎn)生，這 種光電效應(yīng)稱為光生伏特效應(yīng)。發(fā)光強(qiáng)度隨著不同封裝形狀而強(qiáng)度依賴角方向。 在近場(chǎng)條件下，即測(cè)量 LED時(shí)所用的距離 d 相對(duì)較短，光源的相對(duì)尺寸太大，或者探測(cè)器表面與光源構(gòu)成的角度太大，此時(shí)，光探測(cè)器測(cè)量的光強(qiáng)取決于測(cè)量條件。 以下列出幾種常見 LED 流明效率（可見光發(fā)光效率 ）： 圖 35LED 流明圖 品質(zhì)優(yōu)良的 LED 要求向外輻射的光能量大，向外發(fā)出的光盡可能多，即外部效率要高。 通常 LED 光通量的測(cè)量采用積分球法，如圖 34 所示：積分球內(nèi)壁和漫射屏表面鍍有均勻的高反射率漫反射鍍層，被測(cè) LED 器件發(fā)射的光輻射經(jīng)積分球壁的多次反射，產(chǎn)生與光通量成比例的均勻的面出光度，這個(gè)面出光度被位于球壁的探測(cè)器測(cè)量到；同時(shí)位于球內(nèi)的一漫射屏擋住光線，不使探測(cè)器直接接收到被測(cè)器件的光輻射。業(yè)界一般戲稱這個(gè)單位為流氓。 圖中 t0 值很小，可忽略。 CV 特性 鑒于 LED的芯片有 99mil(250250um) ， 1010mil ， 1111mil(280280um) ，1212mil(300300um) ，故 pn結(jié)面積大小不一，使其結(jié)電容 (零偏壓 )C≈n+pf 左右。 基于 ZEMAX 的 LED 光學(xué)性能模擬 12 3 LED 的主要特性 LED 的電學(xué)特性 IV 特性 IV 特性是表征 LED 芯片 PN 結(jié)制備性能的主要參數(shù)。 （ 3） 結(jié)構(gòu)牢固： LED是用環(huán)氧樹脂封裝的固態(tài)光源，其結(jié)構(gòu)中沒有玻璃泡、燈絲等易損壞 的部件，因此能夠經(jīng)受得住震動(dòng)、沖擊而不致引起損壞。而且 LED 所發(fā)出的光比較眩目，容易引起眩光。當(dāng) LED 工作溫度達(dá)到 85 度時(shí)，光通量將下降一半。 但 隨著 LED技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展 ， 克服解決這些問題并不是十分遙遠(yuǎn)的事。 （ 5） 方向性好： LED 發(fā)光角度可以靈活調(diào)整，可以很方便地控 制燈具的出光角度，投光距離等，能夠更加有效地利用光源。 （ 5） 按發(fā)光強(qiáng)度分 類 按發(fā)光強(qiáng)度分有普通亮度的 LED(發(fā)光強(qiáng)度 ﹤ 10mcd)，超高亮度的 LED(發(fā)光強(qiáng) 度﹥ 100mcd)，發(fā)光強(qiáng)度在 10~100mcd 間的叫高亮度發(fā)光二極管 [17]。 （ 2） 按發(fā)光管出光面特征分 類 按發(fā)光管出光面特征分圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側(cè)向管、表面安裝用微型管等。 基于 ZEMAX 的 LED 光學(xué)性能模擬 8 圖 22 LED發(fā)光原理圖 LED的分類 目前有很多生產(chǎn) LED的廠商，對(duì)于 LED的分類也沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。典型的 LED結(jié)構(gòu)如圖 2— 1所示，它主要由 LED芯片、反光碗、透明環(huán)氧樹脂、陰極桿、陽極桿、楔型支架、引腳架等幾個(gè)部分組成。 中 國 LED 產(chǎn)業(yè)發(fā)展超過三十年 ,它已經(jīng)成為一種朝陽產(chǎn)業(yè) ,已擁有完整的產(chǎn)品、創(chuàng)新能力不斷增強(qiáng) ,市場(chǎng)需求十分強(qiáng)烈。 LED 照明產(chǎn)基于 ZEMAX 的 LED 光學(xué)性能模擬 6 品就是利用 LED 作為光源制造出來的照明器具。而我國也正式啟動(dòng)了“國家半導(dǎo)體照明工程”，已經(jīng)初步形成了珠江三角洲、長(zhǎng)江三角洲、江西及福建、北京及大連等北方地區(qū)四大 LED 照明研發(fā)區(qū)域。隨著 LED 光色的不斷豐富，特別是白光 LED 技術(shù)的 不斷成熟，發(fā)光效能不斷提高，價(jià)格逐漸降低，使得 LED 有逐步取代傳統(tǒng)的光源的趨勢(shì)，將作為新一代節(jié)能環(huán)保型綠色照明燈而受到青睞。如圖 11 為 20212021 年中國高亮度 LED 管芯市場(chǎng)銷售規(guī)模預(yù)測(cè) 。 2021 年 7 月在美國“半導(dǎo)體照明技術(shù)藍(lán)圖 ”的基礎(chǔ)上，美國能源部啟動(dòng)一項(xiàng)名為“ NextGeneration Lighting Initiative” (NGLI)的計(jì)劃，即“下一代照明計(jì)劃” (NGLI)。 根據(jù)發(fā)光二極管技術(shù)和應(yīng)用不同的發(fā)展階段來看， LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程大致可以分為以下三個(gè)階段：首先是指示應(yīng)用階段；然后是信號(hào)、顯示應(yīng)用階段；最 后是照明應(yīng)用階段。 直到 20世紀(jì) 90年代后期，單 管 LED發(fā)出的光只能照亮很近的物體。 1968年，利用氮摻雜工藝使 GaAsP材料 LED器件的效率達(dá)到 1lm／ W，并能發(fā)出紅、橙和黃色光。因此， LED 光源稱為繼白熾燈、鎢絲燈和熒光燈之后的第四代光源。并在此基礎(chǔ)上試著展開 LED 的二次光學(xué)研究，旨在提高道路表面的光強(qiáng)分布均勻性。 ZEMAX 簡(jiǎn)介 ............................................................ 21 序列性（ Sequential）光線追跡 ....................................... 21 非序列性（ Nonsequential）光線追跡 ................................. 22 5 LED的光學(xué)模擬 ......................................................... 23 LED 的參數(shù) ........................................................... 23 LED 模擬設(shè)置 ......................................................... 23 LED 的光強(qiáng)度模擬 ..................................................... 25 LED 的近場(chǎng)照度模擬 .................................................. 26 6 LED的光學(xué)設(shè)計(jì) ......................................................... 27 LED 路燈的配光要求 .................................................. 27 現(xiàn)有 LED 路燈的配光應(yīng)用現(xiàn)狀 及存在的問題 ........................... 28 LED 的排列方式 ....................................................... 28 LED 燈具的模擬 ...................................................... 29 7 總結(jié)與展望 .............................................................. 34 結(jié)束語 ....................................................................... 35 致謝 .......................................................................... 36 參考文獻(xiàn) .................................................................... 37 附錄 .......................................................................... 38 基于 ZEMAX 的 LED 光學(xué)性能模擬 I 基于 ZEMAX 的 LED 光學(xué)性能模擬 摘 要 LED 是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換為光能的半導(dǎo)體結(jié) 構(gòu)，它改變了白熾燈鎢絲發(fā)光與節(jié)能燈三級(jí)色粉發(fā)光的原理，而采用 電場(chǎng)發(fā)光。本課題主要內(nèi)容如下： 1 掌握 LED 的工作原理、光學(xué)特性及電學(xué)性能。由于 LED燈具的特殊結(jié)構(gòu)，需要對(duì) LED的光學(xué)性能進(jìn)行全面的分析，為利用 LED 制作燈具奠定基礎(chǔ)。 發(fā)光法向光強(qiáng)及其角分布 Iθ ..................................... 17 照度 ............................................................ 18 亮度 ............................................................ 18 壽命 ..........................................................