【正文】 .. 19 色溫 ............................................................ 19 顯色性與顯色指數(shù) ............................................... 20 LED 的熱學(xué)特性 .................................................... 20 4 ZEMAX軟件 ................................................ 錯誤 !未定義書簽。 本模擬主要研究 LED 的工作原理、光學(xué)性能及電學(xué)性能，并利用 ZEMAX 軟件對 LED 進(jìn)行建模，模擬其光學(xué)性能。LED 的結(jié)構(gòu)和材料與傳統(tǒng)照明技術(shù)不同，它是一種利用電致發(fā)光的固體冷光源，具有發(fā)光效率高、體積小、重量輕、耐震、耐沖、直流低電壓工作、壽命長、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。不久， Monsanto和惠普公司推出用 GaAsP材料制作的效率為 0． 11lm／ W的商用紅色 LED。在 1991年至 2021年期間，材料技術(shù)、芯片飛方法尺寸和外形方面的進(jìn)一步發(fā)展使商用 LED的光通量提高了近 30倍。使用 LED照明的地方也越來越多，例如大型商場等公共場所，橋梁等標(biāo)志型建筑，以及一些特殊照明領(lǐng)域，其應(yīng)用發(fā)展很快，預(yù)計(jì)在未來，LED的發(fā)光效率將會達(dá)到 2021m／ W，成為實(shí)現(xiàn)綠色照明的主力軍 [4]。 美國能源部統(tǒng)計(jì)，到 2021 年已有 55%的白熾燈和熒光燈被半導(dǎo)體燈替代，每年可節(jié)電 350 億美元。據(jù)預(yù)測，在汽車尾燈、交通燈、公共設(shè)施以及家庭照明需求的帶動下， 20212021 年我國高亮度發(fā)光管芯市場規(guī)模將保持年均將近 25%的增長速度，到 2021 年我國高亮度 LED 管芯市場規(guī)模將會突破 20 億元。 LED 應(yīng)用于照明的發(fā)展和國內(nèi)外概況 在早期，由于 LED 光色、發(fā)光效能、光通量、光功率和價(jià)格等方面的限制， LED主要應(yīng)用于指示、顯示領(lǐng)域，如電子電氣、熱工儀表、自動化系統(tǒng)、通信設(shè)置、宇航空間開發(fā)、家用電氣、交通運(yùn)輸工具中作為指示燈、告示牌、警戒燈以及信息廣告、顯示牌等。 (2) LED 用于照明的發(fā)展 對于 LED 應(yīng)用于照明的研究，國內(nèi)外也都一直致力于光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、燈具開發(fā)和照明效果與視覺匹配等領(lǐng)域的創(chuàng)新和研究：奧地利的照明設(shè)計(jì)公司曾采用了 14000只白光和彩色 LED 的混合照明整個(gè)房間，光照水平達(dá)到 600~700 勒克斯，足夠一普通辦公室的照明；瑞典很多城市采用 LED 作交通信號燈，以減少對發(fā)熱量大的傳統(tǒng)交通信號燈的需求；美國 GE 公司、 德國 SIEMENS、 OSRAM 公司、日本 NOKIA、SONY 等公司也都致力于 LED 照明產(chǎn)品和照明系統(tǒng)的開發(fā)。它是利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料，在半導(dǎo)體重通過載流子發(fā)生復(fù)合放過過剩的能量而引起光子發(fā)射，直接發(fā)出紅、黃、藍(lán)、綠、青、橙、紫、白色的光。這些逐步的改變，都體現(xiàn)出了 LED 發(fā)光二極管在照明應(yīng)用的前景廣闊。 LED器件的制造目的是為了得到光，所以它的結(jié)構(gòu)與普通半導(dǎo)體二極管不一樣。也就是說這些不發(fā)光的載流子將可能被雜質(zhì)能級 (或缺陷 )所捕獲，最后以發(fā)熱的形式消耗掉 [1]。目前，可以大量供應(yīng)的是 390nm以上的紫外光 LED；波長短于 390nm的紫外光 LED的使用范圍較小，其應(yīng)用有待開發(fā)。 （ 4） 按發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)分 按發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)分有全環(huán)氧包封、金屬底座環(huán)氧封裝、陶瓷底座環(huán)氧封裝及玻璃封裝等 結(jié)構(gòu)。 （ 4）光色可選擇： LED 光源的發(fā)光顏色和色溫都可以靈活選擇。目前雖然在 LED照明應(yīng)用中仍然面臨著一些急需解決的問題。引起光哀的原因有： ① 溫度過高引起， LED 的工作溫度基本控制在 65 度以下。由于 LED 特殊結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的光特性不像白熾燈和熒光燈那樣 ，存在白光 LED 光色的不均勻性問題。如果按現(xiàn)在的 LED技術(shù)發(fā)展速度預(yù)測，到了 2021年，白光 LED的發(fā)光效率有望達(dá)到 150～ 200lm／ w，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了現(xiàn)在所有照明光源的發(fā) 光效率 。 （ 2） 單晶型：藍(lán)色 LED芯片里涂敷黃色熒光粉，藍(lán)光以及被藍(lán)光激發(fā)的熒光粉所發(fā)射的黃光相混合得到不同色溫的白光 [15]。由于所用化合物材料種類不同，各種 LED的反向擊穿電壓 VR也不同。 圖 33 LED 響應(yīng)時(shí)間 （ 1） 響應(yīng)時(shí)間從使用角度來看，就是 LED點(diǎn)亮與熄滅所延遲的時(shí)間，即圖 3中 tr 、tf 。光通量指的是單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的光的總量，單位為流明（ lm）。實(shí)際上現(xiàn)在照明用的 LED 節(jié)能燈的轉(zhuǎn)換效率還沒有這么高，不過日常照明是完全夠了 [2]。 （ 4） 流明效率： LED 的光通量 F/外加耗電功率 W=Kη P 它是評價(jià)具有外封裝 LED 特性， LED 的流明效率高指在同樣外加電流下輻射可見光的能量較大，故也叫可見光發(fā)光效率。此時(shí)，光探測器表面的光照度 E遵循距離平方反比定理。當(dāng)偏離正法向不同θ角度，光強(qiáng)也隨 之變化。 而對于任意大小的表面積 A，若入射光通量 為 ，則表面積上的平均照度為： E= 。 LED 亮度與外加電 流密度有密切關(guān)系，一般的 LED，隨電流密度增加亮度也近似增大。隨著功率型 LED開發(fā)應(yīng)用，國外學(xué)者認(rèn)為以 LED的光衰減百分比數(shù)值作為壽命的依據(jù)。在外電場的作用下， PN 結(jié)內(nèi)電子與空穴復(fù)合，將一部分能量轉(zhuǎn)化為光能，其余轉(zhuǎn)化為熱能。 ZEMAX 有三種不同的版本： ZEMAXSE（標(biāo)準(zhǔn)版）； ZEMAXEE（工程版）； ZEMAXIE（完整版）。 ZEMAX 的界面簡單易用， 只需稍加練習(xí)， 就能夠?qū)崿F(xiàn)互動設(shè)計(jì)。 序列性（ Sequential）光線追跡 基于 ZEMAX 的 LED 光學(xué)性能模擬 22 大多數(shù)成像系統(tǒng)都可以由一系列順序排列的光學(xué)面來描述。也支持雙折射材料，它的折射率是偏振態(tài)和光線角度的函數(shù)。用光度學(xué)和輻射度學(xué)的單位 [25]。 圖 52 四色度發(fā)光光譜和光度測量光譜分布圖 。下面根據(jù)需要模擬的光性質(zhì)來設(shè)置合適的探測器位置及性質(zhì)。 基于 ZEMAX 的 LED 光學(xué)性能模擬 26 圖 57 二維光強(qiáng)度圖 圖 58 X/Y 軸光強(qiáng)度曲線分布圖 LED 的近場照度模擬 根據(jù)說明，由于要模擬近場照度，所有將接收面放在距離光源 的地方，及 Z=。根據(jù)國家相關(guān)的城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，道路照明對照明區(qū)域的亮度均勻性（最低亮度 Lmin 與平均亮度 Lav 之比）有一定的要求，一般不低于 40%，對照度均勻度 （最低照度 Emin 與平均照度 Eav 之比）也有一定的要求，一般要高于 30%。 圖 59 LED 近場照度圖 基于 ZEMAX 的 LED 光學(xué)性能模擬 27 6 LED 的光學(xué)設(shè)計(jì) 通過上面對 LED 的介紹和用 ZEMAX 軟件對 LED 進(jìn)行建 模，全面模擬其光學(xué)性能。 要 追跡 分析射線 （ Analysis Rays）到 探測器， 如圖 46 所示 打開探測器控制窗口下的分析 “探測器 ”光線跟蹤 /檢測 器 控制。如圖 54下載的光源庫 圖 54 LED光源庫 將下載好 的光源數(shù)據(jù)導(dǎo)入 ZEMAX軟件中，我們發(fā)現(xiàn)該 LED的藍(lán)色和黃色兩種光譜以及光源都已經(jīng)定義和放在了正確的位置，都在坐標(biāo)原點(diǎn)，并且各類參數(shù)都符合實(shí)物 LED的標(biāo)準(zhǔn)。該類型的 LED發(fā)出的光為白光， 在第 2 章介紹白光 LED 中已經(jīng)介紹了 形成白光 LED 有兩種方法：多晶型和單晶型。 這些系統(tǒng)要求用 nonsequential 模式，此時(shí)光線以任意的順序打到物件上。 ZEMAX 中的光學(xué)面可以是反射面、折射面或衍射面。 ZEMAX 目前已經(jīng)是被光電子領(lǐng)域熟知的光學(xué)設(shè)計(jì)的首選軟件。包括光學(xué)設(shè)計(jì)需要的所有功能，可以在實(shí)踐中對所有光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，優(yōu)化，分析，并具有容差能力，所有這些強(qiáng)大的功能都直觀的呈現(xiàn)于用戶界面中。 圖 310 是大功率 LED 的結(jié)溫與光輸出相對效率的關(guān)系圖。 顯色性與顯色指數(shù) 指的是某照明光源對物體色表 (該物體本身顏色或質(zhì)感 )的影響，該影響是由于觀察者有意識或無意識地將它與參比光源 (太陽光 )下的色表相比較產(chǎn)生的一種參數(shù)稱光源的顯色性。器件老化程度與外加恒流源的大小有關(guān)，可描述為 Bt=BOt/τ ， Bt 為 t 時(shí)間后的亮度， BO為初始亮度。光電池是一種把光能轉(zhuǎn)換成電能的器件，當(dāng)硒光電池外電路電流較小時(shí)，光電流與入射光通量 (或者入射光照度 )有較好的線性關(guān)系，所以可以根據(jù)光電流來判斷入射光照度。為獲得高指向性的角分布 圖 38 指向強(qiáng)弱 ① LED 管芯位置離模粒頭遠(yuǎn)些； ② 使用圓錐狀（子彈頭）的模粒頭； ③ 封裝的環(huán)氧樹脂中勿加散射劑。 圖 37 發(fā)光強(qiáng)度空間分布的測量 發(fā)光強(qiáng)度空間分布圖僅僅規(guī)定一個(gè)平面，常定義發(fā)光強(qiáng)度等于最大發(fā)光強(qiáng)度一半的位置構(gòu)成的角度為 半強(qiáng)度角，測量時(shí)可使被測發(fā)光二極管繞頂點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，也可使探測器以 d為半徑旋轉(zhuǎn)，此種測量方法不僅適用 LED，同樣適用于結(jié)構(gòu)上對稱的 LED 燈具的測量。當(dāng)芯片發(fā)出光在晶體材料與空氣界面時(shí)（無環(huán)氧封裝）若垂直入射，被空氣反射，反射率為（ n11） 2/（ n1+1） 2=，反射出的占 32%，鑒于晶體本身對光有相當(dāng)一部分的吸收，于是大大降低了外部出光效率。前者只是用來分析和評價(jià)芯片優(yōu)劣的特性。對于人眼最敏感的 555nm 的黃綠光， 1W = 683 lm，也就是說， 1W的功率全部轉(zhuǎn)換成波長為555nm 的光，為 683 流明。 LED 熄滅時(shí)間 —— 下降時(shí)間 tf 是指正常發(fā)光減弱至原來的 10%所經(jīng)歷的時(shí)間。 基于 ZEMAX 的 LED 光學(xué)性能模擬 13 圖 32 LED CV 特性曲線 當(dāng)流過 LED 的電流為 IF、管壓降為 UF 則功率消耗為 P=UFIF ， LED 工作時(shí)，外加偏壓、偏流一定促使載流子復(fù)合發(fā)出光，還有一部分變?yōu)闊幔菇Y(jié)溫升高。 （ 2）正向工作區(qū)：電流 IF 與外加電壓呈指數(shù)關(guān)系 IF = IS (e qVF/KT –1) IS 為反向飽和電流。 LED則沒有這些問題，其發(fā)光顏色純正，是一種清潔的光源。 白光 LED 1998年基于藍(lán)光 LED芯片的白光 LED被成功開發(fā)，這一創(chuàng)新開創(chuàng)了 LED照明的新紀(jì)元，使得 LED照明真正地開始普及和實(shí)用化，成為照明史上的巨大進(jìn)步。 ⑤ 設(shè)計(jì)使用條件問題引起的光衰。 LED 在電致光的過程中另外一部分能量轉(zhuǎn)化成熱量，尤其是 LED為點(diǎn)狀發(fā)光光源，其所產(chǎn)生的熱量也集中在極小的區(qū)域，若產(chǎn)生的熱量無法及時(shí)散發(fā)出去， PN 結(jié)的結(jié)溫將會升高，加速芯片和封裝樹脂的老化，還可能導(dǎo)致焊點(diǎn)融化，使芯片 失效，進(jìn)而影響 LED的使用壽命與發(fā)光表現(xiàn)，尤其是大功率 LED，其發(fā)熱量更大，對散熱技術(shù)要求更高。 （ 7） 壽命長： LED光源使用壽命可達(dá) 50000100000H，比傳統(tǒng)光源壽命長 10倍以上。 （ 2）顯色性好，光源自然，色彩鮮艷純正： 白光 LED 顯色指數(shù)可達(dá) 7580，接近太陽光，可以達(dá)到比較滿意的照明效果。 （ 3） 按發(fā)光強(qiáng)度角來分 類 從發(fā)光強(qiáng)度角分布圖來分有三類： 高指向性：一般為尖頭環(huán)氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，且不加散射劑。經(jīng)常接觸到的紅外波長包括 940nm， 880nm， 850nm，可將這類 LED做成各種紅外接收管和紅外發(fā)射管。BJ電荷區(qū)變窄，結(jié)區(qū)勢壘降低，載流子的擴(kuò)散運(yùn)動加強(qiáng)。 ZEMAX軟件對 LED進(jìn)行建模，并模擬其光學(xué)性能。 課題研究的意義 隨著行業(yè)的繼續(xù)發(fā)展，技術(shù)的飛躍突破，應(yīng)用的大力推廣， LED 的光效也在不斷提高，價(jià)格不斷走低。特別是隨著光源的種類變得越來越復(fù)雜，尤其是諸如 LED 等新興光源的出現(xiàn)，使得傳統(tǒng)的照明設(shè)計(jì)方法已經(jīng)滯后。 (1) LED 的研究和開發(fā) 對于 LED 的研究和開發(fā)，國際著名的照明公司均給予了其足夠的重視，并持巨資投入研究與開發(fā)，研究的焦點(diǎn)主要集中在新發(fā)光材料 、封裝材料等的開發(fā)： PHILPS公司與 HP公司合資的 Lumileds、德國的 OSRAM、美國 GE以及日本的日亞伽 (Nichia)、美國 EMCORE 和 GE 聯(lián)合、日本的 Toshiba 和 Honda 聯(lián)合等均投入大量人力、物力、財(cái)力進(jìn)行研究，以期在這一新世紀(jì)光源領(lǐng)域占領(lǐng)至高點(diǎn)。我國人均擁有光源的數(shù)量仍比較低，與日本相比，燈的數(shù)量是日本的 倍，使用電力是日本的 倍，而燈的平均光效率只是日本的 1/3。這項(xiàng)計(jì)劃的參與機(jī)構(gòu)包括 4 所大學(xué)、 13 家公司和一個(gè)協(xié)會，目標(biāo)旨在通過使用長壽命、更薄更輕的 GaN 高效藍(lán)光和紫外 LED 技術(shù)使得照明的能量效率提高為傳統(tǒng)熒光燈的兩倍 (即降低傳統(tǒng)照明的能量消耗 )，減少 CO2的產(chǎn)生。 半導(dǎo)體照明的 產(chǎn)業(yè)概況和發(fā)展趨勢 進(jìn)入 21 世紀(jì)，能源的短缺和環(huán)境污染越來越制約著人類的發(fā)展。這是 LED發(fā)展史上極為關(guān)鍵的一步，促使了白光 LED的出現(xiàn)。八十年代早期開發(fā)出 A1GaAs材料 LED，能以 lOlm／ W的效率發(fā)出紅光。它誕生于 20世紀(jì) 60年代初，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、耗能少、響應(yīng)速度快、抗震性能好、使用方便等優(yōu)點(diǎn)因此，其在現(xiàn)代光電系統(tǒng)和照明中的有著廣泛的應(yīng)用和良好的發(fā)