【正文】 展前景。在 20 世紀(jì)，熒光燈、高 /低壓鈉燈、汞燈、金屬鹵化物燈、高頻無極熒光燈和緊湊型熒光燈等新光源層出不窮。有人還預(yù)測(cè)，未來的 LED 壽命上限將無窮大。 tracing software[J]． SPIE， 2021,4769： 55 [7]趙家榮，韓文科 .《綠色照明工程與節(jié)能新機(jī)制》 .北京，中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社， 2021： [8]大谷義彥 .LED照明現(xiàn)狀與未來展望 .中國(guó)照明電器， 2021(6)： 20一 24 [9]王麗紅 .讓半導(dǎo)體照明亮起來 .中國(guó)創(chuàng)業(yè)投資與高科技， 2021(1)： 6567 [10]易安 .半導(dǎo)體照明一 21世紀(jì)的節(jié)能新光源 .中國(guó)創(chuàng)業(yè)投資與新科技， 2021(8)： 2022 完 成 期 限： 指 導(dǎo) 教師簽名： 專業(yè)負(fù)責(zé)人簽名： 2021 年 2 月 25日 目 錄 中文摘 要 ..................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 鄭州輕工業(yè)學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目 基于 ZEMAX 的 LED 光學(xué)性能模擬 學(xué)生姓名 專業(yè)班級(jí) 電子科學(xué)與技術(shù) 091 學(xué) 號(hào) 540911010110 院 （系） 技術(shù)物理系 指導(dǎo) 教師 (職稱 ) 完成時(shí)間 2021 年 5 月 25 日 鄭州輕工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 題目 基于 ZEMAX 的 LED 光學(xué)性能模擬 專業(yè) 電子科技 學(xué)號(hào) 540911010110 姓名 主要內(nèi)容、基本要求、主要參考資料等： 主要內(nèi)容： 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，而采用發(fā) 光電場(chǎng)發(fā)光。 英文摘要 ..................................................................... II 1 緒論 ....................................................................... 1 課題研究背景 ....................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。隨著 近來 LED 散熱技術(shù)的改進(jìn)，室外照明 LED 燈、投光燈等大功率 LED 照明燈具已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)并開始被大量應(yīng)用。然而，白熾燈自問世的那天 起就帶有先天性的缺陷，鎢絲加熱耗電大，燈泡易碎，壽命短、容易使人觸電等。在同樣照度下， LED燈的電能消耗和壽命比白熾燈和日光燈都有明顯的優(yōu)勢(shì)。這一時(shí)期的產(chǎn)品能夠達(dá)到較高的亮度，主要應(yīng)用于信號(hào)、標(biāo)識(shí)、顯示等方面，經(jīng)過 15年的演進(jìn)， LED基于 ZEMAX 的 LED 光學(xué)性能模擬 2 安全出口標(biāo)識(shí)基本替代了白熾燈、熒光燈。到了 20世紀(jì)九十年代后期，終于研制出了通過藍(lán)光激發(fā) YAG熒光粉產(chǎn)生白光的 LED[3]。因此原本用于電機(jī)電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)光二極管 (Light Emitting Diode， LED)，因其具有的諸多優(yōu)點(diǎn)，已廣泛 應(yīng)用在交通燈、信號(hào)燈、全色大屏幕室內(nèi)、室外廣告牌、 DVD 光存儲(chǔ)等領(lǐng)域。歐盟的彩虹計(jì)劃也已于 2021 年 7 月啟動(dòng)，其計(jì)劃是通過歐洲共同體的補(bǔ)助金來推廣超高亮白光 LED 的應(yīng)用 [6]。因此，推廣“綠色照明”工程在我國(guó)是非常必要的，它的宗旨是節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境，提高照明質(zhì)量。而在國(guó)內(nèi)，約 20 余家研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)在進(jìn)行 GaN 藍(lán)綠光 LED 和白光 LED 的研究和開發(fā)，但目前與國(guó)外的差距還比較大。 所以，將合適的照明設(shè)計(jì)軟件和合理的光學(xué)設(shè)計(jì)相結(jié)合的 LED 照明設(shè)計(jì)方法，能更有效的進(jìn)行 LED 照明設(shè)計(jì)，從而推動(dòng) LED 應(yīng)用于照明的發(fā)展。新的組合式管芯的出現(xiàn)，也讓單個(gè) LED 管 (模塊 )的功率不斷提高?；?ZEMAX 的 LED 光學(xué)性能模擬 7 2 LED 基礎(chǔ)知識(shí) LED基本機(jī)構(gòu)和發(fā)光原理 發(fā)光二極管 LED(Light Emitting Diode)是一種將電能轉(zhuǎn)化為光能并具有二極管特性的電子器件。由于電子遷移率總是遠(yuǎn)大于空穴的遷移率，因此電子由 N區(qū)擴(kuò)散到 P區(qū)是載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的主體。例如，家用電器的遙控收發(fā)系統(tǒng)就是由紅外發(fā)射管和紅外接收管組成的。半強(qiáng)度角為 5o~20 o 或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用。而高壓鈉燈的顯色指數(shù)只有 23 左右。 （ 8） 響應(yīng)速度快：汽車信號(hào)燈是 LED光源應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域，汽車信號(hào)燈的快速反應(yīng)對(duì)于減少交通事故有重要意義。可以說散熱問題直接關(guān)系到 LED 的發(fā)展前景，因此要提升LED產(chǎn)品的散熱能力。 LED 為恒流驅(qū)動(dòng)，有部分 LED 采用電壓驅(qū)動(dòng)原因使 LED 光衰加快或 驅(qū)動(dòng)電流大于額定驅(qū)動(dòng)條件致使 LED光衰加快。白光 LED作為照明用途，有著眾多的優(yōu)點(diǎn)： （ 1） 與白熾燈相比，是一種冷光源，輻射波長(zhǎng)主要集中在可見光波段，產(chǎn)生熱量較少，同時(shí)也消除了非可 見光電磁波對(duì)人體的危害；與含有較多線狀光譜的熒光燈基于 ZEMAX 的 LED 光學(xué)性能模擬 11 光譜相比，白光 LED的連續(xù)光譜更加接近于自然光。 白光 LED有著誘人的發(fā)展前景，但半導(dǎo)體材料的發(fā)光機(jī)理決定了單一的 LED芯片不可能發(fā)出連續(xù)光譜的白光，必須有其它的方式合成白光。 V＞ 0 時(shí)， V＞ VF 的正向工作區(qū) IF 隨 VF 指數(shù)上升， IF = IS e qVF/KT （ 3）反向死區(qū) ： V＜ 0 時(shí) pn 結(jié)加反偏壓 V= VR 時(shí)，反向漏電流 IR（ V= 5V）時(shí)，GaP 為 0V， GaN 為 10uA。若結(jié)溫為 Tj、外部環(huán)境溫度為 Ta，則當(dāng) TjTa 時(shí)，內(nèi)部熱量借助管座向外傳熱，散逸熱量 (功率 )，可表示為 P=KT(TjTa)。 不同材料制得的 LED 響應(yīng)時(shí)間各不相同；如 GaAs、 GaAsP、 GaAlAs 其響應(yīng)時(shí)間＜ 109S， GaP 為 107 S。這個(gè)是最大的光轉(zhuǎn)換效率，也是定標(biāo)值，因?yàn)槿搜蹖?duì) 555nm的光最敏感。 LED光電最重要的特性 （ 2） 視覺靈敏度是使用照明與光度學(xué)中一些參量?；?ZEMAX 的 LED 光學(xué)性能模擬 16 為了進(jìn)一步提高外部出光效率η e 可采取以下措施： （ 1） 用折射率較高的透明材料（環(huán)氧樹脂 n= 并不理想）覆蓋在芯片表面； （ 2） 把芯片晶體表面加工成半球形； （ 3） 用 Eg大的化合物半導(dǎo)體作襯 底以減少晶體內(nèi)光吸收。先測(cè)量各個(gè)角度的發(fā)光強(qiáng)度，然后將測(cè)得的數(shù)據(jù)按照極坐標(biāo)或者直角坐標(biāo)畫出角度和光強(qiáng)之間的關(guān)系曲線即為發(fā)光強(qiáng)度空間分布圖 。 采取上述措施可使 LED Iθ = 6176。 基于 ZEMAX 的 LED 光學(xué)性能模擬 19 亮度 為了表征發(fā)光面在不同方向上的光學(xué)特性，引入亮度的概念。 通常把亮度降到 Bt=1/2B0 所經(jīng)歷的時(shí)間 t 稱為二極管的壽命。顯色指數(shù)是用來準(zhǔn)確描述光源顯色性的一種參數(shù)，用 aR 表示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)LED結(jié)溫上升到 65℃時(shí)，光輸出相對(duì)于室溫時(shí)下降 10%左右。 ZEMAX 功能強(qiáng)大，速度快，靈活方便，是一個(gè)很好的綜合性程序。該軟件擁有兩大特點(diǎn)，就是可以實(shí)現(xiàn)序列和非序列分析。也可 以建立因?yàn)楣鈱W(xué)薄膜引起的有不同透射率的光學(xué)面特性。Nonsequential 模式可以對(duì)光線傳播進(jìn)行更細(xì)節(jié)的分析，包括散射光或部分反射光。該 LED 就是一種多晶型 LED，是由兩種不同顏色的 LED 芯片經(jīng)過特定的生成原理產(chǎn)生的。模擬出的 LED實(shí)物如圖 55，選取 50萬數(shù)量的光線。 （ AnalysisDetectorsRay Trace / Detector Control） 在這里需要注意一點(diǎn) ，按 清除檢測(cè)按鈕 清除 探測(cè)器 。下面 在此基礎(chǔ)上 用所模擬的 LED 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。 LED 路燈的配光要求 道路照明系統(tǒng)不同于一般的照明燈具，其被照明的場(chǎng)是一個(gè)矩形區(qū)域。 圖 56 光線追蹤界面 如上圖用時(shí) 22 秒完成了全部追蹤，然后我們打開探測(cè)器成像視窗（ Detector Viewer） ,我們會(huì)發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)了該 LED 的光照度模擬圖，我們需要的是發(fā)光強(qiáng)度圖，所有我們需要在此界面進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置后的二維光強(qiáng)度圖如圖 57， X/Y 軸光強(qiáng)度曲線分布圖 如圖 48。 ZEMAX 中接收面包括三種類型：平面、有限遠(yuǎn)場(chǎng)和無限遠(yuǎn)場(chǎng)，本文采用平面接收面，材料為吸收性物質(zhì)。如圖 52 給出的四色度發(fā)光光譜和光度測(cè)量光譜分布圖。支持散射、衍射、漸變折射率、偏振和薄膜。也可以是任意的漸變折射率分布，折射率可以是位置、波長(zhǎng)、溫度或其它特性參數(shù)的函數(shù)。 ZEMAX 可仿真 Sequential（ 成像系統(tǒng) ） 和 NonSequential（ 非成像系統(tǒng) ） ， 本論文主要用到 NonSequential（ 非成像系統(tǒng) ）進(jìn)行 LED 的光學(xué)模擬和設(shè)計(jì) [24]。 ZEMAX 能夠在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)建模、分析和其他的輔助功能。ZEMAX 是美國(guó) Radiant Zemax 公司所發(fā)展出的光學(xué)設(shè) 計(jì)軟件，可做光學(xué)組件設(shè)計(jì)與照明系統(tǒng)的照度分析，也可建立反射，折射，繞射等光學(xué)模型，并結(jié)合優(yōu)化，公差等分析功能，是套可以運(yùn)算 sequential 及 NonSequential 的軟件 。 LED 的熱學(xué)特性 與傳統(tǒng)光源的發(fā)光機(jī)理不同， LED 是電子在能帶之間的躍遷發(fā)光，其光譜中不含有紅外成分，因此不能依靠輻射散熱，故稱之為冷光源。長(zhǎng)期以來總認(rèn)為 LED 壽命為 106小時(shí)，這是指單個(gè) LED 在 IF=20mA 下。光源表面一點(diǎn)處的面元在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度dA 與該面元在垂直于給定方向的平面上的正投影面積的比值稱作光源在此方向上的亮度： 單位為坎德拉每平方米 (cd / 2m ) 式中： dA — 光源的單元面積； — 視線與受照表面法線之間的夾角； 若光源表面是理想漫反射面，亮度與方向無關(guān)為一常數(shù)。 照度 照度是用 來表示被照面上光的強(qiáng)弱，它是以被照?qǐng)鏊馔康拿娣e密度來表示的即表面上一點(diǎn) 的照度 E 定義為入射光通量 d 與該單元面積 dA 之比： 照度的單位為勒克斯 (lx)。 LED 大量應(yīng)用要求是圓柱、圓球封裝，由于凸透鏡的作用，故都具有很強(qiáng)指向性：位于法向方向光強(qiáng)最大，其與水平面交角為 90176。 發(fā)光強(qiáng)度 由于輻射發(fā)光體在空間發(fā)出的光通量不均勻，大小也不同，故為了表示輻射體在不同方向上的光通量分布特性，需引入光通量的角密度概念：光源在給定方向上的一個(gè)很小的立體角元內(nèi)所包含的光通量 與這個(gè)立體角 的比值，稱為該方向上的光強(qiáng)，單位為坎德拉 (cd)， 即： LED 光強(qiáng)的測(cè)量可以分為遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)兩種情況，在遠(yuǎn)場(chǎng)條件下，即 LED 光源的尺寸和光探測(cè)器的面積與離光探測(cè)器的距離相比足夠小， LED 光源可以被看做點(diǎn)光源。若輸入能量為 W=UI，則發(fā)光能量效率η P=P/W 若光子能量 hc=ev，則η≈η P，則總光通 F=（ F/P） P=Kη PW 式中 K= F/P。這兒大家了解他的概念就行了，知道燈泡上標(biāo)定的功率大概產(chǎn)生多少的光。 基于 ZEMAX 的 LED 光學(xué)性能模擬 14 LED 的光學(xué)特性 光通量 LED 的光通量 一般以 LED 的功率 多少 來衡量 ，大家可以從這個(gè)上面的看的出 LED節(jié)能燈到底節(jié)不節(jié)能，到底省不省電?，F(xiàn)有幾種顯示 LCD(液晶顯示 )約 103~105S， CRT、 PDP、 LED 都達(dá)到 106~107S(us 級(jí) )。當(dāng)反向偏壓一直增加使 V＜ VR 時(shí)，則出現(xiàn) IR 突然增加而出現(xiàn)擊 穿現(xiàn)象。還有一種多晶型是在紫外 LED芯片里面涂敷了紅、綠、藍(lán)三基色熒光粉，芯片發(fā)出的紫外光激發(fā)熒光粉產(chǎn)生白光。目前同常使用的白光 LED的發(fā)光效率達(dá)到 501m／ W，超過了普通白熾燈的水平。 （ 3） 光色問題。一旦 LED 發(fā)光亮度降到原來亮度的 30%以下，就可以認(rèn)為其己不可用。 基于 ZEMAX 的 LED 光學(xué)性能模擬 10 但是由于現(xiàn)在技術(shù)的不足， LED在生產(chǎn)、 加工、設(shè)計(jì)等方面還存在這一些問題。 （ 3） 功率高：目前 LED 發(fā)光效率己突破 120Lm/w，是白熾燈 15m/w 的 8 倍，是熒光