【文章內(nèi)容簡介】 如中國科學(xué)院物理所和長春光機(jī)與 物理基于 ZEMAX 的 LED 光學(xué)性能模擬 5 所、北京大學(xué)、北京有色金屬研究院、石家莊十三所等單位也相繼開展了這方面的研究工作，目前已取得了可喜的進(jìn)步，正在縮短與國際先進(jìn)水平的差距 [8]。 (2) LED 用于照明的發(fā)展 對(duì)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(hào)燈，以減少對(duì)發(fā)熱量大的傳統(tǒng)交通信號(hào)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)。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。為實(shí)現(xiàn) LED 從光色照明和特殊照明向普通照明的擴(kuò)展，國家投入了大量的資金和人力 [9]。 (3) 照明設(shè)計(jì)方法的發(fā)展 傳統(tǒng)的照明設(shè)計(jì)一般是是通過實(shí)測(cè)進(jìn)行的，實(shí)測(cè)法雖然比較準(zhǔn)確，但在實(shí)驗(yàn)上是一種事后估計(jì)，并且只有在燈具曲面制造出來以后才能進(jìn)行，一旦發(fā)現(xiàn)其光學(xué)特性不能滿足要求 ，只能重新設(shè)計(jì)和制造燈具，這不但增加了人力和物力的消耗，而且延長了燈具的設(shè)計(jì)和制造周期，從而導(dǎo)致企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益下降。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。 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。合適的照明設(shè)計(jì)軟件使得設(shè)計(jì)成為一種事前估計(jì)，再加上合理的光學(xué)設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)人員在照明器制造出以前就可以分析其光學(xué)特性是否符合照明標(biāo)準(zhǔn)，同傳統(tǒng)的照明設(shè)計(jì)方法相比，提高了設(shè)計(jì)的速度、準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)效益。 課題目的和意義 課題研究目的 LED（ LightingEmittingDiode）即發(fā)光二極管，是一種半導(dǎo)體固體發(fā)光器件。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。 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。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 制造燈具奠定基礎(chǔ)。 因此 用 ZEMAX 軟件模擬 LED 光學(xué)性能 一方面可 以了解 和掌握 LED 的工作原理、光學(xué)性能即電學(xué)性能， ，另一方面可以鍛煉動(dòng)手能力、查閱資料的能力以及學(xué)習(xí) 和掌握 ZEMAX 軟件。 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。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。通過同業(yè)的不斷努力研發(fā)，新型光學(xué)設(shè)計(jì)的突破，新燈種的開發(fā)，產(chǎn)品單一的局面也有望在進(jìn)一步扭轉(zhuǎn)?？刂栖浖母倪M(jìn)，也使得 LED 照明使用更加便利。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。 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。近年來 ,LED 產(chǎn)業(yè)發(fā)展步伐的進(jìn)一步加快 ,不僅促進(jìn) LED 業(yè)界增加產(chǎn)量 ,而且提高產(chǎn)品技術(shù)含量。 其主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： ? 產(chǎn)業(yè)發(fā)展初具規(guī)模 ? 技術(shù)水平相對(duì)領(lǐng)先 ? 應(yīng)用領(lǐng)域廣泛 ? 行業(yè)的發(fā)展正逐步規(guī)范 本課題的研究內(nèi)容 LED的工作原理、光學(xué)性能即電學(xué)性能。 ZEMAX軟件對(duì) LED進(jìn)行建模，并模擬其光學(xué)性能?；?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。工作時(shí)，外加電源通過兩個(gè)電極 (正極、負(fù)極 )加在 LED上，具有單向?qū)щ娦裕娏鞯拇笮∮杉虞d電壓的大小來控制。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在 P區(qū)和 N區(qū)， P區(qū)和 N區(qū)相交的界面形成 PN結(jié)，電子在外加電壓的作用下向 P— N結(jié)運(yùn)動(dòng)最終復(fù)合發(fā)光。 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。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。 圖 21 LED結(jié)構(gòu)圖 制作半導(dǎo)體發(fā)光二極管的材料是重?fù)诫s的，熱平衡狀態(tài)下形成 PN結(jié)，擴(kuò)散和漂移運(yùn)動(dòng)相等時(shí)，內(nèi)建電場(chǎng)穩(wěn)定，此時(shí) N區(qū)有很多遷移率很高的電子， P區(qū)有較多的遷移率較低的空穴。由于 PN結(jié)阻擋層的限制，在常態(tài)下，二者不能發(fā)生自然復(fù)合，當(dāng) PN結(jié)加正向電壓時(shí)，外加電場(chǎng)將削弱內(nèi)建電場(chǎng)，使空 I39。BJ電荷區(qū)變窄，結(jié)區(qū)勢(shì)壘降低，載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)。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。由半導(dǎo)體的能帶理論可知，當(dāng)導(dǎo)帶中的電子與價(jià)帶中的空穴復(fù)合時(shí)，電子由高能級(jí)躍遷到低能級(jí)，電子 將多余的能量以發(fā)射光子的形式釋放出來，產(chǎn)生電致發(fā)光現(xiàn)象。除了這種發(fā)光復(fù)合外，還有些電子被非發(fā)光中心 (這個(gè)中心介于導(dǎo)帶、介帶中間附近，也就是雜質(zhì)能級(jí)或者缺陷 )捕獲，爾后再與空穴復(fù)合，每次釋放的能量不大，不能形成可見光。也就是說這些不發(fā)光的載流子將可能被雜質(zhì)能級(jí) (或缺陷 )所捕獲，最后以發(fā)熱的形式消耗掉 [1]。 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)。一般情況下， LED芯片有按芯片功率大小分類的，也有按波長、顏色分類的，還有按材料的不同進(jìn) 行分類的。 （ 1） 根據(jù) LED的發(fā)光顏色進(jìn)行分類 按照 LED發(fā)出的光波波長來分，主要有以下三類：波長在 380nm～ 760nm范圍內(nèi)的可見光、紅外波段以及紫外波段。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。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。短波長的有紫外光，紫外光可用來殺菌消毒，也可用作驗(yàn)鈔機(jī)的光源。防偽越好的紙幣要用波長越短的紫外光作為光源進(jìn)行檢驗(yàn)。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)。 （ 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。圓形燈按直徑分為 2mm， ， 5mm， 8mm， 10mm及 20mm 等。在國外通常把 3mm 的發(fā)光二極管記作 T1，把 5mm的記作 T1(3/4)，把 的記作 T1(1/4)。 （ 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。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。 基于 ZEMAX 的 LED 光學(xué)性能模擬 9 標(biāo)準(zhǔn)型：通常作指示燈用，其半強(qiáng)度角為 20 o~45 o。 散射型：這是視角較大的指示燈，半強(qiáng)度角為 45o~90 o 或更大，散射劑的量較大。 （ 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)。 （ 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]。 LED優(yōu)點(diǎn)與不足 發(fā)光二極管是一種極有競(jìng)爭力的新型節(jié)能光源，有逐漸取代傳統(tǒng)照明光源的趨勢(shì)。它之所以能得到業(yè)內(nèi)人士的普遍關(guān)注，在指示、照明領(lǐng)域具有如此大的發(fā)展?jié)摿?，是因?yàn)橥瑐鹘y(tǒng)光源相比，它具有很多優(yōu)點(diǎn)： （ 1） 節(jié)能：同等光效的 LED 比白熾燈節(jié)能 80%以上，比節(jié)能燈節(jié)能 50%以上，相對(duì)于高壓鈉燈可節(jié)電 80%左右。 （ 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。而高壓鈉燈的顯色指數(shù)只有 23 左右。熒光燈為 6070。 （ 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，是熒光燈 50 Lm/w 的 2倍多，高壓鈉燈的光效在 100200 Lm/w 之間，但高壓鈉燈的光效是隨功率增加才所增加，是耗能大戶。 （ 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。 （ 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。 （ 6） 環(huán)保：沒有目前節(jié)能燈所含的汞等有害物質(zhì)。光線品質(zhì)高，無紫外線和紅外線，故沒有熱量，沒有輻射， LED 光源為冷光源。 （ 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。 （ 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。應(yīng)用靈活：可在紅、綠、藍(lán)三基色基礎(chǔ)上變化出各種顏色，可根據(jù)需要組合成各種形態(tài)和圖案 [1]。 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。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。 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。 LED將會(huì)在路燈照明，建筑景觀照明，室內(nèi)裝飾照明，太陽能 LED照明，汽車照明等領(lǐng)域取得更多更好的發(fā)展。 它表現(xiàn)出的一些問題有： （ 1） 散熱問題。 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(huì)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(duì)散熱技術(shù)要求更高?？梢哉f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。 （ 2） 光衰問題。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。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。當(dāng) LED 工作溫度達(dá)到 85 度時(shí)，光通量將下降一半。超過 90度時(shí)有燒毀的危險(xiǎn)；② LED 芯片本身的光減和熒光粉引起的光衰； ③ 生產(chǎn)工藝 存在缺陷， LED 芯片散熱不能良好的從 P/N 腳導(dǎo)出，導(dǎo)致 LED 芯片溫度過高使芯片衰減加劇。 ④ 封裝中絕緣膠水引起的光衰， LED 高溫會(huì)引起絕緣膠和熒光膠水的性能降低，從而影響燈具輸出的光通量。 ⑤ 設(shè)計(jì)使用條件問題引起的光衰。 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。其實(shí)導(dǎo)致 LED產(chǎn)品光衰的原因很多，最關(guān)鍵的還是散熱的問題。 （ 3） 光色問題。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。而且 LED 所發(fā)出的光比較眩目，容易引起眩光。 （ 4） 價(jià)格過高。當(dāng)前同等照度的 LED燈具價(jià)格仍然是傳統(tǒng)燈具價(jià)格的 4倍左右，這對(duì) LED的推廣和普及仍然是一個(gè)較大的障礙 [8]。 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。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。 （ 2） 節(jié)能： LED相對(duì)于傳統(tǒng)光源，有著非常高的發(fā)光效率，因此能耗較小，僅為白熾燈的八分之一，熒光燈的二分之一。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。如果按現(xiàn)在的 LED技術(shù)發(fā)展速度預(yù)測(cè)，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 。 （ 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。 （ 4） 壽命長：普通白熾燈的壽命約為 1000個(gè)小時(shí)，熒光燈、金屬鹵化物燈的壽命不會(huì)超過一萬個(gè)小時(shí)，而目前 LED的使用壽命可達(dá)到數(shù)萬個(gè)小時(shí)。 （ 5） 環(huán)保：現(xiàn)在廣泛使用的熒光燈、汞燈等光源