【導讀】粉發(fā)光的原理，而采用發(fā)光電場發(fā)光。據分析，LED的特點非常明顯，壽命長、光效高、輻射低。LED照明產品就是利用LED作為光源制造出來的照明器具。構，需要對LED的光學性能進行全面的分析，為利用LED制作燈具奠定基礎。1掌握LED的工作原理、光學特性及電學性能。[2]李春茂編著.LED結構原理與應用技術.北京：機械工業(yè)出版社，

　　

【正文】 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，亮度與方向無關為一常數。 LED 亮度與外加電 流密度有密切關系，一般的 LED，隨電流密度增加亮度也近似增大。另外，亮度還與環(huán)境溫度有關，環(huán)境溫度升高，復合效率下降，亮度減小。當環(huán)境溫度不變，電流增大足以引起 pn 結結溫升高，溫升后，亮度呈飽和狀態(tài) 。 壽命 老化： LED 發(fā)光亮度隨著長時間工作而出現光強或光亮度衰減現象。器件老化程度與外加恒流源的大小有關，可描述為 Bt=BOt/τ ， Bt 為 t 時間后的亮度， BO為初始亮度。 通常把亮度降到 Bt=1/2B0 所經歷的時間 t 稱為二極管的壽命。測定 t 要花很長的時間，通常以推算求得壽命 圖 39 LED 壽命測量 測量方法：給 LED 通以一定恒流源，點燃 103 ~104小時后， 先后測得 BO，Bt=1000~10000，代入 Bt=BOt/τ 求出 τ ；再把 Bt=1/2BO代入，可求出壽命 t。長期以來總認為 LED 壽命為 106小時，這是指單個 LED 在 IF=20mA 下。隨著功率型 LED開發(fā)應用，國外學者認為以 LED的光衰減百分比數值作為壽命的依據。 如 LED 的光衰減為原來 35%，壽命＞ 6000h。 基于 ZEMAX 的 LED 光學性能模擬 20 色溫 當某一種光源 (熱輻射光源 )發(fā)出的光顏色與某一溫度下的完全輻射體 (黑體 )的產生的光顏 色完全相同時，完全輻射體 (黑體 )的溫度，簡稱色溫 (K)。色溫是用來描述某發(fā)光體發(fā)出光線顏色的一個參數。 顯色性與顯色指數 指的是某照明光源對物體色表 (該物體本身顏色或質感 )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 )下的色表相比較產生的一種參數稱光源的顯色性。顯色指數是用來準確描述光源顯色性的一種參數，用 aR 表示。發(fā)光體 (太陽光 )的顯色性 aR = 100，即任何物體在太陽光的照射下，該物體具有最真 實的顏色或質感。 LED 的熱學特性 與傳統光源的發(fā)光機理不同， 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。在外電場的作用下， PN 結內電子與空穴復合，將一部分能量轉化為光能，其余轉化為熱能。目前 LED 的發(fā)光效率僅處于 15%~25%之間，其余的 75%~85%的能量轉化為熱能。當 LED 的功率提高，熱流密度增加，就會導致 LED芯片內的 PN結結溫升高，這種熱效應對 LED 的性能產生嚴重的影響：較小 LED的外量子效率；縮短 LED 的壽命；造成 LED 發(fā)出光的主波長發(fā)生偏移，從而導致光源的顏色發(fā)生偏移。因此，由于溫度升高而引起的各種熱效應會嚴重影響到 LED 器件的使用壽命和可靠性 [4]。 圖 310 是大功率 LED 的結溫與光輸出相對效率的關系圖。從圖中可以發(fā)現，當LED結溫上升到 65℃時，光輸出相對于室溫時下降 10%左右。 基于 ZEMAX 的 LED 光學性能模擬 21 圖 310 LED 相對出光率與結溫的關系 4 ZEMAX軟件 ZEMAX 簡介 由于要用 ZEMAX 軟件對 LED進行光學研究，所有在這里簡要介紹下 ZEMAX 軟件。ZEMAX 是美國 Radiant Zemax 公司所發(fā)展出的光學設 計軟件，可做光學組件設計與照明系統的照度分析，也可建立反射，折射，繞射等光學模型，并結合優(yōu)化，公差等分析功能，是套可以運算 sequential 及 NonSequential 的軟件 。 ZEMAX 有三種不同的版本： ZEMAXSE（標準版）； ZEMAXEE（工程版）； ZEMAXIE（完整版）。 ZEMAX 是一套綜合性的光學設計仿真軟件，它將實際光學系統的設計概念、優(yōu)化、分析、公差以及報表整合在一起。 ZEMAX 不只是透鏡設計軟件而已，更是全功能的光學設計分析軟件， 具有直觀、功能強大、靈活、快速、容易使用等 優(yōu)點，與其它軟件不同的是 ZEMAX 的 CAD 轉文件程序都是雙向的，如 IGES 、 STEP 、 SAT 等格式都可轉入及轉出。 ZEMAX 光學設計程序是一個完整的光學設計軟件，是將實際光學系統的設計概念，優(yōu)化，分析，公差以及報表集成在一起的一套綜合性的光學設計仿真軟件。包括光學設計需要的所有功能，可以在實踐中對所有光學系統進行設計，優(yōu)化，分析，并具有容差能力，所有這些強大的功能都直觀的呈現于用戶界面中。 ZEMAX 功能強大，速度快，靈活方便，是一個很好的綜合性程序。 ZEMAX 能夠模擬連續(xù)和非連續(xù)成像系統及 非成像系統。 ZEMAX 能夠在光學系統設計中實現建模、分析和其他的輔助功能。 ZEMAX 的界面簡單易用， 只需稍加練習， 就能夠實現互動設計。 ZEMAX 中有很多功能能夠通過選擇對話框和下拉菜單來實現。同時，也提供快捷鍵以便快速使用菜單命令。手冊中對使 ZEMAX 時的一些慣用方法進行了解釋，對設計過程和各種功能進行了描述。 ZEMAX 目前已經是被光電子領域熟知的光學設計的首選軟件。該軟件擁有兩大特點，就是可以實現序列和非序列分析。在全球范圍內，這款軟件已經被廣大的應用在設計顯示系統，照明，成像的使用 系統，激光系統以及漫射光的設計應用方面。 ZEMAX 可仿真 Sequential（ 成像系統 ） 和 NonSequential（ 非成像系統 ） ， 本論文主要用到 NonSequential（ 非成像系統 ）進行 LED 的光學模擬和設計 [24]。 序列性（ Sequential）光線追跡 基于 ZEMAX 的 LED 光學性能模擬 22 大多數成像系統都可以由一系列順序排列的光學面來描述。光線按面的順序進行追跡。如相機鏡頭、望遠鏡鏡頭、顯微鏡頭等。它有很多優(yōu)點，如光線追跡速度快、可以直接優(yōu)化和進行公差預算。 ZEMAX 中的光學面可以是反射面、折射面或衍射面。也可 以建立因為光學薄膜引起的有不同透射率的光學面特性。 面之間的介質可以是各向同性的，如玻璃或空氣。也可以是任意的漸變折射率分布，折射率可以是位置、波長、溫度或其它特性參數的函數。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。 ZEMAX 中，所有描述面的特性參數，包括形狀、折射、反射、折射率、漸變折射率、熱系數、透射率和衍射率都可以自定義。 非序列性（ Nonsequential）光線追跡 很多重要的光學系統不能用 sequential 光線追跡的模式描述，如復雜的棱鏡、光管、照明系統、小面反射鏡 、非成像系統或任意形狀的物件等。而且散射和雜光也不能用序列性分析的模式。 這些系統要求用 nonsequential 模式，此時光線以任意的順序打到物件上。Nonsequential 模式可以對光線傳播進行更細節(jié)的分析，包括散射光或部分反射光。進行 nonsequential 追跡時， ZEMAX 用 3D solid models 光學元件，可以是任意的形狀。支持散射、衍射、漸變折射率、偏振和薄膜。用光度學和輻射度學的單位 [25]。 基于 ZEMAX 的 LED 光學性能模擬 23 5 LED 的光學模擬 對 LED進行光學模擬和研究是進行 LED節(jié) 能道理照明燈具光學系統的設計和研究的基礎，對整個系統設計和光強分析起著重要的作用。該模擬選用的 LED為 德國 OSRAM公司生產一種型號為 LUW CN5M, OSLON SX的半導體二極管 。實物如下圖 51 圖 51 LED實物圖 LED 的參數 本文采用德國 OSRAM 公司生產的 LED,其 規(guī)格為 小封裝 3 x 3mm，高性能集成硅鏡片，專門為信號燈、報警信號燈或尾燈制作，它的 光通量為 27lm。該類型的 LED發(fā)出的光為白光， 在第 2 章介紹白光 LED 中已經介紹了 形成白光 LED 有兩種方法：多晶型和單晶型。該 LED 就是一種多晶型 LED，是由兩種不同顏色的 LED 芯片經過特定的生成原理產生的。這兩種不同顏色 LED 芯片分別是藍光和黃光，該 LED 在藍色波長范圍窄寬度和峰值波長約 434nm,在黃色的波長范圍分布較廣和峰值大約 540 590 nm。如圖 52 給出的四色度發(fā)光光譜和光度測量光譜分布圖。 圖 52 四色度發(fā)光光譜和光度測量光譜分布圖 。 LED 模擬設置 首先啟動 ZEMAX 軟件， 默認情況下， ZEMAX 軟件啟動順序 /混合模式 ， 要切換到純非連續(xù)模式 。 如圖 53 基于 ZEMAX 的 LED 光學性能模擬 24 圖 53 ZEMAX 主頁面 由于 LED 制造商 OSRAM將目前普遍使用的光源針對 ZEMAX照明設計軟件進行了定義。 因此我們沒有必要去定義光源，只需要去網站上直接下載 LED光源庫，并將其導入到 ZEMAX軟件中 。如圖 54下載的光源庫 圖 54 LED光源庫 將下載好 的光源數據導入 ZEMAX軟件中，我們發(fā)現該 LED的藍色和黃色兩種光譜以及光源都已經定義和放在了正確的位置，都在坐標原點，并且各類參數都符合實物 LED的標準。模擬出的 LED實物如圖 55，選取 50萬數量的光線。 圖 55 LED 模擬圖 基于 ZEMAX 的 LED 光學性能模擬 25 下面就需要定義一個接收面。 ZEMAX 中接收面包括三種類型：平面、有限遠場和無限遠場，本文采用平面接收面，材料為吸收性物質。下面根據需要模擬的光性質來設置合適的探測器位置及性質。 LED 的光強度模擬 根據要求選取 10m 作為光源與探測器直接的距離，及光源在坐標原點，接收 面在 Z=10m 處 ，接收面的大小設為 40m x 40m。 下面我們就在探測器上跟蹤分析射線，由于布局和探測器的光線追蹤是分開的，所有我們需要跟蹤分析光線 （ Analysis Rays）到 探測器 上以得 到結果。 該追溯到探測器中 的 射線數在 線光源 編輯器中參數列 “分析的射線 ”（ Analysis Rays）被 指定，這通常是一個很大的數字 ， 但需要知道一點 布局射線不影響探測器瀏覽器的結果，只有分析射線 才影響 。 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。 （ AnalysisDetectorsRay Trace / Detector Control） 在這里需要注意一點 ，按 清除檢測按鈕 清除 探測器 。 如果你不希望添加從以前的跟蹤結果到 下一次追跡， 就需要 按清除探測器然后 追跡 按鈕 然 后退出。 圖 56 光線追蹤界面 如上圖用時 22 秒完成了全部追蹤，然后我們打開探測器成像視窗（ Detector Viewer） ,我們會發(fā)現出現了該 LED 的光照度模擬圖，我們需要的是發(fā)光強度圖，所有我們需要在此界面進行設置，設置后的二維光強度圖如圖 57， X/Y 軸光強度曲線分布圖 如圖 48。 基于 ZEMAX 的 LED 光學性能模擬 26 圖 57 二維光強度圖 圖 58 X/Y 軸光強度曲線分布圖 LED 的近場照度模擬 根據說明，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=。由于探測器的位置發(fā)生改變了，所有我們要重新選擇合成的探測器尺寸，經過分析，選用 4mm x 4mm 的尺寸最符合要求。 其他設置和上面光強度模擬一樣。通過分析光線后打開探測器成像視窗得到近場照度圖 59。 圖 59 LED 近場照度圖 基于 ZEMAX 的 LED 光學性能模擬 27 6 LED 的光學設計 通過上面對 LED 的介紹和用 ZEMAX 軟件對 LED 進行建 模，全面模擬其光學性能。下面 在此基礎上 用所模擬的 LED 試著展開 LED 的二次光學研究，旨在提高道路表面的光強分布均勻性。 LED 路燈主要選用大功率 LED 作為發(fā)光光源，但該 LED屬于小功率，所有我們在它光學特性不變的基礎上將其光通量改為 600lm進行模擬。 LED 路燈的配光要求 道路照明系統不同于一般的照明燈具，其被照明的場是一個矩形區(qū)域。根據國家相關的城市道路照明設計標準規(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%。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，是一個客觀物理存在，亮度和照度都是重要且有用的計算量。亮度的計算是第二級的計算，照度的計算是第一級計算，亮度計算總是在照度計算之后進行的，