【正文】 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。 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，其被照明的場是一個矩形區(qū)域。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分布均勻性。通過分析光線后打開探測器成像視窗得到近場照度圖 59。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(jīng)過分析，選用 4mm x 4mm 的尺寸最符合要求。 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(xiàn)出現(xiàn)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(shè)置，設(shè)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。 （ 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 。 該追溯到探測器中 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，這通常是一個很大的數(shù)字 ， 但需要知道一點 布局射線不影響探測器瀏覽器的結(jié)果，只有分析射線 才影響 。 LED 的光強度模擬 根據(jù)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(shè)為 40m x 40m。 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(zhì)。模擬出的 LED實物如圖 55，選取 50萬數(shù)量的光線。 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 。 LED 模擬設(shè)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 52 給出的四色度發(fā)光光譜和光度測量光譜分布圖。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。實物如下圖 51 圖 51 LED實物圖 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，專門為信號燈、報警信號燈或尾燈制作，它的 光通量為 27lm。 基于 ZEMAX 的 LED 光學(xué)性能模擬 23 5 LED 的光學(xué)模擬 對 LED進行光學(xué)模擬和研究是進行 LED節(jié) 能道理照明燈具光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計和研究的基礎(chǔ)，對整個系統(tǒng)設(shè)計和光強分析起著重要的作用。支持散射、衍射、漸變折射率、偏振和薄膜。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。而且散射和雜光也不能用序列性分析的模式。 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。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(shù)的函數(shù)。也可 以建立因為光學(xué)薄膜引起的有不同透射率的光學(xué)面特性。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(yù)算。光線按面的順序進行追跡。 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) ）進行 LED 的光學(xué)模擬和設(shè)計 [24]。該軟件擁有兩大特點，就是可以實現(xiàn)序列和非序列分析。手冊中對使 ZEMAX 時的一些慣用方法進行了解釋，對設(shè)計過程和各種功能進行了描述。 ZEMAX 中有很多功能能夠通過選擇對話框和下拉菜單來實現(xiàn)。 ZEMAX 能夠在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計中實現(xiàn)建模、分析和其他的輔助功能。 ZEMAX 功能強大，速度快，靈活方便，是一個很好的綜合性程序。 ZEMAX 光學(xué)設(shè)計程序是一個完整的光學(xué)設(shè)計軟件，是將實際光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)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(xué)設(shè)計仿真軟件。 ZEMAX 是一套綜合性的光學(xué)設(shè)計仿真軟件，它將實際光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計概念、優(yōu)化、分析、公差以及報表整合在一起。ZEMAX 是美國 Radiant Zemax 公司所發(fā)展出的光學(xué)設(shè) 計軟件，可做光學(xué)組件設(shè)計與照明系統(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，是套可以運算 sequential 及 NonSequential 的軟件 。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)LED結(jié)溫上升到 65℃時，光輸出相對于室溫時下降 10%左右。因此，由于溫度升高而引起的各種熱效應(yīng)會嚴重影響到 LED 器件的使用壽命和可靠性 [4]。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。 LED 的熱學(xué)特性 與傳統(tǒng)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。顯色指數(shù)是用來準確描述光源顯色性的一種參數(shù)，用 aR 表示。色溫是用來描述某發(fā)光體發(fā)出光線顏色的一個參數(shù)。 如 LED 的光衰減為原來 35%，壽命＞ 6000h。長期以來總認為 LED 壽命為 106小時，這是指單個 LED 在 IF=20mA 下。 通常把亮度降到 Bt=1/2B0 所經(jīng)歷的時間 t 稱為二極管的壽命。 壽命 老化： LED 發(fā)光亮度隨著長時間工作而出現(xiàn)光強或光亮度衰減現(xiàn)象。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。光源表面一點處的面元在給定方向上的發(fā)光強度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)。 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。 在光度測量中應(yīng)用最廣的是硒光電池，這是因為它的光譜靈敏度比其他探測器更接近人眼的光譜靈敏度。一般采用照度計測量受照面上的照度，照度計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產(chǎn)生電位差，如果在兩面之間接入電流計，就會有電流產(chǎn)生，這 種光電效應(yīng)稱為光生伏特效應(yīng)。 照度 照度是用 來表示被照面上光的強弱，它是以被照場所光通量的面積密度來表示的即表面上一點 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)。 采取上述措施可使 LED Iθ = 6176。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）。發(fā)光強度隨著不同封裝形狀而強度依賴角方向。 LED 大量應(yīng)用要求是圓柱、圓球封裝，由于凸透鏡的作用，故都具有很強指向性：位于法向方向光強最大，其與水平面交角為 90176。先測量各個角度的發(fā)光強度，然后將測得的數(shù)據(jù)按照極坐標或者直角坐標畫出角度和光強之間的關(guān)系曲線即為發(fā)光強度空間分布圖 。 測量距離 d根據(jù) CIE 推薦的標準 A和 B，按如下表 設(shè)置，下 表測量距離 d的設(shè)置標準 ： CIE 推薦 LED 頂端到探測器的距離 d 立體角 平面角（全角） 標準條件 A 316mm 標準條件 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)光強度空間分布圖來表示。 在近場條件下，即測量 LED時所用的距離 d 相對較短，光源的相對尺寸太大，或者探測器表面與光源構(gòu)成的角度太大，此時，光探測器測量的光強取決于測量條件。 發(fā)光強度 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很小的立體角元內(nèi)所包含的光通量 與這個立體角 的比值，稱為該方向上的光強，單位為坎德拉 (cd)， 即： LED 光強的測量可以分為遠場和近場兩種情況，在遠場條件下，即 LED 光源的尺寸和光探測器的面積與離光探測器的距離相比足夠小， LED 光源可以被看做點光源。基于 ZEMAX 的 LED 光學(xué)性能模擬 16 為了進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。 由于 LED 材料折射率很高η i≈ 。 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。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。 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。 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）。 通常 LED 光通量的測量采用積分球法，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 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，這個面出光度被位于球壁的探測器測量到；同時位于球內(nèi)的一漫射屏擋住光線，不使探測器直接接收到被測器件的光輻射。這兒大家了解他的概念就行了，知道燈泡上標定的功率大概產(chǎn)生多少的光。這個是最大的光轉(zhuǎn)換效率，也是定標值，因為人眼對 555nm的光最敏感。 下面簡介描述下 光通量與 LED 節(jié)能燈上標注的瓦數(shù)之間的關(guān)系。業(yè)界一般戲稱這個單位為流氓。 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。 不同材料制得的 LED 響應(yīng)時間各不相同；如 GaAs、 GaAsP、 GaAlAs 其響應(yīng)時間＜ 109S， GaP 為 107 S。 LED 的點亮?xí)r間—— 上升時間 tr 是指接通電源使發(fā)光亮度達到正常的 10%開始，一直到發(fā)光亮度達到正常值的 90%所經(jīng)歷的時間。 圖中 t0 值很小，可忽略?，F(xiàn)有幾種顯示 LCD(液晶顯示 )約 103~105S， CRT、 PDP、 LED 都達到 106~107S(us 級 )。若結(jié)溫為 Tj、外部環(huán)境溫度為 Ta，則當(dāng) TjTa 時，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)。 由 1MHZ 交流信號用 CV 特性測試儀測得。 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。當(dāng)反向偏壓一直增加使 V＜ VR 時，則出現(xiàn) IR 突然增加而出現(xiàn)擊 穿現(xiàn)象。 V＞ 0 時， 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 pn 結(jié)加反偏壓 V= VR 時，反向漏電流 IR（ V= 5V）時，GaP 為 0V， GaN 為 10uA。 圖 31 LED IV 特性曲線 （ 1）正向死區(qū)：（圖 oa 或 oa′段） a點對于 V0 為開啟電壓，當(dāng) V＜ Va，外加電場尚克服不少因載流子擴散而形成勢壘電場，此時 R很大；開啟電壓對于不同 LED其值不同，GaAs 為 1V，紅色 GaAsP 為 ， GaP 為 ， GaN 為 。 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)。還有一種多晶型是在紫外 LED芯片里面涂敷了紅、綠、藍三基色熒光粉，芯片發(fā)出的紫外光激發(fā)熒光粉產(chǎn)生白光。 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。 （ 5） 環(huán)保：現(xiàn)在廣泛使用的熒光燈、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對環(huán)境造成污染。 （ 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、沖擊而不致引起