【正文】 損壞。目前同常使用的白光 LED的發(fā)光效率達(dá)到 501m／ W，超過(guò)了普通白熾燈的水平。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(jiàn)光波段，產(chǎn)生熱量較少，同時(shí)也消除了非可 見(jiàn)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。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]。而且 LED 所發(fā)出的光比較眩目，容易引起眩光。 （ 3） 光色問(wèn)題。 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。 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。當(dāng) LED 工作溫度達(dá)到 85 度時(shí)，光通量將下降一半。一旦 LED 發(fā)光亮度降到原來(lái)亮度的 30%以下，就可以認(rèn)為其己不可用?？梢哉f(shuō)散熱問(wèn)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。 它表現(xiàn)出的一些問(wèn)題有： （ 1） 散熱問(wèn)題。 但 隨著 LED技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展 ， 克服解決這些問(wèn)題并不是十分遙遠(yuǎn)的事。 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(wèn)題。 （ 8） 響應(yīng)速度快：汽車(chē)信號(hào)燈是 LED光源應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域，汽車(chē)信號(hào)燈的快速反應(yīng)對(duì)于減少交通事故有重要意義。光線品質(zhì)高，無(wú)紫外線和紅外線，故沒(méi)有熱量，沒(méi)有輻射， LED 光源為冷光源。 （ 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。 （ 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。而高壓鈉燈的顯色指數(shù)只有 23 左右。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。 （ 5） 按發(fā)光強(qiáng)度分 類(lèi) 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]。 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。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。在國(guó)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)。 （ 2） 按發(fā)光管出光面特征分 類(lèi) 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。防偽越好的紙幣要用波長(zhǎng)越短的紫外光作為光源進(jìn)行檢驗(yàn)。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。 （ 1） 根據(jù) LED的發(fā)光顏色進(jìn)行分類(lèi) 按照 LED發(fā)出的光波波長(zhǎng)來(lái)分，主要有以下三類(lèi)：波長(zhǎng)在 380nm～ 760nm范圍內(nèi)的可見(jiàn)光、紅外波段以及紫外波段。 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(lèi) 目前有很多生產(chǎn) LED的廠商，對(duì)于 LED的分類(lèi)也沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。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(jiàn)光。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。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(shù)脂、陰極桿、陽(yáng)極桿、楔型支架、引腳架等幾個(gè)部分組成。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。基于 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。 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?jī)?nèi)容 LED的工作原理、光學(xué)性能即電學(xué)性能。 中 國(guó) LED 產(chǎn)業(yè)發(fā)展超過(guò)三十年 ,它已經(jīng)成為一種朝陽(yáng)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。控制軟件的改進(jìn)，也使得 LED 照明使用更加便利。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。 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。 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(lái)的照明器具。 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。 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。 (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(guò)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(lái)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(zhǎng)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。而我國(guó)也正式啟動(dòng)了“國(guó)家半導(dǎo)體照明工程”，已經(jīng)初步形成了珠江三角洲、長(zhǎng)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?？墒且恍┛蒲性核?，如中國(guó)科學(xué)院物理所和長(zhǎng)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(kāi)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(guó)際先進(jìn)水平的差距 [8]。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(kāi)發(fā)，但目前與國(guó)外的差距還比較大。 LED 應(yīng)用于照明領(lǐng)域，涉及到材料器件研制、光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、封裝材料、電子線路、燈具開(kāi)發(fā)、照明效果與視覺(jué)匹配等多學(xué)科交叉的高新科技領(lǐng)域。隨著 LED 光色的不斷豐富，特別是白光 LED 技術(shù)的 不斷成熟，發(fā)光效能不斷提高，價(jià)格逐漸降低，使得 LED 有逐步取代傳統(tǒng)的光源的趨勢(shì)，將作為新一代節(jié)能環(huán)保型綠色照明燈而受到青睞。一場(chǎng)搶占半導(dǎo)體照明新興產(chǎn)業(yè)制高點(diǎn)的爭(zhēng)奪戰(zhàn)，已經(jīng)在全球打響 [7]。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。進(jìn)入九十年代，我國(guó)照明用電的年增長(zhǎng)在 15%以上，但是我國(guó)照明用電的結(jié)構(gòu)中普通白熾燈仍占有極大的比例。如圖 11 為 20212021 年中國(guó)高亮度 LED 管芯市場(chǎng)銷(xiāo)售規(guī)模預(yù)測(cè) ?？萍疾俊皣?guó)家半導(dǎo)體照明工程”計(jì)劃2021 年半導(dǎo)體照明逐步取代白熾燈， 2021 年后取代熒光燈。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(guò)歐洲共同體的補(bǔ)助金來(lái)推廣超高亮白光 LED 的應(yīng)用 [6]。日本提出， 2021 年就要用半導(dǎo)體燈大規(guī)模替代傳統(tǒng)白熾燈，日本世紀(jì) 21 照明計(jì)劃是由日本金屬研發(fā)中心 (The Japan Research and Development Center of Metals)和新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu) (NEDO)發(fā)起和組織的為期 5 年的一個(gè)國(guó)家計(jì)劃。 2021 年 7 月在美國(guó)“半導(dǎo)體照明技術(shù)藍(lán)圖 ”的基礎(chǔ)上，美國(guó)能源部啟動(dòng)一項(xiàng)名為“ NextGeneration Lighting Initiative” (NGLI)的計(jì)劃，即“下一代照明計(jì)劃” (NGLI)。LED 照明的應(yīng)用前景在全世界都掀起了高潮，被寄予了厚望。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?？傮w上，我國(guó) LED產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了進(jìn)口器件銷(xiāo)售一進(jìn)口芯片封裝一進(jìn)口外延片制管封裝一自制生產(chǎn)材料和器件四個(gè)階段 [5]。 根據(jù)發(fā)光二極管技術(shù)和應(yīng)用不同的發(fā)展階段來(lái)看， LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程大致可以分為以下三個(gè)階段：首先是指示應(yīng)用階段；然后是信號(hào)、顯示應(yīng)用階段；最 后是照明應(yīng)用階段。 伴隨技術(shù)的不斷進(jìn) 步，近年來(lái)白光 LED的發(fā)展相當(dāng)迅速，功率型白光 LED的內(nèi)發(fā)光效率已經(jīng)達(dá)到 1501m／ W，并且每年以 10～ 201m／ W的速度提升，大大超過(guò)白熾燈(151m／ W)，而向熒光燈迫近。到了 20世紀(jì)九十年代后期，終于研制出了通過(guò)藍(lán)光激發(fā) YAG熒光粉產(chǎn)生白光的 LED[3]。 1994年，日本科學(xué)家中村修二在 GaN基片上研制出第一只藍(lán)光 LED。 直到 20世紀(jì) 90年代后期，單 管 LED發(fā)出的光只能照亮很近的物體。 1990年，開(kāi)發(fā)出 A1InGaP技術(shù)，其性能比標(biāo)準(zhǔn) GaAsP器件高 10倍。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(guò) 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。 隨后，電腦、電子器件和控制系統(tǒng)等商業(yè)以及個(gè)人應(yīng)用產(chǎn)品的興起形成了對(duì) LED的強(qiáng)烈市場(chǎng)需求，并且 LED以其鮮明的特點(diǎn)被應(yīng)用在這些電子器件上作指示用途。 1968年，利用氮摻雜工藝使 GaAsP材料 LED器件的效率達(dá)到 1lm／ W，并能發(fā)出紅、橙和黃色光。1965年，全球第一款用鍺材料做成的可發(fā)紅外光的商用 LED誕生。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)。 課題研究背景 LED 發(fā)展歷程 發(fā)光 二極管 (Light Emitting Diode，英文簡(jiǎn)寫(xiě)成 LED)是一種新型固態(tài)冷光源，在正向偏壓作用下， N區(qū)電子和 P區(qū)空穴分別向?qū)Ψ阶⑷?，這些被注入的少數(shù)載流子在 P— N結(jié)附近復(fù)合，產(chǎn)生光子而發(fā)光。因此， LED 光源稱為繼白熾燈、鎢絲燈和熒光燈之后的第四代光源。 LED 光源的發(fā)明引發(fā)了照明技術(shù)的重大變革。然而，白熾燈自問(wèn)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。在我國(guó)改革開(kāi)放之后，特別是進(jìn)入 90 年代國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)，對(duì)公眾場(chǎng)合發(fā)布信息的需求日益強(qiáng)烈 。并在此基礎(chǔ)上試著展開(kāi) 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。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 制作燈具奠定基礎(chǔ)。隨著 近來(lái) 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(kāi)始被大量應(yīng)用。白光 LED 的光譜幾乎全部集中于可見(jiàn)光頻段，其發(fā)光效率可超過(guò) 170lm/W（ 2021 年）。 ZEMAX 簡(jiǎn)介 ............................................................ 21 序列性（ Sequential）光線追跡 ....................................... 21 非序列性（ Nonsequential）光線追跡 ................................. 22 5 LED的光學(xué)模擬 ......................................................... 23 LED 的參數(shù) ........................................................... 23 LED 模擬設(shè)置 ......................................................... 23 LED 的光強(qiáng)度模擬 ..................................................... 25 LED 的近場(chǎng)照度模擬 .................................................. 26 6 LED的光學(xué)設(shè)計(jì) ......................................................... 27 LED 路燈的配光要求 .............................................