【正文】 LED lamps and lanterns. This simulation is mainly study the working principle of LED, optical properties and electrical properties, and uses ZEMAX software to modeling of leds, simulate its optical properties. And try to open the LED of the secondary optical research on this basis. Its purpose is to improve the uniformity of intensity distribution on the surface of the road. KEY WORDS LED,optical simulation and design,ZEMAX software 基于 ZEMAX 的 LED 光學(xué)性能模擬 1 1 緒論 自 20 世紀 80 年代后期開始，隨著 LED 制造技術(shù)的不斷完善， LED 在國外得到了廣泛的應(yīng)用。在 20 世紀，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。相對于白熾燈而言，熒光燈更為節(jié)能，但卻給人的視力帶來不好的影響，且燈管內(nèi)的重金屬汞也對人體和環(huán)境不利。LED 的結(jié)構(gòu)和材料與傳統(tǒng)照明技術(shù)不同，它是一種利用電致發(fā)光的固體冷光源，具有發(fā)光效率高、體積小、重量輕、耐震、耐沖、直流低電壓工作、壽命長、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點。并將在多種領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。它誕生于 20世紀 60年代初，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、耗能少、響應(yīng)速度快、抗震性能好、使用方便等優(yōu)點因此，其在現(xiàn)代光電系統(tǒng)和照明中的有著廣泛的應(yīng)用和良好的發(fā)展前景。 1962年， GE、 Monsanto、 IBM聯(lián)合實驗室開發(fā)出發(fā)紅光的半導(dǎo)體 化合物 GaAsP。不久， Monsanto和惠普公司推出用 GaAsP材料制作的效率為 0． 11lm／ W的商用紅色 LED。 1971年，具有相同效率的 GaP綠色芯片 LED推出 [1]。八十年代早期開發(fā)出 A1GaAs材料 LED，能以 lOlm／ W的效率發(fā)出紅光。由于這一時期 LED具有亮度高、體積小、耐用等特點，在汽車尾燈、交通信號燈等方面的應(yīng)用也具有了非常廣闊的市場前景 [2]。在 1991年至 2021年期間，材料技術(shù)、芯片飛方法尺寸和外形方面的進一步發(fā)展使商用 LED的光通量提高了近 30倍。為了更好地用于照明，唯一的方法就是把許多 LED放在一起， LED照明更適合只需要一種顏色照明的情況。這是 LED發(fā)展史上極為關(guān)鍵的一步，促使了白光 LED的出現(xiàn)。白光 LED的誕生，給世界照明史帶來了突破性的發(fā)展，催生了一種新興的照明產(chǎn)業(yè)一一半導(dǎo)體照明，同時也引發(fā)了一場世界性的爭奪半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)制高點的戰(zhàn)斗。使用 LED照明的地方也越來越多，例如大型商場等公共場所，橋梁等標志型建筑，以及一些特殊照明領(lǐng)域，其應(yīng)用發(fā)展很快，預(yù)計在未來，LED的發(fā)光效率將會達到 2021m／ W，成為實現(xiàn)綠色照明的主力軍 [4]。 1968年，中科院長春物理所研制開發(fā)了國內(nèi)第一只 LED，我國 LED材料和器件正式起步， 20世紀 80年代形成產(chǎn)業(yè)， 90年代已經(jīng)初具規(guī)模，在 90年代后期得到迅猛發(fā)展。 半導(dǎo)體照明的 產(chǎn)業(yè)概況和發(fā)展趨勢 進入 21 世紀，能源的短缺和環(huán)境污染越來越制約著人類的發(fā)展。 作為固體光源的 LED(Light Emitting Diode)發(fā)光二極管，真正點燃了“綠色照明”基于 ZEMAX 的 LED 光學(xué)性能模擬 3 的光輝，被認為是 21 世紀最有價值的新光源，將取代白熾燈和日光燈成為照明市場的主導(dǎo)，使照明技術(shù)面臨一場新的革命，從而一定程度上改善人類的生產(chǎn)和生活方式。 美國能源部統(tǒng)計，到 2021 年已有 55%的白熾燈和熒光燈被半導(dǎo)體燈替代，每年可節(jié)電 350 億美元。這項計劃提案的目標是要聯(lián)合產(chǎn)業(yè)界、大學(xué)和國家重點實驗室的力量，加速半導(dǎo)體照明技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，這項議案希望從 20212021 年，每年提供5000 萬美元支持 NGLI 計劃的實施。這項計劃的參與機構(gòu)包括 4 所大學(xué)、 13 家公司和一個協(xié)會，目標旨在通過使用長壽命、更薄更輕的 GaN 高效藍光和紫外 LED 技術(shù)使得照明的能量效率提高為傳統(tǒng)熒光燈的兩倍 (即降低傳統(tǒng)照明的能量消耗 )，減少 CO2的產(chǎn)生。 而我國科技部有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)提出：我們要以 2021 年北京奧運會和 2021 年上海世博會為契機，推動半導(dǎo)體 燈在城市景觀照明的應(yīng)用。據(jù)預(yù)測，在汽車尾燈、交通燈、公共設(shè)施以及家庭照明需求的帶動下， 20212021 年我國高亮度發(fā)光管芯市場規(guī)模將保持年均將近 25%的增長速度，到 2021 年我國高亮度 LED 管芯市場規(guī)模將會突破 20 億元。 圖 11 20212021 年中國高亮度 LED 管芯市場銷售規(guī)模預(yù)測 基于 ZEMAX 的 LED 光學(xué)性能模擬 4 另一方面，中國作為 13 億人口大國，電力能源相對來說比較 貧乏，并且隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，照明用電在電力消費中占的比例逐年提高。我國人均擁有光源的數(shù)量仍比較低，與日本相比，燈的數(shù)量是日本的 倍，使用電力是日本的 倍，而燈的平均光效率只是日本的 1/3。 隨著 LED 材料的革新、工藝的改進和生產(chǎn)規(guī)模的提高， LED 的光效將得到提高、價格將下降，可以預(yù)測到 LED 在照明領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣，將真正替代白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)光源，成為新一代的綠色光源，其在照明市場的潛力將是不可估量的。 LED 應(yīng)用于照明的發(fā)展和國內(nèi)外概況 在早期，由于 LED 光色、發(fā)光效能、光通量、光功率和價格等方面的限制， LED主要應(yīng)用于指示、顯示領(lǐng)域，如電子電氣、熱工儀表、自動化系統(tǒng)、通信設(shè)置、宇航空間開發(fā)、家用電氣、交通運輸工具中作為指示燈、告示牌、警戒燈以及信息廣告、顯示牌等。這類 LED 光源主要是基于藍光 LED 的白光 LED固體新光源，一般應(yīng)用于諸如應(yīng)急照明、裝飾照明、家用照明等領(lǐng)域。 (1) LED 的研究和開發(fā) 對于 LED 的研究和開發(fā)，國際著名的照明公司均給予了其足夠的重視，并持巨資投入研究與開發(fā)，研究的焦點主要集中在新發(fā)光材料 、封裝材料等的開發(fā)： PHILPS公司與 HP公司合資的 Lumileds、德國的 OSRAM、美國 GE以及日本的日亞伽 (Nichia)、美國 EMCORE 和 GE 聯(lián)合、日本的 Toshiba 和 Honda 聯(lián)合等均投入大量人力、物力、財力進行研究，以期在這一新世紀光源領(lǐng)域占領(lǐng)至高點。主要原因是目前在投入資金、設(shè)備和人才方面均無法與國外相比，而且研究機構(gòu)相對比較分散。 (2) LED 用于照明的發(fā)展 對于 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、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)計公司曾采用了 14000只白光和彩色 LED 的混合照明整個房間，光照水平達到 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 作交通信號燈，以減少對發(fā)熱量大的傳統(tǒng)交通信號燈的需求；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)。為實現(xiàn) LED 從光色照明和特殊照明向普通照明的擴展，國家投入了大量的資金和人力 [9]。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)計方法已經(jīng)滯后。合適的照明設(shè)計軟件使得設(shè)計成為一種事前估計，再加上合理的光學(xué)設(shè)計，使設(shè)計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準，同傳統(tǒng)的照明設(shè)計方法相比，提高了設(shè)計的速度、準確性和經(jīng)濟效益。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、綠、青、橙、紫、白色的光。由于 LED 燈具的特殊結(jié)構(gòu)，需要對LED的光學(xué)性能進行全面的分析，為利用 LED 制造燈具奠定基礎(chǔ)。 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，價格不斷走低。通過同業(yè)的不斷努力研發(fā)，新型光學(xué)設(shè)計的突破，新燈種的開發(fā)，產(chǎn)品單一的局面也有望在進一步扭轉(zhuǎn)。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。近年來 ,LED 產(chǎn)業(yè)發(fā)展步伐的進一步加快 ,不僅促進 LED 業(yè)界增加產(chǎn)量 ,而且提高產(chǎn)品技術(shù)含量。 ZEMAX軟件對 LED進行建模，并模擬其光學(xué)性能。工作時，外加電源通過兩個電極 (正極、負極 )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。 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。 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摻雜的，熱平衡狀態(tài)下形成 PN結(jié)，擴散和漂移運動相等時，內(nèi)建電場穩(wěn)定，此時 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。BJ電荷區(qū)變窄，結(jié)區(qū)勢壘降低，載流子的擴散運動加強。由半導(dǎo)體的能帶理論可知，當導(dǎo)帶中的電子與價帶中的空穴復(fù)合時，電子由高能級躍遷到低能級，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。也就是說這些不發(fā)光的載流子將可能被雜質(zhì)能級 (或缺陷 )所捕獲，最后以發(fā)熱的形式消耗掉 [1]。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 行分類的。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。短波長的有紫外光，紫外光可用來殺菌消毒，也可用作驗鈔機的光源。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)。圓形燈按直徑分為 2mm， ， 5mm， 8mm， 10mm及 20mm 等。 （ 3） 按發(fā)光強度角來分 類 從發(fā)光強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。 基于 ZEMAX 的 LED 光學(xué)性能模擬 9 標準型：通常作指示燈用，其半強度角為 20 o~45 o。 （ 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)。 LED優(yōu)點與不足 發(fā)光二極管是一種極有競爭力的新型節(jié)能光源，有逐漸取代傳統(tǒng)照明光源的趨勢。 （ 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 7580，接近太陽光，可以達到比較滿意的照明效果。熒光燈為 6070。 （ 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。 （ 6） 環(huán)保：沒有目前節(jié)能燈所含的汞等有害物質(zhì)。 （ 7） 壽命長： LED光源使用壽命可達 50000100000H，比傳統(tǒng)光源壽命長 10倍以上。應(yīng)用靈活：可在紅、綠、藍三基色基礎(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]。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。 LED將會在路燈照明，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。 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)生的熱量無法及時散發(fā)出去， PN 結(jié)的結(jié)溫將會升高，加速芯片和封裝樹脂的老化，還可能導(dǎo)致焊點融化，使芯片 失效，進而影響 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，對散熱技術(shù)要求更高。 （ 2） 光衰問題。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。超過 90度時有燒毀的危險；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。 ⑤ 設(shè)計使用條件問題引起的光衰。其實導(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。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。 （ 4） 價格過高。 白光 LED 1998年基于藍光 LED芯片的白光 LED被成功開發(fā)，這一創(chuàng)新開創(chuàng)了 LED照明的新紀元，使得 LED照明真正地開始普及和實用化，成為照明史上的巨大進步。 （ 2） 節(jié)能： LED相對于傳統(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。如果按現(xiàn)在的 LED技術(shù)發(fā)展速度預(yù)測，到了 2021年，白光 LED的發(fā)光效率有望達到 150～ 200lm／ w，遠遠超過了現(xiàn)在所有照明光源的發(fā) 光效率 。 （ 4） 壽命長：普通白熾燈的壽命約為 1000個小時，熒光燈、金屬鹵化物燈的壽命不會超過一萬個小時，而目前 LED的使用壽命可達到數(shù)萬個小時。 LED則沒有這些問題，其發(fā)光顏色純正，是一種清潔的光源。合成白光的方式有很 多種，一般可以分為單晶型和多晶型兩種： （ 1） 多晶型：直接將紅、綠、藍三種顏色的 LED芯片組成一組，實現(xiàn)白