淺析led照明的二次光學(xué)設(shè)計(jì)研究

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1、淺析LED照明的二次光學(xué)設(shè)計(jì)研宄華路東莞軒朗實(shí)業(yè)有限公司523281摘要：木文首先介紹了LED的發(fā)光原理，再通過一次光學(xué)設(shè)計(jì)及二次光學(xué)設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單介紹了LED照明的二次光學(xué)設(shè)計(jì)。旨在與同行探討學(xué)習(xí)，共同進(jìn)步。關(guān)鍵詞：LED—次光學(xué)二次光學(xué)設(shè)計(jì)LED（LightEmittingDiode）為發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。20世紀(jì)60年代，人們通過對(duì)半導(dǎo)體材料可通電發(fā)光的了解，生產(chǎn)出了第一個(gè)商用發(fā)光二極管。LED是由III-V族化合物，比如：GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化

2、鎵）等半導(dǎo)體材料造成的，它的核心是PN結(jié)。因此，其具有通常PN結(jié)的VI特性，即反向截止、正向?qū)?、擊穿特性。除此之外，在一定的條件之下，其還具備著發(fā)光的特性。在正向電壓的作用之下，空穴由P區(qū)注入N區(qū)，電子由N區(qū)注入P區(qū)，進(jìn)入到對(duì)方地域的少數(shù)載流子（少子）的一部分跟多數(shù)載流子（多子）復(fù)合而發(fā)光。LED的發(fā)光原理如圖1所示。圖1LED的發(fā)光原理PN結(jié)的端電壓組成了一定的勢(shì)壘，若給PN結(jié)外加個(gè)正向偏置電壓，PN結(jié)的勢(shì)壘將要減小，N型半導(dǎo)體當(dāng)中的電子將會(huì)將要注入到P型半導(dǎo)體之中，P型半導(dǎo)體當(dāng)中的空穴將要注入到N型半導(dǎo)體當(dāng)中，因此

3、出現(xiàn)了非平衡狀況。這些注入的空穴和電子在PN結(jié)處相逢發(fā)生復(fù)合，復(fù)合時(shí)將有余的能量以光能形式開釋出來，從而可以觀察到PN結(jié)發(fā)光。這就是PN結(jié)發(fā)光的機(jī)理。同時(shí)，當(dāng)電子和空穴發(fā)生復(fù)合時(shí)，還有一些能量以熱能的形式散發(fā)出來.PN結(jié)對(duì)電子和空穴具有不同高度的勢(shì)壘，這兩個(gè)勢(shì)壘均很小，似是空穴的勢(shì)壘比電子的勢(shì)壘小得多，并且空穴不停從P區(qū)向N區(qū)擴(kuò)散，取得高的注入速率，N區(qū)的電子注入P區(qū)的速率卻比較小。這樣N區(qū)的電子便躍遷到注入以及價(jià)帶的空穴復(fù)合，而發(fā)射出由N型半導(dǎo)體能隙所確定的輻射。由于P區(qū)取得的能隙大，光輻射沒能夠發(fā)射到導(dǎo)帶，因此N區(qū)結(jié)

4、區(qū)P區(qū)導(dǎo)帶價(jià)帶電子注入空穴注入g發(fā)光E中心發(fā)光不產(chǎn)生光的吸收，因此能夠直接透射到LED外，從而減輕了光能的虧損。LED是利用化合物材料制成PN結(jié)的光電器件，它所具冇的光學(xué)特性主要冇：LED的光譜結(jié)構(gòu)和配光曲線以及發(fā)光效率等。在照明光學(xué)系統(tǒng)當(dāng)中，光源的光分布即是光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)選取的關(guān)鍵依據(jù)和出發(fā)點(diǎn)。在光學(xué)設(shè)計(jì)之中，依照光源的配光曲線能夠獲得光源的中心光強(qiáng)、半強(qiáng)度發(fā)散角等參數(shù)，相同能夠從配光曲線中預(yù)算出光源的總光通量。光源的配光曲線是個(gè)極為關(guān)鍵的參數(shù)，形狀和隨封裝材料而呈現(xiàn)出不一樣的特質(zhì)。如今，極多LED光源都是朗伯分布的，法

5、向方向的光強(qiáng)度最大，隨偏離法向方向的角度的增加而逐漸減小。朗伯光源的配光曲線如圖2所示，蘇光強(qiáng)分布是呈余弦分布的，即為軸線方向上的光強(qiáng)，為出光方向與軸向的夾角。圖2理想朗怕光源的配光曲線圖LED可根據(jù)發(fā)光強(qiáng)度的角分布不同而分為以下三類：(1)高指向性。一般為尖頭環(huán)氧封裝，或是帶金屬反射腔封裝，而且不加散射劑。K半值角為5°?20°或更小，有很高的指向性，可作局部照明光源用。(2)標(biāo)準(zhǔn)型。通常是作為指示燈來用，其半值角為20°?45°。(3)散射型。這是視角較大的指示燈，K半值角為45&de

6、g;?90°或更大，多用于廣角照明，添加的散射劑量較大。LED光譜特性對(duì)于LED的光譜特質(zhì)，關(guān)鍵看蘇單色性是否優(yōu)良，還需留心白色、黃、紅、綠、藍(lán)等LED的重要顏色是否純正。由于在極多的場(chǎng)合下，例如：交通信號(hào)燈等對(duì)顏色要求較嚴(yán)格。部分LED發(fā)光并不是單一色的，即不單單有個(gè)峰值波長(zhǎng)，乃至有多個(gè)峰值，并不是單色光。為了描述LED色度特質(zhì)而引進(jìn)主波長(zhǎng)，主波長(zhǎng)即是人眼所能察看到的，由LED發(fā)出的關(guān)鍵單色光的波長(zhǎng)。比如：主波長(zhǎng)只能發(fā)出一個(gè)峰值波長(zhǎng)，而GaP材料能夠發(fā)出多個(gè)，跟著LED長(zhǎng)久工作，結(jié)溫升高，主波長(zhǎng)會(huì)偏向長(zhǎng)波。如圖

7、3所示：如圖3不同化合物半導(dǎo)體及摻雜制成的LED的光譜響位曲線制備所用化合物半導(dǎo)體種類以及LED的光譜分布、PN結(jié)結(jié)構(gòu)及性質(zhì)相關(guān)，而跟器件的封裝方式與幾何形狀無關(guān)。圖3是幾種由不一樣的化合物半導(dǎo)體以及摻雜造成的LED的光譜響應(yīng)曲線。其中曲線1是藍(lán)色I(xiàn)nGaN（氮化銦鎵）/GaN的LED,發(fā)光譜峰=nm465~460p;曲線2是綠色GaPN（氮磷化鎵）的LED,發(fā)光譜峰=nm550p；曲線3是紅色GaPZn-0的LED,發(fā)光譜峰=nm700?680p;曲線4是使用GaAs材料的LED，發(fā)光譜峰=nm910?；曲線5是Si光

8、敏二極管，通常是用作光電接收。發(fā)光效率（）是指光源所消耗的電功率與光源所發(fā)出的光通量之比。發(fā)光效率表征了光源的節(jié)能特質(zhì)，是量度LED光源的性能的一個(gè)極為重要指標(biāo)。發(fā)光效率的單位是lm/w，它的表達(dá)式是：其中，光源的光通量為，光源的電功率為P。光源所損耗的電能并非完全轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?，?dāng)中有一些能量是以熱能形式而開釋出來的。