LED如何工作及光学介绍

1. LED基础

1.1 LED工作原理?

顾名思义，发光二极管（LED）是一种可以发出特定波长（颜色）光线的半导体器件。如同其它的半导体芯片, LED的半导体芯片（LED的实际发光单元）也会以塑料或者陶瓷进行封装。当然，一个封装当中可以存在一个，也可以是多个芯片。当LED处于正向导通（打开）时，电子会与空穴复合，同时以光子的形式释放能量（如图1.1.1所示）。这一效应通常被称作为场致发光。

 

图1.1.1 当LED被激发，电子和空穴复合，同时，能量以特定波长（颜色）的光子形式释放

 

LED技术，在照明应用领域里有一个常用的专用名词，被称为固态照明（SSL：solid state lighting）。这是因为区别于白炽灯的照明原理（发光是通过热辐射在可见光谱的部分来实现），固态照明所指的技术是以固态的场致发光来实现。

 

白光LED的工作原理

 

最常见办法是使用单色LED（多数为铟镓砷工艺的蓝光LED）配合不同颜色的荧光粉来实现白光，对应的LED被称作为荧光粉白光LED. 高亮度LED（HB LED）所激发的蓝光一部分通过荧光层转化为黄光，另一部分直接以蓝光方式穿过荧光层。最终，蓝光和黄光的混合构成了白光。

 

图1.1.2 a)：常见的基于荧光粉的高亮白光LED的内部结构

 

图1.1.2 b)： 空穴与电子复合产生的蓝光光子

 

图1.1.2 c)：蓝光的一部分直接通过荧光粉层，另外的部分在通过荧光粉层时被转化为黄光

 

图1.1.2 d)：蓝光和黄光部分混合在一起得到白光

 

 

基于荧光粉的白光LED的光谱分析中，我们可以很清楚的看到LED所直接激发的蓝光部分以及相对较宽光谱分布由荧光粉激发的黄光部分。

 

图1.1.3 蓝光与黄光混合可以得出白光，牛顿色散实验证实了这一现象。
 

2. LED 光学

 

2.1 介绍

 

光学是物理学的一个分支，它研究光的特性和行为，包括光与物体的相互作用、用光仪器和测光仪器的构建。

 

灯具是一种用来改变光源光分布、使光漫射或者改变光谱成分的装置，实现这一目的需要使用为特定光源设计制造的光学元件（反射器、漫射器、透镜等）和辅助部件（插座、引线、启辉器、镇流器等）。灯具中还包含用来固定和保护光源及线路附件的部分。

 

图2.1.1：简化的LED灯具功能组合

 

光学元件

 

光学元件的主要功能是改变光源光通量强度分布和（或）使光漫射、改变其光谱成分。不同几何结构的光学元件能产生不同的光强分布曲线（LIDC）。

 

使用光学元件的目的:

改变光源光通量的分布，规束它或者打散它；减少观察者能够感受到的一定角度内的亮度–限制眩光；改变光源发射的光谱–滤光。光强分布曲线——LIDC

 

近似点光源在各方向的光强度进行测量，用矢量在以光源为中心的空间中加以标注，再将各个矢量的终点连接，就能得到该平面的光亮度表面（注：这是一个3D表面）。在计算中，通常只需要知道3D表面中几个特定截面的数值分布就够了，这些截面通常都是通过光源中心的。这样，我们就得到了极坐标下的光强分布曲线。

 

图2.1.2：标准(EN13032-1)光强分布曲线截面体系。

 

LIDC通常显示在一个通过光源或灯具中心的平面上。最常用的光束面是C-γ（注：意即我们常说的C平面），它的轴线垂直于灯具的主出光面。

 

制作光强分布曲线图时，光强度值统一按1000lm的光源光通量来表示，这是为了使灯具的光强分布曲线不受所用光源的光通量的影响。照明空间要求使用不同的配光曲线来达到特定应用或视觉作业的标准（见图2.1.3和2.1.4）。以下是一些有着不同光学元件的灯具，他们可以适用于各种不同的需求。

 

图2.1.3：光强分布曲线的基本形状

 

图2.1.4：光强分布曲线的基本方向

 

光学元件的效率 —— LOR（Luminaire Output Ratio）

 

公式如下:

光学元件的效率等于灯具光通量和所有光源的总光通量之比。

 

2.2 反射器

 

反射器是一种通过反射材料的反射来控制光源光线的光学元件。反射材料分为镜面反射，漫反射和混合反射材料。

 

反射器主要分为两种：第一种指四种基础的几何圆锥形反射器——椭圆形、带状、双曲线和抛物线型（图2.2.1）。第二种指非圆锥反射器，比如方形或不对称的，它们的反射表面也是基本几何图形。

 

图2.2.1：反射器的四种基本几何形状

 

椭圆形反射器——如果光源被放置在椭圆形反射器的焦点，那光束将会被反射到假想椭圆的另一个焦点。这样的反射器常应用在中宽光和宽光配光灯具中。

带状反射器——这种反射器用圆心在外部的不同圆弧相接而成。这种反射器的优点是能精准地将光投射到想要的位置，但反射器的几何结构对生产的偏差非常敏感。

双曲线型反射器——产生中宽配光和宽配光。

抛物线型反射器——产生窄配光。这样的反射器被应用在相对小的需要高照明水平的区域。

 

图2.2.2：LED光源的各种反射器

 

多晶面反射器——反射器包含了大量针对反射器焦点设计的不同旋转角的小表面，这样可以保证在所需方向上达到更好的光通量分布。

 

 

图2.2.3：多晶面反射器：可确保在所需方向更好的光通量分布

反射器遮光角

 

遮光角指示了光源被灯具内反射器遮住的角度。遮光角是水平面和反射器边缘与光源末端连线的夹角（图2.2.4）。遮光角的定义如下：

 

h：给定光源发光表面到反射器出光口水平面的距离

R：反射器出光口的半径

r：光源半径

 

图2.2.4：遮光角

 

图2.2.5：各种光源的端点位置

图2.2.5展示了不同光源的发光表面。例如，透明白炽灯泡的发光表面是算相对观察者而言的灯丝另一侧的末端。

2.3 漫射器

 

漫射器使光线通过它时产生散射。漫射光同样可以通过光在白色表面上的漫反射得到。基于漫射原理，漫射器分为以下几种：乳白型、高斯型和棱镜型漫射器。  (如图2.3.1所示)

图  2.3.1：基本类型的扩散机制

 

具有均匀分散穿透特性（乳白型）的漫射器可以将来自光源的光均匀漫射到各个方向却不显现光源的形状。混合穿透特性（高斯型或棱镜型）的漫射器将光通量分布改变至特定的方向，不仅不显现光源的形状，还可以重塑光强分布曲线。

 

乳白型漫射器——乳白型漫射器—将光通过含有均匀分布的散射颗粒的普通漫射材料，产生余弦光强分布曲线.

 

高斯型漫射器——产生高斯型光强分布曲线。光透过像喷砂面一样的精细结构表面后，被散射到不同的方向。

图2.3.2：乳白型漫射器与高斯型漫射器的比较

 

棱镜型漫射器——由微棱镜漫射器组合而成，从根本上说它们都是折射透镜。根据折射定律，可以利用像棱锥形、六边形、球拱形和三角锥型这样的几何构造，来创造所需的光强分布曲线。它们通常用于要求高的照明质量指标的灯具中（UGR-统一眩光值；Lavg  灯具的平均亮度）.

 

以下是最常用的微棱镜漫射器示例：

＃直线115°棱镜＃

 

＃直线90°棱镜＃

＃特殊形状的微棱镜＃

 

＃方锥棱镜＃

 

＃三角锥棱镜＃

2.4 透镜

 

透镜是一种具备精确或近似轴向对称特性的光学器件，它可以使光线穿透和折射，从而会聚或者发散光束。

 

图2.4.1：两种基本类型的透镜——凸（会聚）透镜

 

图2.4.1：两种基本类型的透镜——凹（发散）透镜

 

一个单透镜包含一个光学元件。一个复合透镜包含一列同轴的单透镜。使用多透镜组合可以比使用单透镜减少更多的像差。透镜多为玻璃或透明塑料制成。

 

图2.4.2：LED光源使用的不同类型的透镜

 

2.5 光学元件材料

 

不同的光学元件需要不同的光学材料。反射器多采用不同表面处理的铝和粉末喷涂的金属板材。而透明聚碳酸酯（PC）、聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）被用于微棱镜型漫射器和透镜。.

 

反射光学材料——使用不同特性的材料来满足不同种类的反射。以下是三种基本的反射类型：镜面反射、漫反射和混合反射。不同种类反射之间的区别在于镜面反射和漫反射之间的比例。

 

图2.5.1：不同类型材料的反射

 

铝——因为铝有优秀的反射比，它是高质量反射器中最常用的材料。阳极化处理铝、抛光铝和覆盖多层银的铝片也被用于达到更高的反射率和抗划痕。

 

经过表面处理的钢板——钢板通过白色粉末喷涂成不同的形状和结构之后，可以达到所需的反射效果。如果要求达到高效率的朗伯体反射，一种特殊材料（WHITE OPTIC 97）可以应用在钢板上。

 

折射光学材料：

PC——可塑性强，可热塑成型。它的折射率等于1.584。

PMMA——波长为2.8至25微米的红外光可透，波长短于300nm的紫外辐射不可穿透。反射率为1.49。

 光学人生