LED如何工作及光學介紹

文章來源:恒光電器

發(fā)布時間:2014-11-05

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 1. LED基礎

1.1 LED工作原理

 

顧名思義，發(fā)光二極管（LED）是一種可以發(fā)出特定波長（顏色）光線的半導體器件。如同其它的半導體芯片, LED的半導體芯片（LED的實際發(fā)光單元）也會以塑料或者陶瓷進行封裝。當然，一個封裝當中可以存在一個，也可以是多個芯片。當LED處于正向?qū)�通（打開）時，電子會與空穴復合，同時以光子的形式釋放能量（如圖1.1.1所示）。這一效應通常被稱作為場致發(fā)光。

 

圖1.1.1 當LED被激發(fā)，電子和空穴復合，同時，行業(yè)資訊，能量以特定波長（顏色）的光子形式釋放

 

LED技術，在照明應用領域里有一個常用的專用名詞，被稱為固態(tài)照明（SSL：solid state lighting）。這是因為區(qū)別于白熾燈的照明原理（發(fā)光是通過熱輻射在可見光譜的部分來實現(xiàn)），固態(tài)照明所指的技術是以固態(tài)的場致發(fā)光來實現(xiàn)。

 

白光LED的工作原理

 

最常見辦法是使用單色LED（多數(shù)為銦鎵砷工藝的藍光LED）配合不同顏色的熒光粉來實現(xiàn)白光，對應的LED被稱作為熒光粉白光LED. 高亮度LED（HB LED）所激發(fā)的藍光一部分通過熒光層轉(zhuǎn)化為黃光，另一部分直接以藍光方式穿過熒光層。最終，藍光和黃光的混合構成了白光。

 

圖1.1.2 a)：常見的基于熒光粉的高亮白光LED的內(nèi)部結構

 

圖1.1.2 b)： 空穴與電子復合產(chǎn)生的藍光光子

 

圖1.1.2 c)：藍光的一部分直接通過熒光粉層，工程照明，另外的部分在通過熒光粉層時被轉(zhuǎn)化為黃光

 

圖1.1.2 d)：藍光和黃光部分混合在一起得到白光

 

 

基于熒光粉的白光LED的光譜分析中，我們可以很清楚的看到LED所直接激發(fā)的藍光部分以及相對較寬光譜分布由熒光粉激發(fā)的黃光部分。

 

圖1.1.3 藍光與黃光混合可以得出白光，酒店led照明，牛頓色散實驗證實了這一現(xiàn)象。
 

2. LED 光學

 

2.1 介紹

 

光學是物理學的一個分支，它研究光的特性和行為，包括光與物體的相互作用、用光儀器和測光儀器的構建。

 

燈具是一種用來改變光源光分布、使光漫射或者改變光譜成分的裝置，實現(xiàn)這一目的需要使用為特定光源設計制造的光學元件（反射器、漫射器、透鏡等）和輔助部件（插座、引線、啟輝器、鎮(zhèn)流器等）。燈具中還包含用來固定和保護光源及線路附件的部分。

 

圖2.1.1：簡化的LED燈具功能組合

 

光學元件

 

光學元件的主要功能是改變光源光通量強度分布和（或）使光漫射、改變其光譜成分。不同幾何結構的光學元件能產(chǎn)生不同的光強分布曲線（LIDC）。

 

使用光學元件的目的:

改變光源光通量的分布，規(guī)束它或者打散它；

減少觀察者能夠感受到的一定角度內(nèi)的亮度–限制眩光；

改變光源發(fā)射的光譜–濾光。

光強分布曲線——LIDC

 

近似點光源在各方向的光強度進行測量，用矢量在以光源為中心的空間中加以標注，再將各個矢量的終點連接，CCC認證，建筑照明，就能得到該平面的光亮度表面（注：這是一個3D表面）。在計算中，通常只需要知道3D表面中幾個特定截面的數(shù)值分布就夠了，3c認證，這些截面通常都是通過光源中心的。這樣，我們就得到了極坐標下的光強分布曲線。

 

圖2.1.2：標準(EN13032-1)光強分布曲線截面體系。

 

LIDC通常顯示在一個通過光源或燈具中心的平面上。最常用的光束面是C-γ（注：意即我們常說的C平面），設計，它的軸線垂直于燈具的主出光面。

 

制作光強分布曲線圖時，光強度值統(tǒng)一按1000lm的光源光通量來表示，這是為了使燈具的光強分布曲線不受所用光源的光通量的影響。照明空間要求使用不同的配光曲線來達到特定應用或視覺作業(yè)的標準（見圖2.1.3和2.1.4）。以下是一些有著不同光學元件的燈具，他們可以適用于各種不同的需求。

 

圖2.1.3：光強分布曲線的基本形狀

 

圖2.1.4：光強分布曲線的基本方向

 

光學元件的效率 —— LOR（Luminaire Output Ratio）

 

公式如下:

光學元件的效率等于燈具光通量和所有光源的總光通量之比。

2. LED 光學

 

2.2 反射器

 

反射器是一種通過反射材料的反射來控制光源光線的光學元件。反射材料分為鏡面反射，漫反射和混合反射材料。

 

反射器主要分為兩種：第一種指四種基礎的幾何圓錐形反射器——橢圓形、帶狀、雙曲線和拋物線型（圖2.2.1）。第二種指非圓錐反射器，LED照明企業(yè)，比如方形或不對稱的，它們的反射表面也是基本幾何圖形。

 

圖2.2.1：反射器的四種基本幾何形狀

 

橢圓形反射器——如果光源被放置在橢圓形反射器的焦點，那光束將會被反射到假想橢圓的另一個焦點。這樣的反射器常應用在中寬光和寬光配光燈具中。

帶狀反射器——這種反射器用圓心在外部的不同圓弧相接而成。這種反射器的優(yōu)點是能精準地將光投射到想要的位置，店鋪照明，但反射器的幾何結構對生產(chǎn)的偏差非常敏感。

雙曲線型反射器——產(chǎn)生中寬配光和寬配光。

拋物線型反射器——產(chǎn)生窄配光。這樣的反射器被應用在相對小的需要高照明水平的區(qū)域。

 

圖2.2.2：LED光源的各種反射器

 

多晶面反射器——反射器包含了大量針對反射器焦點設計的不同旋轉(zhuǎn)角的小表面，這樣可以保證在所需方向上達到更好的光通量分布。

 

 

圖2.2.3：多晶面反射器：可確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燈具內(nèi)反射器遮住的角度。遮光角是水平面和反射器邊緣與光源末端連線的夾角（圖2.2.4）。遮光角的定義如下：

 

h：給定光源發(fā)光表面到反射器出光口水平面的距離

R：反射器出光口的半徑

r：光源半徑

 

圖2.2.4：遮光角

 

圖2.2.5：各種光源的端點位置

圖2.2.5展示了不同光源的發(fā)光表面。例如，透明白熾燈泡的發(fā)光表面是算相對觀察者而言的燈絲另一側(cè)的末端。

2.3 漫射器

 

漫射器使光線通過它時產(chǎn)生散射。漫射光同樣可以通過光在白色表面上的漫反射得到。基于漫射原理，漫射器分為以下幾種：乳白型、高斯型和棱鏡型漫射器。  (如圖2.3.1所示)

圖  2.3.1：基本類型的擴散機制