LED如何工作及光學介紹

文章來源:恒光電器

發布時間:2014-11-05

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 1. LED基礎

1.1 LED工作原理

 

顧名思義，發光二極管（LED）是一種可以發出特定波長（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處于正向導通（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光。

 

圖1.1.1 當LED被激發，電子和空穴復合，同時，行業資訊，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，被稱為固態照明（SSL：solid state lighting）。這是因為區別于白熾燈的照明原理（發光是通過熱輻射在可見光譜的部分來實現），固態照明所指的技術是以固態的場致發光來實現。

 

白光LED的工作原理

 

最常見辦法是使用單色LED（多數為銦鎵砷工藝的藍光LED）配合不同顏色的熒光粉來實現白光，對應的LED被稱作為熒光粉白光LED. 高亮度LED（HB LED）所激發的藍光一部分通過熒光層轉化為黃光，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的內部結構

 

圖1.1.2 b)： 空穴與電子復合產生的藍光光子

 

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所直接激發的藍光部分以及相對較寬光譜分布由熒光粉激發的黃光部分。

 

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，規束它或者打散它；

減少觀察者能夠感受到的一定角度內的亮度–限制眩光；

改變光源發射的光譜–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，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的偏差非常敏感。

雙曲線型反射器——產生中寬配光和寬配光。

拋物線型反射器——產生窄配光。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光表面。例如，透明白熾燈泡的發光表面是算相對觀察者而言的燈絲另一側的末端。

2.3 漫射器

 

漫射器使光線通過它時產生散射。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