LED如何工作及光學(xué)介紹
文章來(lái)源:恒光電器
發(fā)布時(shí)間:2014-11-05
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1. LED基礎(chǔ)
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(zhǎng)（顏色）光線的半導(dǎo)體器件。如同其它的半導(dǎo)體芯片, LED的半導(dǎo)體芯片（LED的實(shí)際發(fā)光單元）也會(huì)以塑料或者陶瓷進(jìn)行封裝。當(dāng)然，一個(gè)封裝當(dāng)中可以存在一個(gè)，也可以是多個(gè)芯片。當(dāng)LED處于正向?qū)ǎù蜷_）時(shí)，電子會(huì)與空穴復(fù)合，同時(shí)以光子的形式釋放能量（如圖1.1.1所示）。這一效應(yīng)通常被稱作為場(chǎng)致發(fā)光。
圖1.1.1 當(dāng)LED被激發(fā)，電子和空穴復(fù)合，同時(shí)，行業(yè)資訊，能量以特定波長(zhǎng)（顏色）的光子形式釋放
LED技術(shù)，在照明應(yīng)用領(lǐng)域里有一個(gè)常用的專用名詞，被稱為固態(tài)照明（SSL：solid state lighting）。這是因?yàn)閰^(qū)別于白熾燈的照明原理（發(fā)光是通過(guò)熱輻射在可見光譜的部分來(lái)實(shí)現(xiàn)），固態(tài)照明所指的技術(shù)是以固態(tài)的場(chǎng)致發(fā)光來(lái)實(shí)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(lán)光LED）配合不同顏色的熒光粉來(lái)實(shí)現(xiàn)白光，對(duì)應(yīng)的LED被稱作為熒光粉白光LED. 高亮度LED（HB LED）所激發(fā)的藍(lán)光一部分通過(guò)熒光層轉(zhuǎn)化為黃光，另一部分直接以藍(lán)光方式穿過(guò)熒光層。最終，藍(lán)光和黃光的混合構(gòu)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(jié)構(gòu)
圖1.1.2 b)： 空穴與電子復(fù)合產(chǎn)生的藍(lán)光光子
圖1.1.2 c)：藍(lán)光的一部分直接通過(guò)熒光粉層，工程照明，另外的部分在通過(guò)熒光粉層時(shí)被轉(zhuǎn)化為黃光
圖1.1.2 d)：藍(lán)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(lán)光部分以及相對(duì)較寬光譜分布由熒光粉激發(fā)的黃光部分。
圖1.1.3 藍(lán)光與黃光混合可以得出白光，酒店led照明，牛頓色散實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一現(xiàn)象。
2. LED 光學(xué)
2.1 介紹
光學(xué)是物理學(xué)的一個(gè)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(cè)光儀器的構(gòu)建。
燈具是一種用來(lái)改變光源光分布、使光漫射或者改變光譜成分的裝置，實(shí)現(xiàn)這一目的需要使用為特定光源設(shè)計(jì)制造的光學(xué)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(lái)固定和保護(hù)光源及線路附件的部分。
圖2.1.1：簡(jiǎn)化的LED燈具功能組合
光學(xué)元件
光學(xué)元件的主要功能是改變光源光通量強(qiáng)度分布和（或）使光漫射、改變其光譜成分。不同幾何結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件能產(chǎn)生不同的光強(qiáng)分布曲線（LIDC）。
使用光學(xué)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(qiáng)分布曲線——LIDC
近似點(diǎn)光源在各方向的光強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，用矢量在以光源為中心的空間中加以標(biāo)注，再將各個(gè)矢量的終點(diǎn)連接，CCC認(rèn)證，建筑照明，就能得到該平面的光亮度表面（注：這是一個(gè)3D表面）。在計(jì)算中，通常只需要知道3D表面中幾個(gè)特定截面的數(shù)值分布就夠了，3c認(rèn)證，這些截面通常都是通過(guò)光源中心的。這樣，我們就得到了極坐標(biāo)下的光強(qiáng)分布曲線。
圖2.1.2：標(biāo)準(zhǔn)(EN13032-1)光強(qiáng)分布曲線截面體系。
LIDC通常顯示在一個(gè)通過(guò)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(shuō)的C平面），設(shè)計(jì)，它的軸線垂直于燈具的主出光面。
制作光強(qiáng)分布曲線圖時(shí)，光強(qiáng)度值統(tǒng)一按1000lm的光源光通量來(lái)表示，這是為了使燈具的光強(qiáng)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(lái)達(dá)到特定應(yīng)用或視覺(jué)作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)（見圖2.1.3和2.1.4）。以下是一些有著不同光學(xué)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(qiáng)分布曲線的基本形狀
圖2.1.4：光強(qiáng)分布曲線的基本方向
光學(xué)元件的效率 —— LOR（Luminaire Output Ratio）
公式如下:
光學(xué)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(xué)
2.2 反射器
反射器是一種通過(guò)反射材料的反射來(lái)控制光源光線的光學(xué)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(chǔ)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(duì)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(diǎn)，那光束將會(huì)被反射到假想橢圓的另一個(gè)焦點(diǎn)。這樣的反射器常應(yīng)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(diǎn)是能精準(zhǔn)地將光投射到想要的位置，店鋪照明，但反射器的幾何結(jié)構(gòu)對(duì)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(yīng)用在相對(duì)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(duì)反射器焦點(diǎn)設(shè)計(jì)的不同旋轉(zhuǎn)角的小表面，這樣可以保證在所需方向上達(dá)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(diǎn)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(duì)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(guò)它時(shí)產(chǎn)生散射。漫射光同樣可以通過(guò)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(kuò)散機(jī)制
