關(guān)于led光學(xué)性能的研究概述

1、<p>　　關(guān)于LED光學(xué)性能的研究概述</p><p>　　摘要：發(fā)光二極管 (LED)由于具有工作電壓低、功耗低、色彩豐富、價(jià)格低以及對(duì)環(huán)境污染少等優(yōu)點(diǎn), 受到廣泛的歡迎。本文對(duì)LED的光學(xué)性能及發(fā)光原理做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：LED 光學(xué)特性光譜特性 </p><p>　　中圖分類號(hào)：O43文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A </p&g

2、t;<p>　　LED的內(nèi)在特征決定了它是最理想的光源去代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光源，它有著廣泛的用途。其所具有的耗電量小、壽命長(zhǎng)、體積小、無(wú)污染、易集成化等特點(diǎn)，使之在全球能源緊缺的今天，有著廣泛的應(yīng)用和良好的發(fā)展前景。 </p><p><b>　　LED 光源特征 </b></p><p>　?。?）發(fā)光效率高。LED 經(jīng)過幾十年的技術(shù)改進(jìn)，其發(fā)光效率有了很大的

3、提升，白熾燈的光效率為12～24 lm/W，熒光燈為50～70 lm/W，而LED 的光效率可達(dá)120 lm/W。LED 燈具技術(shù)飛速發(fā)展，它的發(fā)光效率正在取得驚人的突破，價(jià)格也在不斷降低。一個(gè)白光LED 燈具進(jìn)入家庭的時(shí)代正在向我們走來[1]。 </p><p>　?。?）耗電量少。LED 的電能利用率高達(dá)80%，由于LED 是冷光源，與目前普遍使用的白熾燈、熒光燈相比，節(jié)電效率非常明顯：同樣的亮度，白光LED

4、 的能耗為白熾燈的1 /10，節(jié)能燈的1 /4。 </p><p>　?。?）使用壽命長(zhǎng)。LED 是半導(dǎo)體元件，與白熾燈不同，它沒有玻璃、鎢絲等易損部件，故障率極低。LED 燈具的使用壽命可達(dá)100 000 h 以上，為一般光源的幾倍甚至幾十倍，對(duì)普通家庭照明可謂“一勞永逸”。 </p><p>　?。?） 安全性好。LED 照明屬于綠色照明光源，發(fā)熱量低，屬于冷光，可以安全觸摸，光色柔和

5、，無(wú)眩光，不含汞等危害健康的元素。LED 采用直流低壓供電，安全可靠。LED 是固體發(fā)光光源，抗震性能好，牢固可靠綠色環(huán)保，可以工作在高速狀態(tài)下。LED 不受啟動(dòng)溫度限制，可暫態(tài)啟動(dòng)，而且暫態(tài)能達(dá)到全光通量輸出。 </p><p>　?。?）色彩豐富。LED 燈發(fā)出的光純度高，色彩鮮艷豐富。目前LED 產(chǎn)品幾乎覆蓋了整個(gè)可見光譜范圍，且色彩純度高，動(dòng)態(tài)的色彩可控制，明暗可調(diào)，三原色的LED 組合可采用PWM 控制

6、實(shí)現(xiàn)顏色的變化。 </p><p>　　2、LED 發(fā)光原理 </p><p>　　50年前人們已經(jīng)了解半導(dǎo)體材料可產(chǎn)生光線的基本知識(shí)，第一個(gè)商用二極管產(chǎn)生于1960年。LED是英文light emitting diode（發(fā)光二極管）的縮寫，它的基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料，置于一個(gè)有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護(hù)內(nèi)部芯線的作用，所以LED的抗震性能好。 LED結(jié)構(gòu)

7、圖如圖1所示[2]。發(fā)光二極管的核心部分是由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成的晶片，在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間有一個(gè)過渡層，稱為p-n結(jié)。在某些半導(dǎo)體材料的PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)會(huì)把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱LED。當(dāng)它處于正向工作狀態(tài)時(shí)（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽(yáng)極流向陰極時(shí)

8、，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強(qiáng)弱與電流有關(guān)。這就是LED發(fā)光的原理。 </p><p>　　圖1LED結(jié)構(gòu)圖 圖2LED光譜分布圖 </p><p>　　3、 LED 光譜特性 </p><p>　　LED的光譜特性參數(shù)主要包括峰值發(fā)射波長(zhǎng)、光譜輻射帶寬和光譜功率分布等[3]。LED 的光譜特性決定了其單色性的優(yōu)劣和其主顏色的純度，LED 所發(fā)

9、出的光并不是單一波長(zhǎng)，其光譜分布如圖2所示。 </p><p>　　LED 所使用的材料種類及其結(jié)構(gòu)等因素決定了光譜分布的對(duì)稱性與否。盡管不同 LED 曲線的波長(zhǎng)范圍和形狀不同，但都有一個(gè)相對(duì)發(fā)光強(qiáng)度的峰值，與該峰值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱為峰值波長(zhǎng)。峰值波長(zhǎng)并不是只有一個(gè)，只有單色光才有峰值波長(zhǎng)，對(duì)于有些 LED，它所發(fā)出的光并不是單一顏色，所以，引入主波長(zhǎng)的概念。，即使有多個(gè)峰值波長(zhǎng)的光，主波長(zhǎng)只有一個(gè)，它是指 LED

10、發(fā)出的主要單色光中能被人眼觀察到的波長(zhǎng)。 </p><p>　　LED 單色光發(fā)射的光譜是典型的線光譜，其峰值波長(zhǎng)取決于所用發(fā)光材料的禁帶寬度，用公式可以表示為： </p><p>　　式中：λp為峰值波長(zhǎng)，單位為納米（nm）；Eg為禁帶寬度，單位為電子伏( eV) </p><p>　　在 LED 譜線峰值兩側(cè)，存在發(fā)光強(qiáng)度等于峰值一半的兩個(gè)點(diǎn)（如圖2中 A點(diǎn)和

11、B 點(diǎn)），這兩個(gè)點(diǎn)之間的寬度叫做光譜半寬度，亦稱譜線寬度或半高寬度。用 表示，單位為。對(duì)于一個(gè) LED 器件，其光譜半寬度通常為 10-30，半寬度越小，說明 LED 器件的材料越純，性能越均勻，晶體的完整性也越好。 </p><p>　　4、LED 的配光特性 </p><p>　　光強(qiáng)是衡量 LED 性能優(yōu)劣的另一個(gè)重要參數(shù)，配光是指光源在空間各個(gè)方向的光強(qiáng)分布情況，是 LED 光源特

12、性的反映。根據(jù)封裝結(jié)構(gòu)的不同，LED 具有不同的配光特性，圖3 為常用功率型 LED 的配光分布曲線[4]。 </p><p>　　實(shí)際照明設(shè)計(jì)時(shí)，需要針對(duì)指定光源的配光特性，進(jìn)行相應(yīng)透鏡的配光設(shè)計(jì)。LED 的發(fā)光分布大致有蝠翼型、朗伯型、側(cè)發(fā)光型和準(zhǔn)直型四種類型，由圖3可以看出。其中，絕大多數(shù)的 LED 光源具有類朗伯型的發(fā)光特性，即擴(kuò)展光源的亮度不隨角度的變化而變化。根據(jù)亮度的定義，即單位面積的光源表面在法線

13、方向的單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量，用公式表示為： </p><p>　　而光源的發(fā)光強(qiáng)度表示為單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量，即 ，所以有光源的發(fā)光強(qiáng)度，對(duì)于類朗伯型的 LED 光源，其配光曲線可表示為： </p><p>　　其中，為光源發(fā)光方向與芯片平面法線間的夾角，為法線方向的強(qiáng)度值。m值一般由 LED 生產(chǎn)商提供，由角度值決定，即處于該角度的 LED 照度值為該 LED 最大照度值的一半。

14、 </p><p>　　(a)蝠翼型分布 (b)朗伯型分布 (c)側(cè)發(fā)光型分布 (d)準(zhǔn)直型光分布 </p><p>　　圖3常用 LED 的光強(qiáng)分布曲線 </p><p><b>　　5、結(jié)語(yǔ) </b></p><p>　　LED體積小、重量輕、耗電低。在合適的電流和電壓下，其使用壽命可達(dá)10w小時(shí)，同時(shí)它的熱輻射也比

15、HID或白熾燈少，另外它的可控性強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)各種顏色的變化。作為新型高效固體光源，LED已顯示出作為照明光源的巨大潛力，將成為人類照明史上繼白熾燈、熒光燈之后的又一飛躍，引發(fā)第三次照明革命，必將在不遠(yuǎn)的將來走入千家萬(wàn)戶，全面取代傳統(tǒng)照明。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)： </b></p><p>　　[1] http://wenku.baidu.com/vi

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