浅析led照明的二次光学设计研究

《浅析led照明的二次光学设计研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、浅析LED照明的二次光学设计研宄华路东莞轩朗实业有限公司523281摘要：木文首先介绍了LED的发光原理，再通过一次光学设计及二次光学设计，简单介绍了LED照明的二次光学设计。旨在与同行探讨学习，共同进步。关键词：LED—次光学二次光学设计LED（LightEmittingDiode）为发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。20世纪60年代，人们通过对半导体材料可通电发光的了解，生产出了第一个商用发光二极管。LED是由III-V族化合物，比如：GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化

2、镓）等半导体材料造成的，它的核心是PN结。因此，其具有通常PN结的VI特性，即反向截止、正向导通、击穿特性。除此之外，在一定的条件之下，其还具备着发光的特性。在正向电压的作用之下，空穴由P区注入N区，电子由N区注入P区，进入到对方地域的少数载流子（少子）的一部分跟多数载流子（多子）复合而发光。LED的发光原理如图1所示。图1LED的发光原理PN结的端电压组成了一定的势垒，若给PN结外加个正向偏置电压，PN结的势垒将要减小，N型半导体当中的电子将会将要注入到P型半导体之中，P型半导体当中的空穴将要注入到N型半导体当中，因此

3、出现了非平衡状况。这些注入的空穴和电子在PN结处相逢发生复合，复合时将有余的能量以光能形式开释出来，从而可以观察到PN结发光。这就是PN结发光的机理。同时，当电子和空穴发生复合时，还有一些能量以热能的形式散发出来.PN结对电子和空穴具有不同高度的势垒，这两个势垒均很小，似是空穴的势垒比电子的势垒小得多，并且空穴不停从P区向N区扩散，取得高的注入速率，N区的电子注入P区的速率却比较小。这样N区的电子便跃迁到注入以及价带的空穴复合，而发射出由N型半导体能隙所确定的辐射。由于P区取得的能隙大，光辐射没能够发射到导带，因此N区结

4、区P区导带价带电子注入空穴注入g发光E中心发光不产生光的吸收，因此能够直接透射到LED外，从而减轻了光能的亏损。LED是利用化合物材料制成PN结的光电器件，它所具冇的光学特性主要冇：LED的光谱结构和配光曲线以及发光效率等。在照明光学系统当中，光源的光分布即是光学系统设计选取的关键依据和出发点。在光学设计之中，依照光源的配光曲线能够获得光源的中心光强、半强度发散角等参数，相同能够从配光曲线中预算出光源的总光通量。光源的配光曲线是个极为关键的参数，形状和随封装材料而呈现出不一样的特质。如今，极多LED光源都是朗伯分布的，法

5、向方向的光强度最大，随偏离法向方向的角度的增加而逐渐减小。朗伯光源的配光曲线如图2所示，苏光强分布是呈余弦分布的，即为轴线方向上的光强，为出光方向与轴向的夹角。图2理想朗怕光源的配光曲线图LED可根据发光强度的角分布不同而分为以下三类：(1)高指向性。一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，而且不加散射剂。K半值角为5°〜20°或更小，有很高的指向性，可作局部照明光源用。(2)标准型。通常是作为指示灯来用，其半值角为20°〜45°。(3)散射型。这是视角较大的指示灯，K半值角为45&de

6、g;〜90°或更大，多用于广角照明，添加的散射剂量较大。LED光谱特性对于LED的光谱特质，关键看苏单色性是否优良，还需留心白色、黄、红、绿、蓝等LED的重要颜色是否纯正。由于在极多的场合下，例如：交通信号灯等对颜色要求较严格。部分LED发光并不是单一色的，即不单单有个峰值波长，乃至有多个峰值，并不是单色光。为了描述LED色度特质而引进主波长，主波长即是人眼所能察看到的，由LED发出的关键单色光的波长。比如：主波长只能发出一个峰值波长，而GaP材料能够发出多个，跟着LED长久工作，结温升高，主波长会偏向长波。如图

7、3所示：如图3不同化合物半导体及掺杂制成的LED的光谱响位曲线制备所用化合物半导体种类以及LED的光谱分布、PN结结构及性质相关，而跟器件的封装方式与几何形状无关。图3是几种由不一样的化合物半导体以及掺杂造成的LED的光谱响应曲线。其中曲线1是蓝色InGaN（氮化铟镓）/GaN的LED,发光谱峰=nm465~460p;曲线2是绿色GaPN（氮磷化镓）的LED,发光谱峰=nm550p；曲线3是红色GaPZn-0的LED,发光谱峰=nm700〜680p;曲线4是使用GaAs材料的LED，发光谱峰=nm910?；曲线5是Si光

8、敏二极管，通常是用作光电接收。发光效率（）是指光源所消耗的电功率与光源所发出的光通量之比。发光效率表征了光源的节能特质，是量度LED光源的性能的一个极为重要指标。发光效率的单位是lm/w，它的表达式是：其中，光源的光通量为，光源的电功率为P。光源所损耗的电能并非完全转变为光能，当中有一些能量是以热能形式而开释出来的。