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精品论文 参考文献 浅析LED照明的二次光学设计研究 华路 　　东莞轩朗实业有限公司 523281 　　摘要：本文首先介绍了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一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，但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，它所具有的光学特性主要有：LED的光??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，其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理想朗伯光源的配光曲线图 　　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。其半值角为5deg;～20deg;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20deg;～45deg;。 　　（3）散射型。这是视角较大的指示灯，其半值角为45deg;～90deg;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，关键看其单色性是否优良，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的光谱响应曲线 　　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-O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