基于zemax的led光学性能模拟_本科毕业设计论文(编辑修改稿)

基于zemax的led光学性能模拟_本科毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

比较分散。 可是一些科研院所，如中国科学院物理所和长春光机与物理基于 ZEMAX 的 LED 光学性能模拟 5 所、北京大学、北京有色金属研究院、石家庄十三所等单位也相继开展了这方面的研究工作，目前已取得了可喜的进步，正在缩短与国际先进水平的差距 [8]。 (2) LED 用于照明的发展 对于 LED 应用于照明的研究，国内外也都一直致力于光学结构设计、灯具开发和照明效果与视觉匹配等领域的创新和研究：奥地利的照明设计公 司曾采用了 14000只白光和彩色 LED 的混合照明整个房间，光照水平达到 600~700 勒克斯，足够一普通办公室的照明；瑞典很多城市采用 LED 作交通信号灯，以减少对发热量大的传统交通信号灯的需求；美国 GE 公司、德国 SIEMENS、 OSRAM 公司、日本 NOKIA、SONY 等公司也都致力于 LED 照明产品和照明系统的开发。 而我国也正式启动了“国家半导体照明工程”，已经初步形成了珠江三角洲、长江三角洲、江西及福建、北京及大连等北方地区四大 LED 照明研发区域。 为实现 LED 从光色照明和特殊照明向普通照明的扩展，国家投入了大 量的资金和人力 [9]。 (3) 照明设计方法的发展 传统的照明设计一般是是通过实测进行的，实测法虽然比较准确，但在实验上是一种事后估计，并且只有在灯具曲面制造出来以后才能进行，一旦发现其光学特性不能满足要求，只能重新设计和制造灯具，这不但增加了人力和物力的消耗，而且延长了灯具的设计和制造周期，从而导致企业经济效益下降。 特别是随着光源的种类变得越来越复杂，尤其是诸如 LED 等新兴光源的出现，使得传统的照明设计方法已经滞后。 所以，将合适的照明设计软件和合理的光学设计相结合的 LED 照明设计方法，能更有效的进行 LED 照明设计，从而推动 LED 应用于照明的发展。 合适的照明设计软件使得设计成为一种事前估计，再加上合理的光学设计，使设计人员在照明器制造出以前就可以分析其光学特性是否符合照明标准，同传统的照明设计方法相比，提高了设计的速度、准确性和经济效益。 课题目的和意义 课题研究目的 LED（ LightingEmittingDiode）即发光二极管，是一种半导体固体发光器件。 它是利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体重通过 载流子发生复合放过过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。 LED照明产基于 ZEMAX 的 LED 光学性能模拟 6 品就是利用 LED 作为光源制造出来的照明器具。 由于 LED 灯具的特殊结构，需要对LED 的光学性能进行全面的分析，为利用 LED 制造灯具奠定基础。 因此 用 ZEMAX 软件模拟 LED 光学性能 一方面可以了解 和掌握 LED 的工作原理、光学性能即电学性能， ，另一方面可以锻炼动手能力、查阅资料的能力以及学习 和掌握 ZEMAX 软件。 课题研究的意义 随着行业的继续发展，技术的飞跃突破，应用的大力推广， LED 的光效也在不断提 高，价格不断走低。 新的组合式管芯的出现，也让单个 LED 管 (模块 )的功率不断提高。 通过同业的不断努力研发，新型光学设计的突破，新灯种的开发，产品单一的局面也有望在进一步扭转。 控制软件的改进，也使得 LED 照明使用更加便利。 这些逐步的改变，都体现出了 LED 发光二极管在照明应用的前景广阔。 中国 LED 产业发展超过三十年 ,它已经成为一种朝阳产业 ,已拥有完整的产品、创新能力不断增强 ,市场需求十分强烈。 近年来 ,LED 产业发展步伐的进一步加快 ,不仅促进 LED 业界增加产量 ,而且提高产品技术含量。 其主要表现在以下几个方面：  产业发展初具规模  技术水平相对领先  应用领域广泛  行业的发展正逐步规范 本课题的研究内容 LED的工作原理、光学性能即电学性能。 ZEMAX软件对 LED进行建模，并模拟其光学性能。 基于 ZEMAX 的 LED 光学性能模拟 7 2 LED 基础知识 LED基本机构和发光原理 发光二极管 LED(Light Emitting Diode)是一种将电能转化为光能并具有二极管特性的电子器件。 工作时，外加电源通过两个电极 (正极、负极 )加在 LED上，具有单向导电性，电流的大小由加载电压的大小来控制。 其内部结构存在 P区和 N区， P区和 N区相交的界面形成 PN结，电子在外加电压的作用下向 P— N结运动最终复合发光。 LED器件的制造目的是为了得到光，所以它的结构与普通半导体二极管不一样。 典型的 LED结构如图 2— 1所示，它主要由 LED芯片、反光碗、透明环氧树脂、阴极杆、阳极杆、楔型支架、引脚架等几个部分组成。 图 21 LED结构图 制作半导体发光二极管的材料是重掺杂的，热平衡状态下形成 PN结，扩散和漂移运动相等时，内建电场稳定，此时 N区有很多迁移率很高的电子， P区有较多的迁移率较低的空穴。 由于 PN结阻挡层的限制，在常态下，二者不能发生自然复合，当 PN结加正向电压时，外加电场将削弱内建电场，使空 I39。 BJ电荷区变窄，结区势垒降低，载流子的扩散运动加强。 由于电子迁移率总是远大于空穴的迁移率，因此电子由 N区扩散到 P区是载流子扩散运动的主体。 由半导体的能带理论可知，当导带中的电子与价带中的空穴复合时，电子由高能级跃迁到低能级，电子将多余的能量以 发射光子的形式释放出来，产生电致发光现象。 除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心 (这个中心介于导带、介带中间附近，也就是杂质能级或者缺陷 )捕获，尔后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。 也就是说这些不发光的载流子将可能被杂质能级 (或缺陷 )所捕获，最后以发热的形式消耗掉 [1]。 基于 ZEMAX 的 LED 光学性能模拟 8 图 22 LED发光原理图 LED的分类 目前有很多生产 LED的厂商，对于 LED的分类也没有统一的标准。 一般情况下， LED芯片有按芯片功率大小分类的，也有按波长、颜色分类的，还有按材料的不同进行分类的。 （ 1） 根据 LED的发光颜色进行分类 按照 LED发出的光波波长来分，主要有以下三类：波长在 380nm～ 760nm范围内的可见光、红外波段以及紫外波段。 经常接触到的红外波长包括 940nm， 880nm， 850nm，可将这类 LED做成各种红外接收管和红外发射管。 例如，家用电器的遥控收发系统就是由红外发射管和红外接收管组成的。 短波长的有紫外光，紫外光可用来杀菌消毒，也可用作验钞机的光源。 防伪越好的纸币要用波长越短的紫外光作为光源进行检验。 目前，可以大量供应的是 390nm以上的紫外光 LED；波长短于 390nm的紫外光 LED的使用范围较小，其应用有待开发。 （ 2） 按发光管出光面特征分 类 按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。 圆形灯按直径分为 φ2mm， ， φ5mm， φ8mm， φ10mm及 φ20mm 等。 在国外通常把 φ3mm 的发光二极管记作 T1，把 φ5mm 的记作 T1(3/4)，把 记作 T1(1/4)。 （ 3） 按发光强度角来分 类 从发光强度角分布图来分有三类： 高指向性：一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。 半强度角为 5o~20 o 或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用。 标准型：通常作指示灯用，其半强度角为 20 o~45 o。 基于 ZEMAX 的 LED 光学性能模拟 9 散射型：这是视角较大的指示灯，半强度角为 45o~90 o 或更大，散射剂的量较大。 （ 4） 按发光二极管的结构分 按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。 （ 5） 按发光强度分 类 按发光强度分有普通亮度的 LED(发光强度 ﹤ 10mcd)，超高亮度的 LED(发光强 度﹥ 100mcd)，发光强度在 10~100mcd 间的叫高亮度发光二极管 [17]。 LED优点与不足 发光二极管是一种极有竞争力的新型节能光源，有逐渐取代传统照明光源的趋势。 它之所以能得到业内人士的普遍关注，在指示、照明领域具有如此大的发展潜力，是因为同传统光源相比，它具有很多优点： （ 1） 节能：同等光效的 LED 比白炽灯节能 80%以上，比节能灯节能 50%以上，相对于高压钠灯可节电 80%左右。 （ 2）显色性好，光源自然，色彩鲜艳纯正： 白光 LED 显色指数可达 7580，接近太阳光，可以达到比较满意的照明效果。 而高压钠灯的显色指数只有 23 左右。 荧光灯为 6070。 （ 3） 功率高：目前 LED 发光效率己突破 120Lm/w，是白炽灯 15m/w 的 8 倍，是荧光灯 50 Lm/w 的 2 倍多，高压钠灯的光效在 100200 Lm/w 之间，但高压钠灯的光效是随功率增加才所增加，是耗能大户。 （ 4）光色可选择： LED 光源的发光颜色和色温都可以灵活选择。 （ 5） 方向性好： LED 发光角度可以灵活调整，可以很方便地控制灯具的出光角度，投光距离等，能够更加有效地利用光源。 （ 6） 环保：没有目前节能灯所含的汞等有害物质。 光线品质高，无紫外线和红外线，故没有热量，没有辐射， LED 光源为冷光源。 （ 7） 寿命长： LED光源使用寿命可达 50000100000H，比传统光源寿命长 10倍以上。 （ 8） 响应速度快：汽车信号灯是 LED光源应用的一个重要领域，汽车信号灯的快速反应对于减少交通事故有重要意义。 应用灵活：可在红、绿、蓝三基色基础上变化出各种颜色，可根据需要组合成各种形态和图案 [1]。 但是由于现在技术的不足， LED在生产、加工、设计等方面还存在这一些问题。 基于 ZEMAX 的 LED 光学性能模拟 10 目前虽然在 LED照明应用中仍然面临着一些急需解决的问题。 但 随着 LED技术的进一步发展 ， 克服解决这些问题并不是十分遥远的事。 LED将会在路灯照明，建筑景观照明，室内装饰照明，太阳能 LED照明，汽车照明等领域取得更多更好的发展。 它表现出的一些问题有： （ 1） 散热问题。 LED 在电致光的过程中另外一部分能量转化成热量，尤其是 LED为点状发光光源，其所产生的热量也集中在极小的区域，若产生的热量无法及时散发出去， PN 结的结温将会升高，加速芯片和封装树脂的老化，还可能导致焊点融化，使芯片失效，进而影响 LED 的使用寿命与发光表现，尤其是大功率 LED，其发热量更大，对散热技术要求更高。 可以说散热问题直接关系到 LED 的发展前景，因此要提升LED 产品的散热能力。 （ 2） 光衰问题。 一旦 LED 发光亮度降到原来亮度的 30%以下，就可以认为其己不可用。 引起光哀的原因有： ① 温度过高引起， LED 的工作温度基本控制在 65 度以下。 当 LED 工作温度达到 85度时，光通量将下降一半。 超过 90 度时有烧毁的危险；② LED 芯片本身的光减和荧光粉引起的光衰； ③ 生产工艺存在缺陷， LED 芯片散热不能良好的从 P/N 脚导出，导致 LED芯片温度过高使芯片衰减加剧。 ④ 封装中绝缘胶水引起的光衰， LED 高温会引起绝缘胶和荧光胶水的性能降低，从而影响灯具输出的光通量。 ⑤ 设计使用条件问题引起的光衰。 LED 为恒流驱动，有部分 LED 采用电压驱动原因使 LED 光衰加快或 驱动电流大于额定驱动条件致使 LED 光衰加快。 其实导致 LED产品光衰的原因很多，最关键的还是散热的问题。 （ 3） 光色问题。 由于 LED 特殊结构导致的光特性不像白炽灯和荧光灯那样，存在白光 LED 光色的不均匀性问题。 而且 LED所发出的光比较眩目，容易引起眩光。 （ 4） 价格过高。 当前同等照度的 LED灯具价格仍然是传统灯具价格的 4倍左右，这对 LED的推广和普及仍然是一个较大的障碍 [8]。 白光 LED 1998年基于蓝光 LED芯片的白光 LED被成功开发，这一创新开创了 LED照明的新纪元，使得 LED照明真正地开始普及和实用化，成为照明史上的巨大进步。 白光 LED作为照明用途，有着众多的优点： （ 1） 与白炽灯相比，是一种冷光源，辐射波长主要集中在可见光波段，产生热量较少，同时也消除了非可见光电磁波对人体的危害；与含有较多线状光谱的荧光灯光谱相比，白光 LED的连续光谱更加接近于自然光。 基于 ZEMAX 的 LED 光学性能模拟 11 （ 2） 节能： LED相对于传统光源，有着非常高的发光效率，因此能耗较小，仅为白炽灯的八分之一，荧光灯的二分之一。 目前同常使用的白光 LED的发光效率达到 501m／ W，超过了普通白炽灯的水平。 如果按现在的 LED技术发展速度预测，到了 2020年，白光 LED的发光效率有望达到 150～ 200lm／ w，远远超过了现在所有照明光源的发 光效率。 （ 3） 结构牢固： LED是用环氧树脂封装的固态光源，其结构中没有玻璃泡、灯丝等易损坏的部件，因此能够经受得住震动、冲击而不致引起损坏。 （ 4） 寿命长：普通白炽灯的寿命约为 1000个小时，荧光灯、金属卤化物灯的寿命不会超过一万个小时，而目前 LED的使用寿命可达到数万个小时。 （ 5）。