下载文档原格式
光学基础知识及LED基本理论第一部分LED基本理论知识（一）LED发光原理发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。
因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。
此外，在一定条件下，它还具有发光特性。
在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。
进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图1所示。
图1假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。
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）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。
发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。
由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。
理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Ｅg有关，即λ≈1240/Eg（mm）式中Eg的单位为电子伏特（eV）。
若能产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV之间。
比红光波长长的光为红外光。
现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管，但其中蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍。
（二）LED的特性1．极限参数的意义（1）允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。
超过此值，LED发热、损坏。
（2）最大正向直流电流IFm：允许加的最大的正向直流电流。
超过此值可损坏二极管。
（3）最大反向电压VRm：所允许加的最大反向电压。
超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。
（4）工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。
低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。
2．电参数的意义（1）光谱分布和峰值波长：某一个发光二极管所发之光并非单一波长，其波长大体按图2所示。
灯具技术基础知识内部技术手册（培训教材）目录一、术语glossary二、世界各国电压概况voltage三、常用光源lamp-house四、灯头lampholder五、镇流器ballast六、灯具分类class七、灯具标志marking本培训资料如有同标准不符之处，一切以标准为准。
版本：2018-1-12（初稿）编写：叶晓军一、术语glossary1、灯具：凡是能够分配、透出或转变一个或多个光源发出的光线的一种器具、并包括支承、固定和保护光源必需的部件、但不包括光源本身，以及必需的电路辅助装置和将它们与电源连接的设备。
2、普通灯具：对带电部分提供保护，但没有特殊的防尘防固体异物和防水等级的灯具。
3、可移动式灯具：正常使用时，灯具连接电源后能从一处移到另一处的灯具。
4、固定式灯具：不能很方便的从一处移到另一处的灯具，即这种灯具只能借助于工具才能移动。
5、嵌入式灯具：制造商指定完全或部分嵌入安装表面的灯具。
6、眩光：在一个照明环境中，当某光源或物体的亮度比眼睛已适应的亮度大得多时，人就会有眩目或耀眼的感觉，此种现象称为眩光。
眩光会造成不舒适或（和）可见度下降。
前者称为不舒适眩光，后者称为失能眩光。
直接眩光是由观察者视场中的明亮和发光体（如光源发出的光或灯具输出的光）引起的，而观察者在光泽的表面中看到发光体的像（如建筑物大厅光滑的大理石地面反射的强烈灯影）时，则会产生间接眩光。
轻微的眩光使人心神烦乱，严重的眩光则使人深感不舒适。
所以在各种环境照明中，必须考虑如何避免眩光的产生。
7、灯具效率：灯具输出的总光通量与灯具内所有光源发射出的总光通量之比，一般用百分数表示。
8、灯具的配光或光强分布：用曲线或表格表示灯具在空间各方向的光输出强度分布值称为灯具的配光曲线或光分布曲线，它是表征灯具的重要特性参数。
9、平均照度：规定照明表面上的照度平均值。
10、光通量单位：流明（lm）：光源在单位时间内发出的光量总和称为光源的光通量。
光学基础知识及LED基本理论第一部分LED基本理论知识（一）LED发光原理发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。
因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。
此外，在一定条件下，它还具有发光特性。
在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。
进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图1所示。
图1假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。
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）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。
发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。
由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。
理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Ｅg有关，即λ≈1240/Eg（mm）式中Eg的单位为电子伏特（eV）。
若能产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV之间。
比红光波长长的光为红外光。
现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管，但其中蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍。
（二）LED的特性1．极限参数的意义（1）允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。
超过此值，LED发热、损坏。
（2）最大正向直流电流IFm：允许加的最大的正向直流电流。
超过此值可损坏二极管。
（3）最大反向电压VRm：所允许加的最大反向电压。
超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。
（4）工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。
低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。
2．电参数的意义（1）光谱分布和峰值波长：某一个发光二极管所发之光并非单一波长，其波长大体按图2所示。
LED灯-光学基本知识1光（light ）光的本质是电磁波, 是整个电磁波谱中极小范围的一部分光是能量的一种形态；光是电磁波辐射到人的眼睛，经视觉神经转换为光线，即能被肉眼看见的那部份光谱。
这类射线的波长范围在380 到760nm 之间，仅仅是电磁辐射光谱非常小的一部份。
温度远远高于50Hz 工作时的温度，从而产生更高色温的白色色表和更好的显色性。
2、光通量（光束）Φ光源发射并被人的眼睛接收的能量之和为光通量。
一般情况下，同类型的灯的功率越高，光通量也越大。
例如：一只40W 的普通白炽灯的光通量为350---470lm，而一只40W 的普通直管形荧光灯的光通量为2800lm 左右，为白炽灯的6--8 倍。
3、照度(illuminance)单位被照面上接收到的光通量称为照度。
如果每平方米被照面上接收到的光通量为 1 （lm），则照度为1（Lux）。
单位：勒克斯（Lux）。
勒克斯（lux）相当于被照面上光通量为 1 流明（lm）时的照度。
夏季阳光强烈的中午地面照度约5000 lux ，冬天晴天时地面照度约为2000 lux ，晴朗的月夜地面照度约0.2 lux 。
4、亮度（luminance ）光源在某一方向上的亮度是光源在该方向上的单位投影面积、单位立体角中发射的光通量。
如果我们把每一物体都视为光源的话，那么亮度就是描述光源光亮的程度，而照度正好是把每一物体都作为被照物体，用一块木板来举例说明，当一定光束照到木板时我们讲木板有多少照度，然后木板将多少光束反射到人眼，就称为木板的多少亮度，那么有如下式子：亮度等于照度乘以反射率。
在同一房间同一位置一块白布和一块黑布的照度是相同的，而亮度是不同的。
5、光效（luminous efficacy of light source ）光源所发出的总光通量与该光源所消耗的电功率（瓦）的比值，称为该光源的光效。
单位：流明/ 瓦（lm/W发光效率只表示光源的效率，与将光源安装到照明器具上后器具的整体效率（综合效率）是不同的概念。
功率因素(Power Factor)功率因素是实际消耗的功率与电力供给容量之比值.所以功率因素越高,电力在传输过程中即可减少无谓的损失并提高电力的利用率色温：色温：光源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光色相同时，黑体的温度称为该光源的色温。
因为大部分光源所发出的光皆通称为白光，故光源的色表温度或相关色温度即用以指称其光色相对白的程度，以量化光源的光色表现。
根据Max Planck的理论，将一具完全吸收与放射能力的标准黑体加热，温度逐渐升高光度亦随之改变；CIE色座标上的黑体曲线（Black body locus）显示黑体由红——橙红——黄——黄白——白——蓝白的过程。
黑体加温到出现与光源相同或接近光色时的温度，定义为该光源的相关色温度，称色温，以绝对温K （Kelvin，或称开氏温度）为单位（K=℃+273.15）。
因此，黑体加热至呈红色时温度约527℃即800K，其他温度影响光色变化。
光色愈偏蓝，色温愈高；偏红则色温愈低。
一天当中画光的光色亦随时间变化：日出后40分钟光色较黄，色温3,000K；正午阳光雪白，上升至4,800-5,800K，阴天正午时分则约6,500K；日落前光色偏红，色温又降至纸2,200K。
其他光源的相关色温度。
因相关色温度事实上是以黑体辐射接近光源光色时，对该光源光色表现的评价值，并非一种精确的颜色对比，故具相同色温值的二光源，可能在光色外观上仍有些许差异。
仅冯色温无法了解光源对物体的显色能力，或在该光源下物体颜色的再现如何。
不同光源环境的相关色温度一些常见的例子：1700 K: 火柴光1850 K: 蜡烛2800 K: 钨灯(白炽灯)3350 K: 演播室"CP"灯3400 K: 演播室台灯, 照相泛光灯（不是闪光灯）, 等...4100 K: 月光5000 K: 日光5500 K: 平均日光, 电子闪光(因厂商而异)5770 K: 有效太阳温度6420 K: 氙弧灯6500 K: 日光9300 K: 电视屏幕（模拟）5000K和6500K的黑体的颜色分别接近于普通D50和D65的发光物，这通常用于颜色再现的场合（摄影、出版，等等）。
灯泡的功率(20或100瓦)似乎能够改变其色彩，但其实只会改变它的光度，而我们的眼睛对这个非常敏感，颜色看起来就不同了。
对于基于黑体的光线，蓝色比红色更“热”，红色其实是更“冷”的颜色。
这跟我们传统的认知不一样，大家都把蓝色跟“冷色”联系在一起，红色跟“暖色”联系在一起。
这种传统概念其实是从其他方面演化来的，比较凉的水、冰看起来是蓝色，火、加热的金属的色调是偏红。
相反的是，这恰恰证明了红色是所有可见光中最“冷”的颜色——红色是随着金属温度升高放射出来的第一个颜色。
观察一下普通白炽灯泡，白炽灯发出的橘色光贯穿了它们的一生，白炽灯泡灯丝熔断的一刹那，发出的光线显而易见的有些偏蓝——熔断的一刹那间，灯丝比以往热得多，灯泡玻璃上的焦痕就是个证据。
在非正式场合，"色温" 也可以代表“白平衡”。
请注意，色温只涉及一个变量（以热力学温标K 做单位），而白平衡同时牵涉到两个（红色值、蓝色值）。
在摄影术领域中，另一种表现色温的数量叫做mired（迈尔德，逆标色温，用色温的倒数来标志温度的单位）。
就很简单的一套公式就能在色温和mired之间换算。
（关于换算的公式，以及采用mired的原因，请参照mired条目）光色的应用照度：照度：单位勒克斯对同一个光源来说，光源离光照面越远，光照面上的照度越小；光源离光照面越近，光照面上的照度越大。
光源与光照面距离一定的条件下，垂直照射与斜射比较，垂直照射的照度大；光线越倾斜，照度越小。
亮度：单位尼特亮度在物理学上是一个较复杂的概念，它的定义是指(被照物体)单位面积上的发光强度，其度量单位是“尼特”。
就是说，光源照在物体上强弱用照度表示，物体反射光到眼里强弱用亮度表示。
同灯同距照在白纸和黑纸上，照度相同，亮度不同。
照度*反射率就叫亮度。
光照度 E 勒克斯/Lm/m2 发光体照射在被照物体单位面积上的光通量光亮度 L 尼特/cd/m2 光源在特定方向的单位投影面在单位立体角中发射的光通量照度是反映光照强度的一种单位，其物理意义是照射到单位面积上的光通量，照度的单位是每平方米的流明（Lm）数，也叫做勒克斯（Lux）：1Lux=1Lm/平方米上式中，Lm 是光通量的单位，其定义是纯铂在熔化温度（约1770℃）时，其1/60平方米的表面面积于1球面度的立体角内所辐射的光量。
为了对照度的量有一个感性的认识，下面举一例进行计算，一只100W的白炽灯，其发出的总光通量约为1200Lm，若假定该光通量均匀地分布在一半球面上，则距该光源1m和5m 处的光照度值可分别按下列步骤求得：半径为1m的半球面积为2π×12=6.28平方米距光源1m处的光照度值为： 1200Lm/6.28平方米=191Lux同理、半径为5m的半球面积为:2π×52=157平方米距光源5m处的光照度值为： 1200Lm/157平方米=7.64Lux可见，从点光源发出的光照度是遵守平方反比律的。
1LUX大约等于1烛光在1米距离的照度，我们在摄像机参数规格中常见的最低照度（MINIMUM.ILLUMINATION），表示该摄像机只需在所标示的LUX数值下，即能获取清晰的影像画面，此数值越小越好，说明CCD的灵敏度越高。
同样条件下，黑白摄像机所需的照度远比尚须处理色彩浓度的彩色摄像机要低10倍。
一般情况：夏日阳光下为100，000LUX；阴天室外为10000LUX；室内日光灯为100LUX；距60W台灯60CM桌面为300LUX；电视台演播室为1000LUX；黄昏室内为10LUX；夜间路灯为0.1LUX；烛光（20CM远处）10～15LUX。
大功率LED透镜的分析与应用LED透镜即与LED联系在一起的密切相关的透镜，其他如照相机、望远镜等透镜不属于本文讲解范围，本文着重讲解PMMA材料的二次聚光大功率LED透镜。
一，LED透镜的材料种类：1．硅胶透镜；a. 因为硅胶耐温高（也可以过回流焊），因此常用直接封装在LED芯片上；b. 一般硅胶透镜体积较小，直径3-10mm；2, PMMA透镜a. 光学级PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯，俗称：亚克力）b .塑胶类材料，优点：生产效率高（可以通过注塑完成）；透光率高（3mm厚度时穿透率93%左右）；缺点：耐温70%（热变形温度90度）；3．PC透镜a. 光学级Polycarbonate（简称PC）聚碳酸酯b. 塑胶类材料，优点：生产效率高（可以通过注塑完成）；耐温高（130度以上）；缺点：透光率稍底（87%）；4．玻璃透镜光学玻璃材料，具有透光率高（97%）耐温高等特点，缺点：易碎、非球面精度不易实现、生产效率低、成本高等。
二，LED透镜的应用分类1．一次透镜a. 一次透镜是直接封装（或粘合）在LED芯片支架上，与LED成为一个整体；b. LED芯片（chip）按理论发光是360度，但实际上芯片在放置于LED支架上得以固定及封装，所以芯片最大发光角度是180度，另外芯片还会有一些杂散光线，这样通过一次透镜就可以有效收集chip的所有光线并可得到如160度、140度、120度、90度甚至60度（不同需要）的出光角度；c. 一次透镜多用PMMA或硅胶材料。
2．二次透镜a 二次透镜与LED是两个独立的物体，但它们在应用时确密不可分；b 二次透镜的功能是将LED的大角度光（一般为90-120度）再次聚光成5度至80度任意想要得到的角度；c 二次透镜材料大都用PMMA或玻璃。
三，LED透镜规格分类1．穿透式（凸透镜）a. 当LED光线经过透镜的一个曲面（双凸有个曲面）时光线会反生折射而聚光，而且当调整透镜与LED之间的距离时角度也会变化（成反比），经过非球面技术设计的曲面光斑将会非常均匀，但因为透镜直径的局限性，透镜侧面的光线得不到利用（漏光）；b．一般应用在大角度（40-80度）聚光，如台灯，路灯，室内灯具等；2．全反射式（锥型或叫杯型）a, 透镜的设计在正前方用穿透式聚光，而锥形面又可以将侧光全部收集并反射出去，而这两种光线的重叠（角度相同）就可得到最完善的光线利用与漂亮的光斑效果；b．也可在锥形透镜表面做些改变，可设计成镜面、磨砂面、珠面、条纹面、螺纹面、凸或凹面等而得到不同光斑效果。
3，LED透镜模组a. 是将多个单颗透镜通过注塑完成一个整体的多头透镜，按不同需求可以设计成3合1、5合1甚至几十颗合一的透镜模组；b. 此设计有效节省生产成本，实现产品品质的一致性，节省灯具机构空间，更容易实现“大功率”等特点。
四，LED透镜的设计与模具加工1．首先取决于光源（大功率LED），不同品牌的大功率LED（例如CREE、lumileds、汉半、欧司朗、艾笛森、长森源等），其芯片结构与封装方式、光线特性等均会有所区别，从而造成同样的透镜搭配不同规格品牌LED时会所差异；所以要求有针对性开发（以主流品牌为导向），才能达成实际需要；2．利用光学设计软件（如Trace pro、CodeV、Zemax等）设计并进行模拟光学跑光，设计得到相应的光学非球面曲面；3．LED透镜本身属于精密光学配件，故其对模具的精度要求极高，特别是透镜光学曲面的加工精度要达到0.1μm、镜片偏心度要达到3μm 以内。
一般对此类高精度模具的加工必须具有以下设备：超精密加工机（例如：PRECITECH NANOFORM 350）、CNC 综合加工机、平面磨床、铣床、CNC 放电加工机、表面轮廓仪等。
4模具最精密的部件在于光学模仁，首先选用专用模仁钢材，完成初胚，镀镍后再用超精密加工机进行非球面技术加工曲面。
五，LED透镜的用料及生产1．LED透镜作为光学级的产品，对透光性、缩水性要求极高。
原材料一般采用高档光学级PMMA。
目前为日本三菱PMMA材料为最好（现在的VH5与VH001质量更高），同样是三菱的南通料就会稍逊一些；2．必须配备万级甚至更高级别的无尘车间，作业人员必须着防静电服装，以及戴手指套、戴口罩等防静电防尘措施，并且定期对车间做检验与清理；3．须有专业的光学注塑机（电动）如法拉克，东洋，海天，佳明等品牌功率在35T 以上，并严格控制注塑温度、时间，降低产品缩水率，绝不能添加水口料重复利用，才能保证产品更符合设计方案；4．产品必须用防静电防尘PVC包装，并且须完全密封包装，存放必须注意控制温度与湿度，并且最好不要存放超过一年以上。
从以上LED透镜的设计与生产过程来看，看似简单的LED透镜，从设计到成品，其对软件、硬件的要求都非常高，这也造成了市场上LED透镜的价格差异很大。
