淺談LED產(chǎn)生有色光的方法

淺談 LED 產(chǎn)生有色光的方法 LED 的發(fā)光顏色和發(fā)光效率與制作 LED 的材料和工藝有關(guān)，目前廣泛使用的有紅、綠、藍(lán)三種。由于 LED節(jié)能燈工作電壓低（僅 1.5-3V），能主動(dòng)發(fā)光且有一定亮度，亮度又能用電壓（或電流）調(diào)節(jié)，本身又耐沖擊、抗振動(dòng)、壽命長（ 10 萬小時(shí)）。制造 LED 的材料不同，可以產(chǎn)生具有不同能量的光子，藉此可以控制 LED 所發(fā)出光的波長，也就是光譜或顏色。 史上第一個(gè) LED 所使用的材料是砷（ As）化鎵（ Ga） ，其正向PN 結(jié)壓降（ VF，可以理解為點(diǎn)亮或工作電壓）為 1.424V，發(fā)出的光線為紅外光譜。另一種常用的 LED 材料為磷（ P）化鎵（ Ga），其正向PN 結(jié)壓降為 2.261V，發(fā)出的光線為綠光。 基于這兩種材料，早期 LED 工業(yè)運(yùn)用 GaAs1-xPx 材枓結(jié)構(gòu)，理論上可以生產(chǎn)從紅外光一直到綠光范圍內(nèi)任何波長的 LED，下標(biāo) X 代表磷元素取代砷元素的百分比。一般通過 PN 結(jié)壓降可以確定 LED 的波長顏色。其中典型的有 GaAs0.6P0.4 的紅光 LED， GaAs0.35P0.65 的橙光 LED， GaAs0.14P0.86 的黃光 LED 等。由于制造采用了鎵、砷、磷三種元素，所以俗稱這些 LED 為三元素發(fā)光管。 而 GaN（氮化鎵）的藍(lán)光 LED 、 GaP 的綠光 LED 和 GaAs 紅外光 LED，被稱為二元素發(fā)光管。而目前最新的工藝是用混合鋁（ Al）、鈣（ Ca） 、銦（ In）和氮（ N）四種元素的 AlGaInN 的四元素材料制造的四元素 LED，可以涵蓋所有可見光以及部份紫外光的光譜范圍。 發(fā)光強(qiáng)度：發(fā)光強(qiáng)度的衡量單位有照度單位（勒克司 Lux）、光通量單位（流明 Lumen）、發(fā)光強(qiáng)度單位（燭光 Candle power） 1CD（燭光）指完全 輻射的物體，在白金凝固點(diǎn)溫度下，每六十分之一平方公分面積的發(fā)光強(qiáng)度。（以前指直徑為 2.2 公分，品質(zhì)為 75.5 克的鯨油燭，每小時(shí)燃燒 7.78 克，火焰高度為 4.5 公分，沿水準(zhǔn)方向的發(fā)光強(qiáng)度） 1L（流明）指 1 CD 燭光照射在距離為 1 公分，面積為 1 平方公分的平面上的光通量。 1Lux （勒克司）指 1L 的光通量均勻地分佈在 1 平方米面積上的照度。一般主動(dòng)發(fā)光體采用發(fā)光強(qiáng)度單位燭光 CD，如白熾燈、 LED等；反射或穿透型的物體采用光通量單位流明 L，如 LCD 投影機(jī)等；而照度單位勒克司 Lux，一般用于攝影等領(lǐng)域。三種衡量 中 國 LED 交易網(wǎng) 單位在數(shù)值上是等效的，但需要從不同的角度去理解。比如：如果說一部 LCD 投影機(jī)的亮度（光通量）為 1600 流明，其投影到全反射屏幕的尺寸為 60 英寸（ 1 平方米），則其照度為 1600 勒克司，假設(shè)其出光口距光源 1 公分，出光口面積為 1 平方公分，則出光口的發(fā)光強(qiáng)度為 1600CD。而真正的 LCD 投影機(jī)由于光傳播的損耗、反射或透光膜的損耗和光線分佈不均勻，亮度將大打折扣，一般有 50的效率就很好了。 實(shí)際使用中，光強(qiáng)計(jì)算常常采用比較容易測(cè)繪的資料單位或變向使用。對(duì)于 LED 屏幕這種主動(dòng)發(fā)光體一般采用 CD平方米作 為發(fā)光強(qiáng)度單位，并配合觀察角度為輔助參數(shù)，其等效于屏體表面的照度單位勒克司；將此數(shù)值與屏體有效顯示面積相乘，得到整個(gè)屏體的在最佳視角上的發(fā)光強(qiáng)度，假設(shè)屏體中每個(gè)圖元的發(fā)光強(qiáng)度在相應(yīng)空間內(nèi)恒定，則此數(shù)值可被認(rèn)為也是整個(gè)屏體的光通量。一般室外 LED 屏幕須達(dá)到 4000CD平方米以上的亮度才可在日光下有比較理想的顯示效果。普通室內(nèi) LED，最大亮度在 700 2000 CD平方米左右。 單個(gè) LED 的發(fā)光強(qiáng)度以 CD 為單位，同時(shí)配有視角參數(shù)，發(fā)光強(qiáng)度與 LED 的色彩沒有關(guān)係。單管的發(fā)光強(qiáng)度從幾個(gè) mCD 到 5000mCD不等 。 LED 生產(chǎn)廠商所給出的發(fā)光強(qiáng)度指 LED 在 20mA 電流下點(diǎn)亮，最佳視角上及中心位置上發(fā)光強(qiáng)度最大的點(diǎn)。封裝 LED 時(shí)頂部透鏡的形狀和 LED 芯片距頂部透鏡的位置決定了 LED 視角和光強(qiáng)分佈。一般來說相同的 LED 視角越大，最大發(fā)光強(qiáng)度越小，但在整個(gè)立體半球面上累計(jì)的光通量不變。當(dāng)多個(gè) LED 較緊密規(guī)則排放，其發(fā)光球面相互疊加，導(dǎo)致整個(gè)發(fā)光平面發(fā)光強(qiáng)度分佈比較均勻。 在計(jì)算屏幕發(fā)光強(qiáng)度時(shí)，需根據(jù) LED 視角和 LED 的排放密度，將廠商提供的最大點(diǎn)發(fā)光強(qiáng)度值乘以 30 90不等，作為單管平均發(fā)光強(qiáng)度。一般 LED 的發(fā)光壽命很 長，生產(chǎn)廠家一般都標(biāo)明為 100，000 小時(shí)以上，實(shí)際還應(yīng)注意 LED 的亮度衰減週期，如大部分用于汽車尾燈的 UR紅管點(diǎn)亮十幾至幾十小時(shí)后，亮度就只有原來的一半了。 亮度衰減 周期 與 LED 生產(chǎn)的材料工藝有很大關(guān)係，一般在經(jīng)濟(jì)條件許可的情況下應(yīng)選用亮度衰減較緩慢的四元素 LED。配色、白平衡：白色是紅綠藍(lán)三色按亮度比例混合而成，當(dāng)光線中綠色的亮度為 69%，紅色的亮度為 21，藍(lán)色的亮度為 10時(shí)，混色后人眼感覺到的是純白色。但 LED 紅綠藍(lán)三色的色品座標(biāo)因工藝過程等原因無法達(dá)到全色譜的效果，而控制原色包括有偏差的原色的 亮度得到白色光，稱為配色。當(dāng)為全彩色 LED 屏幕進(jìn)行配色前，為了達(dá)到最佳亮度和最低的成本，應(yīng)儘量選擇三原色發(fā)光強(qiáng)度成大致為 3:6:1 比例的 LED 器件組成圖素。 白平衡要求三種原色在相同的調(diào)灰值下合成的仍舊為純正的白色。原色、基色：原色指能合成各種顏色的基本顏色。色光中的原色為紅、綠、藍(lán)，下圖為光譜表，表中的三個(gè)頂點(diǎn)為理想的原色波長。如果原色有偏差，則可合成顏色的區(qū)域會(huì)減小，光譜表中的三角形會(huì)縮小，從視覺角度來看，色彩不僅會(huì)有偏差，豐富程度減少。 LED發(fā)出的紅、綠、藍(lán)光線根據(jù)其不同波長特性和大致分為紫紅、純紅 、橙紅、橙、橙黃、黃、黃綠、純綠、翠綠、藍(lán)綠、純藍(lán)、藍(lán)紫等，橙紅、黃綠、藍(lán)紫色較純紅、純綠、純藍(lán)價(jià)格上便宜很多。三個(gè)原色中綠色最為重要，因?yàn)榫G色佔(zhàn)據(jù)了白色中 69的亮度，且處于色彩橫向排列表的中心。因此在權(quán)衡顏色的純度和價(jià)格兩者之間的三基色組成方式，在三基色設(shè)計(jì)應(yīng)用中通常是，通過調(diào)節(jié)設(shè)定 LED 電流來達(dá)到白平衡和最大的期望亮度值。 我們一般將最簡單、最優(yōu)化的配色方式作為，設(shè)計(jì)全彩