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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，其半值角为45°～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光源的性能的一个极为重要指标。发光效率的单位是1m／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。
不同年份生产的LED发光效率如下表1所示
表1LED发光效率表
一次光学设计
为了使LED芯片发出的光可以更好地输出，获得极大程度的利用，且在照明地域内能够充分满足设计要求，需对LED施行光学系统的设计。当中，在封装的过程之中，设计被称作一次光学设计.而在LED之外实行的光学设计被称作二次光学设计，还称为二次配光设计。
一次光学设计LED一次光学设计以封装材料的形状入手来设法提高LED的出光效率。LED的内部反射器和封装树脂透镜等组成一次光学系统。一次光学设计主要是确定发光器件的光通量大小、发光角度、发光强度分布、发光强度大小、色温分布和色温范围等。二次
配光设计务必在LED发光器件一次配光设计的根本上实行。一次光学设计即是确保每一个LED发光器件的出光质量，二次光学设计即是确保整个灯具或者发光系统的出光质量。一次光学设计关键是思考把LED芯片之中发出的光能尽可能多地取出。而二次配光设计即是思考如何把LED器件发出的光线集中到希望的照明地域上面，因此使整个系统发出的光可以足够满足设计的要求。LED的一次光学设计主要有：折反射式和反射式和折射式这三种方式.
二次光学设计
二次光学设计即是相对于一次光学设计来说的。LED二次光学设计关键思考的是光强、光通量、亮度及照度，这些是归属新兴学科──非成像光学的探究范围。在非成像光学之中，评价系统性能的优劣不再合适用在成像光学之中的成像质量和像差理论，而是将光能利用率当为系统的评价标准。怎样才能提高光能利用率也是照明系统的主要问题。固然，在照明区域内的光学要求是它最基本的要求。怎样把LED发出的光线最大限度地利用起来并且足够满足照明的要求，这便是二次光学设计思考的界限。如今，实行LED二次配光设计所采取的基本光学元器件主要有：折光板、反射镜和透镜等。
1.透镜：透镜的作用是使光源发出的光线进行汇聚或者发散，改变出光角度的大小，从而改变照明面积和光照度。在实际使用中，通过改变光源到镜头的距离来控制光束的发散角，距离减小则发散角增大，反之则减小。透镜的形状根据照明面的形状及其照度分布视实际情况而定。
2.反射镜：反射镜的形状一般是旋转二次曲面，主要包括：双曲面、椭球面和抛物面等。反射镜与透镜二者即使均可转变光源的光束角，可所包容的孔径角差异极大。因为材料的折射率受有一定的限制，透镜的孔径角比较小，通常在40°以下，而反射镜的孔径角能够达到130°以上。孔径角的大小响应了光学元件收集光线能力的强弱，故透镜比反射镜的集光能力弱，光能利用率更高。固然，若光源自身的光束角便较小，则合适运用透镜。
3.拆光板：拆光板的作用是在特定的方向上转变光束的角度或者转变光线的方向，通常包括：梯形拆光板、齿形拆光板、圆形拆光板和柱形拆光板等。
LED照明光学系统的设计步骤
随着人们对LED的研究和LED照明应用的不断展开，半导体照明逐渐形成了一整套的体系，包括LED芯片的设计与开发、光学系统设计、散热设计、驱动设计、封装技术等。在
LED照明光学系统设计方面，目前，大功率LED照明光学系统的一般设计步骤包括：确定照明需求，确定设计目标，估计光学效率，计算需要的LED数量，决定光学系统的结构计划（包括LED的排列方式、光学器件的结构模型），然后对所有的设计可能予以考虑，从中选择出最佳的设计，完成最后步骤。
图4LED照明系统的光学设计流程图
图4为面向LED照明系统的光学设计流程图，大概能够分为成：理论计算及设计模型、确定设计条件和要求、数据反馈修改设计、光学系统仿真及模拟结果等几个环节。
在设计之中，应先需决定设计的要求和条件，比如：要实现的光分布情况、采用的材料、光学系统的结构等等。依照这些要求和条件，能够决定它属于哪种光学设计问题，即是否为旋转对称系统、二维系统还是更加复杂的三维自由设计问题，因此依照不一样的设计问题来决定不一样的设计措施。一般芯片的尺寸相比系统每每是能够无视的，为此为简化设计常常采取面向点光源的设计计划设计光学系统。可在实质的情况当中，点光源设计带来的误差也许无法无视，需实行数据反馈、模拟仿真等等来修正设计方案和设计参数，以至达到适合设计的要求，仿真一般采取的是蒙特卡罗光线追迹法。
结束语
LED半导体照明技术是目前国际公认的“绿色照明”技术，是一个可以解决气候变化和节能的关键技术，已经被广泛认为是最具有发展潜力的高科技领域之一。
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[4]崔元日，束惠.浅谈白光LED照明[J].光源与照明，2008，1：34-35
论文作者:华路
论文发表刊物:《基层建设》2015年23期供稿
论文发表时间:2016/3/30
标签：光学论文; 光源论文; 空穴论文; 光谱论文; 透镜论文; 半导体论文; 曲线论文; 《基层建设》2015年23期供稿论文;