（微电子学与固体电子学专业论文）基于directx的led照明仿真系统的研究.pdf

摘要 摘要 伴随半导体照明产业高速发展及“绿色照明”概念逐步深入人心，集环保、 节能、高效等特性于一身的发光二极管( l e d s ，l i g h te m 矾n gd i o d e s ) 成为照明 领域中一颗璀璨的明星。目前已广泛应用于白光通用照明、装饰照明、汽车等各 类运输工具照明、交通信号显示、背景显示等各个领域。为缩短l e d 照明工程 的设计周期，降低设计成本，提高没计效率，本文提出利用计算机仿真软件对 l e d 照明工程进行光环境模拟的理念。目前市场上出现很多照明模拟仿真软件， 但多数由国外引进，价格昂贵，由于这些并非本土软件，其照明标准与我国的照 明标准有差异，参照标准并不符合我国国情。本课题所开发的l e d 照明仿真系 统是针对我国国情所设计，应用于l e d 照明工程的专用计算机模拟仿真系统。 本文完成的课题内容属于基础研究范畴，在实际照明工程中，该软件系统还需不 断完善。 本文主要从以下方面对l e d 照明仿真软件系统开发进行研究： 1 2 首先，阐述了l e d 发展历程与现状，总结了l e d 的基本结构、发 光原理与基本特性。 对照明仿真系统分两大方向进行研究，其一是针对3 d 图形系统行 进研究，提出在本系统中采用d i r e c t ) ( 三维图形制作技术；其二是 针对真实感图形显示技术进行研究。从颜色表达、光照模型、几何 阴影、纹理影射四个方面对3 d 灯具模型显示进行详细探讨。 阐述了l e d 照明仿真软件系统的总体设计思想，对照明仿真软件的 系统结构进行搭建，并选择四叉树为其数据结构模型。同时提出了 l e d 灯具模型的建立，人机交互界面的设计并且对输出结果进行分 析。 把l e d 照明仿真软件用于具体实践，并结合实际情况探讨和分析 l e d 照明设计步骤及光学模拟中需注意的关键事项。 最后，论文对目前已经开展的工作进行总结，并对l e d 照明模拟仿真软件 的开发的前景进行展望。 关键词l e d ；仿真；d i r e c t x ；辐射度；四叉树 a b s t r a c t a b s t r a c t a st h er 印i dd e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o rl i 曲t i n gi n d u s t d ，a n dm e ”g r e e n l i g h t i n g t tc o n c e p tg r a d u a l l yb ym ep e o p l ef 姗i l i a r l e dw i mt h ee n v i r o 衄e n t a l p r o t e c t i o n ，e n e 唱ys a v i n g 觚dh i g he 伍c i e mf e a t u r e sb e c o m ea 蛳1 1 i n gs t a ri nm e l i g h t i n g 矗e l d a tp r e s e ml e dh a s b e e nw i d e l yl l s e di 1 1w m t eg e n e r a l l i g h t i n g ， d e c o r a t i v el i 曲t i n g ，a u t o m o b i l e sa i l do t h e r 仃a i l s p o r tl i g h t i n g ，t r a m cs i 口a l ss h o wa i l d b a c k g r o u n ds h o wa 1 1 ds oo n i i lo r d e rt os h o r t e nm el e dl i g h t i l l gd e s i g nc y c l e ，r e d u c e d e s i g l lc o s t sa i l di m p r o v ed e s i g i le 伍c i e n c y t b j sp a p e rp r o p o s e sm ec o n c e p tt l l a tm e u s eo fc o m p u t e rs i i i l u l a t i o ns o 胁a r et os i m u l a t el e dl i g h t i n ge n v 拍m n e n t t h e m a r k e tc a m eo u tal o to fl i g h t i n gs o r w a r ec 代n t l y ，b u ta l m o s ta l l 妇p o r t e d 矗o m a b r o a 也w h i c hi sv e we x p e n s i v e ，a l l db e c a u s em e s ea r en o tl o c a ls o r w a r e ，m el i g h t i n g s t a n d a r d sa 1 1 dc k n a sl i 曲t i n gs t a i l d a r d sa r ed i 脏r e n c e s ，n o tb yr e f e r e n c et ot h e s t a n d a r d si 1 1l i n ew i t i lc k n a f sn a t i o n a lc o n d i t i o l l s t h cl e dl i g h t i n gs i m u l a t i o n s y s t e md e v e l o p e db yt 1 1 es u 巧e c t ，m a ti sd e s i g n e df o rm ec o n d i t i o n so fo u rc o 删r y ，t o a p p l yt ot h el e dl i g h t i n gp r o j e c t ，i sap r o f e s s i o n a jc o m p u t e rs i m u l a t i o ns y s t e m a c t a sap a n i c i p a t o ri nt h ei 1 1 i t i a ls t a g e s ，m ya i t i c l e sc o n t e mi sm eb a s i c a l l yi o m a t i o n a b o u ts o f h a r ed e v e l o p m e n t t h es o m a r es y s t e ms h o u l db ec o n t i n u o u s l yi m p r o v e d i i lf h t u r ei 1 1m ea c t u a l l i g h t i n gp r o j e c t s t l l i sp a p e rm a i l l l ys t u d yo nl e dl i 曲t i n gs i m u l a t i o ns o 胁御es y s t e md e v e l o p m e n t 丘o mt h ef o l l o w m ga s p e c t s ： 1 f i r s t ，e x p a i l do nm el e dd e v e l o p m e n tp r o c e s sa n dm es t a t u sq u o ，趾l ds u | = nu p m eb a s i cs t r u c t l l r eo fm el e d ，锄【dm eb a s i cp r i n c i p l eo fl l 】m j n e s c e n c ea i l d p r o p e r t i e s 2 t l el i 曲t i n gs i m u i a t i o ns y s t e ms t u d ya td l e 觚om 句o rd i r e c t i o n s ：o i l eo fw m c h i s 舶m3 d 铲a p l l i c ss y s t e m ，w l l i c ht h es y s t e mp r o p o s e di i lt 1 1 eu s eo fd i r e c t x3 d 伊印h j c st e c h n o l o g y ；m eo t h e ri s f 如mr e a l i s t i c 铲印t l i cd i s p l a yt e c l l i l o l o g yf o r r e s e 躺h t h es h o wo f3 dl 锄p sm o d e li sd e t a i l e d 舶me x p r e s s i o no fc o l o r ，l i 曲t m d d e l ，g e o m e t r i cs h a d o wa n dt e x t u 】陀m 印p i n gf i o u ra s p e c t s 3 e x p a i l d0 nm el e dl i g h t i n gs y s t e ms i i i l u l a t i o ns o r 硼d e s i 印t h i i l k i n g ，b u i l d t l l el e d l i g h t i n gs y s t e ms i m u l a t i o ns o r w a r es t m c t u r e ，a r l dc h o o s eq 啦i d 一仃e ea s i t sd a t as m l c t u r e a tt l l es 卸舱t i m e ，p r o p o s et oc o n s t m c tt 量1 el e d l a i n p sm o d e l ， t ：h ed e s i g no fm a l l 一m a c h i n ei m e r a c ea r l d 吐l eo u t p u to fr e s u l t s 4 a p p l yt l l e l e dl i g h t i n gs i m u l a t i o ns o 小a 肥t o 吐1 ea c t i l a ls i t u a t i o i l ，a 1 1 d i 北京t 业大学工学硕十学位论文 c o m b i n i n g 砒hc i r c 眦s t 枷i a l i t i e st oe x 锄i n ea n d 锄l y z e 也es t e p so fl e d l i g h t i n gd e s i g na n dt h ek e yi s s u e si nt h eo p t i c a ls i m u l a t i o n f i n a l l y t 1 1 ep a p e rs 呦u pt 1 1 et a s kw h i c hh a sa l r e a d ys t a r t e d ，a n dp r o s p e c tt i l em t u r e o fl i 出i n gs i i i l u l a t i o ns o 肌a r ed e s i g l l k e yw o r dl e d ，s i i i l u l a t i o n ，d i r e c t x ，r a d i a t i o n ，q u a d 一仃e e i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名： 第l 章绪论 1 1 课题研究的背景 第1 章绪论 1 1 1 半导体照明产业的概况与发展趋势 半导体照明亦称固态照明，是半导体技术和传统照明技术相互融合的产物。 半导体照明产业以其技术含量高、产业效益高、应用前景广、资源消耗少和环境 污染少等显著特点，成为二十一世纪最具代表性的新兴高新技术产业之一【lj 。 半导体照明产业的发展同半导体技术以及照明光源技术的发展密切相关。随 着半导体技术的发展，以及人类对先进照明技术的不断追求，半导体照明光源逐 渐登上人类照明的舞台，被认为是能够取代白炽灯和荧光灯照明光源的新型固态 冷光源。半导体照明的诞生和发展，被誉为人类照明史上的又一次革命。 目前，全球半导体照明产业形成了以美国、亚洲、欧洲三足鼎立的全球产业 格局。全球半导体照明市场增长很快，2 0 0 3 年达到4 5 亿美元规模，近年年均增 长率超过2 0 。半导体照明是一个新兴的产业，技术水平发展很快，新技术、新 产品不断涌现，一些可以用于自光照明的功率型l e d 产品已经能够批量生产， 产业发展已经到达一个快速上升的阈值。鉴于半导体照明的优良性能和巨大发展 潜力全球都将其作为前沿产业或战略性产业，给予高度重视，组织制定l e d 产 业战略发展规划，给予相应的经费支持。日本通产省在1 9 9 8 年制定了“2 1 世纪 光计划”，由经贸产业部资助，由新能源和工业技术发展组织、日本金属研究开 发中心共同实施；美国2 0 0 0 年启动了“国家半导体照明研究计划”，被列为国家 “能源法案”，由国家能源部资助，国防先进研究计划总署( d a 刚) a ) 和光电工 业发展协会( o i d a ) 联合执行；2 0 0 0 年7 月，欧盟设立了“彩虹计划”，成立了 执行研究总署，通过欧盟的补助金推广白光l e d 应用【2 引。 “十五”期间，我国政府通过各类相关计划在半导体照明领域累计投入了2 4 亿元研发经费用于培育l e d 产业链，并于2 0 0 3 年6 月由科技部联合信息产业部、 中国科学院、建设部、轻工业联合会和教育部等部委单位以及北京、上海等十一 个地方政府成立了国家半导体照明工程协调领导小组，正式启动“国家半导体照 明工程。 半导体照明按产业链可以分为上游、中游、下游三大部分，见图1 1 。上游 指关键材料( 衬底材料、外延片) 以及生产设备的制造，中游是芯片制备，下游 则是封装及产品应用【4 j 。 北京1 二业大学工学硕士学位论文 门门口门口r 图l - l半导体照明产业链 f i g u r e1 - 1i n d u s t 叮c h a i no fs e m i c o n d u c t o ri l l 岣i n a t i o n 目前，中国半导体照明产业已经初步形成珠江三角洲、长江三角洲、江西及 福建、北京及大连等四大区域，每一区域均初步形成比较完整的产业链。从事产 业人数超过5 万，研究机构2 0 多家，企业4 0 0 0 多家，其中l e d 外延片生产和 芯片制备企业约5 0 余家，封装企业1 0 0 0 余家，产品应用企业3 0 0 0 余家，多集 中于产业链下游。增强l e d 灯具设计水平，提高照明工程设计效率尤为重要【2 3 1 。 1 1 2 国外照明仿真技术发展动态 现代照明工程设计是多元化边缘学科，涉及电工学、光学、环境科学、照明 艺术和人机工程学等诸多领域。为使照明设计更为科学准确，避免人力物力的浪 费，投入工程实施前，应对灯具排布、光强分布和光照效果等进行严格模拟仿真， 协助科研及工程开发人员直观准确地进行照明设计，从而避免预案工作疏忽造成 的损失，提高经济效益。灯具设计的整体研究开发架构如图1 2 所示。 图1 2 f i g u r el - 2 灯具设计的整体研究开发架构 l i g h td e s i g nr & d a r c h i t e c t u r e 2 第l 市绪论 使用计算机辅助照明设计的方法近几年来取得了很大进展，如今已进入实用 化。目前国外已经开发出许多专业照明设计软件，如d i a l u x ，3 d m a x _ l i 曲t s c 印e 等三维设计软件，在使用中表现出色。但总体来讲，照明设计领域并没有一个像 平面没计的a u t oc a d ，图像处理的p h o t o s h o p 一样，在业界占主导地位的软件。 在该领域中，其仿真软件呈现出多种软件并存各有其优劣的态势。 d i a l u x 具有照明计算和照明效果仿真功能，以前者为主。d i a l u ) 【软件重 视其计算准确性，其照明数值的误差仅3 7 ，计算考虑到灯具的高度及角度。 设计同时可以在图上读取任何一点的照度值，其生成的报表采用p d f 格式，封 面可自行加入设计方标识，可提供灯具清单、家具配置图、计算点清单、工作面 清单、灰阶彩色等照度图、点照度图、灯具资料等大量图表。 d i a l u ) 【采用光线追踪方式对场景进行渲染。其渲染速度并不突出，但是可 以生成具有真实反射、阴影、透视及其他效果的照片级效果图，可以生成透视、 平视、鱼眼图像，可以生成云、雾、火焰等特效。d i a l u x 的不足之处在于其建 模功能相对薄弱，导入外部模型仅能用于辅助本身建模。材质方面也较为简单， 这使得d i a l u x 的渲染效果无法达到较高水平。 3 d m a x 是著名的三维设计软件。作为三维场景表现的重要因素，其灯光方 面的功能日渐完善，3 d m a x5 相对3 d m a x4 增加了包括全局光照和区域阴影 等高级光照特性。3 d m a x6 又增加了m e n t a lr a y3 2 渲染器，以及可调节的光 能传递阴影贴图( m e m a lr a ys h a d o wm a p ) 和光能传递间接照明( m e n t a lr a y i n d i r e c t1 1 l 啪i n a t i o n ) 。其全面的i e s 光照系统包括阴影、阴影色、密度、对比度、 边缘柔化和衰减等参数的设置。表面光照强度控制提供独立的高光、阴影和过渡 色控制。上述改进由灯光本身和照明过程两方面使3 d m a x 的模拟结果更为真 实。其2 d 光照数据导出器可将光照分析数据存储为辐射图片或t i f 格式。 总体上，3 d m a x 配合l i g h t s c 印e 等渲染器在灯光效果渲染方面已经能够达 到相当高的仿真水平，但其不具备照明专业数据计算能力，而且无法像一些专业 照明设计软件一样批量导入灯具参数1 5 一j 。 本课题旨在利用计算机对l e d 光源进行光环境模拟，模拟对象为l e d 光源， 其照明方式、光照强度分布上与传统光源有很大的差别，因此需要重新开发一个 专业软件对l e d 照明光源进行仿真与控制。 1 2 课题研究的意义及技术难点 纵观半导体产业的发展趋势，l e d 已成为绿色新型光源的典型代表，并有 逐步取代传统光源的趋势。本实验室一直致力于l e d 灯具的应用研究，在l e d 灯具的设计过程中，越发意识到对l e d 进行光环境的模拟的重要性。因此，本 课题在l e d 灯具设计的基础上，提出了用软件对l e d 进行光环境模拟的理念， 北京_ 业大学丁学硕士学位论文 开辟了一个新的研究方向。 在l e d 照明工程之前，对l e d 进行光环境的模拟，可尽量避免因在光学计 算或灯具( 单粒l e d ) 排布的不尽准确和科学而产生不理想的后果，从而改善 整个光源的发光效果，避免造成光污染。对l e d 照明效果的仿真设计还避免了 由于预案工作疏忽造成的浪费，提高了l e d 照明的经济效益，增强了l e d 照明 的设计效率，这不仅提高了实验室灯具设计的水平，而且对推进l e d 照明事业 的发展、推动环保绿色照明的普及具有重要的意义。 用计算机预测照明效果，具有以下优点：一可以自由地改变预测照明效果的 空间模型，建筑设计上的改变和内装修原材料及颜色改变都很容易做到。这种情 况适合作为对比材料准备多种替代方案。其二计算机的运算能力强，能根据复杂 的光照算法，得出真实可靠的光照数据，并且能够转换成照度分布和亮度分布的 数字化数值表示出来，为设计者提供了重要并且科学的设计依据【7 8 】。 本课题旨在利用计算机对l e d 光源进行光环境模拟，运用d i r e c t x 9s d k 开 发、结合v c + + 6 0 ，以微机为硬件平台，采用交互方式，使用户能够只通过键 盘和鼠标就可以完成特定场景中的灯光布置( 包括光源的位置以及数量等) ，同 时，用户可以对于场景中的灯具属性进行相应的修改( 光源的光强，颜色和变化 方式等) 。在这个系统中所有的操作都能做到实时交互，一旦用户做出修改，就 可以在屏幕上看见相应的效果，而不需要重新计算场景中所有的模型再绘制。 本课题的技术难点在于以下几个方面： 1 l e d 光源在照明方式、光照强度分布上与传统光源有很大的差别，采用 何种光照算法才能得到更加真实的光照效果。要解决模型经过软件渲染后的效果 图与实际效果相脱离的问题。 2 此l e d 光环境仿真系统采用何种数据结构，采取何种设计框架，并如何 进行人机交互。 由于时间和技术的限制，目前软件的开发还尚处于简单l e d 的模拟阶段，本 文探讨的是光环境模拟软件的整体构架以及基本的光照算法和光照模型，更为复 杂、精确的模拟效果，还需要进一步完善才能达成。希望本文对今后的相关后续 课题的开发与研究起到抛砖引玉的作用。 第2 章l e d 概述 第2 章l e d 概述 2 1l e d 发展历程与现状 1 9 6 2 年，g e 、m o n s a n t o 和i b m 的联合实验室开发出红光g a a s p 半导体化 合物；1 9 6 8 年可见光l e d 步入商业化发展进程，此时的发光效率仅为0 1 l 州w ； 随后在b e l l 和i b m 等公司的努力下，逐渐开发出黄、绿光l e d 。此时l e d 以 红色为主，但亮度不高且比较昂贵。其特点为体积小、直流电耗低、温度低等。 2 0 世纪8 0 年代后期至9 0 年代初期，高亮度l e d 出现，主要用于信号、 标示和显示等方面。耐用、高亮度等特点非常适合紧急信号、标示的应用，例 如发光安全出口。l e d 适合矩阵式排列，使其应用于许多变化信息的显示方面。 1 9 9 4 年，日本旅美科学家中村秀二在g a n 基片上研制出第一只蓝色l e d ， 由此人们看到了白光l e d 的曙光以及g a n 基l e d 广阔的市场前景和巨大商机， 并引发了对g a n 基l e d 研究的热潮。g a n 基器件商业化生产始于2 0 世纪9 0 年代中期，通过调配红、绿、蓝三种颜色，显示应用设计者设计出全彩的动态 设计。蓝光l e d 的出现加速了大屏幕显示的应用，由2 0 世纪9 0 年代中期开始， 许多广告、体育和娱乐场所开始应用l e d 大屏幕显示，并以此为特色。 在紫光和蓝光技术上的突破使得此外一种生成白光的技术成为可能，即在 单枚l e d 上通过蓝光激发r g b 荧光粉，生成白光。2 0 世纪9 0 年代后期制造 出第一只利用此原理制造的l e d ，但色泽不均匀，使用寿命短、价格高。 随着蓝光l e d 的出现和发展，研究人员更加重视照明应用的研究。伴随着 技术进步，白光l 王d 的发展相当迅速，功率型白光l e d 的发光效率已经达到 4 0l m 例，并以每年1 0 _ - 2 0l 州w 的速度提升，大大超过白炽灯( 1 5l 删w ) ，而 向荧光灯迫近( 8 0l i l l w ) 。自1 9 9 8 年来，l e d 已经引起照明领域的极大兴趣， 使用l e d 照明的地方越来越多，例如大型商场等公共场所、桥梁等标志性建筑， 以及一些特殊照明领域，其应用发展的速度很快1 2 j 。 根据l e d 技术不同发展阶段，由其应用发展出发，l e d 产业的发展历程大 致可分为三个阶段：指示应用阶段、信号显示应用阶段和通用照明应用阶段。 l e d 作为指示应用已经成熟，作为信号、显示等方面的应用还需进一步发展， 而作为照明应用，还属于起步阶段【l 一。l e d 发展及应用进程见表2 1 。 ：! 星：些奎耋三耋些兰茎堡兰三 表2 1l e d 发展及应用进程一览表 年份发展进程应用领域 1 9 6 2g a a s p 红光l e d指示灯 g a a s p 高效红光、黄光l e d计算器、数字手表、测试仪 1 9 7 0 g a p 绿光、红光l e d器 1 9 8 0室外信号显示、条形码系统、 1 9 8 5 g a a i a s 橙光、绿光、红光l e d 光电传导系统、医疗器械 1 9 8 6 i n g a a j p 橙光、绿光、红光l e d ，l e d 亮 室外显示屏 1 9 8 9度与可靠性提高 使用m o c v d 设备制造i i l g a a l p 橙红、橙 1 9 9 0 交通信号灯、显示屏、汽车 色、黄光、绿光l e d g a n 蓝光l e d ，i n g a n 高饱和度绿光、蓝医疗设备、光电平板印刷设 1 9 9 3 光l e d 备 1 9 9 7i n g a n 蓝光芯片+ y 0 荧光粉的白光l e d小尺寸l c d 背光源、全彩大 i n g a n 紫光芯片+ r g b 色荧光粉的白光屏幕显示屏、手机背光、汽 2 0 0 1 l e d车仪器背光及刹车灯、景观 2 2l e d 基本结构及发光原理 l e d 豹基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的支架上 四周以环氧树脂密封，加强防水、防潮和抗震性，其结构如图2 - l ( a ) 、2 一l ( b ) ： ( a ) l e d 芯片( b ) 封装后的l e d 图2 一il e d 基本结构示意图 f i g u m 2 1l e ds t 眦讪r es k e k hm 8 p l e d 实物通常封装于环氧树脂内，如图2 2 所示，为其实物照片 图2 - 2 封装后的l e d 图片 f 1 9 u m 2 2 p 扯k a g e d i 。e d d e v i c e 第2 章l e d 概述 图2 3 为l e d 的发光原理。制作l e d 的材料重掺杂，热平衡状态下形成 p n 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p n 结阻挡层的限制，常态下二者 不能自然复合。p n 结加正向电压时，外加电场削弱内建电场，使空间电荷区变 窄，结区势垒降低，载流子的扩散运动加强。由于电子的迁移率远大于空穴， 因此电子由n 区扩散至p 区。根据能带理论，导带中的电子与价带中的空穴复 n 区： 结区 图2 3l e d 发光原理图 f i g u r e2 3l e d 啪i n a t i n gs c h e m a t i cd i a 黟a m 合时，电子由高能级跃迁到低能级，电子以光子形式释放多余能量产生电致发 光。除发光复合外，电子还可能为非发光中心捕获，而后再与空穴复合，不能 形成可见光，复合产生的能量以发热的形式消耗1 9 j 。 由于材料不同，l e d 内部电子和空穴所占的能级也有差异，能级差异影响 复合后光子的能量，从而产生如红、橙、黄、绿、蓝或不可见光等不同颜色的 光。 通常定义l e d 的内量子效率为p n 结产生的光子数与注入的电子空穴对之 比。内量子效率与半导体材料的特性和制作工艺有关，通常减少半导体材料的 杂质、晶格缺陷和位错，可提高内量子效率。 2 3l e d 特性 2 3 1l e d 分类 ( 1 ) l e d 发光颜色 按l e d 发光颜色分，可分成红色、橙色、绿色( 又细分黄绿、标准绿和纯 绿) 、蓝光等。此外，l e d 中包含二种或三种颜色的芯片。根据l e d 出光处掺 或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的l e d 还可分成有色透明、无色 北京t 业大学工学硕七学垃论文 透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型l e d 适合用做指示灯。 ( 2 ) l e d 出光面特征 按l e d 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。圆形灯按直径分为巾3 、巾4 4 、巾5 、巾8 、巾1 0 及巾2 0 等。国外通常将巾3 l e d 标为t - l ，巾5 标为t - l ( 3 4 ) ；巾4 4 标为t - 1 ( 1 4 ) 。由半值角大小可估计 圆形发光强度角分布情况。由发光强度角分布图来分有三类： a 高指向性。一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，不加散射剂。 半值角为5 0 一2 0 。或更小，具有高指向性，可用作局部照明光源，或与光检出器 联用以组成自动检测系统。 b 标准型。通常作指示灯用，其半值角为2 0 - 4 5 0 。 c 散射型。视角较大，半值角为4 5 0 呻0 0 或更大，散射剂的量较大。 ( 3 ) l e d 的结构 全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座坏氧封装及玻璃封装。 ( 4 ) 发光强度 按发光强度和工作电流分为普通亮度l e d ( 发光强度 l o o m c d ) ；发光强度在1 卜l o o m c d 之间为高亮度l e d 。 ( 5 ) 工作电流 一般l e d 的工作电流在十几i l a 至几十i l 认，而低电流l e d 的工作电流在 2 i i a 以下( 亮度与普通发光管相同) 。 除上述分类方法外，还有按芯片材料分类及按功能分类的方法。 2 3 2l e d 电学特性 ( 1 ) i v ( 电流电压) 特性 表征l e d 芯片p n 结制备性能主要参数。l e d 的i v 特性具有非线性的整 流特性，即单向导电性，当加正向偏压时，有低接触电阻，加反向偏压时，有 高接触电阻。其特性曲线如图2 4 所示： a 正向截止区( o a 或o a 段) a 点对于圪为开启电压( 又称阂值电压) ，当队，外加电场克服因载 流子扩散而形成的势垒电场，此时电阻r 很大；开启电压对于不同的l e d 其值不同，g a a s 为l v ，红色g a a s p 为1 2 v ，g a p 为1 8 v ，g a n 为2 5 v 。 b 正向工作区 电流，f 与外加电压成指数关系 斥= 尽 e x p ( g y f 佬d l 】 ( 2 1 ) 胗d 时，胗咋的正向工作区斥随坼指数上升 斥= 尽e x p ( g 诈屑乃 ( 2 2 ) 第2 荦l e d 慨述 c 反向截止区：比0 时p n 结加反偏电压肛昧，反向漏电流为最。 d 反向击穿区：比喙，昧称为反向击穿电压；垛电压对应瓜为反向漏 电流。当反向偏压一直增加，使队一绦时，则出现最忽然增加产生击穿。 由于所用化合物材料不同，各种l e d 的反向击穿电压垛也不同。 击 穿 区 l | 。f f b 7 i p 。 必 一了瓦一nv f 反向正向a 正向 f 截止1 = ： 截止工作 j p v 区 区区 图2 - 4 二极管i v 特性曲线 f i g u r c2 4i vc h a r a c t e rg r a d ho f d i o d e ( 2 ) c v ( 电容电压特性) l e d 芯片尺寸不等，目前最常见为9 9 m i l ( 2 5 0 2 5 0 岬) ，1 0 1 0 m i l ，1 1 1 1 m i l ( 2 8 0 2 8 0 岫) ，1 2 1 2 m i l ( 3 0 0 3 0 0 u m ) 。由于p n 结的面积大小会有所差异， 在零偏压下，其结电容约为c 南时左右。 c v 特性呈二次函数关系，其特性曲线如图2 5 所示。可用l m h z 交流信 号c v 特性测试仪测得。 c ，一一 i彳一 ：。；f 二一 ， c 7 3 2 10l2 34 1 图2 5 二极管c v 特性曲线 f i g u r e2 - 5c vc h a r a c t e rg r a p h0 f d i o d e ( 3 ) 最大允许功耗尸f m 当经过l e d 的电流为斥、管压降为坼时，则功率消耗为： 尸f m _ 坼斥 ( 2 3 ) 在外加偏压、偏流作用下，部分载流子复合发光，其余电能转化为热，使结温 升高。当结温乃大于环境温度瓦时，内部热量借助管座向外传递，耗散功率为 嘲( 乃一珊 ( 2 4 ) 其中晒为温度常数。 ( 4 ) 响应时间 北京工业大学1 = 学硕士学位论文 响应时间反映l e d 对外部信号变化的敏感程度，是标志反映速度的重 要参数，其特性曲线如图2 6 所示。上升时间，r 为接通电源使发光亮度达到正 常值的1 0 开始，至发光亮度达到正常值的9 0 所需的时间；下降时间砰为正 常发光减弱到正常值的l o 所需的时间。图中f o 值很小，可忽略。响应时间取 决于载流子寿命、结电容等因素。不同材料l e d 的响应时间各异，g a a s 、g a a s p 、 g 洲a s 的响应时间小于1 0 母s ，g a p 为1 0 7 s ，可用于1 0 1 0 0 m h z 高频系统。 相对 2 3 3l e d 光学特性 二疆一一 7 卜 七 t 图2 6l e d 响应时间特性曲线 f i g u r e2 - 6r e s p o n d i n gt i m eo fl e d l e d 有红外与可见光两个系列，前者用辐射度，后者用光度学量度光学特 性。 ( 1 ) 发光强度( 法向光强) 及其角分布晶 发光强度( 法向光强) 是表征发光器件发光能力的指标。多数l e d 应用需 要圆柱或圆球封装。凸透镜使光具有强指向性。法向光强最大，偏离法向时， 光强，随角度p 变化j o 。1 1 1 。发光强度的角度分布厶描述l e d 在空间各方向上的 光强分布，主要取决于封装工艺。通常发光强度角分布如图2 7 所示： 图2 7l e d 发光强度的角分布 f i g u r e2 7l i g h t i n gi n t e n s i 砂a n g l e d i s t r i b u t i o no fl e d 当前几种常用封装的散射角( 2 0 1 2 角) 圆形l e d ：5 。、1 0 。、3 0 。、4 5 。 ( 2 ) 发光峰值波长及其光谱分布 第2 章l e d 概述 a l e d 发光强度或光功率输出随着波长变化而不同，绘成光谱分布曲线。 当此曲线确定之后，器件的有关主波长、纯度等相关色度学参数亦随之而定。 l e d 的光谱分布与制备所用化合物半导体种类、性质及p n 结结构( 外延 层厚度、掺杂杂质) 等有关，而与器件的几何形状、封装方式无关。 无论何种材料制成的l e d ，都有一个相对光强度最强处( 光输出最大) ，与 之相对应有一个波长，即峰值波长，用却表示。只有单色光才有却波长。 图2 8 为典型白光l e d 发光光谱1 1 2 j ： i ff a tj | j - 一 星 3 5 04 0 04 5 0 5 0 05 5 06 0 06 5 07 0 07 5 08 0 0 w a v e l e n g t h ( n m ) 图2 8 典型白色l e d 发光光谱 f i g u r e2 8c l a s s i cw h i t el e ds p e c t m m b 谱线宽度：l e d 谱线峰值两侧五处存在两个光强等于峰值( 最大光强 度) 1 2 的点却一朋铂却+ 兄，之间的宽度为谱线宽度，也称半功率宽度或半高 宽度。半高宽度反映谱线宽窄，即单色性参数，l e d 半宽小于4 0 眦。 c 主波长：某些l e d 发射非单一色光，即具有多个峰值。为此描述l e d 色度特性而引入主波长，即人眼所能观察到由l e d 发出主要单色光的波长。例 如g a p 材料可发出多个峰值波长，其主波长伴随结温升高偏向长波。 ( 3 ) 光通量： 光通量f 表征l e d 总光输出的辐射能量，标志器件的性能优劣。f 为l e d 向各方向发光能量之和，与工作电流直接有关。随着电流增加，l e d 光通量随 之增大。可见光l e d 的光通量单位为流明( i m ) 。 l e d 向外辐射的功率光通量与芯片材料、封装工艺水平和工作电流有 关。目前单色l e d 的光通量最大约1h n ，白光l e d 的熙1 5 1 8l m ( 小芯片) ， 对于l m m 1 m m 的功率级芯片制成白光l e d ，其卢1 8h n 。 ( 4 ) 发光效率和视觉灵敏度： a l e d 光电特性中最重要的特性是用辐射出光能量( 发光量) 与输入电 能之比，即发光效率。l e d 效率有内部效率( p n 结附近由电能转化成光能的 效率) 与外部效率( 辐射到外部的效率) 。前者只是用来分析和评价芯片优劣的 特性。 b 人的视觉灵敏度在肛5 5 5 衄处具有最大值6 8 0l m w 。若视觉灵敏度记 0 8 6 4 2 0 1 0 0 0 o 0 ll丁垂jl一o ja6疋一ej一3eci啦ile一 ， 北京下q k 大学t 学硕+ 学位论文 为凡，则发光能量p 与可见光通量f 之间关系为p = j p 九d 五以及f = f 岛一d a 。 c 发光效率( 量子效率) 俨发射的光子数p n 结载流子数= ( p 伪慨以， 输入能量为胆明，则发光能量效率矿= 州；若光子能量办户p 则驴矿，总 光、通f _ 叮p _ k 妒w ，式中融f p d 流明效率：剧肜瑙矿，用于评价封装l e d 的特性，流明效率高即同样 外加电流下辐射可见光的能量较大，因此也叫可见光发光效率。 表2 2 给出不同颜色l e d 的发光效率。 l e d 入p 材料 可见光发光效外量子效率 发光颜色( n m ) 率( 1 m ，w )最高值 平均值 7 0 0g a p ：z n o 2 4 1 21 3 红光 6 6 0g a a l a s0 2 70 5 0 - 3 6 5 0g a a s po 3 8o 5 o 2 黄光 5 9 0g a p ：n no 4 5o 1 绿光 5 5 5g a p ：n4 20 7o 0 1 5 叼1 5 蓝光 4 6 5g a n1 0 小芯片1 6 白光谱带g a n + y a g 大芯片1 8 ( 5 ) 发光亮度 亮度为l e d 的又一重要参数，具有强方向性。法线方向亮度为凰爿洲，指 定某方向上发光体表面亮度等于其上单位投射面积在单位立体角内辐射的光通 量，单位为c 2 或n i t 。理想漫反射光源表面的亮度与方向无关。晴朗蓝天和 荧光灯的表面亮度约为7 0 0 0 n i t ( 尼特) ，地面观测太阳表面亮度约为1 4 1 0 n i t 。 l e d 亮度与电流密度山有关，通常b o 随 增加近似增大。此外，亮度还 与环境温度有关，环境温度升高，复合效率仇下降，玩减小。即使环境温度不 变，电流增大仍可引起p n 结结温升高，温升后，亮度呈饱和状态。 2 3 4l e d 热学特性 l e d 的光学参数与结温有密切关系。通常后 最小面片边长为0 2 5 图4 3以网络方格的边长作为判断是否分割的阈值 f i g u r e4 3s i d el e n 舀ho fs q l l a r e 罄t h e1 1 1 r e s h o i d m e t l l e rt oc o n t i n t 0d i v i s i o n - 3 5 北京工业大学工学硕士学位论文 光源臼 面片一 面片 已按照边长为闽值处理过 图4 4 以光的辐射度作为判断是否分割的阈值 f i g u r e4 - 4 r a d i a t i o n 笛t h e n l r e s h o l d 、孙e t h e rt oc o n t i n u et od i v i s i o n 四叉树算法的伪代码如下： 首先定义一个面片： c o m e r o c o m e r 3 s t r u c tc o r n e r( s p e c t r ab ； v e c t o r 3 p o s ； b y t e f l a g ； ， c 工a s sr a x e l p 1 凼1 i c ： 询) 长 c o m e r l c o m e r 2 单独面片的角 光辐射度值 所在位置 设置状态标记，用来判断是叶子还是叶结点 小面片 c o r n e r c o r n e r o ( )tr e t u r nmc o r n e r o ； c o r n e r c o r n e r l ( )ir e t u r nmc o r n e r l ； c o r n e r c o r n e r 2 ( )r e t u r nmc o r n e r 2 ；