LED光源的光强角度分布实验研究

陕西理工学院毕业论文题目LED光源的光强角度分布实验研究学生姓名张洲学号1210014017所在学院物理与电信工程学院专业班级物理学师范类1201指导教师贺雅奇_完成地点陕西理工学院陕西理工学院毕业论文第1页共15页LED光源的光强角度分布实验研究张洲（陕西理工学院物理与电信工程学院物理学专业1201班，陕西汉中723000）指导教师贺雅奇摘要LED作为一种新型照明光源并获得越来越广泛的应用，无论是在照明领域还是在其他领域都离不开基础的技术支持。本文基于MXY8201综合测试系统，通过对红光和绿光LED光源的伏安特性的说明，综合测量LED光学元件的发光强度随角度的分布规律，提出并验证LED光源的发光角度规律。使其在生产生活中能达到人们所需的要求，更好的利用，得到进一步的发展。关键字LED，发光原理，光强角度分布引言发光二极管LIGHTEMITTINGDIODE,LED作为第四代光源应用在普通照明领域,同白炽灯、荧光灯等传统光源,无论是发光的原理,还是发光的特性,甚至包括照明光源的结构和驱动等都有显著差别,对于LED光源的光强角度分布研究,必须针对其特殊的发光特性,采用相应的测试方法和技术，由于目前缺乏明确的技术标准等,造成技术发展上的滞后,暂时往往借鉴的是传统光源的测试手段,把LED看作是一个点光源,实际上是回避了LED光源测试方面存在的一些技术难题,并不能真正反映LED半导体照明光源的发光特性。一些研究报告也提出,对于LED来说,配光曲线和光强空间分布存在区别由LED是一种谱带较宽、角发散较大的非相干光源。由于LED结构简单、易调制、可靠性好,且对温度不甚敏感,从仪器设备的指示到空间照明LED广泛应用在生产生活的各个领域。1LED的简述11LED发展的历史和现状20世纪初人们第一次在碳化硅中观察到电致发光现象，由于发出的黄光过暗，且不适用实际应用因此被搁置，随着电流的广泛使用，在20世纪60年代应用半导体PN结的发光原理制成的第一只发光二极管问世。早期所用的材料以GAASP发红光65ONM为主,在驱动电流20MA时,光通量只有千分之几流明LM,光通量单位,发光效率只有01LM/W,只能做指示灯。到20世纪70年代,材料研究不断深入,引入了IN和P,使LED能够产生绿光555NM、黄光590NM和橙光610NM,光效提高到1LM/W,应用进入显示领域。80年代以后,出现了GAAIAS的LED,其封装技术也逐步提高,红、黄色LDE光效可达10LM/W。90年代初,发红光、黄光和发绿光、蓝光两种新材料开发成功,使LDE光效得到大幅度提高。1993年日本日亚化学公司率先在蓝色氮化稼LED技术上突破并很快产业化,进而于1996年实现白光LDE之后,1998年推向市场,为LDE找到了照明的新舞台。白光LDE得到了迅速发展,并在普通照明领域显示出良好的应用前景1。与传统光源相比,单个的LED发出的光比较弱，只能照亮近处的物体，为了达到有效照明的目的，人们把许多的LED排放在一起，行成LED阵列，这样就能很好的利用在照明领域，发光效率还有很大的提升空间,因此LED在照明领域中的应用具有很好的前景。目前市面上己经出现了很多LED照明应用类产品如路灯、隧道灯、室内照明灯等,其技术的发展非常迅速尤其是大尺寸的LED背光技术发展势头迅猛持续，但也存在着许多的挑战如光通低、价格高、显色性差、光衰问题、光学系统问题、散热问题等。相信,随着LED行业技术的发展以及LED应用的推广和深入,其成本会不断下降,技术参数会进一步提高,在各领域的应用也会变得越来越广泛2。陕西理工学院毕业论文第2页共15页12LED的发光机理和主要技术从参数121LED的发光原理LED（LIGHTEMITTINGDIODE，发光二极管）是一种半导体元器件。发光二极管根据封装不同其组成成分不同，但不管何种封装，发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片。它是一种将电能转化成光能的半导体，改变了白炽灯钨丝发光和节能灯三基色粉发光的原理，而采用电场发光（EL）。其中P型半导体（一般掺主族元素）里面占主导地位的载流子是空穴,N型半导体（一般掺主族元素）里面占主导地位的载流子是电子。当这两种半导体接触一起时，在接触界面附近P区的空穴向N区扩散，同时N区的电子向P区扩散，因此接触界面处的载流子消失,只剩下带电的固定离子,这些离子形成空间电荷，电场方向由N区指向P区，该电场抑制了载流子的进一步扩散，达到平衡,此空间电荷区也称为“PN结”。当在晶片上通正向电压时，即P端接正极,N端接负极，则电子从N区向P区漂移，同时空穴从P区向N区漂移，电子和空穴将在空间电荷区复合后消失同时以光的形式释放出能量,这就是我们所看到的LED发光。从能级上讲，当晶片通电时，价带中的空穴和导带中的电子发生复合时，电子就会从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，如图11所示为LED发光原理图。PN结发出的光子没有确定的方向,因此向各个方向发射，PN结半导体材料的折射率比空气的折射率高,半导体内部发出的光子只有极少数的光子能够逸出半导体材料与空气的界面,大多数都被反射回到半导体的内部,最终被吸收。可以把逸出效率描述为逸出发光二极管的光子数与PN结产生的光子数之比。可以通过选择不同的封装几何形状与封装材料来提高逸出效率，使其更好的得以应用。值得一提的是，当半导体中的元素不同时，LED将发出不同颜色的光。图11LED的发光原理图单色LED是由砷化镓GAAS、磷化镓GAP、磷砷化镓GAASP等半导体制成的,核心是PN结。因此,LED具有一般PN结的特性,即正向导通,反向截止,击穿特性。发光二级管属于固体发光,在正向电压下,空穴由P区注入N区,电子由N区注入P区。注入对方区域的少子与多子复合而发光。白光LED的出现加速了半导体照明,现阶段,随着白光LED的发展,越来越多的室内室外照明都采用了白光LED。要想得到连续光谱的白光,必须以其他的方式合成白光,这是由半导体材料的发光机理决定的。目前,LED合成白光的方式主要有三种类型单芯片型、双芯片型和三芯片型,其中单芯片型LED按照发光材料的不同又可分为以下几种INGAN/YAG蓝色LED,它是用蓝色光激励YAG荧光粉发出黄色光,组合成耳机色白光LED,应用广泛。INGAN/荧光材料蓝色LED,它是在蓝色光下使用蓝、绿、红三种荧光粉组合成三基色的白光LED。ZNSE蓝色LED,它是从薄膜发出蓝色光使基板被激励发出黄光复合成的白光LED。INGAN/荧光材料紫外LED,它是用INGANLED发出的紫外光激励三基色荧光粉发出白光的。现阶段常用的的双芯片型LED是以发光材料为INGAN和GAP的青LED和黄绿LED构成其芯片的,该LED是利用互补的关系将双色LED封装在一起。而三芯片型LED采用发光材料为INGAN、ALLN、陕西理工学院毕业论文第3页共15页GAP的蓝LED、绿LED、红LED构成其发光芯片这样就可以获得一个全彩色的发光3。122LED的主要技术参数LED的主要技术参数有三个方面电学、光度学和色度学。本文主要说明电学、光度学参数，下面将衡量LED性能的包含在这三个方面的不同参数分别予以介绍。1相关电参数正向电流驱动发光二极管正常工作的额定正向激励电流。LED标准的驱动电流20MA。正向电压通过发光二极管的正向电流为确定值时，在两极间产生的电压降。反向电压由反向电流通过，从而在两极间产生的电压降。LED工作有最大反向电压VRM，超过此值时，LED可能被击穿损坏，一般要求为VR06VRM。反向电流二极管在规定的温度和最高反向电压工作下，流过二极管的反向电流。反向电流越小，管子的单方向导电性能越好。值得注意的是反向电流与温度有着密切的关系,大约温度每升高10，反向电流增大一倍。（2相关光学参数发光效率LED的发光效率表征器件电光转换的能力，一般用流明效率表示，即发出光的总光通量与加在LED两端的电功率。峰值波长光谱发光强度或辐射功率最大处所对应的波长。它是一个纯粹的物理量，一般应用于波形比较对称的单色光的检测。光通量发光体每秒钟所发出的光量的总和。发光强度光源在单位立体角内发出的光通量,也就是光源所发出的光通量在空间选定方向上分布的密度。照度被光均匀照射的物体，距离该光源1米处，在1平米面积上得到的光通量是1流明时，它的照度是1勒克斯。亮度表示发光面明亮程度的，指发光表面在指定方向的发光强度与垂直且指定方向的发光面的面积之比。（3相关色度学参数色度坐标表示某一特定颜色组成的一种数学方法，任一颜色均可由三原色匹配，而红、绿、蓝某一特定颜色的色度坐标R，G，B，RGBL，常用R，G，B表示一个颜色。色温色温是人眼对发光物体的一种感觉，光源发射的光与黑体在某一温度下辐射的光颜色最接近,则黑体的温度就称为该光源发射的光的相关色温,单位为K。低色温光源在能量分布中，红辐射相对多些，就是我们通常所说的暖光,提高色温，能量集中分布，蓝色辐射增加，称为冷光4。2LED基础知识上一章节已经简要说明了LED主要技术参数，对于本次实验的LED电学特征参数和光学特征参数将在本章进行详细说明。21LED的电学特征参数LED的电学特征参数主要包括正向电流IF，正向电压VF，反向电流IR和最大反向电压VR，这是衡量一个LED是否能够正常工作的最基本的判据。从电参数方面来看，正向工作电流是发光二极管正常发光时的正向电流值，LED必须是在PN结正向偏置的条件下工作，这时的出射光的能量是正向电压V和正向电流I的函数，而且LED的光辐射主要取决于通过PN结的电流，但LED的PN结中的过大的电流密度会引起部分过热从而破坏LED管芯的晶格结构，超过最大结温，会造成LED毁损的灾难性的后果，因而必须限制通过LED的驱动电流。正向工作电压是在给定正向工作电流情况下得到的器件的电压值。最大反向电压VRM为器件允许加的最大反向电压，超过此值，器件可能被击穿。LED是利用半导体材料制成PN结发光器件，电学特性是衡量LED性能的主要物理量，它包括正向电压、反向饱和电流以及伏安特性等，这些物理量反映了LED的内部结构的变化和质量水平的高低。图21所示为LED工作的电流一电压IV特性曲线图。发光二极管具有与一般半导体二极管陕西理工学院毕业论文第4页共15页相似的输入伏安特性曲线。图21LED伏安特性曲线OA段正向死区为开启LED发光的电压。红色黄色LED的开启电压一般为02025V，绿色蓝色LED的开启电压一般为03035V。AB段工作区在这一区段，一般是随着正向电压增加电流也跟着增加，发光亮度也跟着增大。但在这个区段内要特别注意，如果不加任何保护，当电压增加到一定值后，那么发光二极管的正向电压会减小，而正向电流会加大。如果没有保护电路，会因电流增大而烧坏发光二极管。OC段反向死区发光二极管加反向电压是不发光的不工作，但有反向电流。这个反向电流通常很小，在小于反向击穿电压的范围内，一般在几UA之内。CD段反向击穿区当反向偏压一直增加使其到达反向击穿区时，则出现反向漏电流突然增加而出现击穿现象。由于所用化合物材料种类不同，各种LED的反向击穿电压也不相同。22LED光学特征参数221立体角在进行理论计算和推导时常离不开立体角，它描述辐射能向空间发射、传输或者被某一表面接收时的发散或者会聚的角度。图22立体角定义为以锥体的基点为球心做一表面，锥体在球表面上所截取部分的表面积DS和球半径R平方比，如图22所示。表达式为陕西理工学院毕业论文第5页共15页DDRDRRDRDSDSINSIN22（21）式中，为光线与Z轴的夹角，表示光线和Z坐标轴组成的面与XZ平面的夹角。立体角的单位是球面度（SR）。对于半径为R的球，其表面积等于24R，所以一个光源向整个空间辐射能量或者一个物体从整个空间接收辐射能量时，其对应的立体角为4球面度。222光通量光源在单位时间内发出的光量称为光源的光通量通常以表示，单位为流明（LM），它是根据辐射对标准观察者的作用导出的光度量。对于明视觉，若辐射体的光谱辐射通量为E可视范围内的光通量表达式为DVDDKEM780380（22）式中DDE/为辐射通量的光谱分布；V为光谱光视效率，图23为明视觉时的函数关系图图23人眼明视觉函数MK为辐射的光谱光视效率的最大值1WLM，在单色辐射时，明视觉条件下的MK值为6831WLM550NMM；为光通量。223光强光源在给定方向的单位立体角内发出的光通量被定义为光源在该方向上的发光强度（简称光强），用I表示，如图24所示图24光强其表达式为DDI（23）其中D表示辐射方向上的微立体角，D为该立体角内的光通量，光强的单位用坎德拉表示（CD）。1979年第十六国际计量大会对发光强度的单位作了明确规定“某光源发出频率为5401012HZ（赫兹）的单色光，在特定方向上辐射强度为1/683W/SR，则此光源在该方向上的发光强度为1坎德拉”。陕西理工学院毕业论文第6页共15页224光强分布函数描述LED光强随角度分布规律，常用光强分布函数来表征，它在进行光学设计和理论计算时，是不可或缺的表达式。理想地,单颗LED常被认为是朗伯（LAMBERTIAN）光源，即LED的发光强度为发光角的余弦函数，COSII，其光强分布图为图21，通常将LED的光束角212当作衡量光源发光角度的标准,21表示当LED光强I等于LED法向光强的0I一半时的发光方向与法向之间的角度。容易算出，当20II时，21COS，所以120221。但是常要求LED的光束能更集中在一定的方向内，此时LED不能表示为朗伯光源，如90221，60221，30221等，于是常把LED称为近似朗伯光源，其光强分布函数可以用公式（24）表示MIICOS0（24）这里是发射光线与LED芯片平面法线方向的夹角，0I是法线方向的光强。根据光束角的概念，当时21，20II，求解上式（21），得LNCOS2LN21M（25）M值取决于LED芯片与LED封装透镜曲面中心的相对位置，芯片的位置正好在透镜曲面的曲率中心上（M1）为理想的朗伯分布。当90221时，M2，其光强分布函数20COSII；当60221时，824M，其光强分布函数8240COSII；而一些特殊的LED的M值一般大于30，所以公式（24）为LED光强随角度分布规律的表达式即光强分布函数，可知其光强大小从中心向两边迅速下降5。图25LED光强朗伯分布3LED光强测试及实验仪器介绍31LED光强测试方法在目前测量LED光强分布特性的方法有许多种78，普遍使用的传统配光曲线，大多采用旋转陕西理工学院毕业论文第7页共15页的方法进行测试能够准确的得到光强分布曲线，然而要正确反映LED器件的发光强度的空间分布特性仅仅一个或几个平面的配光曲线图是不够的。有许多的文章都对LED光强分布测试方法进行了研究。如多探测器法则是现在国内新的科研成果，可以实现LED光源光强分布的快速测试，其特点是测速快、精度高、信息量丰富具有时实性与直观性；基于LABVIEW的LED光强角度分布自动测量实验系统由于LABVIEW强大的自动控制及数据采集处理功能，以及简洁的图形化编程方式，不但可以提高LED光强角度分布的测量效率，还提供了一个开放的LABVIEW平台，使学生可以自主搭建完成该实验的控制系统和采集系统的程序框图等,而本实用MXY8201LED/LD发光角综合测试仪进行测试，通过改变偏转角来观察电流、电压是如何改变的进而用其来描述光强强度随角度的变化规律，以达到本课题的目的。32实验仪器介绍如图31所示为MXY8201LED/LD发光角综合测试仪的外形图，他由LED安装夹具（右侧）、标准立体角光电接受装置（接收筒）、角度读出刻度盘、光电探测器输出数字电压表（200MV电压表）、跨接在LED两端的数字电压表（20V电压表）、串联在LED供电电路中的数字电流表（20MA电流表）、控制LED工作电流的调节旋钮、控制LED工作电压烦人调节旋钮、控制LED的工作电压极性的转换开关（正、反向切换按钮）和电源开关等部件构成，为了避免杂散光的干扰，达到暗室的效果，使实验数据更加精确，实验仪将整套光学系统都安装在内部，只需将顶盖拆下，便可进行实验。LED安装夹具主要用来安装被测LED发光管，使LED管芯发光部位恰好在度数度盘的回转中心上。度盘的刻度位于回转度盘前方窗口的下方（读数窗），偏于操作者随时读取转角的刻度。LED安装夹具的上方有一个锁紧的螺钉，松开螺钉后LED灯可以前后调动和转动，使LED灯前端点能够置于机械回转中心上。光电接收装置（接收筒）中安放一只MMMM1010的硅光电池，它对LED发光中心所成的立体角为0001SR，符合“中国光学光电子行业学会光电器件专业分会”对LED发光角度特性测试方法的基本要求。转动度盘，从度盘前端的角度显示窗口中直接读出LED的转角，为各种角度测试提供准确的数据。图31MXY8201LED/LD发光角综合测试仪的外形图4实验操作41元件组装将LED发光二极管牢固地安插在LED光源装置上，二极管的长脚插入白色螺钉一侧的插孔内（正极，短脚插入黑色螺钉一侧的插孔内（负极）。将延长接圈拧到装置上，将接圈上的定位块旋转到合适位置，使得LED固定不动且与装置同轴，即完成LED光源装置的安装。光源装置后面黑陕西理工学院毕业论文第8页共15页色引出线为黒螺钉一侧（负极）插孔引出电极，而红色引出线为靠近白螺钉一侧（正极）插孔引出电极。将光源装置用支撑杆安装在磁性表装上，在用磁性表座将光源装置固定在导磁的光学台面上。42实验的内容421测量正向死区电压将电压可调旋钮逆时针旋到最底，然后打开平台电源开关，调节低压可调旋钮，使LED两端电压逐渐升高，同时观察流过LED的电流，并记录当前的电压值和电流值，多测几组数据，当电压升高到恰好使LED放光时停止旋转旋钮，观察电压表和电流表读数并记录，此时的电压为LED正向死区电压，将表中的数据在直角坐标系中找到相应的点，画出LED的正向死区电压的曲线。然后，更换不同颜色的LED，重复上述操作，测量不同颜色LED的正向死区电压，记录并画出曲线，比较不同颜色的LED正向死区电压是否相同，分析原因。422测量正向工作区将电压可调旋钮逆时针旋到最底，然后打开平台电源开关，调节低压可调旋钮，使LED两端电压逐渐升高，同时观察流过LED的电流变化，当电压升高到恰好使LED发光时停止旋转旋钮，观察电压表和电流表读数并记录，此时的电压为LED正向死区电压，继续调节低压可调旋钮，观察电压表和电流表的变化，直到LED电流达到30MA（LED的额定电流为30MA）时停止调节，多测几组数据，并记录，将表中的数据在直角坐标系中找到相应的点，画出LED的正向工作区的曲线。然后，更换不同颜色的LED，重复上述操作，测量并画出不同颜色LED的正向工作区曲线，比较不同颜色的LED正向工作区是否相同，分析原因。把LED的正向死区曲线和正向工作曲线和在一起，就是LED的伏安特性曲线。423测量光强随角度的关系将电压可调旋钮逆时针旋到最底，然后打开平台电源开关，调节电流旋转旋钮，使LED工作在正常工作区，调节角度读数刻度盘，读出相应的电压、电流数据，并记录。将所测的电流值进行计算即可得到相对应的光强并记录数据，将表中的数据在直角坐标系中找到相应的点，画出光强随角度的变化曲线图，并进行曲线拟合算出光强随角度的变化规律函数。然后，更换不同颜色的LED，重复上述操作，并测出不同颜色LED的光强随角度变化曲线图并进行比较和分析。5实验数据及其处理51实验原始数据记录见附录52实验数据处理根据实验所测的原始数据，利用软件进行数据拟合，并算出曲线方程及其误差。红光LED在零角度时，LED两端的电流与输出电压之间的关系，画出拟合图像如下图图51红光LED两端的电流与输出电压之间的关系图陕西理工学院毕业论文第9页共15页得出函数关系为XBAY（其中A054202；B194835；误差00001）很明显可知输出电压随LED两端的电流成线性变化。红光LED在LED两端的电压为190V，LED两端电流为5110MA时的输出电压随角度的变化关系，画出拟合图像如下图图52红光输出电压随角度的变化关系图从图中可以观察到，当LED两端的电流和电压保持不变时输出电压随着角度而改变，并且在零度角时最大，到达正角和负角两侧迅速降低，直至零。绿光LED在零角度时，LED两端的电流与输出电压之间的关系，画出拟合图像如下图图53绿光LED两端的电流与输出电压之间的关系图得出函数关系为XBAY（其中A350393；B20874；误差00001）很明显可知输出电压随LED两端的电流成线性变化。红光LED在LED两端的电压为190V，LED两端电流为5110MA时的输出电压随角度的变化关系，画出拟合图像如下图图52绿光输出电压随角度的变化关系图陕西理工学院毕业论文第10页共15页从图中可以观察到，当LED两端的电流和电压保持不变时输出电压随着角度而改变，并且在零度角时最大，到达正角和负角两侧迅速降低，直至零。6实验结论及其分析61LED伏安特性因本实验仪器对LED的伏安特性曲线无法测试，经查阅资料发现，当电压大于某一值时，LED才有明显的电流反映，原因是LED的PN结有内建电场，在LED工作时有一定的开启电压，而当正向电压小于开启电压时，就不会测量到正向电流；还有一个原因可能与测量时测量仪器灵敏度有关，当LED有微弱的正向电流时，虽然有实际的输入功率，但电流不足以激励电流计，电流计也就没有读数。绿光LED的阈值电压大概为288V左右当输入的正向电压低于阈值电压时，电路电流几乎为零，同时LED不发光。当输入电压超过阈值电压时，电路的正向电流是剧烈增加的，增长几乎是按指数规律的。红光LED的阈值电压大概为175V左右比绿光LED的小。红光LED与绿光LED一样，当输入的正向电压低于阈值电压时，电路电流几乎为零，同时LED不发光。当输入电压超过阈值电压时，电路的正向电流是剧烈增加的，增长几乎是按指数规律的。62光强随角度的变化关系根据实验所测的数据可知，当不改变光强角度时仅仅改变LED两端的电流则LED两端的电压随之变化，输出电压与LED两端电流基本成线性关系，随着LED两端电流的增大输出电压也增大；当不改变LED两端的电压和电流时，输出电压随着角度而改变，并且在零度角时最大，到达正角和负角两侧迅速降低，直至零。说明其光强大小从中心向两边迅速下降，与前面理论相对应。此实验很好的验证了LED光源光强随角度变化的分布规律。陕西理工学院毕业论文第11页共15页参考文献1刘静LED照明系统的研究与设计M延安大学2009152罗晓霞LED照明系统的优化设计M中国科学院研究生院2011193刘莎LED路灯光学系统设计及光照度分布研究M西安工业大学20121314胡海蕾LED照明光学系统的设计及其阵列光照度分布研究M福建师范大学2005175夏勋力，余彬海，麦镇强近朗伯光型LED透镜的光学设计J光电技术应用，2010,25（1）22256赵静LED远场光强分布测试平台设计J仪器仪表与检测技术201433（10）78977孙浩杰，李梦远，庄杰，等LED器件光强分布测试方法进展J光学仪器20146（6）5555608任豪，王巧彬，李康业，等LED光源光强空间分布特性的快速测试J光学仪器200830（6）799董少杰LED照明系统光学设计和热学分析研究M浙江大学20122710屠大维，吴仍茂，杨恒亮，等LED封装光学结构对光强分布的影响J光学精密工程200816（5）83383711陈琼，刘红，李金国，等LED光源模型研究J照明工程学报200617（1）1128EXPERIMENTALSTUDYONLIGHTINTENSITYDISTRIBUTIONOFLEDLIGHTSOURCEZHANGZHOU（GRADE12,CLASS01,MAJORPHYSICS，PHYSICSDEPT，SHAANXIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY，HANZHONG723000，SHAANXI）TUTORHEYAQIABSTRACTLEDASANEWTYPEOFLIGHTINGSOURCEANDGETMOREANDMOREWIDELYUSED,BOTHINTHEFIELDOFLIGHTINGANDCANNOTLEAVETHEBASICTECHNICALSUPPORTINOTHERAREASBASEDONMXY8201COMPREHENSIVETESTSYSTEM,ANDTHROUGHTHEREDLIGHTANDGREENLIGHTVOLTAMPERECHARACTERISTICSOFLEDLIGHTSOURC