LED芯片及LED灯具的光学模拟和测试

摘要 LED灯相比传统的照明灯具具有节约用电，空间更小等特点。因此LED灯具日益成为人们生活的必需品。本文就ＬＥＤ灯的发光原理进行了简单的介绍。紧接着对LED芯片及LED灯具的光学模拟和测试做了详细的介绍。

关键词 LED芯片；光学模拟；Tacacepro

中图分类号TU7 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2014）113-0126-02

0引言

目前科学技术日益进步，人民的生活水平不断的提高。人们对家具生活得舒适程度也要求越来越高。现在国内外一些发展快速的城市的住宅用的灯具、景观灯已经大马路上面用的照明路灯已经大部分都开始采用新型的LED节能灯了。但是由于LED灯的制作成本较高，导致LED在市场占领方面略显迟缓。目前国内外著名学者和一些研究机构以及一些大型的企业正在夜以继日的不断探索，希望可以研究出一些新型的LED材料，减小LED制作的成本，使得LED灯的普及率更加高些。

1 LED灯的发光原理和LED的光学参数

1.1 LED灯的发光原理

Light emitting diode的英文缩写就是LED。LED的基础结构是在一小片的发光半导体材料上面，放置一个电极的引线架子，接着在架子的周围用环氧树脂固定并密封。这样子可以起到保护电机芯线和半导体的作用，这样子制作出来的LED抗震性非常好，且具有一定的防水作用。

LED发光二极管的主要部分是有由两片N型的半导体和P型半导体背对背制作而成的芯片。因为P型半导体材料和P型半导体材料上面都带了载流子，这两种不同的半导体的交界面之间会形成一个空间电荷存储区间。也就是我们常说的PN结。在给半导体材料的正负极之间加上电压的情况下，PN结之间就会形成电场，PN结中的空子和电子就会在电子的作用下发生运动，并结合在一起。在空子和电子的结合过程中，会产生多余的能量，则这些能量会以发光的方式释放出来。最终实现电能向光能的转换。LED的发光原理图图1所示。给LED加上正向电压，也就在半导体的P极接上正极，在半导体的N极接上负极。在LED的两极之间就会形成电流，电流从正极流向负极，这样子在空穴跟电子的结合过程之间就会发出不同颜色的光。LED间通的电流大小决定了Led的发光亮度。而LED的发光颜色主要是由半导体材料里面参杂的荧光粉的材料来控制的。

1.2 LED的光学参数

为了鉴别一个LED的好坏，经常会有一些参数来描述LED。常用的LED的光学参数有光通量、发光强度、亮度、色温、显色性以及光效等参数。

光通量是指在正常情况下人眼可以感觉到的光的辐射功率。它等于在单位时间里面一束光的辐射的能量与该束光所对应的相对视率的成绩。由于人眼对不同的光的灵敏度不一样，所以当光的辐射功率相等的时候，并不能代表光通量也是相同的。发光强度又叫光强，它是指发光体在一个固定的立体单元里面传输的光通量与该立体单元的面积的商，这个商就代表了单位体积的光通量。亮度是指光源在给定的一个方向里面单位体积上面的光束的发光强度。而光效而是指光源的发光效率。也就是光源的总光通量与该发光体所消耗的能量的商。发光体的发光效率越高，代表了该照明设备将电能转化成光能的能力越强。也代表了在同能的能量的情况下，该设备的照明性能越强，也就是该设备所能达到的亮度越大。显色性是指光源对物体颜色的分辨程度。也就是对颜色的逼真效果。发光设备的显色性能越高，则该设备对颜色的在线能力越强，而我们看到的颜色也就越接近于其本来的颜色。而显色性能较差的设备，则对颜色的能力在线能力越差，我们所看到颜色也与越来的颜色相差越大。

尽管LED灯功率小，占用空间小，易于调色，颜色可操作性强。但是LED光源也存在一些缺陷。主要缺陷表现在以下几个方面：LED发光功率小、LED的成本价格太高、制作工艺要求高。

2 LED芯片的测试

由于LED技术发展迅速，LED市场也发展快速。目前不少企业正逐渐把大量的资金都投入到LED行业当中，并成立的相应的企业。然而当中却存在一些唯利是图的商人，他们利用人们对LED技术的缺乏的弱点，都宣称自己企业的生产的LED灯的寿命可以达到60000小时以上，有的商家甚至说明自己的产品可以达到110000小时以上。为此如何才能正确的区分出那些产品是合格产品，那些产品的质量真的就像商人所描述的那样子，现在已经逐渐成为一个困扰使用者的巨大问题。为此，本文提供一个简单的测试办法：测试方案的电路图如下图2.首先，我们采用积分球来记录相应LED二极管在正向导通的情况下的导通压降。接着根据这个导通压降和电路的电流，确定和相对应二极管电路回路电阻值的大小。以确保二极管不被烧坏。接着在测试之前，对二极管进行校准，确保二极管寿命测试的准确性。然后测量每个二极管在不同的工作电流下的发光量是多大以及正向导通压降是多大，并通过光谱分析仪器来确定每个二极管的最初光谱是什么。为了保证测量的精度，对每个二极管都测试5次以上，并取平均值。最后记录该数据。最后在每个月的固定时间段对每一颗的LED都进行测试，测试其的光通量，并给LED同上三种不同的电流，并记录此时的LED的光通量，根据不同电流下的LED的光通量值绘制出相应二极管的光通量变化曲线。根据绘制的二极管的光通量变化曲线就可以大致的计算出二极管的实际工作时间。通过二极管的频谱分析仪可以知道二极管的色度漂移情况。

3 LED芯片及LED灯具的光学模拟

传统的LED灯的照明设计都是通过大量实验得到的，尽管所测得的结果比较准确，但是这个测试结果只有在灯具的外观已经制作完成以后才可以进行大量实验。要是测试的结果不能和原先设计的一样，就需要重新设计LED的外观，浪费大量的人力和财力。本文以Tacacepro光学模拟软件为核心，对LED灯具的外观不断修改，对LED灯的数量和阵列方式不断的改进，通过模拟的方式，并进行了大量的仿真，终于得出了LED灯排列方式对LED灯总体发光效率以及空间照明的影响规律。并最终设计出了一种发光效率高，节约能源的LED灯具。LED的模拟过程如下;首先运用Tacacepro对LED灯具进行建模，所建的模型如图3。并通过软件设置LED芯片的光源属性等参数。接着定义LED灯具的各种材料特性。并定义光源的波长以及光源的阀值等不同的参数。最后运用软件对LED的光学设计模型模拟。

参考文献

[1]严萍，李剑清.照明用LED光学系统的计算机辅助设计.半导体光电，2004，25(3)：181-183.

[2]安连生，王自强.照明光学系统计算机辅助设计中光源的数学模型.灯与照明，1999，23(6)：29-31.

[3]胡海蕾.LED 照明光学系统的设计及其阵列光照度分布研究. 福建师范大学，2005.

[4]陈琼，刘红，李金国，等.发光二极管LED光源模型研究.光源与照明，2005，27 (14-17).