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浅谈LED产生有色光的方法   
2012-10-22 10:23:29
 

 

 LED的发光顏色和发光 效率与制作LED的材料和工艺有关 ,目前广泛使用的有红、绿、蓝三

种。由于LED工作电压低(仅 1.5-3V),能主动发光且 有一定亮度,亮度又能用电压(或电

流)调节,本身又 耐冲击、抗振动、寿命长(10万小时)。制造 LED的材料不同,可以 产生具

有不同能量的光子 ,藉此可以控制LED所发出光的波长, 也就是光谱或顏色。

  史上第一个 LED所使用的材料是砷 (As)化鎵(Ga) ,其正向PN结压降(VF,可以理解为点

亮或工作电压 )为1.424V,发出的光线为红 外光谱。另一种常用的LED材料为磷(P)化鎵

(Ga),其正向PN结压降为2.261V,发出的光线为绿 光。

  基于这两种材 料,早期 LED工业运用GaAs1-xPx材枓结构,理论上 可以生产从红外光一

直到绿光范围内任 何波长的LED,下标X代表磷元素取代砷 元素的百分比。一般通过 PN结压

降可以确定 LED的波长顏色。其中 典型的有GaAs0.6P0.4 的红光LED,GaAs0.35P0.65的

橙光LED,GaAs0.14P0.86的黄光 LED等。由于制造采用 了鎵、砷、磷三种元素,所以俗

称这些LED为三元素发光管。

  而GaN(氮化鎵)的蓝光 LED 、GaP 的绿光 LED和GaAs红外光LED,被称为二元素

发光管。而目前最 新的工艺是用混合铝(Al)、钙(Ca) 、銦(In)和氮(N)四种元素的 AlGaInN 的

四元素材料制造的 四元素LED,可以涵盖所有可 见光以及部份紫外光的光谱范围。

  发光强度:发 光强度的衡量单位有照度单位(勒克司Lux)、光通量单位( 流明

Lumen)、发光强度单位 (烛光 Candle power) 1CD(烛光)指完全辐 射的物体,在

白金凝固点温度下 ,每六十分之一平方公分面积的发光强度。(以前指直径为2.2公分,品质

为75.5克的鲸油烛,每小 时燃烧7.78克,火焰高度为 4.5公分,沿水准方向 的发光强度) 1L

(流明)指 1 CD烛光照射在距离为 1公分,面积为 1平方公分的平面上 的光通量。

  1Lux (勒克司)指 1L的光通量均匀地分 佈在1平方米面积上的照 度。一般主动发光体采

用发光强度单位烛 光 CD,如白炽灯、 LED等;反射或穿透型 的物体采用光通量单位流明L,

如LCD投影机等;而照度 单位勒克司Lux,一般用于摄影等 领域。三种衡量单位在数值上是等

效的,但需要从不 同的角度去理解。比如:如果说一部LCD投影机的亮度(光 通量)为1600

流明,其投影到全 反射屏幕的尺寸为60英寸(1平方米),则其照 度为1600勒克司,假设其

出光口距光源 1公分,出光口面积 为1平方公分,则出光 口的发光强度为1600CD。而真正的

LCD投影机由于光传播 的损耗、反射或透光膜的损耗和光线分佈不均匀,亮度将大打折扣,一

般有50%的效率就很好了 。

  实际使用中, 光强计算常常采用比较容易测绘的资料单位或变向使用。对于LED屏幕这种

主动发光体一般采 用CD/平方米作为发光 强度单位,并配合观察角度为辅助参数,其等效于

屏体表面的照度单 位勒克司;将此数值与屏体有效显示面积相乘,得到整个屏体的在最佳视角

上的发光强度,假 设屏体中每个图元的发光强度在相应空间内恒定,则此数值可被认为也是整

个屏体的光通量。 一般室外LED屏幕须达到 4000CD/平方米以上的亮 度才可在日光下有比较

理想的显示效果。 普通室内LED,最大亮度在 700~2000 CD/平方米左右。

  单个LED的发光强度以 CD为单位,同时配有 视角参数,发光强度与LED的色彩没有关

係。单管的发光强度 从几个mCD到5000mCD不等。LED生产厂商所给出的 发光强度指LED

在20mA电流下点亮,最佳 视角上及中心位置上发光强度最大的点。封装LED时顶部透镜的形

状和LED芯片距顶部透镜的 位置决定了LED视角和光强分佈。 一般来说相同的LED视角越大,

最大发光强度越小 ,但在整个立体半球面上累计的光通量不变。当多个LED较紧密规则排放,

其发光球面相互叠 加,导致整个发光平面发光强度分佈比较均匀。

  在计算屏幕发 光强度时,需根据LED视角和LED的排放密度,将厂 商提供的最大点发光强

度值乘以30%~90%不等,作为单管 平均发光强度。一般LED的发光寿命很长, 生产厂家一

般都标明为 100,000小时以上,实际还 应注意 LED的亮度衰减 L期,如大部分用于 汽车尾

灯的UR红管点亮十几至几 十小时后,亮度就只有原来的一半了。

  亮度衰减 L期与LED生产的材料工艺有 很大关係,一般在经济条件 许可的情况下应选用亮

度衰减较缓慢的四 元素LED。配色、白平衡: 白色是红绿蓝三色按亮度比例混合而成,当光线

中绿色的亮度为 69%,红色的亮度为  21%,蓝色的亮度为  10%时,混色后人眼 感觉到的是纯

白色。但LED红绿蓝三色的色品 座标因工艺过程等原因无法达到全色谱的效果,而控制原色包

括有偏差的原色的 亮度得到白色光,称为配色。当为全彩色LED屏幕进行配色前, 为了达到最

佳亮度和最低的成 本,应儘量选择三原色发光强度成大致为3:6:1比例的LED器件组成图素。

  白平衡要求三 种原色在相同的调灰值下合成的仍旧为纯正的白色。原色、基色:原色指能

合成各种顏色的基 本顏色。色光中的原色为红、绿、蓝,下图为光谱表,表中的三个顶点为理

想的原色波长。如 果原色有偏差,则可合成顏色的区域会减小,光谱表中的三角形会缩小,从

视觉角度来看,色 彩不仅会有偏差,丰富程度减少。

  LED发出的红、绿、蓝 光线根据其不同波长特性和大致分为紫红、纯红、橙红、橙、橙

黄、黄、黄绿、纯 绿、翠绿、蓝绿、纯蓝、蓝紫等,橙红、黄绿、蓝紫色较纯红、纯绿、纯蓝

价格上便宜很多。 三个原色中绿色最为重要,因为绿色佔据了白色中69%的亮度,且处于 色彩

横向排列表的中心 。因此在权衡顏色的纯度和价格两者之间的三基色组成方式,在三基色设计

应用中通常是,通 过调节设定LED电流来达到白平衡 和最大的期望亮度值。

  我们一般将最 简单、最优化的配色方式作为,设计全彩显示技术的顏色再现方法。白平衡

是检验顏色组成的 重要标誌之一。三基色白光 一般是红绿蓝三基色按亮度比例混合而成,当光

线中绿色的亮度为  69%,红色的亮度为  21%,蓝色的亮度为 10%时,混色后人眼感 觉到的是

纯白色。早前的 CRT电视机到现在的 LCD液晶显示都是这样 组成的。

 
 
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