1. LED基礎

1.1 LED工作原理?

顧名思義，發光二極管（LED）是一種可以發出特定波長（顔色）光線的半導體器件。如同其它的半導體芯片, LED的半導體芯片（LED的實際發光單元）也會以塑料或者陶瓷進行封裝。當然，一個封裝當中可以存在一個，也可以是多個芯片。當LED處于正向導通（打開）時，電子會與空穴複合，同時以光子的形式釋放能量（如圖1.1.1所示）。這一效應通常被稱作為場緻發光。

圖1.1.1 當LED被激發，電子和空穴複合，同時，能量以特定波長（顔色）的光子形式釋放

LED技術，在照明應用領域裡有一個常用的專用名詞，被稱為固态照明（SSL：solid state ）。這是因為區别于白熾燈的照明原理（發光是通過熱輻射在可見光譜的部分來實現），固态照明所指的技術是以固态的場緻發光來實現。

白光LED的工作原理

最常見辦法是使用單色LED（多數為铟镓砷工藝的藍光LED）配合不同顔色的熒光粉來實現白光，對應的LED被稱作為熒光粉白光LED. 高亮度LED（HB LED）所激發的藍光一部分通過熒光層轉化為黃光，另一部分直接以藍光方式穿過熒光層。最終，藍光和黃光的混合構成了白光。

圖1.1.2 a)：常見的基于熒光粉的高亮白光LED的内部結構

圖1.1.2 b)： 空穴與電子複合産生的藍光光子

圖1.1.2 c)：藍光的一部分直接通過熒光粉層，另外的部分在通過熒光粉層時被轉化為黃光

圖1.1.2 d)：藍光和黃光部分混合在一起得到白光

基于熒光粉的白光LED的光譜分析中，我們可以很清楚的看到LED所直接激發的藍光部分以及相對較寬光譜分布由熒光粉激發的黃光部分。

圖1.1.3 藍光與黃光混合可以得出白光，牛頓色散實驗證實了這一現象。

2. LED 光學

2.1 介紹

光學是物理學的一個分支，它研究光的特性和行為，包括光與物體的相互作用、用光儀器和測光儀器的構建。

燈具是一種用來改變光源光分布、使光漫射或者改變光譜成分的裝置，實現這一目的需要使用為特定光源設計制造的光學元件（反射器、漫射器、透鏡等）和輔助部件（插座、引線、啟輝器、鎮流器等）。燈具中還包含用來固定和保護光源及線路附件的部分。

圖2.1.1：簡化的LED燈具功能組合

光學元件

光學元件的主要功能是改變光源光通量強度分布和（或）使光漫射、改變其光譜成分。不同幾何結構的光學元件能産生不同的光強分布曲線（LIDC）。

使用光學元件的目的:

改變光源光通量的分布，規束它或者打散它；減少觀察者能夠感受到的一定角度内的亮度–限制眩光；改變光源發射的光譜–濾光。光強分布曲線——LIDC

近似點光源在各方向的光強度進行測量，用矢量在以光源為中心的空間中加以标注，再将各個矢量的終點連接，就能得到該平面的光亮度表面（注：這是一個3D表面）。在計算中，通常隻需要知道3D表面中幾個特定截面的數值分布就夠了，這些截面通常都是通過光源中心的。這樣，我們就得到了極坐标下的光強分布曲線。

圖2.1.2：标準(-1)光強分布曲線截面體系。

LIDC通常顯示在一個通過光源或燈具中心的平面上。最常用的光束面是C-γ（注：意即我們常說的C平面），它的軸線垂直于燈具的主出光面。

制作光強分布曲線圖時，光強度值統一按的光源光通量來表示，這是為了使燈具的光強分布曲線不受所用光源的光通量的影響。照明空間要求使用不同的配光曲線來達到特定應用或視覺作業的标準（見圖2.1.3和2.1.4）。以下是一些有着不同光學元件的燈具，他們可以适用于各種不同的需求。

圖2.1.3：光強分布曲線的基本形狀

圖2.1.4：光強分布曲線的基本方向

光學元件的效率 —— LOR（ Ratio）

公式如下:

光學元件的效率等于燈具光通量和所有光源的總光通量之比。

2.2 反射器

反射器是一種通過反射材料的反射來控制光源光線的光學元件。反射材料分為鏡面反射，漫反射和混合反射材料。

反射器主要分為兩種：第一種指四種基礎的幾何圓錐形反射器——橢圓形、帶狀、雙曲線和抛物線型（圖2.2.1）。第二種指非圓錐反射器，比如方形或不對稱的，它們的反射表面也是基本幾何圖形。

圖2.2.1：反射器的四種基本幾何形狀

橢圓形反射器——如果光源被放置在橢圓形反射器的焦點，那光束将會被反射到假想橢圓的另一個焦點。這樣的反射器常應用在中寬光和寬光配光燈具中。

帶狀反射器——這種反射器用圓心在外部的不同圓弧相接而成。這種反射器的優點是能精準地将光投射到想要的位置，但反射器的幾何結構對生産的偏差非常敏感。

雙曲線型反射器——産生中寬配光和寬配光。

抛物線型反射器——産生窄配光。這樣的反射器被應用在相對小的需要高照明水平的區域。

圖2.2.2：LED光源的各種反射器

多晶面反射器——反射器包含了大量針對反射器焦點設計的不同旋轉角的小表面，這樣可以保證在所需方向上達到更好的光通量分布。

圖2.2.3：多晶面反射器：可确保在所需方向更好的光通量分布

反射器遮光角

遮光角指示了光源被燈具内反射器遮住的角度。遮光角是水平面和反射器邊緣與光源末端連線的夾角（圖2.2.4）。遮光角的定義如下：

h：給定光源發光表面到反射器出光口水平面的距離

R：反射器出光口的半徑

r：光源半徑

圖2.2.4：遮光角

圖2.2.5：各種光源的端點位置

圖2.2.5展示了不同光源的發光表面。例如，透明白熾燈泡的發光表面是算相對觀察者而言的燈絲另一側的末端。

2.3 漫射器

漫射器使光線通過它時産生散射。漫射光同樣可以通過光在白色表面上的漫反射得到。基于漫射原理，漫射器分為以下幾種：乳白型、高斯型和棱鏡型漫射器。 (如圖2.3.1所示)

圖 2.3.1：基本類型的擴散機制

具有均勻分散穿透特性（乳白型）的漫射器可以将來自光源的光均勻漫射到各個方向卻不顯現光源的形狀。混合穿透特性（高斯型或棱鏡型）的漫射器将光通量分布改變至特定的方向，不僅不顯現光源的形狀，還可以重塑光強分布曲線。

乳白型漫射器——乳白型漫射器—将光通過含有均勻分布的散射顆粒的普通漫射材料，産生餘弦光強分布曲線.

高斯型漫射器——産生高斯型光強分布曲線。光透過像噴砂面一樣的精細結構表面後，被散射到不同的方向。

圖2.3.2：乳白型漫射器與高斯型漫射器的比較

棱鏡型漫射器——由微棱鏡漫射器組合而成，從根本上說它們都是折射透鏡。根據折射定律，可以利用像棱錐形、六邊形、球拱形和三角錐型這樣的幾何構造，來創造所需的光強分布曲線。它們通常用于要求高的照明質量指标的燈具中（UGR-統一眩光值；Lavg 燈具的平均亮度）.

以下是最常用的微棱鏡漫射器示例：

＃直線115°棱鏡＃

＃直線90°棱鏡＃

＃特殊形狀的微棱鏡＃

＃方錐棱鏡＃

＃三角錐棱鏡＃

2.4 透鏡

透鏡是一種具備精确或近似軸向對稱特性的光學器件，它可以使光線穿透和折射，從而會聚或者發散光束。

圖2.4.1：兩種基本類型的透鏡——凸（會聚）透鏡

圖2.4.1：兩種基本類型的透鏡——凹（發散）透鏡

一個單透鏡包含一個光學元件。一個複合透鏡包含一列同軸的單透鏡。使用多透鏡組合可以比使用單透鏡減少更多的像差。透鏡多為玻璃或透明塑料制成。

圖2.4.2：LED光源使用的不同類型的透鏡

2.5 光學元件材料

不同的光學元件需要不同的光學材料。反射器多采用不同表面處理的鋁和粉末噴塗的金屬闆材。而透明聚碳酸酯（PC）、聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）被用于微棱鏡型漫射器和透鏡。.

反射光學材料——使用不同特性的材料來滿足不同種類的反射。以下是三種基本的反射類型：鏡面反射、漫反射和混合反射。不同種類反射之間的區别在于鏡面反射和漫反射之間的比例。

圖2.5.1：不同類型材料的反射

鋁——因為鋁有優秀的反射比，它是高質量反射器中最常用的材料。陽極化處理鋁、抛光鋁和覆蓋多層銀的鋁片也被用于達到更高的反射率和抗劃痕。

經過表面處理的鋼闆——鋼闆通過白色粉末噴塗成不同的形狀和結構之後，可以達到所需的反射效果。如果要求達到高效率的朗伯體反射，一種特殊材料（WHITE OPTIC 97）可以應用在鋼闆上。

折射光學材料：

PC——可塑性強，可熱塑成型。它的折射率等于1.584。

PMMA——波長為2.8至25微米的紅外光可透，波長短于300nm的紫外輻射不可穿透。反射率為1.49。

光學人生