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1、LED照明光学入门 王国定 2011.11 上海,一. LED辐射光的传播路径-外量子效率1.光线传播的基本定律-光能守恒定律光在介质中传播时,若从一种介质进入另一种介质时,在界面处会发生吸收、透射、折射和反射,且遵守能量守恒,即有：i=+-(1)式中：i 为入射光能； 为反射光能； 为透射光能； 为被吸收的光能。,由(1)式定义和三个系数,即：反射系数 =/ i；透射系数 =/i；吸收系数 =/i图3-1示出光在二种介质中传播的示意图。利用反射、透射特性,可用于照明设计中对光进行控制和分配。 。,2. 光的折射定律光线在不同密度的 介质中传播时速度会 不同,因而会在二种 介质界面发生折射且
2、有：n1sin1=n2sin2 即折射定律,式中：n1 为介质1的折射系数n2 学介质2的折射系数1 为入射角2 为折射角下表列出一些介质的折 射系数,3. 光的透射光射入到某些介质时能透射过去,且光谱的单色分量不变,透射能力用透射系数来衡量。透射可分为：定向透射(a)、扩散透射(b)和谩透射如下图所示,右表列出常用介质的 透射系数,以 亚克力有机玻璃透射最好。,4. 光的反射(1) 定向反射定向反射即镜面反 射是指光的入射角 等于反射角的反射。 即有1=2,(2). 定向扩散反射是指将入射光经被 照射面反射出一束发 散的光束反射出去。 如右图所示。,(3). 漫反射漫反射是指反射光 的分布与
3、入射光的方 向无关的反射,如路面 对灯光的反射即漫反 射的例子,且是均匀谩 反射。,均匀漫反射是一种有规律的反射,在反射光束中,法向方向反射光强最夫为I0,其余方向可表为：I=I0cos-(2)这就是朗伯余弦定律,利用它可推导出由照度计算的均匀漫反射被照面的亮度B：B=E/-(3)利用光的反射持性可设计灯具,如手电等,2. LED 辐射光的特性(1)芯片全反射临界角LED 器件向外辐射出的光是来向其有源层即MQW层,也即其PN结。若它是GaN材料,折射率为3.6,若向空气中发射光,空气折射率为1,于是可求其全反射的临界角c为：c=arcsin(n1/n2)式中：n1=1n2=3.6c=16.2
4、6。为90半平面的18,有82的光反射回芯片内部,外量子效率低于20。,(2) 芯片到空气中加置过渡层后的出光率假设中间层折射率介于13.6中间为2.3则芯片出光率现在为：芯片射入中间层的出光率为：c1=arcsin(1/2.3)=25.77占半平面的28.6中间层到空气的出光率为：2=arcsin(2.3/3.6)=39.7占半平面的44.11从芯片到空气的出光率现仅为0.28.60.44.11=12.6较芯片直接到空气耍低。显然这就LED外量子效率不高的原因所在。,(3) 芯片出光率提升措施筒介(a) 表面粗化工艺将芯片出光面用化学腐触方乃使之呈锯卤形提亮反射临界角。这是日本日亚最早提出的
5、方法。(b) 芯片几何形状改进成倒梯形将正方体的芯片改成例梯形提高边缘出光。(c) 加置金属反射层在芯片底部加金属反射层,将一部分全反射回芯 片的光再反射出去。(d) 用光子晶体技术控制出光这里从略,另文介绍。,LED芯片经表面粗化工艺处理后提高外量子效率的光路示意图：,二. LED 光源的辐射光线的控制与分配用LED作光源的灯具的辐射光线的分配与其他人工光源类似,不同之处在干它是平面光源,用于定向辐射光的灯具时光向利用率更高。不同类型灯具的配光耍求也不同,典型的路灯、球泡灯、射灯(又称PAR灯)、日光灯以及格栅灯的配光曲线可参看：光学讲座弟六讲=如何看配光曲线。LED 作光源的灯具的配光,较
6、传统人工光源配光耍复杂,需耍二次配光,而且耍在每个LED上配透镜来进行灯的配光,成本也高。,1. LED发光强度的空间分布配光曲线光源的发光强度在空间的分布用极坐标来表示时，将极坐标矢量未端连成的曲线称为极坐标配光曲线，简称配光曲线。如下图所视：,2. 如何读解配光曲线实际土,光源的辐射光的分布是一三维分布即立体分布。可以将平面分布,即极坐标配光曲线沿着法线旋转360即可。但一般只关心两个相互正交的平面的配光曲线,即：0-180的面和90-227的面。这二个平面如同用刀将一只西瓜切了互相垂直的二刀形成的平面。,下 图是二个正交平面的示意图,以下例举几种典型的灯具的配光曲线图线，介绍一下如何解读
7、。 1、路灯 （1）路灯的配光曲线矩形光场配光,（2）路灯的光场示意图灯距d灯高h一般：h3d路宽：w光场面积：A=1/2wd (m2)要求路面照度（或亮度）均匀度：Emin/EA 0.6,2、日光灯 （1）无格栅日光灯（灯管加反光座）是一个朗伯型配光，如下图所示，即光线沿法线两边对称分布，随着角度的增加光强减弱。,（2）格栅日光灯加置反射罩和分光罩的日光灯，称格栅灯。它是用于室内照明，要求被照面照度分布均匀的配光，即蝙蝠型配光分布（路灯市参照它配光的）,（3）射灯射灯市窄光束投光灯，即灯的辐射光束角小于40 的配光的灯，一般为15 、20 等。例如PAR灯、MR-16射灯等，即为射灯。,（4）球泡灯球泡灯的配光分二种，均属宽角度配光，但还分成全周配光和非全角。前者接近260，后者约220 。,3、利用配光曲线计算照度利用配光曲线给出的发光强度于光束角，可以计算对应的照度值，即可求图（a）中的A、B、C点对应的照度值。图（a）中=18.4 ,解（1）A点照度，即0 处照度EA=1570 cdcos0/32=174 lx（2）B点照度，即角处照度=18.4 则cos=0.948EB=1580 cdcos18.4/32=167 lx（3）C点照度，即30 处照度EC=1200 cdcos30/32=116 lx,谢谢大家,
