LED阵列光照均匀化特性研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 18 4 2.72MB 52 页 15积分

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LED 阵列光照均匀化特性研究

摘要

LED 的亮度不断增大，但其发光强度不会与其芯片面积成正比增强，而是

随着其面积的增大，其发光强度会下降。因此，未来光源系统所用大功率 LED

光源不可能都是由大面积的单芯片 LED 制成，而是将多个单颗 LED 组合阵列

做成高亮度的光源。这种 LED 阵列光源产品所亟待解决的问题就是其光照的均

匀性问题，这种均匀性受 LED 安置密度和阵列结构的影响，因此对 LED 阵列

进行排列优化设计以达到均匀的照度是非常有意义的。

基于单个 LED 是非理想的朗伯发光体，其照度服从幂律分布，利用斯派罗

准则理论，建立了实现光照均匀化的理论模型，分析了 LED 的阵列间距和 LED

的安置角度分别对近场和远场光照均匀性的影响，其结果表明通过调整 LED 的

间距来实现近场光照的均匀化是可行的，而通过调整 LED 的安置角度来实现远

场光照的均匀性也是可行的。对近场光源系统中典型的四种 LED 阵列模型：环

形阵列、中心环形阵列、线型阵列、矩形阵列，以及远场光源系统中典型的三种

阵列模型：球面上的单环阵列、柱面上的线型阵列和球面上的多环阵列这七种模

型分别进行了理论分析，给出了它们各自实现近场和远场光照均匀化的理论结

构参数，并通过 MATLAB 软件将它们的光照分布形象的展示出来。

利用 LightTools 软件对理论结果进行了模拟验证。通过对两颗 LED 近场和

远场光照均匀化实现方法的模拟，得出了近场光照的均匀化可以通过调整 LED

阵列的间距来实现，而远场光照的均匀化可以通过调整 LED 的安置角度来实现。

对实现近场和远场光照均匀化的七种典型的 LED 阵列分别进行了模拟验证，模

拟结果表明它们在各自的光照中心区域均已实现了均匀化，因此得出对这些典

型LED 阵列实现近场和远场光照均匀化的理论推导也都是正确的。

关键词：LED 阵列照度均匀化光学设计

ABSTRACT

LED’s brightness is increasing with new technology application, but its luminous

intensity will not increase as its size increase, in fact it will decline. Therefore, the

high-power LED chips can be made of the combination of multiple high-brightness

LED chips instead of large area single LED chip, Nevertheless, in many lighting

applications an uniform illumination distribution is desired, which is affected by both

the space between LEDs and the angle that fixed the LEDs. Therefore, the optimal

design of the LED arrays to achieve uniform illumination is very meaningful.

For achieving uniform near-field illumination, this paper is based on the theory

that each LED is non-perfect Lambertian emitter, whose irradiance distribution obeys

the power law. Using the theory of sparrow’s criterion, two methods of realizing

uniform illumination of LED arrays were discussed, a conclusion can be gotten that

adjusting the space between LEDs to achieve uniform near-field illumination is

possible, and adjusting the angle that fixed the LEDs to achieve uniform far-field

irradiance is possible. Four typical LED arrays were analyzed to get uniform near-

field illumination, such as circular array, circular array with one in center, linear array,

and rectangular array. Three typical LED arrays were analyzed to get uniform far-field

illumination, such as single circular arrays on spheres, linear arrays on cylinders,

multiple circular arrays on spheres. The equations of the relationship between

illumination and space or angle, as well as the optimal arrangements of the LED

arrays were given. Finally, the optical properties for the LED arrays with the optimal

arrangement structures were simulated by MATLAB.

The theoretical results were simulated using LightTools. Based on the simulation

of two LEDs for both near-field and far-field, it was concluded that the uniform near-

field illumination can be achieved by adjusting the space between LEDs, and the

uniform far-field illumination can be achieved by adjusting the angle that fixed the

LEDs. The seven typical LED arrays were also simulated using LightTools

respectively, and the simulation results shown that they all achieved uniform

illumination in the center of the receiver. Therefore, it is obvious that adjusting the

space between LEDs to achieve uniform near-field illumination and adjusting the

angle that fixed the LEDs to achieve uniform far-field illumination are both feasible.

Keyword: LED array, illumination, uniformity, optical design

目  录
摘要
Abstract
第一章 绪论...................................................................................................................1
§1.1 引言..................................................................................................................1
§1.2 LED 照明产品的发展.....................................................................................2
§1.2.1 LED 光源的发展....................................................................................2
§1.2.2 LED 光源的特点....................................................................................3
§1.2.3 白光 LED 的原理...................................................................................4
§1.3 LED 照明中的光学设计.................................................................................5
§1.3.1 一次光学设计.........................................................................................5
§1.3.2 二次光学设计.........................................................................................6
§1.4 本论文的主要研究工作..................................................................................7
§1.4.1 存在的问题和研究现状.........................................................................7
§1.4.2 解决方法和研究意义.............................................................................7
§1.5 小结..................................................................................................................8
第二章 照明光学系统理论基础...................................................................................9
§2.1 引言..................................................................................................................9
§2.2 光线的追击原理............................................................................................10
§2.4.1 序列光线追击.......................................................................................10
§2.4.1 非序列光线追击...................................................................................10
§2.2.3 蒙特卡罗光线追击...............................................................................12
§2.3 LightTools 照明设计软件..............................................................................12
§2.3.1 LightTools 光学模拟软件介绍.............................................................13
§2.3.2 照明光学设计的基本步骤...................................................................15
§2.4 光学系统的衡量参数....................................................................................16
§2.4.1 辐射量...................................................................................................17
§2.4.2 视见函数...............................................................................................18
§2.4.3 光学量...................................................................................................19
§2.5 均匀化的衡量方法........................................................................................21
§2.5.1 斯派罗准则...........................................................................................21
§2.5.2 均匀性的测量.......................................................................................21
§2.6 小结................................................................................................................22
第三章 LED 阵列光照分布研究................................................................................23
§3.1 引言................................................................................................................23
§3.2 LED 阵列的理论模型...................................................................................23
§3.3 两颗 LED 的光照分布研究..........................................................................24
§3.4 LED 阵列近场光照均匀化技术...................................................................28
§3.4.1 环形阵列...............................................................................................28
§3.4.2 中心环形阵列.......................................................................................29
§3.4.3 线型阵列...............................................................................................31
§3.4.4 矩形阵列...............................................................................................32
§3.5 LED 阵列远场光照均匀化技术...................................................................33
III

§3.5.1 球面上的单环阵列...............................................................................34
§3.5.2 柱面上的线型阵列...............................................................................35
§3.5.3 球面上的多环阵列...............................................................................37
§3.6 小结................................................................................................................38
第四章 光学建模与模拟.............................................................................................40
§4.1 引言................................................................................................................40
§4.2 建模................................................................................................................40
§4.3 模拟结果........................................................................................................41
§4.3.1 两颗 LED 的阵列.................................................................................41
§4.3.2 近场光照均匀化的模拟.......................................................................42
§4.3.3 远场光照均匀化的模拟.......................................................................44
§4.4 小结................................................................................................................46
第五章 结论.................................................................................................................47
参考文献......................................................................................................................48
IV

第一章绪论

§1.1 引言

发光二极管（Light emitting diode）简称LED，是在半导体p-n结两端施加正

向电压时可发出可见光、红外光、紫外光的半导体发光器件。第三代半导体材料

GaN的研究已经取得了突破性的进展，绿光、蓝光、白光LED也已相继问世，继微

电子革命之后，半导体技术又在孕育着一场新的革命——照明革命[1]，其标志就

是用LED光源逐步替代荧光灯、白炽灯和高压钠灯等传统光源。

面对LED光源掀起的新一代照明革命的浪潮，以及LED照明所带来的巨大商

机，世界各国纷纷行动，相继投入巨资，以抢占半导体照明产业的制高点。1998

年，日本率先在世界上开展“21世纪照明”计划，旨在通过使用长寿命、低功耗、

更薄更轻的LED照明技术降低国家能源的消耗，减少CO2气体的排放；2000年，

美国能源部制定了“半导体照明国家研究计划”，目的是为了使美国在未来照明

光源市场竞争中，领先于日本、欧洲及韩国等竞争者；同样也在2000年，欧盟启

动了“彩虹计划”，通过欧盟的补助金来推广白光LED的应用，希望通过应用半

导体技术在不使用有害环境的材料的前提下，实现高效节能的模拟自然光的目标

2002年，韩国推出了“GaN半导体开发计划”，研究项目包括以GaN为材料的白

光LED，蓝、绿光半导体激光器及高功率电子组件，高电子迁移率晶体管（High-

Electron Mobility Transistor）三大领域[2]。

表1 “十一五”期间科技部重点支持的七大专题

序号项目名称

1第三代宽禁带半导体外延材料生长及器件技术研究

2 MOCVD装备核心技术及关键原材料产业化技术开发

3 MOCVD装备核心技术及关键原材料产业化技术开发

4 130lm/W半导体白光照明集成技术研究

5半导体照明重大应用技术开发

6半导体照明规模化系统集成技术研究

7半导体照明产业技术标准、评价体系与专利战略研究

在这种照明革命浪潮的推动下，我国于2003年也相应的启动了高科技攻关计

划——“半导体照明产业化技术开发”(简称国家半导体照明工程)，从此，我国

半导体照明事业的研究及其推广应用进入了快速发展的新阶段[3]。 “十一五”期

间，在科技部“863”计划中推出了重点支持的七大专题，具体内容如表1所示。

到目前为止，我国已将大连、南昌、上海和厦门四个城市作为半导体照明产业化基

地，对其进行重点建设，同时，大力资助了50多个研发机构和相关企业[4]。

§1.2 LED 照明产品的发展

§1.2.1 LED光源的发展

早在1907 年，科学家们就发现了半导体材料通电后可以发光，不过真正商用的

LED 阵列光照均匀化技术研究

LED 出现在 20 世纪 60 年代，其具体发展历程如下：

（1）1965 年，第一颗 LED 的诞生。所用的材料是GaAsP，应用半导体二极管 P-

N结的电光效应制成的，发红光（波长为 650nm），在驱动电流为 20mA 时，光

通量只有千分之几个流明，发光效率约为 0.1lm/W；

（2）1968 年，LED 效率达到 1lm/W，发红橙黄光；

（3）1971 年，研制出 GaP 绿色 LED，并引入元素 N和In，使LED 产生绿光

（波长为 555nm）、黄光（波长为 590nm）、橙光（波长为 610nm），光效为

1lm/W；

（4）80 年代早期，研制出了 GaAlAs，使得红光的效率达到了 10lm/W；

（5）90 年代中期，研制出第一颗基于 GaN 的实用 LED，同时，发红光、黄光的

GaAlInP 材料也已研制成功，发绿光、蓝光的 GaInN 材料也取得了突破性进展；

（6）1992 年，随着氮化物LED 的发明，LED 的发光效率有了质的飞跃，日本著

名LED 公司日亚化学的中村修二研制出了蓝光LED。从此，整个可见光领域的单

色LED 均被研制成功，能够满足各种应用场所对单色光的需求，并且为白光

LED 的发明奠定了基础；

（7）1996 年，日亚化学公司推出了首款白光 LED，其发光效率只有5lm/W；

（8）2000 年，基于 GaAlInP 制成的 LED 在红橙区（波长为 615nm）的光效达到

了100lm/W，基于 GaInN 制成的 LED 在绿色区域（波长为 530nm）的光效也达到

了50lm/W[5]。

在社会对 LED 强烈需求的刺激下，科学家们攻克了一个又一个的半导体照明

产业化所需的关键技术，GaN 外延片、白光 LED 器件、全彩光LED 器件以及 GaN

基础材料和装备方面取得了显著进展，氮化物蓝光LED 产业化关键技术、大功率、

高效率LED 芯片、白光 LED 的封装技术和荧光粉技术等成果也实现了产业化。半

导体照明由于技术的先进性和产品使用的广泛性，已经被认为是最有发展潜力的

高技术领域之一。半导体照明产业以其显著的节能效果和环保效果，也被认为是

一个战略性的高技术产业。

§1.2.2 LED光源的特点

LED是极具竞争力的新型节能光源，它具有很多传统光源无法比拟的优点，

在指示、显示和照明领域具有如此大的发展潜力，必将得到世界的普遍认可并逐

渐取代传统的照明光源，其优点如下[6]：

（1）效率高：LED发出的光线几乎全部集中于可见光范围内，在红外和紫外范

围分布很少，其效率可达80-90%，而白炽灯发射可见光的效率仅为10-20%；

（2）光色纯：LED的发射光谱范围狭窄，其光色较纯，而白炽灯则是全频段光

谱，光色不纯；

（3）光线质量高：由于LED几乎不发射红外线和紫外线，所以几乎不产生热量，

也没有紫外辐射，因此属于绿色照明光源；

（4）安全：LED灯具的工作电压一般在6-24V之间，比使用其他高压电源更安全；

（5）响应时间快：LED的响应时间为纳秒级，而白炽灯的响应时间为毫秒级；

（6）寿命长：理论上讲，LED的光通量衰减到70%时的寿命为10万小时；

（7）可靠耐用：没有玻璃壳和钨丝等容易损坏的部件，其结构更加坚固，机械

结构性损坏的可能很小，维护费用相对低廉；

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摘要：

LED阵列光照均匀化特性研究摘要LED的亮度不断增大，但其发光强度不会与其芯片面积成正比增强，而是随着其面积的增大，其发光强度会下降。因此，未来光源系统所用大功率LED光源不可能都是由大面积的单芯片LED制成，而是将多个单颗LED组合阵列做成高亮度的光源。这种LED阵列光源产品所亟待解决的问题就是其光照的均匀性问题，这种均匀性受LED安置密度和阵列结构的影响，因此对LED阵列进行排列优化设计以达到均匀的照度是非常有意义的。基于单个LED是非理想的朗伯发光体，其照度服从幂律分布，利用斯派罗准则理论，建立了实现光照均匀化的理论模型，分析了LED的阵列间距和LED的安置角度分别对近场和远场光照均匀性...

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