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LED是如何产生有色光的



LED的发光顏色和发光效率与製作LED的材料和製程有关,目前广泛使用的有红、绿、蓝三种。由於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)。製造LED的材料不同,可以產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。

基於这两种材料,早期 LED工业运用GaAs1-xPx材枓结构,理论上可以生產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。由於製造採用了鎵、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。而目前最新的製程是用混合铝(Al)、钙(Ca) 、銦(In)和氮(N)四种元素的AlGaInN 的四元素材料製造的四元素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,沿水準方向的发光强度) 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平方公尺面积上的照度。一般主动发光体採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採用光通量单位流明L,如LCD投影机等;而照度单位勒克司Lux,一般用於摄影等领域。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,其投影到全反射萤幕的尺寸为60英寸(1平方公尺),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投影机由於光传播的损耗、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,光强计算常常採用比较容易测绘的资料单位或变向使用。对於LED萤幕这种主动发光体一般採用CD/平方公尺作为发光强度单位,并配合观察角度为辅助参数,其等效於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萤幕须达到4000CD/平方公尺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/平方公尺左右。

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生產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晶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。

在计算萤幕发光强度时,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,生產厂家一般都标明为100,000小时以上,实际还应注意 LED的亮度衰减週期,如大部分用於汽车尾灯的UR红管点亮十几至几十小时后,亮度就只有原来的一半了。

亮度衰减週期与LED生產的材料製程有很大关係,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製程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萤幕进行配色前,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,且处於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希望亮度值。

大家一般将最简单、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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