基于ZEMAX的LED光学性能模拟毕业设计.doc
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1、郑州轻工业学院本科毕业设计(论文) 题 目 基于ZEMAX的LED光学性能模拟 学生姓名 专业班级 电子科学与技术09-1 学 号 540911010110 院 (系) 技术物理系 指导教师(职称) 完成时间 2013年 5月 25 日 郑州轻工业学院毕业设计(论文)任务书题目 基于ZEMAX的LED光学性能模拟 专业 电子科技 学号540911010110 姓名 主要内容、基本要求、主要参考资料等:主要内容:LED是一种能够将电能转换为光能的半导体结构,它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三级色粉发光的原理,而采用发光电场发光。据分析,LED的特点非常明显,寿命长、光效高、辐射低和功耗低。LED照
2、明产品就是利用LED作为光源制造出来的照明器具。由于LED灯具的特殊结构,需要对LED的光学性能进行全面的分析,为利用LED制作灯具奠定基础。本课题主要内容如下:1掌握LED的工作原理、光学特性及电学性能。 2 利用ZENAX软件对LED进行建模,并模拟其光学性能。主要参考资料:1LED发展简史.电源世界,2006(9):30一3l2李春茂 编著. LED结构原理与应用技术. 北京:机械工业出版社,2011.013怀素芳、李旭、崔敏敏等.新一代照明光源白光LED的发展概况.物理通报,2007(11):4陆笑秋.话说半导体照明.电子制作,2007(12):695毛学麟.LED产业迎来黄金十年.新
3、财富,2007(8):28-306 Frasch H JMonte carlo methods in raytracing softwareJSPIE,2000,4769:557赵家荣,韩文科.绿色照明工程与节能新机制.北京,中国环境科学出版社,2006:8大谷义彦.LED照明现状与未来展望.中国照明电器,2007(6):20一249王丽红.让半导体照明亮起来.中国创业投资与高科技,2005(1):65-6710易安.半导体照明一21世纪的节能新光源.中国创业投资与新科技,2004(8):20-22 完 成 期 限: 2013.06 指导教师签名: 专业负责人签名: 2013年 2 月 25日
4、目 录中文摘要I英文摘要II1 绪论11.1 课题研究背景11.1.1 LED的发展历程11.1.2 半导体照明的产业概况和发展21.1.3 LED应用于照明的发展和国内概况41.2 课题研究的目的与意义51.2.1 课题研究的目的51.2.2 课题研究的意义61.3 本课题的研究内容62 LED基础知识72.1 LED基本原理机构和发光原理72.2 LED的分类82.3 LED的优点与不足92.4 白光LED103 LED的主要特性123.1 LED的电学特性123.1.1 I-V特性123.1.2 C-V特性123.1.3 响应时间133.2 LED的光学特性143.2.1 光通量143.
5、2.2 发光效率和视觉灵敏度153.2.3 发光强度163.2.4 发光法向光强及其角分布I173.2.5 照度183.2.6 亮度183.2.7 寿命193.2.8 色温193.2.9 显色性与显色指数203.3 LED的热学特性204 ZEMAX软件214.1 ZEMAX简介214.2 序列性(Sequential)光线追迹214.3 非序列性(Non-sequential)光线追迹225 LED的光学模拟235.1 LED的参数235.2 LED模拟设置235.3 LED的光强度模拟255.4 LED的近场照度模拟266 LED的光学设计276.1 LED路灯的配光要求276.2现有 L
6、ED 路灯的配光应用现状及存在的问题286.3 LED的排列方式286.4 LED灯具的模拟 297 总结与展望34结束语35致谢36参考文献37附录38基于ZEMAX的LED光学性能模拟摘 要LED是一种能够将电能转换为光能的半导体结构,它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三级色粉发光的原理,而采用电场发光。据分析,LED的特点非常明显,寿命长、光效高、辐射低和功耗低。白光LED的光谱几乎全部集中于可见光频段,其发光效率可超过170lm/W(2012年)。有人还预测,未来的LED寿命上限将无穷大。随着近来LED散热技术的改进,室外照明LED灯、投光灯等大功率LED照明灯具已经实现工业化生产并开始被
7、大量应用。LED照明产品就是利用LED作为光源制造出来的照明器具。由于LED灯具的特殊结构,需要对LED的光学性能进行全面的分析,为利用LED制作灯具奠定基础。本模拟主要研究LED的工作原理、光学性能及电学性能,并利用ZEMAX软件对LED进行建模,模拟其光学性能。并在此基础上试着展开LED的二次光学研究,旨在提高道路表面的光强分布均匀性。关键词 发光二极管;光学模拟与设计;ZEMAX软件OPTICAL PERFORMANCE SIMULATION OF LED BASED ON ZEMAXABSTRACTLED is a semiconductor structure which can c
8、onvert electrical energy to light energy. it has changed the tungsten filament incandescent light shine with energy-saving lamps triple toner light-emitting principle,and uses the electric field emitters. According to the analysis, the characteristics of LED is very clear, long service life, high lu
9、minous efficiency, low radiation and low power consumption. White LED spectrum almost focus on the visible light spectrum, its luminous efficiency can be more than 170 lm/W (2012). Someone predicts, LED ceiling will be infinite life in the future. With the improvement of LED heat dissipation technol
10、ogy. Be used in outdoor lighting of LED lamp, project-light lamp ,etc ,high power LED lighting lamps and lanterns already realize industrialization production and began to be a large number of applications. LED lighting products are created using LED as a light source lighting appliances. Due to the
11、 special structure of the LED lamps and lanterns, need comprehensive analysis was carried out on the optical properties of leds, lay a foundation for using LED lamps and lanterns. This simulation is mainly study the working principle of LED, optical properties and electrical properties, and uses ZEM
12、AX software to modeling of leds, simulate its optical properties. And try to open the LED of the secondary optical research on this basis. Its purpose is to improve the uniformity of intensity distribution on the surface of the road.KEY WORDS LED,optical simulation and design,ZEMAX software1 绪论自20世纪
13、80年代后期开始,随着LED制造技术的不断完善,LED在国外得到了广泛的应用。在我国改革开放之后,特别是进入90年代国民经济的高速增长,对公众场合发布信息的需求日益强烈。在20世纪,荧光灯、高/低压钠灯、汞灯、金属卤化物灯、高频无极荧光灯和紧凑型荧光灯等新光源层出不穷。然而,白炽灯自问世的那天起就带有先天性的缺陷,钨丝加热耗电大,灯泡易碎,寿命短、容易使人触电等。相对于白炽灯而言,荧光灯更为节能,但却给人的视力带来不好的影响,且灯管内的重金属汞也对人体和环境不利。LED光源的发明引发了照明技术的重大变革。LED的结构和材料与传统照明技术不同,它是一种利用电致发光的固体冷光源,具有发光效率高、体
14、积小、重量轻、耐震、耐冲、直流低电压工作、寿命长、节能环保等优点。因此,LED光源称为继白炽灯、钨丝灯和荧光灯之后的第四代光源。并将在多种领域广泛应用。1.1课题研究背景1.1.1 LED发展历程发光二极管(Light Emitting Diode,英文简写成LED)是一种新型固态冷光源,在正向偏压作用下,N区电子和P区空穴分别向对方注入,这些被注入的少数载流子在PN结附近复合,产生光子而发光。它诞生于20世纪60年代初,具有结构简单、体积小、重量轻、耗能少、响应速度快、抗震性能好、使用方便等优点因此,其在现代光电系统和照明中的有着广泛的应用和良好的发展前景。在同样照度下,LED灯的电能消耗和
15、寿命比白炽灯和日光灯都有明显的优势。1962年,GE、Monsanto、IBM联合实验室开发出发红光的半导体化合物GaAsP。1965年,全球第一款用锗材料做成的可发红外光的商用LED诞生。不久,Monsanto和惠普公司推出用GaAsP材料制作的效率为011lmW的商用红色LED。1968年,利用氮掺杂工艺使GaAsP材料LED器件的效率达到1lmW,并能发出红、橙和黄色光。1971年,具有相同效率的GaP绿色芯片LED推出1。随后,电脑、电子器件和控制系统等商业以及个人应用产品的兴起形成了对LED的强烈市场需求,并且LED以其鲜明的特点被应用在这些电子器件上作指示用途。八十年代早期开发出A
16、1GaAs材料LED,能以lOlmW的效率发出红光。这一时期的产品能够达到较高的亮度,主要应用于信号、标识、显示等方面,经过15年的演进,LED安全出口标识基本替代了白炽灯、荧光灯。由于这一时期LED具有亮度高、体积小、耐用等特点,在汽车尾灯、交通信号灯等方面的应用也具有了非常广阔的市场前景2。1990年,开发出A1InGaP技术,其性能比标准GaAsP器件高10倍。在1991年至2001年期间,材料技术、芯片飞方法尺寸和外形方面的进一步发展使商用LED的光通量提高了近30倍。直到20世纪90年代后期,单管LED发出的光只能照亮很近的物体。为了更好地用于照明,唯一的方法就是把许多LED放在一起
17、,LED照明更适合只需要一种颜色照明的情况。1994年,日本科学家中村修二在GaN基片上研制出第一只蓝光LED。这是LED发展史上极为关键的一步,促使了白光LED的出现。到了20世纪九十年代后期,终于研制出了通过蓝光激发YAG荧光粉产生白光的LED3。白光LED的诞生,给世界照明史带来了突破性的发展,催生了一种新兴的照明产业一一半导体照明,同时也引发了一场世界性的争夺半导体照明产业制高点的战斗。伴随技术的不断进步,近年来白光LED的发展相当迅速,功率型白光LED的内发光效率已经达到1501mW,并且每年以10201mW的速度提升,大大超过白炽灯(151mW),而向荧光灯迫近。使用LED照明的地
18、方也越来越多,例如大型商场等公共场所,桥梁等标志型建筑,以及一些特殊照明领域,其应用发展很快,预计在未来,LED的发光效率将会达到2001mW,成为实现绿色照明的主力军4。根据发光二极管技术和应用不同的发展阶段来看,LED产业的发展历程大致可以分为以下三个阶段:首先是指示应用阶段;然后是信号、显示应用阶段;最后是照明应用阶段。1968年,中科院长春物理所研制开发了国内第一只LED,我国LED材料和器件正式起步,20世纪80年代形成产业,90年代已经初具规模,在90年代后期得到迅猛发展。总体上,我国LED产业经历了进口器件销售一进口芯片封装一进口外延片制管封装一自制生产材料和器件四个阶段5。1.
19、1.2 半导体照明的产业概况和发展趋势进入21世纪,能源的短缺和环境污染越来越制约着人类的发展。因此原本用于电机电子产业的发光二极管(Light Emitting Diode,LED),因其具有的诸多优点,已广泛应用在交通灯、信号灯、全色大屏幕室内、室外广告牌、DVD光存储等领域。作为固体光源的LED(Light Emitting Diode)发光二极管,真正点燃了“绿色照明”的光辉,被认为是21世纪最有价值的新光源,将取代白炽灯和日光灯成为照明市场的主导,使照明技术面临一场新的革命,从而一定程度上改善人类的生产和生活方式。LED照明的应用前景在全世界都掀起了高潮,被寄予了厚望。美国能源部统计
20、,到2010年已有55%的白炽灯和荧光灯被半导体灯替代,每年可节电350亿美元。2001年7月在美国“半导体照明技术蓝图”的基础上,美国能源部启动一项名为“Next-Generation Lighting Initiative”(NGLI)的计划,即“下一代照明计划”(NGLI)。这项计划提案的目标是要联合产业界、大学和国家重点实验室的力量,加速半导体照明技术的发展和应用,这项议案希望从2003-2011年,每年提供5000万美元支持NGLI计划的实施。日本提出,2006年就要用半导体灯大规模替代传统白炽灯,日本世纪21照明计划是由日本金属研发中心(The Japan Research and
21、 Development Center of Metals)和新能源产业技术综合开发机构(NEDO)发起和组织的为期5年的一个国家计划。这项计划的参与机构包括4所大学、13家公司和一个协会,目标旨在通过使用长寿命、更薄更轻的GaN高效蓝光和紫外LED技术使得照明的能量效率提高为传统荧光灯的两倍(即降低传统照明的能量消耗),减少CO2的产生。欧盟的彩虹计划也已于2000年7月启动,其计划是通过欧洲共同体的补助金来推广超高亮白光LED的应用6。而我国科技部有关领导提出:我们要以2008年北京奥运会和2010年上海世博会为契机,推动半导体灯在城市景观照明的应用。科技部“国家半导体照明工程”计划200
22、7年半导体照明逐步取代白炽灯,2012年后取代荧光灯。据预测,在汽车尾灯、交通灯、公共设施以及家庭照明需求的带动下,2003-2007年我国高亮度发光管芯市场规模将保持年均将近25%的增长速度,到2007年我国高亮度LED管芯市场规模将会突破20亿元。如图1-1为2003-2007年中国高亮度LED管芯市场销售规模预测。图1-1 2003-2007年中国高亮度LED管芯市场销售规模预测另一方面,中国作为13亿人口大国,电力能源相对来说比较贫乏,并且随着经济的发展,人民生活水平的不断提高,照明用电在电力消费中占的比例逐年提高。进入九十年代,我国照明用电的年增长在15%以上,但是我国照明用电的结构
23、中普通白炽灯仍占有极大的比例。我国人均拥有光源的数量仍比较低,与日本相比,灯的数量是日本的4.7倍,使用电力是日本的5.9倍,而灯的平均光效率只是日本的1/3。因此,推广“绿色照明”工程在我国是非常必要的,它的宗旨是节约能源,保护环境,提高照明质量。随着LED材料的革新、工艺的改进和生产规模的提高,LED的光效将得到提高、价格将下降,可以预测到LED在照明领域的应用越来越广,将真正替代白炽灯、荧光灯等传统光源,成为新一代的绿色光源,其在照明市场的潜力将是不可估量的。一场抢占半导体照明新兴产业制高点的争夺战,已经在全球打响7。1.1.3 LED应用于照明的发展和国内外概况在早期,由于LED光色、
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