淺談LED產生有色光的方法

LED的發光顏色和發光效率與製作LED的材料和製程有關,目前廣泛使用的有紅、綠、藍三種。由於LED工作電壓低(僅1.5-3V),能主動發光且有一定亮度,亮度又能用電壓(或電流)調節,本身又耐衝擊、抗振動、壽命長(10萬小時)。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所發出光的波長,也就是光譜或顏色。

史上第一個LED所使用的材料是砷(As)化鎵(Ga) ,其正向PN結壓降(VF,可以理解為點亮或工作電壓)為1.424V,發出的光線為紅外光譜。另一種常用的LED材料為磷(P)化鎵(Ga),其正向PN結壓降為2.261V,發出的光線為綠光。

基於這兩種材料,早期 LED工業運用GaAs1-xPx材枓結構,理論上可以生產從紅外光一直到綠光範圍內任何波長的LED,下標X代表磷元素取代砷元素的百分比。一般通過 PN結壓降可以確定LED的波長顏色。其中典型的有GaAs0.6P0.4 的紅光LED,GaAs0.35P0.65的橙光LED,GaAs0.14P0.86的黃光 LED等。由於製造採用了鎵、砷、磷三種元素,所以俗稱這些LED為三元素發光管。

而GaN(氮化鎵)的藍光 LED 、GaP 的綠光 LED和GaAs紅外光LED,被稱為二元素發光管。而目前最新的製程是用混合鋁(Al)、鈣(Ca) 、銦(In)和氮(N)四種元素的AlGaInN 的四元素材料製造的四元素LED,可以涵蓋所有可見光以及部份紫外光的光譜範圍。

發光強度:發光強度的衡量單位有照度單位(勒克司Lux)、光通量單位(流明Lumen)、發光強度單位(燭光 Candle power) 1CD(燭光)指完全輻射的物體,在白金凝固點溫度下,每六十分之一平方公分面積的發光強度。(以前指直徑為2.2公分,品質為75.5克的鯨油燭,每小時燃燒7.78克,火焰高度為4.5公分,沿水準方向的發光強度) 1L(流明)指1 CD燭光照射在距離為1公分,面積為1平方公分的平面上的光通量。

1Lux (勒克司)指1L的光通量均勻地分佈在1平方公尺面積上的照度。一般主動發光體採用發光強度單位燭光 CD,如白熾燈、LED等;反射或穿透型的物體採用光通量單位流明L,如LCD投影機等;而照度單位勒克司Lux,一般用於攝影等領域。三種衡量單位在數值上是等效的,但需要從不同的角度去理解。比如:如果說一部LCD投影機的亮度(光通量)為1600流明,其投影到全反射螢幕的尺寸為60英寸(1平方公尺),則其照度為1600勒克司,假設其出光口距光源1公分,出光口面積為1平方公分,則出光口的發光強度為1600CD。而真正的LCD投影機由於光傳播的損耗、反射或透光膜的損耗和光線分佈不均勻,亮度將大打折扣,一般有50%的效率就很好了。

實際使用中,光強計算常常採用比較容易測繪的資料單位或變向使用。對於LED螢幕這種主動發光體一般採用CD/平方公尺作為發光強度單位,並配合觀察角度為輔助參數,其等效於屏體表面的照度單位勒克司;將此數值與屏體有效顯示面積相乘,得到整個屏體的在最佳視角上的發光強度,假設屏體中每個圖元的發光強度在相應空間內恒定,則此數值可被認為也是整個屏體的光通量。一般室外LED螢幕須達到4000CD/平方公尺以上的亮度才可在日光下有比較理想的顯示效果。普通室內LED,最大亮度在700~2000 CD/平方公尺左右。

單個LED的發光強度以CD為單位,同時配有視角參數,發光強度與LED的色彩沒有關係。單管的發光強度從幾個mCD到5000mCD不等。LED生產廠商所給出的發光強度指LED在20mA電流下點亮,最佳視角上及中心位置上發光強度最大的點。封裝LED時頂部透鏡的形狀和LED晶片距頂部透鏡的位置決定了LED視角和光強分佈。一般來說相同的LED視角越大,最大發光強度越小,但在整個立體半球面上累計的光通量不變。當多個LED較緊密規則排放,其發光球面相互疊加,導致整個發光平面發光強度分佈比較均勻。

在計算螢幕發光強度時,需根據LED視角和LED的排放密度,將廠商提供的最大點發光強度值乘以30%~90%不等,作為單管平均發光強度。一般LED的發光壽命很長,生產廠家一般都標明為100,000小時以上,實際還應注意 LED的亮度衰減週期,如大部分用於汽車尾燈的UR紅管點亮十幾至幾十小時後,亮度就只有原來的一半了。

亮度衰減週期與LED生產的材料製程有很大關係,一般在經濟條件許可的情況下應選用亮度衰減較緩慢的四元素LED。配色、白平衡:白色是紅綠藍三色按亮度比例混合而成,當光線中綠色的亮度為69%,紅色的亮度為21%,藍色的亮度為10%時,混色後人眼感覺到的是純白色。但LED紅綠藍三色的色品座標因製程過程等原因無法達到全色譜的效果,而控制原色包括有偏差的原色的亮度得到白色光,稱為配色。當為全彩色LED螢幕進行配色前,為了達到最佳亮度和最低的成本,應儘量選擇三原色發光強度成大致為3:6:1比例的LED器件組成圖素。

白平衡要求三種原色在相同的調灰值下合成的仍舊為純正的白色。原色、基色:原色指能合成各種顏色的基本顏色。色光中的原色為紅、綠、藍,下圖為光譜表,表中的三個頂點為理想的原色波長。如果原色有偏差,則可合成顏色的區域會減小,光譜表中的三角形會縮小,從視覺角度來看,色彩不僅會有偏差,豐富程度減少。

LED發出的紅、綠、藍光線根據其不同波長特性和大致分為紫紅、純紅、橙紅、橙、橙黃、黃、黃綠、純綠、翠綠、藍綠、純藍、藍紫等,橙紅、黃綠、藍紫色較純紅、純綠、純藍價格上便宜很多。三個原色中綠色最為重要,因為綠色佔據了白色中69%的亮度,且處於色彩橫向排列表的中心。因此在權衡顏色的純度和價格兩者之間的三基色組成方式,在三基色設計應用中通常是,通過調節設定LED電流來達到白平衡和最大的期望亮度值。

我們一般將最簡單、最優化的配色方式作為,設計全彩顯示技術的顏色再現方法。白平衡是檢驗顏色組成的重要標誌之一。三基色白光一般是紅綠藍三基色按亮度比例混合而成,當光線中綠色的亮度為69%,紅色的亮度為21%,藍色的亮度為10%時,混色後人眼感覺到的是純白色。早前的CRT電視機到現在的LCD液晶顯示都是這樣組成的。

RSS RSS     print 列印         announcements 線上投稿        
瀏覽人次:18569
【免責聲明】
1、「LEDinside」包含的內容和資訊是根據公開資料分析和演釋,該公開資料,屬可靠之來源搜集,但這些分析和資訊並未經獨立核實。本網站有權但無此義務,改善或更正在本網站的任何部分之錯誤或疏失。
2、任何在「LEDinside」上出現的資訊(包括但不限於公司資料、資訊、研究報告、產品價格等),力求但不保證資料的準確性,均只作為參考,您須對您自主決定的行為負責。如有錯漏,請以各公司官方網站公佈為準。
3、「LEDinside」資訊服務基於"現況"及"現有"提供,網站的資訊和內容如有更改恕不另行通知。
4、「LEDinside」尊重並保護所有使用用戶的個人隱私權,您註冊的用戶名、電子郵寄地址等個人資料,非經您親自許可或根據相關法律、法規的強制性規定,不會主動地洩露給協力廠商。
【版權聲明】
「LEDinside」所刊原創內容之著作權屬於「LEDinside」網站所有,未經本站之同意或授權,任何人不得以任何形式重制、轉載、散佈、引用、變更、播送或出版該內容之全部或局部,亦不得有其他任何違反本站著作權之行為。