基于ZEMAX的LED光学能模拟本科设计
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胡守重
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)运高谦（讲师）
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 姓名胡守重
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：
[1]LED发展简史.电源世界，2006(9)：30一3l
[2]李春茂编著. LED结构原理与应用技术. 北京：机械工业出版社，2011.01
[3]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)：6—9
[5]毛学麟.LED产业迎来黄金十年.新财富，2007(8)：28--30
[6] Frasch H J．Monte carlo methods in ray·tracing software[J]．SPIE，2000,4769：55 [7]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)：20一24
[9]王丽红.让半导体照明亮起来.中国创业投资与高科技，2005(1)：65-67
[10]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：运高谦
专业负责人签名：杨坤
2013年 2 月 25日
目录
中文摘要.................................... I 英文摘要.................................... I I 1绪论. (1)
1.1课题研究背景 (1)
1.1.1 LED的发展历程 (1)
1.1.2半导体照明的产业概况和发展 (2)
1.1.3 LED应用于照明的发展和国内概况 (4)
1.2课题研究的目的与意义 (5)
1.2.1课题研究的目的 (5)
1.2.2课题研究的意义 (6)
1.3 本课题的研究内容 (6)
2LED基础知识 (7)
2.1 LED基本原理机构和发光原理 (7)
2.2 LED的分类 (8)
2.3 LED的优点与不足 (9)
2.4白光LED (10)
3LED的主要特性 (12)
3.1 LED的电学特性 (12)
3.1.1 I-V特性 (12)
3.1.2 C-V特性 (12)
3.1.3响应时间 (13)
3.2 LED的光学特性 (14)
3.2.1 光通量 (14)
3.2.2 发光效率和视觉灵敏度 (15)
3.2.3发光强度 (16)
17
3.2.4发光法向光强及其角分布I
θ..................
3.2.5照度 (18)
3.2.6亮度 (18)
3.2.7寿命 (19)
3.2.8 色温 (19)
3.2.9显色性与显色指数 (20)
3.3 LED的热学特性 (20)
4ZEMAX软件 (21)
4.1 ZEMAX简介 (21)
4.2序列性（Sequential）光线追迹 (21)
4.3非序列性（Non-sequential）光线追迹 (22)
5LED的光学模拟 (23)
5.1 LED的参数 (23)
5.2 LED模拟设置 (23)
5.3 LED的光强度模拟 (25)
5.4 LED的近场照度模拟 (26)
6 LED的光学设计 (27)
6.1 LED路灯的配光要求 (27)
6.2现有 LED 路灯的配光应用现状及存在的问题 (28)
6.3 LED的排列方式 (28)
6.4 LED灯具的模拟 (29)
7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 ZEMAX
ABSTRACT
LED is a semiconductor structure which can convert 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 luminous 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 technology. 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 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 ZEMAX 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 software
1绪论
自20世纪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P —N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0．11lm／W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1lm／W，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A1GaAs材料LED，能以lOlm／W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，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LED[3]。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1501m／W，并且每年以10～201m／W的速度提升，大大超过白炽灯(151m／W)，而向荧光灯迫近。使用LED照明的地方也越来越多，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2001m／W，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]。
1.1.2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，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 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2007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、发光效能、光通量、光功率和价格等方面的限制，LED 主要应用于指示、显示领域，如电子电气、热工仪表、自动化系统、通信设置、宇航空间开发、家用电气、交通运输工具中作为指示灯、告示牌、警戒灯以及信息广告、显示牌等。随着LED光色的不断丰富，特别是白光LED技术的不断成熟，发光效能不断提高，价格逐渐降低，使得LED有逐步取代传统的光源的趋势，将作为新一代节能环保型绿色照明灯而受到青睐。这类LED光源主要是基于蓝光LED的白光LED固体新光源，一般应用于诸如应急照明、装饰照明、家用照明等领域。LED 应用于照明领域，涉及到材料器件研制、光学结构设计、封装材料、电子线路、灯具开发、照明效果与视觉匹配等多学科交叉的高新科技领域。
(1) LED的研究和开发
对于LED的研究和开发，国际著名的照明公司均给予了其足够的重视，并持巨资投入研究与开发，研究的焦点主要集中在新发光材料、封装材料等的开发：PHILPS 公司与HP公司合资的Lumileds、德国的OSRAM、美国GE以及日本的日亚伽(Nichia)、美国EMCORE和GE联合、日本的Toshiba和Honda联合等均投入大量人力、物力、财力进行研究，以期在这一新世纪光源领域占领至高点。而在国内，约20余家研究机构和企业在进行GaN蓝绿光LED和白光LED的研究和开发，但目前与国外的差距还比较大。主要原因是目前在投入资金、设备和人才方面均无法与国外相比，而且研究机构相对比较分散。可是一些科研院所，如中国科学院物理所和长春光机与物理所、北京大学、北京有色金属研究院、石家庄十三所等单位也相继开展了这方面的研究工作，目前已取得了可喜的进步，正在缩短与国际先进水平的差距[8]。
(2) LED用于照明的发展
对于LED应用于照明的研究，国内外也都一直致力于光学结构设计、灯具开发和照明效果与视觉匹配等领域的创新和研究：奥地利的照明设计公司曾采用了14000只白光和彩色LED的混合照明整个房间，光照水平达到600~700勒克斯，足够一普通办公室的照明；瑞典很多城市采用LED作交通信号灯，以减少对发热量大的传统交通信号灯的需求；美国GE公司、德国SIEMENS、OSRAM公司、日本NOKIA、SONY等公司也都致力于LED照明产品和照明系统的开发。而我国也正式启动了“国家半导体照明工程”，已经初步形成了珠江三角洲、长江三角洲、江西及福建、北京及大连等北方地区四大LED照明研发区域。为实现LED从光色照明和特殊照明向普通照明的扩展，国家投入了大量的资金和人力[9]。
(3) 照明设计方法的发展
传统的照明设计一般是是通过实测进行的，实测法虽然比较准确，但在实验上是一种事后估计，并且只有在灯具曲面制造出来以后才能进行，一旦发现其光学特性不能满足要求，只能重新设计和制造灯具，这不但增加了人力和物力的消耗，而且延长了灯具的设计和制造周期，从而导致企业经济效益下降。特别是随着光源的种类变得越来越复杂，尤其是诸如LED等新兴光源的出现，使得传统的照明设计方法已经滞后。
所以，将合适的照明设计软件和合理的光学设计相结合的LED照明设计方法，能更有效的进行LED照明设计，从而推动LED应用于照明的发展。合适的照明设
计软件使得设计成为一种事前估计，再加上合理的光学设计，使设计人员在照明器制造出以前就可以分析其光学特性是否符合照明标准，同传统的照明设计方法相比，提高了设计的速度、准确性和经济效益。
1.2课题目的和意义
1.2.1课题研究目的
LED（LightingEmittingDiode）即发光二极管，是一种半导体固体发光器件。它是利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体重通过载流子发生复合放过过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。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制造灯具奠定基础。因此用ZEMAX 软件模拟LED光学性能一方面可以了解和掌握LED的工作原理、光学性能即电学性能，，另一方面可以锻炼动手能力、查阅资料的能力以及学习和掌握ZEMAX软件。
1.2.2课题研究的意义
随着行业的继续发展，技术的飞跃突破，应用的大力推广，LED的光效也在不断提高，价格不断走低。新的组合式管芯的出现，也让单个LED管(模块)的功率不断提高。通过同业的不断努力研发，新型光学设计的突破，新灯种的开发，产品单一的局面也有望在进一步扭转。控制软件的改进，也使得LED照明使用更加便利。这些逐步的改变，都体现出了LED发光二极管在照明应用的前景广阔。
中国LED产业发展超过三十年,它已经成为一种朝阳产业,已拥有完整的产品、创新能力不断增强,市场需求十分强烈。近年来,LED产业发展步伐的进一步加快,不仅促进LED业界增加产量,而且提高产品技术含量。其主要表现在以下几个方面：
●产业发展初具规模
●技术水平相对领先
●应用领域广泛
●行业的发展正逐步规范
1.3本课题的研究内容
1.掌握LED的工作原理、光学性能即电学性能。
2.利用ZEMAX软件对LED进行建模，并模拟其光学性能。
2 LED基础知识
2.1 LED基本机构和发光原理
发光二极管LED(Light Emitting Diode)是一种将电能转化为光能并具有二极管特性的电子器件。工作时，外加电源通过两个电极(正极、负极)加在LED上，具有单向导电性，电流的大小由加载电压的大小来控制。其内部结构存在P区和N区，P区和N区相交的界面形成P-N结，电子在外加电压的作用下向P—N结运动最终复合发光。
LED器件的制造目的是为了得到光，所以它的结构与普通半导体二极管不一样。典型的LED结构如图2—1所示，它主要由LED芯片、反光碗、透明环氧树脂、阴极杆、阳极杆、楔型支架、引脚架等几个部分组成。
图2-1 LED结构图
制作半导体发光二极管的材料是重掺杂的，热平衡状态下形成PN结，扩散和漂移运动相等时，内建电场稳定，此时N区有很多迁移率很高的电子，P区有较多的迁移率较低的空穴。由于PN结阻挡层的限制，在常态下，二者不能发生自然复合，当PN结加正向电压时，外加电场将削弱内建电场，使空I'BJ电荷区变窄，结区势垒降低，载流子的扩散运动加强。由于电子迁移率总是远大于空穴的迁移率，因此电子由N区扩散到P区是载流子扩散运动的主体。由半导体的能带理论可知，当导带中的电子与价带中的空穴复合时，电子由高能级跃迁到低能级，电子将多余的能量以发射光子的形式释放出来，产生电致发光现象。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心(这个中心介于导带、介带中间附近，也就是杂质能级或者缺陷)捕获，尔后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。也就是说这些不发光的载流子将可能被杂质能级(或缺陷)所捕获，最后以发热的形式消耗掉[1]。