淺談LED發(fā)光出不同色彩的方法
led的發(fā)光顏色和發(fā)光效率與制作LED的材料和工藝有關,目前廣泛使用的有紅、綠、藍三種。由于LED工作電壓低(僅1.5-3V),能主動發(fā)光且有一定亮度,亮度又能用電壓(或電流)調(diào)節(jié),本身又耐沖擊、抗振動、壽命長(10萬小時)。制造LED的材料不同,可以產(chǎn)生具有不同能量的光子,藉此可以控制LED所發(fā)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(jié)壓降(VF,可以理解為點亮或工作電壓)為1.424V,發(fā)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(jié)壓降為2.261V,發(fā)出的光線為綠光。
基于這兩種材料,早期 LED工業(yè)運用GaAs1-xPx材枓結(jié)構(gòu),理論上可以生產(chǎn)從紅外光一直到綠光范圍內(nèi)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(jié)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。由于制造采用了鎵、砷、磷三種元素,所以俗稱這些LED為三元素發(fā)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(fā)光管。而目前最新的工藝是用混合鋁(Al)、鈣(Ca) 、銦(In)和氮(N)四種元素的AlGaInN 的四元素材料制造的四元素LED,可以涵蓋所有可見光以及部份紫外光的光譜范圍。
發(fā)光強度:發(fā)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(fā)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(fā)光強度。(以前指直徑為2.2公分,品質(zhì)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(fā)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平方米面積上的照度。一般主動發(fā)光體采用發(fā)光強度單位燭光 CD,如白熾燈、LED等;反射或穿透型的物體采用光通量單位流明L,如LCD投影機等;而照度單位勒克司Lux,一般用于攝影等領域。三種衡量單位在數(shù)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,其投影到全反射屏幕的尺寸為60英寸(1平方米),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(fā)光強度為1600CD。而真正的LCD投影機由于光傳播的損耗、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,光強計算常常采用比較容易測繪的資料單位或變向使用。對于LED屏幕這種主動發(fā)光體一般采用CD/平方米作為發(fā)光強度單位,并配合觀察角度為輔助參數(shù),其等效于屏體表面的照度單位勒克司;將此數(shù)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(fā)光強度,假設屏體中每個圖元的發(fā)光強度在相應空間內(nèi)恒定,則此數(shù)值可被認為也是整個屏體的光通量。一般室外LED屏幕須達到4000CD/平方米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(nèi)LED,最大亮度在700~2000 CD/平方米左右。
單個LED的發(fā)光強度以CD為單位,同時配有視角參數(shù),發(fā)光強度與LED的色彩沒有關係。單管的發(fā)光強度從幾個mCD到5000mCD不等。LED生產(chǎn)廠商所給出的發(fā)光強度指LED在20mA電流下點亮,最佳視角上及中心位置上發(fā)光強度最大的點。封裝LED時頂部透鏡的形狀和LED芯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(fā)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(guī)則排放,其發(fā)光球面相互疊加,導致整個發(fā)光平面發(fā)光強度分佈比較均勻。
在計算屏幕發(fā)光強度時,需根據(jù)LED視角和LED的排放密度,將廠商提供的最大點發(fā)光強度值乘以30%~90%不等,作為單管平均發(fā)光強度。一般LED的發(fā)光壽命很長,生產(chǎn)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,如大部分用于汽車尾燈的UR紅管點亮十幾至幾十小時后,亮度就只有原來的一半了。
亮度衰減週期與LED生產(chǎn)的材料工藝有很大關係,一般在經(jīng)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,混色后人眼感覺到的是純白色。但LED紅綠藍三色的色品座標因工藝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屏幕進行配色前,為了達到最佳亮度和最低的成本,應儘量選擇三原色發(fā)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(diào)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(qū)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(fā)出的紅、綠、藍光線根據(jù)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(jù)了白色中69%的亮度,且處于色彩橫向排列表的中心。因此在權(quán)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(diào)節(jié)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(yōu)化的配色方式作為,設計全彩顯示技術的顏色再現(xiàn)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,混色后人眼感覺到的是純白色。早前的CRT電視機到現(xiàn)在的LCD液晶顯示都是這樣組成的。
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