淺談LED產(chǎn)生有色光的方法

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(guān)，目前廣泛使用的有紅、綠、藍(lán)三種。由于LED工作電壓低（僅1.5-3V），能主動(dòng)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(dòng)、壽命長(zhǎng)（10萬(wàn)小時(shí)）。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(zhǎng)，也就是光譜或顏色。

史上第一個(gè)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(diǎn)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(yùn)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(zhǎng)的LED，下標(biāo)X代表磷元素取代砷元素的百分比。一般通過(guò) PN結(jié)壓降可以確定LED的波長(zhǎng)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(chēng)這些LED為三元素發(fā)光管。

而GaN（氮化鎵）的藍(lán)光 LED 、GaP 的綠光 LED和GaAs紅外光LED，被稱(chēng)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(jiàn)光以及部份紫外光的光譜范圍。

發(fā)光強(qiáng)度：發(fā)光強(qiáng)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(qiáng)度單位（燭光　Candle power） 1CD（燭光）指完全輻射的物體，在白金凝固點(diǎn)溫度下，每六十分之一平方公分面積的發(fā)光強(qiáng)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(shí)燃燒7.78克，火焰高度為4.5公分，沿水準(zhǔn)方向的發(fā)光強(qiáng)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(dòng)發(fā)光體采用發(fā)光強(qiáng)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(jī)等；而照度單位勒克司Lux，一般用于攝影等領(lǐng)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(shuō)一部LCD投影機(jī)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(shè)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(qiáng)度為1600CD。而真正的LCD投影機(jī)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(shí)際使用中，光強(qiáng)計(jì)算常常采用比較容易測(cè)繪的資料單位或變向使用。對(duì)于LED屏幕這種主動(dòng)發(fā)光體一般采用CD／平方米作為發(fā)光強(qiáng)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(gè)屏體的在最佳視角上的發(fā)光強(qiáng)度，假設(shè)屏體中每個(gè)圖元的發(fā)光強(qiáng)度在相應(yīng)空間內(nèi)恒定，則此數(shù)值可被認(rèn)為也是整個(gè)屏體的光通量。一般室外LED屏幕須達(dá)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(gè)LED的發(fā)光強(qiáng)度以CD為單位，同時(shí)配有視角參數(shù)，發(fā)光強(qiáng)度與LED的色彩沒(méi)有關(guān)係。單管的發(fā)光強(qiáng)度從幾個(gè)mCD到5000mCD不等。LED生產(chǎn)廠商所給出的發(fā)光強(qiáng)度指LED在20mA電流下點(diǎn)亮，最佳視角上及中心位置上發(fā)光強(qiáng)度最大的點(diǎn)。封裝LED時(shí)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(qiáng)分佈。一般來(lái)說(shuō)相同的LED視角越大，最大發(fā)光強(qiáng)度越小，但在整個(gè)立體半球面上累計(jì)的光通量不變。當(dāng)多個(gè)LED較緊密規(guī)則排放，其發(fā)光球面相互疊加，導(dǎo)致整個(gè)發(fā)光平面發(fā)光強(qiáng)度分佈比較均勻。

在計(jì)算屏幕發(fā)光強(qiáng)度時(shí)，需根據(jù)LED視角和LED的排放密度，將廠商提供的最大點(diǎn)發(fā)光強(qiáng)度值乘以30％～90％不等，作為單管平均發(fā)光強(qiáng)度。一般LED的發(fā)光壽命很長(zhǎng)，生產(chǎn)廠家一般都標(biāo)明為100，000小時(shí)以上，實(shí)際還應(yīng)注意 LED的亮度衰減週期，如大部分用于汽車(chē)尾燈的UR紅管點(diǎn)亮十幾至幾十小時(shí)后，亮度就只有原來(lái)的一半了。

亮度衰減週期與LED生產(chǎn)的材料工藝有很大關(guān)係，一般在經(jīng)濟(jì)條件許可的情況下應(yīng)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(lán)三色按亮度比例混合而成，當(dāng)光線中綠色的亮度為69%，紅色的亮度為21％，藍(lán)色的亮度為10％時(shí)，混色后人眼感覺(jué)到的是純白色。但LED紅綠藍(lán)三色的色品座標(biāo)因工藝過(guò)程等原因無(wú)法達(dá)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(chēng)為配色。當(dāng)為全彩色LED屏幕進(jìn)行配色前，為了達(dá)到最佳亮度和最低的成本，應(yīng)儘量選擇三原色發(fā)光強(qiáng)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(lán)，下圖為光譜表，表中的三個(gè)頂點(diǎn)為理想的原色波長(zhǎng)。如果原色有偏差，則可合成顏色的區(qū)域會(huì)減小，光譜表中的三角形會(huì)縮小，從視覺(jué)角度來(lái)看，色彩不僅會(huì)有偏差，豐富程度減少。

LED發(fā)出的紅、綠、藍(lán)光線根據(jù)其不同波長(zhǎng)特性和大致分為紫紅、純紅、橙紅、橙、橙黃、黃、黃綠、純綠、翠綠、藍(lán)綠、純藍(lán)、藍(lán)紫等，橙紅、黃綠、藍(lán)紫色較純紅、純綠、純藍(lán)價(jià)格上便宜很多。三個(gè)原色中綠色最為重要，因?yàn)榫G色佔(zhàn)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(jià)格兩者之間的三基色組成方式，在三基色設(shè)計(jì)應(yīng)用中通常是，通過(guò)調(diào)節(jié)設(shè)定LED電流來(lái)達(dá)到白平衡和最大的期望亮度值。

我們一般將最簡(jiǎn)單、最優(yōu)化的配色方式作為，設(shè)計(jì)全彩顯示技術(shù)的顏色再現(xiàn)方法。白平衡是檢驗(yàn)顏色組成的重要標(biāo)誌之一。三基色白光一般是紅綠藍(lán)三基色按亮度比例混合而成，當(dāng)光線中綠色的亮度為69%，紅色的亮度為21%，藍(lán)色的亮度為10%時(shí)，混色后人眼感覺(jué)到的是純白色。早前的CRT電視機(jī)到現(xiàn)在的LCD液晶顯示都是這樣組成的。