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）調節，本身又耐沖擊、抗振動(dòng)、壽命長(cháng)（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(cháng)，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(xiàn)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(fā)出的光線(xiàn)為綠光。

基于這兩種材料，早期 LED工業(yè)運用GaAs1-xPx材枓結構，理論上可以生產(chǎn)從紅外光一直到綠光范圍內任何波長(cháng)的LED，下標X代表磷元素取代砷元素的百分比。一般通過(guò) PN結壓降可以確定LED的波長(cháng)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(diǎn)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(shí)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(dòng)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(lǐng)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(shuō)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(xiàn)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(dòng)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(guān)察角度為輔助參數，其等效于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(gè)屏體的在最佳視角上的發(fā)光強度，假設屏體中每個(gè)圖元的發(fā)光強度在相應空間內恒定，則此數值可被認為也是整個(gè)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LED，最大亮度在700～2000 CD／平方米左右。

單個(gè)LED的發(fā)光強度以CD為單位，同時(shí)配有視角參數，發(fā)光強度與LED的色彩沒(méi)有關(guān)係。單管的發(fā)光強度從幾個(gè)mCD到5000mCD不等。LED生產(chǎn)廠(chǎng)商所給出的發(fā)光強度指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視角和光強分佈。一般來(lái)說(shuō)相同的LED視角越大，最大發(fā)光強度越小，但在整個(gè)立體半球面上累計的光通量不變。當多個(gè)LED較緊密規則排放，其發(fā)光球面相互疊加，導致整個(gè)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(shí)，需根據LED視角和LED的排放密度，將廠(chǎng)商提供的最大點(diǎn)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(cháng)，生產(chǎn)廠(chǎng)家一般都標明為100，000小時(shí)以上，實(shí)際還應注意 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(xiàn)中綠色的亮度為69%，紅色的亮度為21％，藍色的亮度為10％時(shí)，混色后人眼感覺(jué)到的是純白色。但LED紅綠藍三色的色品座標因工藝過(guò)程等原因無(wú)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(chēng)為配色。當為全彩色LED屏幕進(jìn)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(gè)頂點(diǎn)為理想的原色波長(cháng)。如果原色有偏差，則可合成顏色的區域會(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、藍光線(xiàn)根據其不同波長(cháng)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(jià)格上便宜很多。三個(gè)原色中綠色最為重要，因為綠色佔據了白色中69％的亮度，且處于色彩橫向排列表的中心。因此在權衡顏色的純度和價(jià)格兩者之間的三基色組成方式，在三基色設計應用中通常是，通過(guò)調節設定LED電流來(lái)達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，設計全彩顯示技術(shù)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(xiàn)中綠色的亮度為69%，紅色的亮度為21%，藍色的亮度為10%時(shí)，混色后人眼感覺(jué)到的是純白色。早前的CRT電視機到現在的LCD液晶顯示都是這樣組成的。