Светодиодные лампы спектр излучения: Выбор светодиодных ламп. 3. Спектры источников света / Хабр

Содержание

Вред светодиодных и люминесцентных ламп

Вред светодиодных и люминесцентных ламп.

За последние 15 лет мы стали свидетелями технологической революции в сфере технологий искусственного освещения. В наши дни традиционная лампа накаливания конструкции Эдисона-Лодыгина в домах, общественных местах и в производственных помещениях уступила место обычным и компактным люминесцентным лампам, галогенным и металлогалогенным лампам, многоцветным и люменоформным светодиодам. Во многих странах, в том числе и в России приняты законы, стимулирующие использование современных энергосберегающих источников света, вместо традиционных, потребляющих большие мощности ламп накаливания. Например, Федеральным законом РФ №261 «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности» с 2009 года был введен запрет на импорт, выпуск и реализацию ламп накаливания мощностью 100 ватт и более, а для муниципальных и государственных предприятий – запрет на закупки любых  ламп накаливания для освещения.

Смена элементной базы произошла и во всех видах устройств жидкокристаллическими экранами. На смену подсветке экрана на основе микрофлуоресцентных ламп также пришли твердотельные источники света — светодиоды, которые стали стандартным решением в смартфонах, планшетах, ноутбуках, мониторах и телевизионных панелях.  Технологическая революция привела к радикальному изменению нагрузки на глаза: большинство современников читают и смотрят для получения информации не на хорошо освещенную отраженным светом бумагу, а на испускающие свет светодиодные дисплеи.

Рядовые потребители быстро заметили разницу между световой средой, создаваемой традиционными лампами накаливания и высокотехнологичными источниками света,такими как светодиоды. В некоторых случаях пребывание в среде с искусственным освещением на новой технологической основе стало приводить к снижению производительности труда, к повышенной утомляемости и раздражительности, к усталости, нарушениям сна, и заболеваниям глаз и нарушениями зрения.  Также стали отмечаться случаи ухудшения состояния людей, страдающих такими хроническими заболеваниями как эпилепсия, мигрень, заболевания сетчатки, хронический актинический дерматит и солнечная крапивница.

Проблема со здоровьем стали возникать из-за того, что светодиоды, как и другие источники света новых поколений были разработаны и стали производиться в то время, когда промышленные стандарты безопасности не были нормой. Проведенные за последнее десятилетие исследования показали, что не все типы и конкретные модели  современных высокотехнологичных источников света (светодиоды, люминесцентные лампы) могут быть безопасны для здоровья человека. Формально, с точки зрения существующие стандартов фотобиологической безопасности источников света (Европейские EN 62471,IEC 62471, CIE S009 и российский ГОСТ Р МЭК 62471 «Светобиологическая безопасность ламп и ламповых систем») абсолютное большинство бытовых источников света при условии правильного монтажа и использования относятся к категории «безопасны в использовании» («свободная группа» ГОСТ Р МЭК 62471)  и лишь некоторые к категории «незначительный риск».  По стандартам безопасности оцениваются следующие риски от воздействия источников света:

1. Опасности ультрафиолетового излучения для глаз и кожи.

2. Опасности излучения диапазона УФ-А  для глаз.

3. Опасности излучения синего спектра для сетчатки глаза

4. Тепловой опасности поражения для сетчатки.

5. Инфракрасная опасность для глаз.

Лучистая энергия от источников света может вызвать повреждения тканей организма человека с помощью трех основных механизмов, первые два из которых не зависят от спектрального состава света и характерны для воздействия излучения видимого, инфракрасного и ультрафиолетового спектров:

  • Фотомеханического – при длительном поглощении большого количества энергии, ведущего к повреждению клеток. 
  • Фототермического  — в результате краткого (100 мс -10 с) поглощения интенсивного света, приводящего к перегреву клеток.
  • Фотохимического – в результате воздействия света определенной длины волны происходят специфические физиологические изменения в клетках, приводящие нарушению их деятельности или гибели. Этот вид повреждений характерен для сетчатки глаза при поглощении света синего спектра с длиной волны в диапазоне 400-490 нм излучаемого светодиодами

Иллюстрация №1. Синий спектр излучения светодиодов — ранее неизвестная и серьезная угроза для здоровья сетчатки глаза человека. (Если вы читаете статью на ЖК мониторе — просто задержите взгляд на картинке ниже и прислушайтесь к своим ощущениям).  

В реальной жизни опасности поражения кожи, глаз или сетчатки фотомеханическими и фототермическими механизмами могут возникнуть лишь при нарушении правил безопасности: зрительный контакт с мощным источником света, с малых расстояний или в течение длительного времени. При этом тепловое и мощное световое излучение обычно явно различимо, и человек реагирует на его воздействие охранительными безусловными рефлексами и поведенческими реакциями, прерывающими контакт с источниками повреждающего светового излучения. Накапливаемый эффект теплового излучения на протяжении жизни человека на хрусталик глаза приводит к денатурации белков в его составе, что приводит к пожелтению и помутнению хрусталика – возникновению катаракты. Для профилактики катаракты стоит защищать глаза от воздействия любого яркого света (особенно солнечного), не смотреть на электрическую дугу сварки, огонь в костре, печи или камине.

Значительную опасность для здоровья глаз представляют собой воздействие  ультрафиолетовой (люминесцентные и галогенные лампы) и синей части спектра светового излучения светодиодов, которые субъективно в общем спектре светового излучения человеком не воспринимаются, и воздействие которых не может быть контролируемо безусловными или условными рефлексами.

Многие виды искусственных источников света при работе испускают незначительное количество ультрафиолетового излучения: кварцевые галогенные лампы, линейные или компактные флуоресцентные лампы и лампы накаливания. Наибольшее количество ультрафиолетового изучения производят флуоресцентные лампы с одним слоем изоляции рабочей среды (например, линейные лампы дневного света, установленные без поликарбонатных светорассеивателей, либо компактные флуоресцентные лампы без дополнительного пластикового светорассеивателя). Но даже при самом худшем сценарии использования ламп с наибольшей эмиссией ультрафиолетового излучения  эритемная доза, получаемая человеком за год, не превышает дозы, получаемой при недельном отпуске летом на Средиземном море.  Однако определенную опасность представляют лампы, испускающие ультрафиолетовое излучение поддиапазона УФ-С, которое в природе практически полностью поглощается земной атмосферой и не достигает земной коры. Излучение этого спектра не является естественным для человеческого  организма и может представлять определенную опасность, теоретически увеличивая риск развития рака кожи на 10% и более. Также постоянное воздействие ультрафиолетового излучения на человека может представлять опасность при ряде хронических заболеваний (заболевания сетчатки, солнечная крапивница, хронические дерматиты) и приводить к возникновению катаракты (помутнение хрусталика глаза).

Иллюстрация №2. Стандартное повреждающее действие светового излучения на глаза в зависимости от длины волны.

Гораздо большую, но пока еще недостаточно изученную опасность может представлять для здоровья глаз и сетчатки излучение синей части видимого спектра в диапазоне от 400 до 490 нм испускаемого светодиодами белого света. 

Иллюстрация №3. Сравнение  мощности спектра излучения стандартных светодиодов белого света, флоуресцентных  (люминисцентных) ламп и традиционных ламп накаливания.   

На иллюстрации выше показано сравнение спектрально состава света от различных источников:  светодиодов белого света, флуоресцентных (люминисцентных)  ламп и традиционных ламп накаливания. Хотя субъективно свет ото всех источников воспринимается как белый, спектральный состав излучения принципиально разный. Пик синего спектра у светодиодов обусловлен их конструкций: белые светодиоды состоят из диода, испускающего поток синего света, проходящего через поглощающий синий свет желтый люминофор, что создает у человека восприятия света белого цвета.    Максимум мощности излучения у светодиодов белого света приходится на синюю часть спектра (400-490 нм).  Экспериментальные исследования показывает, что воздействие синего света в диапазоне 400-460 нм является максимально опасным, приводящим к фотохимическому повреждению клеток сетчатки глаза и их гибели. Синее излучение в диапазоне 470-490 нм может быть менее вредным для глаз.  Из графиков видно, что и флуоресцентные лампы также испускают свет во вредоносном диапазоне, но интенсивность излучения в 2-3 меньшая, чем у светодиодов белого света.   

Со временем люминофор в светодиодах белого света деградирует, и интенсивность излучения в синем спектре увеличивается. Тоже происходит и в электронных гаджетах: чем старее экран или монитор со светодиодной подсветкой, тем интенсивнее в нем излучение синей части спектра.  Патологическое воздействие синего спектра на сетчатку глаза усиливается в темное время  суток. Более всего подвержены повреждающему воздействию синего спектра дети в возрасте до 10 лет (из-за лучшей проницаемости структур глаза) и пожилые люди старше 60 лет (из-за накопления в клетках сетчатки пигмента липофусцина, активно поглощающего свет синего спектра).  

Иллюстрация №4. Сравнение мощности спектра излучения различных искусственных источников света с дневным солнечным светом.

Повреждающее воздействие синей части спектра светового излучения светодиодов реализуется за счет фотохимических механизмов: синий свет вызывает накопление в клетках сетчатки пигмента липофусцина (которого образуется больше с возрастом) в виде гранул. Гранулы липофусцина интенсивно поглощают синий спектр светового излучения, в результате чего образуется много свободных кислородных радикалов (активная форма кислорода), которые, повреждают структуры клеток сетчатки, вызывая их гибель.

Кроме повреждающего действия синий свет длиной волны 460 нм, испускаемый светодиодами белого света и флуоресцентными (люминесцентными) лампами способен влиять на синтез фотопигмента меланопсина, регулирующего циркадные ритмы и механизмы сна за счет подавления активности гормона мелатонина. Синий свет этой длины волны способен при хроническом воздействии сдвигать циркадные ритмы человека, что, с одной стороны, при контролируемом воздействии может быть использовано для лечения нарушений сна, а с другой при бесконтрольной экспозиции, в том числе в ночное время, приводить  к сдвигу циркадных ритмов человека, приводящих  к нарушениям сна.

Урезанный спектральный состав света от люминесцентных ламп и светодиодов косвенно уменьшает регенеративные способности (способности к восстановлению) тканей глаза. Дело в том, что видимый красный и ближний инфракрасный диапазон (IR-A) естественного солнечного света и ламп накаливания вызывает определенный прогрев тканей, стимулируя кровоснабжение и питание тканей, улучшая производство энергии в клетках. Свет от высокотехнологичных устройств практически лишен этой естественной «лечебной» части спектра.

Опасность синего спектра видимого излучения, испускаемого светодиодами белого света, подтверждена многочисленными экспериментами над животными. Французское Агентство по продовольственной, экологической и профессиональной безопасности и здоровью (ANSES) в 2010 году опубликовало доклад «Светодиодные системы освещения: последствия для здоровья, с которыми стоит считаться» в котором говорится «Синий свет… признан вредным и опасным для сетчатки глаза, за счет вызываемого им клеточного окислительного стресса». Синий спектр светодиодного света вызывает фотохимическое повреждение глаз, степень которого зависит от накопленной дозы синего света, в результате совокупности интенсивности и освещения и длительности его воздействия. Агентство выделят три основных группы риска: дети, светочувствительные люди и работники, проводящие много времени в условиях искусственного освещения.

Научная комиссия Евросоюза по новым и вновь выявленным рискам для здоровья (SCENIHR) также опубликовала в 2012 году свое мнение по опасности для здоровья светодиодного освещения, подтверждая, что синий спектр светодиодного света вызывает фотохимические  повреждения клеток сетчатки глаза как при интенсивном (более 10 Вт/м2) кратковременном воздействии (>1,5 часа), так и при длительном воздействии с низкой интенсивностью.

Выводы:

  1. Воздействие на организм человека высокотехнологичных источников света до конца не изучено. В настоящее время невозможно сделать окончательных выводов ни о безопасности, но и об опасности воздействия на организм человека источников света, отличных от традиционных ламп накаливания.
  2. В настоящее время невозможно определить стандарты безопасности типов источников света из-за значительного разброса внутренних конструктивных параметров в зависимости от конкретного производителя и конкретной партии товара. 
  3. Исходя из спектрального состава излучения, наиболее безопасными для здоровья человека источниками света являются традиционные лампы накаливания и некоторые галогенные лампы.  Их рекомендуется использовать в спальнях, в детских и для освещения рабочих мест (особенно мест для работы в темное время суток). От использования светодиодов в местах длительного нахождения людей (особенно в темное время суток) лучше отказаться. 
  4. Для снижения эмиссии излучения ультрафиолетового диапазона рекомендуется либо отказаться от использования флуоресцентных (люминесцентных) ламп, либо использовать флуоресцентные лампы с двойной оболочкой и установкой за полимерными светорассеивателями. Нельзя пользоваться люминесцентными лампами на расстоянии ближе, чем 20 см до тела человека. Галогенные лампы также могут быть значительными источниками УФ излучения.
  5. Для снижения возможного повреждения сетчатки излучением синего спектра, испускаемого светодиодами холодного белого света и, в меньшей степени,  компактными флуоресцентными лампами следует:  использовать для освещения источники света другого типа, либо использовать светодиоды теплого белого света. При работе в ночное время при искусственном освещении светодиодами или флуоресцентными лампами рекомендуется использовать очки, блокирующие синий спектр светового излучения.
  6. При работе с устройствами, имеющие жидкокристаллические экраны со светодиодной подсветкой рекомендуется сокращать время работы с такими устройствами, давать отдых глазам каждые 20 минут работы, прекращать работу как минимум за два часа до сна и избегать работы в ночное время. В настройке цветовой температуры мониторов и экранов следует отдавать предпочтение теплой цветовой гамме. Особенно подвержены воздействию синего спектра дети в возрасте до 10 лет и пожилые люди старше 60 лет. При работе в темное время суток в условиях искусственного освещения рекомендуется носить очки, блокирующие синий спектр светового излучения, особенно. Постоянное ношение очков, блокирующих синий спектр в дневное время может привести к нарушению синтеза гормона меланопсина и последующим нарушениям сна, и другим заболеваниям, связанным с нарушениями циркадных ритмов (в том числе к раку молочной железы, сердечнососудистым и желудочно-кишечным заболеваниям).
  7. При ночном вождении автомобиля рекомендуется носить водительские очки с желтыми светофильтрами для блокировки синего спектра света встречных светодиодных фар и повышения четкости изображения. 

Список литературы:

  1. Health Effects of Artificial Light. Scientific Committee on Emerging and Newly Identified Health Risks (SCENIHR), 2012.
  2. Systèmes d’éclairage utilisant des diodes électroluminescentes: des effets sanitaires à prendre en compte. ANSES, 2010.
  3. Gianluca T. Effects of blue light on the circadian system and eye physiology  Mol Vis. 2016; 22: 61–72.
  4. Lougheed T.  Hidden blue hazard? LED lighting and retinal damage in rats. Environ Health Perspect, 2014. Vol.122:A81
  5. Yu-Man Sh. et al. White Light–Emitting Diodes (LEDs) at Domestic Lighting Levels and Retinal Injury in a Rat Model Environ Health Perspect, 2014, Vol.122.

Какие лампы наиболее приближены по спектру излучения к дневному свету?

В компанию «СТК Системы освещения» обратился клиент с запросом относительно ламп наиболее приближенных по спектру к дневному свету. На первый взгляд в самом вопросе кроется ответ — так называемые «лампы дневного света». Однако, давайте разберемся в этом вопросе более детально.

Что такое спектр излучения? Это энергия излучаемая источниками, в том числе источниками света, в различных диапазонах, длинах волн. Длина волн определяется в нанометрах, нм. Илучение энергии световыми приборами называют также оптическим излучением. Диапазон длин волн включает в себя воспринимаемый человеческим глазом видимый диапазон и два смежных: инфракрасный и ультрафиолетовый.

Видимое излучение определяется в диапазоне 380-780 нм. Ультрафиолетовое излучение имеет 3 диапазона: УФ-С 100-280 нм, УФ-В 280-315 нм, УФ-А 315-380 нм. Инфракрасное излучение имеет длину волн свыше 780 нм.
Самое вредоносное для человека УФ-С, хотя, при этом оно обладает бактерицидным эффектом. Лампы УФ-С используются в медучреждениях для обеззараживания помещений. УФ-В вырабатывает витамин Д, а УФ-А придает коже загар. При этом в неумеренных дозах они также опасны для человека. Поэтому и придумали солнцезащитные средства с УФ-А и УФ-В фильтрами.
Обычно, в лампах, используемых в помещениях, за исключением специальных, также есть УФ-фильтры для предотвращения вредного воздействия на кожу человека.
Солнце — естественный источник оптического излучения. Однако спектр такого излучения не постоянен. Состав спектра может меняться в зависимости от времени суток, времени года, местности. Именно поэтому точно определить спектр солнечного света невозможно. Для каждого случая он свой.
Конечно, солнечный или дневной свет всеже имеет более-менее определенный спектральный состав. В сети Интернет можно встретить несколько иллюстраций спектра солнечного света.

 

Недостаток этих картинок в ограниченности диапазонов 400-700 нм. Нет ни ультрафиолетовых диапазонов, которые как вам известно присутствуют в солнечном свете. Иначе, как бы мы с вами загорали, сгорали и зачем мазались бы солнцезащитными кремами.


В этой картинке уже больше правды. Слева — спектр солнечного света. Справа — спектр ламп дневного света.

Не знаю какие именно лампы дневного света брались за основу и откуда получена данная информация, но она отчасти совпадает с данными PHILIPS.
Как видите, спектр люминесцентных ламп отчасти повторяет спектр солнца, но солнечный спектр более ровный и насыщенный.

Примерно такая же ситуация и с газоразрядными лампами. Спектр некоторых из них распространяется на все видимые диапазоны и отчасти захватывает смежные ултрафиолетовый и инфракрасный.

Почему вопросу соответствия спектра искуственных источников света с естественным солнечным уделяется много внимания? Исследования в области физиологии человека доказали влияние спектрального состава света на жизнедеятельность и показатели нашего организма.

Именно поэтому нашему клиенту после проведения аттестации рабочих мест в помещениях без естественного освещения были предложены следующие мероприятия: использовать газоразрядные источники света со спектральным составом, близким к спектру естественного света; для компенсации ультрафиолетовой недостаточности предусматривать использование ультрафиолетовых облучательных установок длительного действия(совмещенных с осветительными установками).

С.Исполатов
СТК Системы освещения.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ «КАКИЕ ЛАМПЫ УБИВАЮТ ВИРУС И ЧЕМ ОТЛИЧАЮТСЯ БАКТЕРИЦИДНЫЕ, УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫЕ И КВАРЦЕВЫЕ ЛАМПЫ»

РЕМОНТ СВЕТОДИОДНЫХ СВЕТИЛЬНИКОВ

 

УФ-излучение светодиодов

УФ-излучение светодиодов

Внесем ясность об ультрафиолете и спектре применяемых светодиодов в лакмпах ТМ «ECON».

Одним из аргументов противников применения светодиодных светильников является наличие в спектре светодиодов УФ составляющей – давайте в этом разберемся, что правда, что нет.

Для справки (взято из Википедии) Что такое Ультрафиолетовое излучение?

Ультрафиоле́товое излуче́ние (ультрафиолет, УФ, UV) — электромагнитное излучение, занимающее диапазон между фиолетовой границей видимого излучения и рентгеновским излучением (380 — 10 нм, 7,9∙10 в степени 14 — 3∙10 в степени 16 Герц).

Так же различают несколько градаций УФ излучения:

 

 

Из данной таблицы становится понятно, что УФ излучение находится в пределах от 100 до 400nm. 

После небольшой справки по УФ излучению давайте обратимся к данным по спектру излучаемого света в светодиодных лампах ТМ «ECON».

График спектрального распределения светодиодов с цветовой температурой 4200К.

График спектрального распределения светодиодов с цветовой температурой 3000К.

На графиках: ось Х – длинна волны, ось Y – интенсивность излучения

Из данных графиков видно, что излучение светодиодов начинается с 405-410nm, при этом до 430nm это излучение не значительно. Стоит вспомнить, что для УФ излучения характерен диапазон от 100 до 400nm.

Предоставленные данные наглядно показывают, что светодиодные лампы ТМ «ECON» не излучают ультрофиолетовый спектр, и как следствие все тревоги связанные с возможным ущербом для глаз беспочвенны.

В лампах ТМ «ECON» применяются светодиоды одного из лидеров данной отрасли, Тайваньской компании Epistar  с цветовой температурой: 3000К – тёплый-белый свет, и 4200К – нейтрально-белый свет, т.е. данные цветовые температуры наиболее комфортны для человеческого глаза и не содержат холодных синеватых оттенков.

Выбираем источник света | Статьи компании МДМ-Лайт

Времена, когда в нашей стране разнообразие источников света ограничивалось «лампочкой Ильича», давно канули в Лету. Сегодня помимо традиционных лампочек накаливания производители и торговля предлагают нам и другие, более совершенные осветительные приборы — галогенные, люминесцентные, и светодиодные. Между собой они различаются по целому ряду параметров, от которых зависит их назначение. Поэтому и дизайнеру, работающему над проектом, и простому обывателю, преобразующему свою жилую среду, полезно знать их характеристики, чтобы уметь правильно использовать эти светотехнические новинки.

В чем разница? Основными характеристиками ламп традиционно считают цветопередачу, светоотдачу и цвет излучения. Цветопередача является для дизайнеров чуть ли не главным параметром, определяющим качество света. Поэтому при выборе ламп для того или иного интерьера прежде всего необходимо учитывать особенности помещения и тот эффект, которого хочет достичь дизайнер.

Так, отдыху и расслаблению способствуют лампы теплого тона, поэтому в гостиной и спальне будут уместны лампы накаливания. Для кабинетов и офисных помещений используют более «холодные» люминесцентные лампы, помогающие создать рабочую атмосферу. В отличие от люминесцентных и ламп накаливания «галогенки» относятся к световым источникам, более близким по спектру к белому цвету, то есть такое освещение не исказит ни цвет вашего лица, ни цветовое решение вашего интерьера. Поэтому в кухне и ванной комнате галогенные лампы просто незаменимы. Впрочем, это совсем не означает, что в гостиной, к примеру, люминесцентные источники света неуместны, так как продуманное сочетание ламп разных спектров может дать очень интересный эффект.

Основные характеристики ламп

Известно, чем сплошнее и равномернее спектр лампы, тем более различимы цвета предметов в ее свете. Так, главный для всех землян естественный источник света — Солнце — имеет сплошной спектр излучения и наилучшую цветопередачу. Для ламп она определяется по эталонным образцам и измеряется в Ra (следует отметить, показатель Ra является достаточно условным). Однако этот индекс не позволяет сделать вывод о характере передачи цветов и поэтому может дезориентировать дизайнера.

Так, у ламп накаливания Ra колеблется от 60 до 90, в них видимое излучение преобладает в желтой и красной частях спектра при недостатке в синей и фиолетовой (по сравнению с дневным естественным светом). В каталогах ламп иногда приводится такая характеристика как световой поток, измеряемый в люменах. Например, для лампы накаливания мощностью 100 Вт он равен 1200 Лм, а для 35-ваттной галогенной лампы — 600 Лм.

Другой показатель — светоотдача — говорит об эффективности преобразования электрической энергии в свет. Нетрудно догадаться, что разные типы ламп имеют разную световую отдачу, которая измеряется, как говорят специалисты, в «люменах с ватта» (Лм/Вт) и показывает, сколько люменов светового потока образуется из одного ватта потребленной электроэнергии.

Так, лампы накаливания имеют небольшую светоотдачу — около 12 Лм/Вт, поскольку большая часть затрачиваемой электроэнергии уходит на нагрев вольфрамовой спирали и всего 5% преобразуется в свет. Гораздо выше этот показатель у люминесцентных ламп — до 100 Лм/Вт! Чтобы правильно организовать распределение света в пространстве, то есть в конкретном помещении, необходимо учитывать и размер тела свечения.

Вы скажете, что гораздо важнее для этого подобрать соответствующий светильник, «ответственный» за перераспределение светового потока, однако сам источник света здесь тоже играет далеко не последнюю роль. Чем меньше тело свечения, тем легче использовать отражатели и линзы, чтобы, например, сфокусировать свет в узкий луч. Согласитесь, лампы с большой поверхностью свечения (люминесцентные) создают подчас невыразительную картинку, смягчая контрасты и размывая тени. Следовательно, такой свет трудно сфокусировать.

Не следует забывать и о сроке службы ламп. Особенно стоит позаботиться об этом, устанавливая светильник в труднодоступных местах — нишах, карнизах или водоемах. Здесь абсолютными рекордсменами являются, конечно же, светодиоды, срок службы которых составляет до 12 лет! По сравнению с ними лампы накаливания горят ничтожно мало — всего 1000 часов, кроме того, со временем качество света (световой поток) лампы накаливания уменьшается.

Сравнительные характеристики различных видов ламп

Лампы накаливания

Старая добрая лампочка-«груша» с ее теплым приятным светом сегодня для многих продолжает оставаться символом искусственного света. Поэтому вполне объяснима и ее большая популярность: наиболее распространенными источниками света до сих пор являются именно лампы накаливания. Принцип действия этой лампы изучают в школе: вольфрамовая спираль, помещенная в колбу, из которой откачан воздух, разогревается под действием электрического тока и начинает светиться. Из-за такой конструкции экономичность и светоотдача ламп накаливания на фоне достижений других осветительных приборов выглядят явно неубедительно.

Кроме того, как видно из таблицы «Сравнительная характеристика различных типов ламп», лампы накаливания уступают галогенным, люминесцентным лампам и светодиодам и по другим параметрам. К их недостаткам помимо небольшого срока службы можно также отнести неблагоприятный спектральный состав, искажающий цветопередачу. В то же время невысокая цена и большое количество вариантов исполнения колб, от самых маленьких для карманного фонарика и елочной гирлянды до больших разноцветных прожекторных, привлекают покупателей из года в год. Декоративные лампы накаливания, например, предназначены для общего, местного и декоративного освещения. В люстрах и бра их декоративная форма (свеча, шар, витая свеча, рифленая свеча) может выгодно дополнять конструкцию светильника.

Люминесцентные лампы обладают отличной цветопередачей и светоотдачей

Галогенные лампы

Хотя сегодня лампа накаливания и считается продуктом массового производства, в котором вроде бы и улучшать больше нечего, работа над ее техническим совершенствованием продолжается. Знакомые нам по встроенным светильникам «галогенки» — это усовершенствованный благодаря некоторым технологическим новшествам (добавление галогенидов в колбу лампы, использование особых сортов кварцевого стекла) вариант ламп накаливания.

Преимуществами галогенных ламп перед обычными лампами накаливания являются: неизменно яркий свет в течение всего срока службы, красивый «сочный» свет, обеспечивающий великолепную цветопередачу и возможность создания привлекательных световых эффектов, компактность, более высокая световая отдача (при одинаковой мощности с лампами накаливания), а следовательно, и повышенная экономичность, увеличенный срок службы (в два раза больший, чем у стандартных ламп накаливания).

Кстати, в несколько раз повысить срок эксплуатации и тех и других ламп можно, используя пониженное напряжение питания в сети. При этом, однако, спектр излучения сдвигается в красную область. Галогенный свет создает обворожительный эффект глянцевой поверхности освещаемого им объекта. Подкупает своей красотой и живая игра спектрального света отражателей галогенных ламп. Небольшие размеры и огромный выбор галогенных ламп накаливания — от ламп с концентрированным пучком света до настенных ламп заливающего света — открывают перед дизайнерами новые возможности при подборе необычных вариантов освещения. Основной недостаток «галогенок» — нагревание в процессе горения. Именно из-за этого их не рекомендуют использовать в детских комнатах, для подсветки картин и других ценных работ с росписью.

Люминесцентные лампы разных цоколей

Люминесцентные лампы

Люминесцентные лампы, или разрядные лампы низкого давления, представляют собой цилиндрическую трубку с электродами, в которую закачаны пары ртути. Под действием электрического разряда пары ртути излучают ультрафиолетовые лучи, а они, в свою очередь, заставляют нанесенный на стенки трубки люминофор излучать видимый свет.

Люминесцентные лампы обладают отличной цветопередачей и светоотдачей. Два варианта исполнения ламп — с трех- и пятиполосным люминофором имеют различное соотношение этих показателей. Лампы с трехполосным люминофором более экономичны (светоотдача до 100 Лм/Вт), но обладают худшей цветопередачей (Ra=80). Лампы с пятиполосным люминофором имеют отличную цветопередачу при меньшей световой отдаче (до 88 Лм/Вт). Впрочем, как и лампы накаливания, люминесцентные лампы зачастую неудовлетворительно передают некоторые цвета.

Люминесцентные лампы обеспечивают равномерный мягкий свет, но, как уже упоминалось, из-за большой площади излучения распределением света в пространстве управлять достаточно трудно. Впрочем, обычную люминесцентную лампу можно заменить компактной, в которой трубка закручена в спираль. Тем более что по своим параметрам компактные люминесцентные лампы приближаются к линейным.

Кстати, компактные люминесцентные лампы часто используют для замены ламп накаливания. Все люминесцентные лампы отличаются небольшим потреблением энергии и очень длительным сроком службы. Например, люминесцентные линейные лампы работают в 8–20 раз дольше обычных ламп накаливания и в зависимости от типа и яркости потребляют на 85% меньше электроэнергии. Эти свойства люминесцентных ламп (долговечность и экономичность) определяют их повсеместное использование в офисных помещениях.

Кроме того, различные оттенки света (от подобного лампам накаливания до дневного) и цвета люминесцентных ламп дают дополнительные преимущества их применения, не говоря уже о разнообразии их типов (по мощности и размеру, конструкции и форме: прямые, кольцевые и U-образные). Среди недостатков — относительная громоздкость, необходимость в специальном пускорегулирующем устройстве (стартере и дросселе), чувствительность к температуре окружающего воздуха (при температуре ниже +10°С лампа может не зажечься), наличие стробоскопического эффекта, который вызывается частыми, не уловимыми для зрения миганиями люминесцентной лампы в такт колебаниям переменного тока в электрической цепи. В результате у человека нарушается правильное восприятие скорости движения предметов, появляются неприятные ощущения. Кроме того, при неправильном включении (без защитных конденсаторов в пускорегулирующем устройстве) люминесцентные лампы становятся источниками помех для радиоприемников и телевизоров. Светодиоды на сегодняшний день являются самыми перспективными источниками света

Светодиоды

Светодиоды (также часто используется английская аббревиатура LED — light emitting diodes), пожалуй, на сегодняшний день являются самыми перспективными источниками света. Изначально они использовались в электронике, затем — в светосигнальной технике (светофорах, дорожных знаках, вывесках и указателях). Позже эта технология нашла свое применение и в декоративном освещении.

В чем же преимущества светодиодов?

Экономичность. Светодиоды работают от низкого напряжения и, соответственно, потребляют очень мало электроэнергии, так как по сравнению с обычными источниками света практически всю энергию превращают в свет. Это позволяет снизить потребление энергии на 75%.

Сверхдолгий срок службы. Теоретически до 100 000 часов горения, то есть при использовании светильника в среднем по 8 часов в день он прослужит 35 лет! Для сравнения — обычной галогенной лампочки мощностью 10 Ватт хватает лишь на 2000 часов. Прочность. В отличие от традиционных источников света светодиоды намного прочнее и менее подвержены механическому воздействию, поскольку в них отсутствуют элементы (спирали, электроды), которые могут быть повреждены.

Отсутствие у светодиодов ультрафиолетового и инфракрасного излучения, что позволяет использовать их, в частности, для экспозиционной подсветки. Любой оттенок. Особая система цветосмешения (установка в одном корпусе трех групп светодиодов) позволяет получить практически любой цвет светового потока, что, несомненно, расширяет возможности использования светодиодов.

Вдобавок светодиоды обладают и другими преимуществами перед существующими источниками света. Так, небольшие размеры делают необычайно широким спектр их применения. Несколько светодиодов, объединенных в одну форму, способны заменить обычную лампу накаливания: расположенные по периметру, они могут освещать большие площади (например, светодиоды можно считать идеальным источником света при карнизном освещении).

Как источники света для наружного и декоративного освещения они обладают рядом уникальных достоинств, среди которых точная направленность света и возможность управления цветом и интенсивностью излучения. К недостаткам светодиодов можно отнести их более высокую стоимость по сравнению с другими источниками освещения. Однако надо понимать, что вышеуказанные достоинства с лихвой оправдывают вложенные затраты. Итак, задачей дизайнера, проектирующего тот или иной интерьер, является тщательный подбор как светильника, соответствующего стилистике и дизайну помещения, так и ламп, обеспечивающих требуемое качество цвета и света.

Отправьте нам заявку и получите проект освещения бесплатно

Мы на выгодных условиях сотрудничаем с архитекторами и дизайнерами, сетевыми магазинами, строительными и девелоперскими компаниями, проектными организациями и дилерами. Свяжитесь с нами, и мы обсудим детали сотрудничества на особых условиях



Спасибо, мы получили Ваше
обращение и перезвоним в
ближайшее время!

В рабочий день среднее время
ожидания не превышает 15 минут

Отправка заявки завершилась неудачей, пожалуйста, повторите попытку позднее


Понравилась статья? Поделитесь ей с друзьями!

Твитнуть

Поделиться

Плюсануть

Поделиться

Запинить

Теги: Технологии, LED, Источники света, Нормы освещения

(PDF) Сравнение источников света

Сравнительные характеристики различных типов источников искусственного света

Краткие определения основных типов источников света

1. Лампы накаливания вакуумные (Накаливания)

Обыкновенные классические лампы накаливания с вольфрамовой нитью помещенной в

герметичную стеклянную колбу с откачанным воздухом. Имеют наиболее широкую область

использования. В настоящее время с развитием других источников света, газоразрядных и

светодиодных, лампы накаливания вытесняются из привычных сфер применения. Ряд стран, в т. ч.

Россия, имеют государственные программы замены ламп накаливания на светодиодные лампы.

2. Лампы накаливания галогенные (Галогенные)

Схожи с обыкновенными лампами накаливания, но отличаются наличием небольшого

количества инертных газов в колбе, способствующих регенерации нити накаливания при работе

лампы. Это позволяет накалить нить до более высоких температур и соответственно излучать спектр

больше смещенный в видимую область по сравнению с обыкновенными лампами накаливания.

Используются в высокоинтенсивных и ярких источниках света, фарах, прожекторах, освещении

интерьеров жилых и других непроизводственных помещений. Также в связи с развитием

газоразрядных и светодиодных источников света, использование галогенных ламп несколько

сокращается.

3. Газоразрядные люминесцентные лампы низкого давления (Люминесцентные)

Представляют собой газонаполненные колбы низкого давления. Принцип работы основан на

использовании тлеющего разряда в инертных газах, в отличие от дугового, как в ртутных лампах

высокого давления. Спектр излучения в основном определяется свойствами люминофора. Имеют

широкую область применения от быта до внешних территорий и специальных помещений.

4. Газоразрядные ртутные лампы среднего и высокого давления (Ртутные)

Лампы имеют внешнюю колбу с люминофором и внутреннюю колбу трубку, заполненную

смесью инертных газов и содержащую небольшое количество ртути. Принцип действия этих ламп

основан на интенсивном излучении с помощью дугового разряда в парах ртути. Спектр излучения

корректируется примесью газов и люминофором. Используются для освещения больших

территорий, площадей, улиц, цехов, теплиц.

5. Светодиодные лампы (Светодиодные)

Относятся к развивающемуся направлению источников света. Действие светодиодов основано на

явлении излучения света полупроводниками при прохождении прямого тока через переход и

рекомбинации дырок. Светодиоды представляют собой твердотельный элемент с

полупроводниковым кристаллом на подложке, электрическими выводами и оптической оболочкой в

виде прозрачного компаунда. Спектр излучения корректируется составом полупроводников,

методом сложения основных цветов от нескольких кристаллов и люминофорами. Применяются для

освещения в быту, промышленных и специальных помещениях, открытых территорий, фасадов, на

транспорте.

Параметры источников света

1. Эффективная светоотдача Лм/Вт

2. Начальная стоимость, эксплуатационные расходы

3. Срок службы

4. Безопасность

5. Требования к электропитанию

6. Регулируемость, динамика

7. Возможности цветовоспроизведения

8. Приемлемость спектра излучения

9. Требовательность к основным условиям эксплуатации

6 мифов о светодиодном освещении

6 мифов о светодиодном освещении

Появление нового продукта или технологии на рынке сопровождается всеобщим интересом и обсуждением. Одновременно с этим противники новшеств рождают множество мифов об опасности или вреде того или иного товара. Сегодня мы расскажем о популярных мифах «вреда» светодиодного освещения.


Вредные вещества в Led-лампах

Отчасти это верно. Но так можно сказать о любых бытовых приборах, содержащих детали из пластика и люминофоры. Однако в сравнении с люминесцентными светодиодные лампы можно считать образцом экологичности, так как не содержат ртути и инертных газов.


Вред зрению от белого светодиодного света

Практически все первые светодиодные лампы имели цветовую температуру от 4000 до 7000К, что соответствует холодному свету. Именно для них характерен синий спектр излучения, который искажает цветовосприятие. Сегодня существуют светильники с 2500 и 3000К, что соответствует цветовой температуре обычной лампы накаливания. Соответственно никакого вреда зрению и здоровью в целом не оказывается.


Светодиодные лампы нарушают режим сна

Проводились исследования влияния всех видов источников света на выработку гормона мелатонина (прим. гормон, влияющий на суточный режим деятельности человека). Исследования показали, что по сравнению с обычными лампами тёплого спектра, люминесцентные и галогенные устройства снижают выработку этого гормона в 5-9 раз. Применение светодиодных светильников с аналогичной цветовой температурой ухудшает синтез в 2-3 раза. То есть, отрицательный эффект всё-таки присутствует, и это правда. Однако данная проблема решается применением ламп теплой цветовой температуры в спальнях. При таком свете проблем со сном не возникнет.


Мерцание Led-ламп влияет на психику

Мерцание присуще всем видам осветительных приборов. Это зависит от применения для питания переменного тока.  В светодиодных лампах за преобразование отвечает драйвер. Качественные драйверы имеют снижают коэффициент пульсации до минимума, который не превышает 5%, что гораздо меньше показателей ламп накаливания.

Стандартов для светодиодных ламп не существует

Этот миф уже давно неактуален. Действительно, при появлении светодиодного освещения не было нормативной базы качества. Сегодня же led-лампы производятся и в России, а действующий ГОСТ Р 54815-2011 был принят в 2012 году. Эксперты утверждают, что лампы, соответствующие этому стандарту, ничем не уступают более дорогим зарубежным аналогам.


Безвредные дешевые китайские лампы

А вот этот вопрос действительно серьезный. Причем речь идет не только о китайской продукции, где тоже можно встретить достойные образцы, но и о недорогих светильниках неизвестного происхождения.

Такие лампы имеют короткий срок службы вследствие дешевых и некачественных драйверов. По этой же причине для них характерна высокая пульсация, что негативно влияет на зрение и нервную систему.


Чтобы не разочароваться в покупке и не нанести вред здоровью, приобретайте продукцию только известных производителей, выбирайте устройства с теплым светом. Широкий ассортимент светодиодного освещения любого вида, любой цветовой температуры и мощности представлен на нашем сайте.

Выбирайте свет правильно вместе с Selecta.


Светодиодные лампы улучшают фотосинтез растений

Для эффективного выращивания растений в комнатных и тепличных условиях, вне естественной среды, необходимо использовать искусственную подсветку. Все большую популярность приобретают светодиодные лампы для подсветки растений. Это обусловлено уникальными характеристиками ламп.

Естественный искусственный свет

Светодиодные лампы для растений обладают естественным светом, наиболее близким к солнечному. Светодиоды имеют узкий спектр излучения, что позволяет создать богатый световой рацион для растений, к тому же светодиодные лампы для растений обладают свойством изменения спектра излучения.

Светодиодная подсветка растений сохраняет общую температуру помещения и никак не влияет на нее, так как светодиоды не излучают тепло при работе. Особенность таких лампы для растений – отсутствие ультрафиолетового и инфракрасного излучения при свечении, поэтому они безопасны для всех видов растений.

Светодиодные лампы для растений – экономичное вложение

Светодиодные лампы для растений обладают большим преимуществом по свойству экономичности. Такие лампы имеют долгий срок службы и работают без перебоев и замен. Светодиоды потребляют до 70% меньше электроэнергии в сравнении с обычными лампами, что существенно снизит затраты на электричество.

Таким образом, использование светодиодных ламп в подсветке растений позволяет практически полностью заменять естественное освещение, выращивая при этом полноценные и здоровые растения, а также экономит денежные средства, затрачиваемые на электроэнергию. Эти качества необходимы особенно в условиях российского непостоянного климата и высокой стоимости электричества.

Модели ламп для растений

В компании НЛТ представлены светодиодные лампы для растений серии LED Grow Light. Лампы GL-BG08 включают в себя две модели GL-BG08-8R1B и GL-BG08-6R3B. Лампы GL-BG16 имеют модели GL-BG16-8R1B и GL-BG16-6R3B. Все четыре модели выпускаются в стандартных цоколях E26 и E27 и работают при напряжении 100-240 В. Лампы для растений имеют годовую гарантию.


          Высылаю Вам фото, как обещала. Первая фотография – это первый день, когда повесили лампочки.
Остальные – это 2 недели спустя. Огурцы растут очень быстро, уже цветут и есть да же маленькие огурчики, несмотря на то, что растение еще очень молодое.
          Большое Вам спасибо за лампочки!

С уважением, Ольга.



Специалисты нашей компании готовы ответить на любые вопросы, связанные с освещением растений по многоканальному телефону: (495) 783-30-66, или по e-mail:

А также Вы можете приехать в наш шоу-рум, расположенный по адресу: г. Москва, МКАД 104 км, д. 8А, оф. 404
Время работы: Пн-Пт с 9.00 до 18.00 (без перерыва на обед)

Вернуться к другим примерам

Светодиодное освещение охватывает электромагнитный спектр

Дизайнеры, разработчики и интеграторы светодиодных осветительных приборов могут воспользоваться преимуществами многочисленных светодиодных продуктов, охватывающих УФ, видимый и ИК-спектр.

В статье в журнале McGraw Hill’s Electronics в апреле 1965 года Гордон Э. Мур, тогдашний директор научно-исследовательских лабораторий Fairchild Semiconductor, писал, что сложность минимальной стоимости компонентов увеличилась примерно в два раза. в год (см. «Установка большего количества компонентов на интегральные схемы»; http: // bit.ly / VSD-MOORE). То, что сейчас известно как закон Мура, интерпретируется как утверждение, что количество транзисторов, изготовленных на интегральной схеме (ИС), удваивается каждые два года.

В аналогичном прогнозе для светодиодов (LED) Роланд Хейтц и Фред Киш, затем с Hewlett-Packard, а также Джефф Цао и Джефф Нельсон из Sandia National Laboratories (Альбукерке, Нью-Мексико, США; www.sandia.gov) писал в 2000 году, что в соответствии с законом Мура поток на единицу увеличивается в 30 раз за десятилетие, а стоимость за единицу потока уменьшается в 10 раз за десятилетие (см. «Пример национальной исследовательской программы по полупроводниковому освещению» http: //кусочек.ly / VSD-SANDIA). Конечно, как и предсказывали Хейтц и его коллеги, в потребительских, научных и машинных приложениях внедрение светодиодных устройств, охватывающих весь спектр от ультрафиолета (УФ) до видимого и инфракрасного (ИК), привело к сокращению приложений, в которых ранее использовались лампы накаливания. и галогенные лампы.

Сегодня многие компании производят светодиодные ИС и модули на плате (COB), которые охватывают этот спектр. К ним относятся такие известные компании, как Cree (Дарем, Северная Каролина, США; www.cree.com) Lumileds (Сан-Хосе, Калифорния, США; www.lumileds.com), Nichia (Токусима, Япония; www.nichia.co.jp), SemiLEDs (Чунань, Тайвань; www.semileds.com) и Osram Opto Полупроводники (Мюнхен, Германия; www.osram.com).

Дизайнеры, желающие создавать OEM-продукты на основе таких устройств, однако, могут обнаружить, что альтернативные форм-факторы, предлагаемые многими из этих поставщиков, затрудняют их задачи разработки. Признавая это, консорциум Zhaga (Пискатауэй, Нью-Джерси, США; www.zhagastandard.org), объединяющий 90 компаний, был создан для стандартизации компонентов светодиодных световых двигателей, светодиодных модулей и светодиодных массивов.С целью удаления произвольных и ненужных изменений в свойствах, таких как физические размеры, Консорциум разработал набор спецификаций интерфейса, известных как Книги, которые определяют условия, необходимые для взаимозаменяемости компонентов. Надеюсь, что для разработчиков систем освещения для использования на рынке машинного зрения и обработки изображений такие спецификации позволят разрабатывать продукты более эффективным и рентабельным образом.

Оценка светодиодов

При выборе светодиодов для любого конкретного осветительного продукта разработчики осветительных компонентов все равно должны оценивать фотометрические и / или радиометрические параметры таких устройств.Производители светодиодов определяют свои светодиодные компоненты по-разному. В то время как радиометрические измерения, такие как лучистый поток, сила излучения и яркость, предоставляют информацию об абсолютной мощности (или энергии), излучаемой такими устройствами, фотометрические величины, основанные на силе света, взвешиваются с помощью функции спектральной световой эффективности, которая представляет чувствительность человека. глаза на свет на заданной длине волны. Таким образом, в то время как УФ- и ИК-светодиоды часто указываются с точки зрения радиометрической мощности (измеряется в ваттах), те, которые излучают свет в видимом спектре, часто указываются в единицах светового потока или люменах (лм).

В то время как разработчики осветительных приборов машинного зрения оценивают компоненты, которые они используют, с помощью спектрофотометров, те, кто развертывает такое светодиодное освещение, должны подробно рассмотреть их применение. Здесь понимание необходимой длины волны и части, которая должна быть освещена, гарантирует, что метод освещения раскрывает требуемую информацию, и правильная камера выбрана для захвата изображения. В зависимости от части, которая должна быть освещена, падающие длины волн УФ, видимого или инфракрасного излучения могут поглощаться или отражаться объектом, проходить через объект или поляризоваться или дифрагировать на поверхности.Падающая энергия может также вызвать флуоресценцию объекта (рис. 1).

Рис. 1. В зависимости от освещаемой части, падающие волны УФ, видимого или ИК-диапазона могут поглощаться или отражаться объектом, проходить через объект, поляризоваться или дифрагировать на поверхности. Падающая энергия также может вызвать флуоресценцию объекта. (Изображение предоставлено Vision Doctor).

В приложениях машинного зрения видимое светодиодное освещение на определенных длинах волн часто используется для повышения контрастности отраженного света от тестируемой детали.Выбор конкретной конфигурации светодиода и длины волны света для использования в значительной степени зависит от области применения, и оптимальный выбор зависит от оптических характеристик освещаемой части.

Конфигурации освещения

Многие производители в настоящее время предлагают светодиодные осветительные приборы для систем машинного зрения в конфигурациях, которые включают кольцевые огни, коаксиальные фонари, линейные фонари, локальные фонари, купольные фонари, коллимированные огни, точечные фонари и структурированные огни. Как сказал Дэрил Мартин, технический менеджер по продажам и продукту Advanced illumination (Рочестер, штат Вирджиния, США; www.advancedillumination.com) указывает в «Практическом руководстве по освещению машинного зрения» (http://bit.ly/VSD-ADV-IL), этот выбор зависит как от типа используемого освещения, так и от его длины волны.

Светодиодные осветительные приборы по-разному сконфигурированы для повышения контрастности изображения детали, захваченной камерой. В то время как диффузная подсветка используется в системах технического зрения для захвата изображений деталей, которые вырисовываются за ярким фоном, методы фронтального освещения включают методы яркого поля для освещения диффузных, неотражающих объектов и темнопольное (низкоугловое) освещение для выделения объектов. дефекты поверхности объекта.

Такие лампы задней подсветки, светового поля и осветительного оборудования темного поля поставляются в различных форм-факторах и длинах волн для удовлетворения потребностей конкретных приложений машинного зрения. Примеры подсветки включают в себя серию подсветки Edge to Edge от Microscan (Рентон, Вашингтон, США; www.microscan.com), которая благодаря своей модульной конструкции позволяет настраивать несколько источников света различных размеров.

Световое поле, рассеянное плоское, коаксиальное или купольное освещение часто используется там, где необходимо отображать отражающие, полированные или глянцевые объекты.В некоторых случаях прожектор или кольцевой светильник можно оборудовать рассеивателем для выполнения этой задачи. В других случаях использование коаксиального падающего света или купольного света может обеспечить требуемый контраст. Как эти различные методы освещения могут удовлетворить потребности конкретных приложений, можно найти на http://bit.ly/VSD-VISDOC.

Примеры: коаксиальные осветительные приборы от iiM AG (Зуль, Германия; http://iimag.de) с линейкой светодиодных коаксиальных светильников Lumimax и традиционные купольные светильники от Smart Vision Lights (Muskegon, MI, США; http: // smartvisionlights.com) с серией DDL Dome Light. Хотя такие традиционные купольные светильники могут быть громоздкими, при проектировании купольных светильников в виде «плоских куполов» в серии LFX2 компания CCS America (Берлингтон, Массачусетс, США; www.ccsamerica.com) использует точечный узор, размещенный на рассеивающей пластине для контролировать рассеивание и пропускание света, в результате чего получается равномерно рассеянный свет (рис. 2).

Рис. 2: Хотя традиционные купольные светильники могут быть громоздкими, серия LFX2 с плоским куполом от CCS America использует точечный узор, размещенный на рассеивающей пластине, для управления рассеиванием и пропусканием света, что приводит к равномерному распределению света. рассеянный свет.

Подобно тому, как многие производители предлагают лампы задней подсветки, светлого и темного поля в различных конфигурациях, они также поставляются со светодиодами с различными длинами волн от ультрафиолетового (УФ) до инфракрасного (ИК). Для видимых длин волн 400–700 нм во многих приложениях машинного зрения используется светодиодное освещение, которое излучает свет в диапазоне от фиолетового (380–450 нм) до красного (620–750 нм). Здесь выбор длины волны (или цвета света) так же важен, как и конфигурация освещения, поскольку отображаемый продукт будет по-разному отражать и / или поглощать волны различной длины.

Как указано в их официальном документе «Восемь советов по оптимальному освещению машинного зрения», инженеры Microscan показывают, что для создания высококонтрастного изображения длина волны света может сделать цветные элементы яркими или темными для монохромной камеры. Используя эталон цветового круга, выбор света противоположного цвета сделает детали объекта темнее, а выбор света того же цвета сделает детали светлее (http://bit.ly/VSD-8TIPS).

Для производителей продуктов, которые могут различаться как по цветовому контрасту, так и по конфигурации, могут потребоваться другие конфигурации освещения и длины волн.По этой причине производители светодиодного освещения, такие как TPL Vision (La Chevroliè; re, Франция; www.tpl-vision.com), создали модульные продукты, которые можно использовать в различных конфигурациях и длинах волн. Например, Square Light RGB от TPL Vision состоит из четырех независимых поворотных планок, которые можно использовать как в осевом, так и в темном режимах освещения. Поскольку в светильник входят оба светодиода RGB, он полезен при освещении продуктов с различными спектральными характеристиками (рис. 3).

Рис. 3. Система Square Light RGB компании TPL Vision состоит из четырех независимых поворотных планок и может использоваться как в осевом, так и в темном режимах освещения.

Однако сравнение различных осветительных приборов от разных поставщиков затруднительно, исходя только из технических характеристик. Однако так же, как Консорциум Zhaga (www.zhagastandard.org) нацелен на стандартизацию компонентов светодиодных источников света, светодиодных модулей и светодиодных массивов, AIA (Анн-Арбор, Мичиган, США; www.visiononline.org), European Machine Vision Association (EMVA; Барселона, Испания; www.emva.org) и Японская ассоциация промышленной визуализации (JIIA; Токио, Япония; www.jiia.org) разрабатывают стандарт, позволяющий разработчикам систем машинного зрения сравнивать различные источники света от разных производителей на основе таких факторов, как интенсивность света на заданном рабочем расстоянии, однородность светового рисунка, размер / форма (FOV) и проецируемое распространение светового луча.

УФ и ИК-освещение

Хотя видимый свет в настоящее время используется во многих областях, различные материалы также могут проявлять флуоресцентные свойства. Таким образом, хотя освещаемый объект может поглощать УФ-свет и излучать видимый свет, он может поглощать видимый свет и излучать ИК-спектр или поглощать ближний ИК-диапазон и излучать дальний ИК-спектр.Таким образом, появление светодиодов в УФ- и ИК-спектрах открыло новые возможности как для производителей светодиодной осветительной продукции, так и для разработчиков систем машинного зрения.

Ультрафиолетовые и инфракрасные осветительные приборы можно использовать в системах машинного зрения двумя способами. В приложениях для получения изображений в отраженном свете инфракрасный или ультрафиолетовый свет применяется к объекту и фиксируется отраженное изображение. При формировании изображений с помощью ИК- или УФ-флуоресценции свойства детали поглощают УФ- или ИК-излучение и излучают свет с другой длиной волны в так называемом стоксовом сдвиге (http: // bit.ly / VSD-STOKES).

В то время как УФ-светодиоды обычно подразделяются на диапазоны UV-A (315-400 нм), UV-B (280-315 нм) и UV-C (100-280 нм), разработка светодиодов в диапазонах UVC и UVB определяется медицинскими (UVB) и очистка и стерилизация (UVC), по словам Дженнифер Хиткот, регионального менеджера по продажам в Phoseon Technology (Хиллсборо, Орегон, США; www.phoseon.com). Однако эти светодиоды UVC и UVB в настоящее время представляют собой маломощные, относительно неэффективные устройства с коротким сроком службы, которые стоят в сотни раз больше, чем устройства UVA.

Действительно, по словам Мэтта Пинтера, технического директора Smart Vision Lights, УФ-освещение может быть дорогостоящим предложением для некоторых приложений. Например, чтобы выделить клей на конвертах, может потребоваться ультрафиолетовый свет с длиной волны 280 нм. Поскольку клей поглощает свет этой длины волны, он будет казаться черным на отраженном изображении (рис. 4). Поскольку для таких приложений могут потребоваться сотни таких типов светодиодов, в настоящее время они могут быть дорогостоящими для светодиодного освещения и более подходящими для освещения ртутно-дуговой лампой.

Рис. 4. Чтобы выделить клей на конвертах, например, может потребоваться ультрафиолетовый свет с длиной волны 280 нм. Поскольку клей поглощает свет этой длины волны, он будет казаться черным на отраженном изображении.

Однако это не относится к спектру UVA, как указывает Винсент Форте, технический директор Marktech Optoelectronics (Латам, Нью-Йорк; www.marktechopto.com) в статье «Общие сведения о применениях и мерах предосторожности для ультрафиолетовых светодиодов» ( http: // бит.ly / VSD-UV-LED). Здесь такое освещение используется в приложениях, которые включают в себя обнаружение подделок банкнот и проверку печатных плат.

Одно из таких приложений, разработанное Industrial Vision Systems (IVS; Didcot, Oxfordshire, UK; www.industrialvision.co.uk), было разработано для проверки печатных плат с использованием УФ-флуоресценции (рис. 5). Из-за свойств УФ-следов, добавленных к используемому конформному покрытию, IVS разработала специальное освещение для освещения обеих сторон печатной платы и сняла изображения с помощью двух камер, установленных сверху и снизу (см. «Машинное зрение проверяет защитные покрытия печатной платы», http: / /кусочек.лы / ВСД-ИВС).

Рисунок 5: В приложении УФ-флуоресценции, предназначенном для проверки следов печатной платы, Industrial Vision Systems (IVS) разработала специальное освещение для освещения обеих сторон печатной платы и захваченных изображений с помощью двух камер, установленных выше и ниже.

ИК-светодиодные осветительные приборы также могут использоваться в приложениях для захвата отраженного ИК-излучения или изображений продуктов или материалов, флуоресцирующих в ИК-свете.В ИК-спектре длины волн варьируются от 750-1400 нм в ближнем инфракрасном (NIR), 1400-3000 нм в коротковолновом инфракрасном (SWIR), от 3000-8000 нм в средневолновом инфракрасном (MWIR) до 8000-15000 нм в длинноволновом инфракрасном диапазоне (LWIR). Приложения NIR, использующие эти длины волн, включают медицинские приложения, которые визуализируют деоксигенированную кровь в венах.

Как отмечают Рихардс Фуксис и его коллеги в своей статье «Инфракрасная система визуализации для анализа структуры кровеносных сосудов»; (http://bit.ly/VSD-IR-VEINS), выбор правильной длины волны ИК-излучения очень важен.При разработке коммерческих продуктов, основанных на методах формирования изображений в отраженном ИК-диапазоне, Evena Medical (Розвилл, Калифорния, США; http://evenamed.com), например, заключила контракт с ProPhotonix (Салем, Нью-Хэмпшир, США; www.prophotonix.com) на создание количество встроенных микросхем рядом с ИК-светодиодами, чтобы определить лучшую длину волны для их применения (http://bit.ly/VSD-NIR).

Такие длины волн БИК в спектральном диапазоне 700–1000 нм также можно использовать при флуоресцентной визуализации для просмотра глубоких тканей после введения флуорофоров БИК, поскольку свет БИК может проникать в ткань на несколько сантиметров.Такие методы используются, например, Биокосмической лабораторией (Nesles la Vallée, Франция; www.biospacelab.com) в ее системе PhotonIMAGER для изучения структур тканей живых животных. В своей конструкции PhotonIMAGER включает в себя усиленную камеру CCD для увеличения чувствительности захваченных флуоресцентных изображений, подчеркивая необходимость правильного согласования правильного освещения с правильной камерой.

Выбор правильной камеры для захвата изображений отраженного или флуоресцентного света так же важен, как и длина волны света, используемого для освещения детали.В качестве примера можно привести квантовую эффективность монофонической камеры Elite-5 от Micropix (Мидхерст, Западный Суссекс, Великобритания; www.micropix.co.uk), в которой используется 2/3-дюймовый CMOS-формирователь изображения IMX250 от Sony (Токио). , Япония; www.sony-semicon.co.jp/products), имеет спектральный диапазон примерно от 300 до 1000 нм (http://bit.ly/VSD-MPIX). Хотя камеры на основе таких датчиков могут быть полезны в некоторых приложениях УФ-флуоресценции, видимого и ИК-диапазона, их отсутствие высокой чувствительности в УФС, УФВ, MWIR и LWIR требует использования более специализированных камер (см. «Спектральный отклик кремниевых датчиков изображения». ; http: // бит.ly / VSD-SPECRES).


Ресурсы по светодиодам в Интернете

Усовершенствованное освещение Ультрафиолетовые светодиоды выходят на тихую сторону рынка светодиодов
http://bit.ly/VSD-UV-LEDS

Растущая жизнеспособность ультрафиолетовых светодиодов для автомобильных и транспортных приложений
http://bit.ly/VSD-UV-LEDS-2

Ожидаемые приложения для DUV-светодиодов
http://bit.ly/VSD-DEEPUV

УФ-светодиодов
http://bit.ly/VSD- UV-LEDS-3

Общие сведения о применении ультрафиолетовых светодиодов и меры предосторожности
http: // bit.ly / VSD-UV-LEDS-4

Новые приложения для УФ-светодиодов вызывают широкий интерес
http://bit.ly/VSD-UV-LEDS-5

УФ-светодиоды на нитридной основе и их применение
http: / /bit.ly/VSD-UV-LEDS-6

Светодиодные технологии — Радиометрические и фотометрические устройства
http://bit.ly/VSD-RPU

Характеристики светоизлучающих диодов (СИД) и компактных люминесцентных ламп (КЛЛ) ) по УФ-видимой спектрофотометрии
http://bit.ly/VSD-LED-CFL

Основы светоизлучающих диодов (светодиодов)
http: // bit.ly / VSD-ZEISS

Технологии разработки светодиодного освещения, максимально приближенного к солнечному свету
http://bit.ly/VSD-LEDPRO

Высокоскоростное переключение ИК-светодиодов
http://bit.ly/VSD-IR -LEDs

Примечания к светодиодам
http://bit.ly/VSD-LED-NOTES

Ультрафиолетовые (УФ) и инфракрасные (ИК) длины волн светодиодов
http://bit.ly/VSD-CCS

Светодиодная промышленность Столкновение с структурными изменениями по мере расширения китайских поставщиков упаковки
http://bit.ly/VSD-LED-IND

LEDinside ожидает, что поставщики светодиодов ускорят свое расширение на нишевые рынки в 2017 году
http: // bit.ly / VSD-LED-IND-2

Ультрафиолетовое освещение предназначено для приложений машинного зрения
http://bit.ly/VSD-UVMV

Практическое руководство по освещению машинного зренияin
ghttp: //bit.ly/VSD-ADV -IL

Техническая записка по УФ-конверсионным покрытиям
http://bit.ly/VSD-E2V

Обнаружение УФ / ИК флуоресценции
http://bit.ly/VSD-IR-FL

Техника освещения для машинного зрения
http://bit.ly/VSD-VISDOC-2

Отраженное инфракрасное изображение, возвращающееся к основам
http: // bit.ly / VSD-REF-IR

Почему изображение в ближнем инфракрасном диапазоне длин волн?
http://bit.ly/VSD-NIR-WAVE

Спектральный отклик кремниевых датчиков изображения
http://bit.ly/VSD-SPECRES


Упомянутые компании

Расширенное освещение
Rochester, VT, США
www.advancedillumination.com

AIA
Ann Arbor, MI, USA
www.visiononline.org

CCS America
Burlington, MA, USA
www.ccsamerica.com

Cree
Дарем, Северная Каролина, США
www.cree.com

EMVA
Барселона, Испания
www.emva.org

Evena Medical
Roseville, CA, США
http: // evenamed.com

iiM AG
Зуль, Германия
http://iimag.de

Industrial Vision Systems
Didcot, Oxfordshire, England
www.industrialvision.co.uk

JIIA
Tokyo, Япония
www.jiia.org

Lumileds
San Jose, CA, USA
www.lumileds.com

Marktech Optoelectronics
Latham, NY, USA
www.marktechopto.com

Micropix
Midhseurst, West Англия
www.micropix.co.uk

Microscan
Рентон, Вашингтон, США
www.microscan.com

Nichia
Токусима, Япония
www.nichia.co.jp

Osramductors Opto
Мюнхен, Германия
www.osram.com

Phoseon Technology
Hillsboro, OR, USA
www.phoseon.com

ProPhotonix
Salem, NH, USA
www.prophotonix.com

Sandia National Laboratories 90buququ2
, Al США
www.sandia.gov

SemiLEDs
Чунан, Тайвань
www.semileds.com

Smart Vision Lights
Маскегон, Мичиган, США
http://smartvisionlights.com

Sony
Sony

, Япония
www.sony-semicon.co.jp/

Биокосмическая лаборатория
Неслес-ла-Валле, Франция
www.biospacelab.com

The Zhaga Consortium
Piscataway, NJ, USA
www.zhagastandard4.org Vision

La Chevroliè; re, Франция
www.tpl-vision.com

Vision Doctor
Мюнхен, Германия
www.vision-doctor.com

Для получения дополнительной информации о компаниях и продукции машинного зрения посетите веб-сайт Руководство покупателя Vision Systems Design Руководство покупателя.vision-systems.com

Светодиоды: Праймер | источники света | Справочник по фотонике

Светодиоды (светодиоды) — это полупроводники, которые преобразуют электрическую энергию в энергию света. Цвет излучаемого света зависит от материала и состава полупроводника, при этом светодиоды обычно подразделяются на три длины волны: ультрафиолетовый, видимый и инфракрасный.

Расс Даль, Opto Diode Corporation


Диапазон длин волн серийно выпускаемых светодиодов с одноэлементной выходной мощностью не менее 5 мВт составляет от 275 до 950 нм.Каждый диапазон длин волн сделан из определенного семейства полупроводниковых материалов, независимо от производителя. В этой статье будет представлен обзор работы светодиодов и краткий обзор отрасли. Также будут обсуждаться различные типы светодиодов, соответствующие длины волн, материалы, используемые в их составе, и некоторые применения для конкретных ламп.

Ультрафиолетовые светодиоды (УФ-светодиоды): от 240 до 360 нм

УФ-светодиоды специально используются для промышленного отверждения, дезинфекции воды и медицинских / биомедицинских целей.Уровни выходной мощности более 100 мВт были достигнуты на длинах волн всего 280 нм. Материал, в основном используемый для УФ-светодиодов, — это нитрид галлия / нитрид алюминия-галлия (GaN / AlGaN) с длинами волн 360 нм или более. Для более коротких длин волн используются запатентованные материалы. В то время как рынок длин волн 360 нм и более стабилизируется из-за более низких цен и большого количества поставщиков, более короткие волны производятся всего несколькими поставщиками, и цены на эти светодиоды все еще очень высоки по сравнению с остальными предложениями светодиодной продукции.

Светодиоды от ближнего ультрафиолетового до зеленого: от 395 до 530 нм

Материалом для изделий этого диапазона длин волн является нитрид индия-галлия (InGaN). Хотя технически возможно получить длину волны от 395 до 530 нм, большинство крупных поставщиков концентрируются на создании синих светодиодов (от 450 до 475 нм) для получения белого света с помощью люминофоров и зеленых светодиодов в диапазоне от 520 до 530 нм для светофор зеленый свет. Технология для этих светодиодов обычно считается зрелой.Повышение оптической эффективности замедлилось или прекратилось за последние несколько лет.

Светодиоды от желто-зеленого до красного: 565–645 нм

Фосфид алюминия, индия, галлия (AlInGaP) — это полупроводниковый материал, используемый для этого диапазона длин волн. Он преимущественно выполнен в желтом цвете светофора (590 нм) и красном сигнале светофора (625 нм). Лимонно-зеленый (или желтовато-зеленый 565 нм) и оранжевый (605 нм) также доступны в этой технологии, но имеют ограниченную доступность.

Интересно отметить, что ни технологии InGaN, ни AlInGaP не доступны в виде чисто зеленого (555 нм) излучателя.В этом чисто зеленом регионе действительно существуют более старые, менее эффективные технологии, но они не считаются эффективными или яркими. Это в значительной степени связано с отсутствием интереса / спроса со стороны рынка и, следовательно, с отсутствием финансирования для разработки альтернативных технологий материалов для этого диапазона длин волн.

От глубокого красного до ближнего инфракрасного (IRLED): от 660 до 900 нм

В этой области существует множество вариантов конструкции устройства, но все они используют арсенид алюминия-галлия (AlGaAs) или арсенид галлия (GaAs) .Применения включают инфракрасное дистанционное управление, освещение ночного видения, промышленное фотоуправление и различные медицинские приложения (на 660–680 нм).

Теория работы светодиодов

Светодиоды — это полупроводниковые диоды, которые излучают свет, когда электрический ток подается в прямом направлении к устройству — электрическое напряжение, которое достаточно велико для того, чтобы электроны могли перемещаться через область обеднения и объединяться отверстие на другой стороне для создания пары электрон-дырка должно быть применено.Когда это происходит, электрон высвобождает свою энергию в виде света, и в результате излучается фотон.

Ширина запрещенной зоны полупроводника определяет длину волны излучаемого света. Более короткие длины волн равны большей энергии, и поэтому материалы с большей шириной запрещенной зоны излучают более короткие длины волн. Материалы с более широкой запрещенной зоной также требуют более высоких напряжений для проводимости. Коротковолновые УФ-синие светодиоды имеют прямое напряжение 3,5 В, в то время как светодиоды ближнего ИК-диапазона имеют прямое напряжение от 1,5 до 2,0 В.

Доступность длины волны и соображения эффективности

Важнейший фактор, определяющий, является ли конкретная длина волны, имеющаяся в продаже, связана с рыночным потенциалом, спросом и длинами волн промышленного стандарта.Это особенно заметно в областях от 420 до 460 нм, от 480 до 520 нм и от 680 до 800 нм. Поскольку для этих диапазонов длин волн нет массовых приложений, нет крупных производителей, предлагающих светодиодную продукцию для этих диапазонов. Тем не менее, можно найти мелких или средних поставщиков, предлагающих продукцию для этих конкретных длин волн на индивидуальной основе.


Рисунок 1. Текущее значение находится по формуле I = (V cc — V F ) / R L .Чтобы быть абсолютно уверенным в протекании тока в цепи, необходимо измерить каждый светодиод V F и указать соответствующий нагрузочный резистор. В практических коммерческих приложениях V cc разработан так, чтобы быть намного больше, чем V F , и поэтому небольшие изменения в V F не влияют на общий ток в значительной степени. Отрицательный момент этой схемы — большие потери мощности через R L .

У каждой технологии материалов есть точка в диапазоне длин волн, где она наиболее эффективна, и эта точка находится очень близко к середине каждого диапазона.По мере того, как уровень легирования полупроводника увеличивается или уменьшается от оптимального уровня, страдает эффективность. Вот почему синий светодиод имеет гораздо большую мощность, чем зеленый или ближний УФ, желтый — больше, чем желто-зеленый, а ближний ИК — лучше, чем 660 нм. Когда у вас есть выбор, гораздо лучше проектировать для центра диапазона, чем для краев. Также проще закупить изделия, которые не попадают в технологический край материала.

Подача тока и напряжения на светодиоды

Хотя светодиоды являются полупроводниками и требуют минимального напряжения для работы, они по-прежнему являются диодами и должны работать в токовом режиме.Есть два основных способа работы светодиодов в режиме постоянного тока: Самый простой и распространенный — использование токоограничивающего резистора. Недостатком этого метода является большое тепловыделение и тепловыделение резистора. Чтобы ток был стабильным при изменении температуры и от устройства к устройству, напряжение питания должно быть намного больше, чем прямое напряжение светодиода.

В приложениях, где диапазон рабочих температур узкий (менее 30 ° C) или выходная мощность светодиода не критична, можно использовать простую схему, использующую токоограничивающий резистор, как показано на рисунке 1.


Рисунок 2. Пример точной и стабильной схемы. Эту схему обычно называют источником постоянного тока. Обратите внимание, что ток питания определяется напряжением питания ( В куб.см ) минус В в , деленное на R 1 , или (В куб.см — В в ) / R 1 .

Лучше управлять светодиодом с помощью источника постоянного тока (рис. 2). Эта схема будет обеспечивать одинаковый ток от устройства к устройству и при перепадах температуры.Он также имеет меньшую рассеиваемую мощность, чем простой токоограничивающий резистор.

Стандартные коммерческие драйверы светодиодов доступны из различных источников. Обычно они работают с использованием принципов широтно-импульсной модуляции для управления яркостью.

Импульсные светодиоды в сильноточном и / или высоковольтном режиме для массивов в последовательно-параллельной конфигурации создают уникальный набор проблем. Для начинающего разработчика непрактично проектировать импульсный привод с управлением по току, способный выдавать 5 А и 20 В.Есть несколько производителей специального оборудования для импульсных светодиодов.

Светодиоды в приложениях, видимых человеком

В приложениях, где светодиоды просматриваются напрямую или используются в качестве осветителей, точный цвет гораздо важнее, чем точный световой поток в люменах или канделах. Человеческий глаз относительно нечувствителен к изменениям интенсивности света, а мозг достаточно хорошо компенсирует происходящие изменения интенсивности. Например, глядя на светодиодный видеоэкран в здании, средний человек не заметит падения интенсивности на 20%, поскольку части экрана рассматриваются под углом от 10 ° до 20 ° от оси, по сравнению с частью, находящейся непосредственно на- оси, так как это постепенное изменение, приближающееся к краю поля зрения и не воспринимаемое.Напротив, если светодиоды в одном месте отличаются по длине волны на 10 нм от других участков, человеческий глаз легко заметит эту разницу в цвете и найдет ее отвлекающей.

Большинство используемых сегодня белых светодиодов изготовлены из синего светодиода, излучающего более длинноволновый видимый люминофор. Индекс цветопередачи (CRI) — это мера спектрального соответствия солнечному свету. 100 считается таким же, как солнечный свет, и большинство светодиодов, используемых в настоящее время для общего освещения, имеют индекс цветопередачи более 80.Улучшения CRI наряду с лучшей оптической эффективностью позиционируют белые светодиоды как наиболее желательный продукт для большинства приложений освещения.

Преимущества и применение светодиодов

Светодиоды для монохроматических применений имеют огромные преимущества перед лампами с фильтром — спектры длин волн определены лучше, чем то, что можно получить с помощью источника белого света и фильтра. Для общего освещения экономия энергии может легко в 100 раз превышать эксплуатационные расходы при использовании лампы накаливания с фильтром.Это приносит огромные дивиденды в таких приложениях, как архитектурное освещение и светофоры. Маломощные портативные светодиодные вывески для шоссе могут легко питаться от небольшой солнечной панели вместо большого генератора, что дает явное преимущество.

Светодиоды

более надежны, чем лазеры, обычно дешевле и могут работать с более дешевыми схемами. Европейский Союз теперь вместе с США классифицирует светодиоды как отдельную единицу. К счастью, светодиоды не несут той же проблемы безопасности глаз или предупреждений, как лазеры и лазерные диоды.С другой стороны, светодиоды нельзя превратить в очень маленькие, сильно коллимированные и оптически плотные пятна. В приложениях, где требуется чрезвычайно высокая плотность мощности на небольшой площади, почти всегда требуется лазер.

Светодиоды

сейчас используются в большом количестве разнообразных рынков и приложений (Таблица 1). Их высокая надежность, высокая эффективность и более низкая общая стоимость системы по сравнению с лазерами и лампами делают эти устройства очень доступными и привлекательными как для потребительского, так и для промышленного сегментов.Каждая отдельная светодиодная технология и / или цвет были разработаны для решения конкретных задач и требований.


Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie.Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie.Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Интернет-кампус ZEISS Microscopy | Светодиоды

Введение

Среди наиболее перспективных технологий освещения в оптической микроскопии — светоизлучающие диоды ( LED ). Эти универсальные полупроводниковые устройства обладают всеми желательными характеристиками, которых нет у ламп накаливания (галоген вольфрамовые) и дуговых ламп, и теперь они достаточно эффективны, чтобы питаться от низковольтных батарей или относительно недорогих переключаемых источников питания.Разнообразный спектральный выход, обеспечиваемый светодиодами, позволяет выбрать отдельный диодный источник света для обеспечения оптимального диапазона длин волн возбуждения для флуорофоров, охватывающего ультрафиолетовую, видимую и ближнюю инфракрасную области. Кроме того, более новые мощные светодиоды генерируют достаточную интенсивность, чтобы обеспечить полезный источник освещения для широкого спектра применений в флуоресцентной микроскопии (см. Таблицу 1), включая исследование фиксированных клеток и тканей, а также визуализацию живых клеток в сочетании с Frster. методы резонансной передачи энергии ( FRET ) и измерения срока службы ( FLIM ).Полная ширина на половине высоты ( FWHM ; полоса пропускания) типичного квазимонохроматического светодиода варьируется от 20 до 70 нанометров (см. Рисунок 1), что по размеру аналогично ширине полосы возбуждения многих синтетических флуорофоров и флуоресцентных белков. Как показано в таблице 1, светодиоды с выходными длинами волн в диапазоне 400-465 нанометров демонстрируют уровни мощности, превышающие 20 милливатт / см 2 , тогда как большинство светодиодов с более длинными длинами волн (от зеленого до красного) имеют выходную мощность менее 10 милливатт / см 2 .Широкий спектральный профиль нескольких светодиодов в диапазоне от 535 до 585 нанометров обусловлен тем фактом, что эти диоды содержат вторичный люминофор, который возбуждается фиолетовым или ультрафиолетовым первичным светодиодом, что снижает выходную мощность и расширяет спектральный профиль. Таким образом, область возбуждения от зеленого до желто-оранжевого, одна из наиболее полезных для обычных флуорофоров, таких как TRITC, MitoTrackers и оранжевых или красных флуоресцентных белков, остается обратной стороной для тех приложений (таких как FRAP и фотоактивация), которые требуют высоких уровней света. .

По сравнению с лазерным светом, более широкая полоса пропускания, обеспечиваемая светодиодами, более полезна для возбуждения различных флуоресцентных датчиков, и по сравнению с чрезмерным теплом и непрерывным спектром, излучаемым дуговыми лампами, светодиоды холоднее, меньше по размеру и представляют собой гораздо более удобный механизм. для циклического включения и выключения источника, а также для быстрого выбора определенных длин волн. Коммерческие светодиодные осветительные устройства, предназначенные для флуоресцентной микроскопии, были представлены несколькими производителями, и, несмотря на более низкую интенсивность излучения по сравнению с яркими спектральными линиями ртутных и металлогалогенных дуговых ламп, текущие тенденции в развитии светодиодов указывают на ожидание значительного увеличения яркости. во всех диапазонах длин волн в ближайшие несколько лет.Кроме того, последние достижения в светодиодной технологии, направленные на производство кристаллов кристаллов, геометрия которых снижает потери света из-за внутреннего отражения, должны помочь в создании устройств, которые можно использовать практически во всех приложениях флуоресцентной микроскопии. На рисунке 1 показаны спектральные профили излучения светодиодов для нескольких имеющихся в продаже диодов. Спектры регистрировались в фокальной плоскости объектива микроскопа с помощью широкополосного зеркала, расположенного в оптическом блоке флуоресценции.Уровни мощности для этих светодиодов указаны в таблице 1 с использованием комплектов зеркальных и обычных флуоресцентных фильтров.

В отличие от дуговых ламп, которые демонстрируют высокую степень собственного излучения или яркости, светодиодная технология постепенно эволюционировала из элементарных устройств, которые в конце 1960-х годов были способны обеспечивать только тысячную часть люмена красного света. Однако за последние четыре десятилетия светодиоды развивались темпами, опережающими микропроцессоры. Подобно предсказанию Гордона Э.Мур, что количество транзисторов в компьютерном чипе будет удваиваться каждые два года, ученый Agilent Technologies Роланд Хейтц предсказал, что яркость светодиодов будет увеличиваться в 20 раз каждые 10 лет. Фактически, то, что сейчас называется , Закон Хейтца оказался надежным, потому что светодиоды исторически удваивали яркость каждые два года и, как ожидается, продолжат этот резкий рост производительности. По мере увеличения их яркости и диапазона доступных цветов светодиоды находят применение во множестве новых приложений, включая роль энергоэффективной и долговечной замены ламп накаливания для домашнего и промышленного освещения.Кроме того, высокоэффективные светодиоды в настоящее время используются во множестве других промышленных, медицинских и военных приложений. Среди множества примеров — навигация, робототехника, машинное зрение, эндоскопия и диагностическое оборудование. В будущем должен увеличиться спрос на источники света высокой яркости на основе светодиодных устройств в областях экономики, которые имеют значительно большую рыночную силу, чем оптическая микроскопия. Этот спрос, несомненно, станет движущей силой для разработки мощных светодиодов, излучающих во всех спектральных областях, таким образом, улучшая все способы освещения в оптической микроскопии.

Многие из первоначальных попыток использовать светодиоды в качестве источников света для микроскопии потерпели неудачу отчасти из-за низкой мощности излучения ранних устройств. В целом, ранее запатентованные конструкции освещения микроскопов основывались на большом количестве светодиодов, сгруппированных для создания однородной картины освещения. Такой подход обеспечил относительно высокий уровень лучистого потока, но не смог решить проблему низкой яркости, которая возникает из-за такого большого распределенного источника света (в отличие от характеристик точечного источника дугового разряда лампы).Доступные в настоящее время высокоэффективные светодиоды достаточно ярки, чтобы индивидуально функционировать как высокоэффективный источник монохроматического света с низкой пространственной когерентностью для наблюдений при флуоресцентном эпи-освещении или полихроматическом свете в проходящей микроскопии. Хотя их усредненная спектральная освещенность все еще ниже, чем у спектральных пиков мощной дугово-разрядной лампы HBO (ртуть) 100 Вт, она приближается к континууму дуговых ламп XBO (ксеноновая) 75 Вт во многих видимых областях. части спектра.

Светодиоды

значительно более эффективны, чем дуговые разрядные лампы, в преобразовании электричества в видимый свет, часто достигая выходной мощности до 100 люмен на ватт по сравнению с 22 люменами на ватт для 100-ваттного источника HBO. Эти полупроводниковые устройства прочны и компактны и часто могут выдерживать 100 000 часов использования, что примерно в 500 раз дольше, чем ртутная лампа HBO. Некоторые зеленые светодиоды имеют КПД преобразования до 75 процентов, хотя устройства в этом диапазоне длин волн по-прежнему страдают от пониженной выходной мощности.Напротив, фиолетовые и синие светодиоды, имеющие светоотдачу 250 и 150 милливатт, соответственно, теперь коммерчески доступны, а аналогичные мощности для других длин волн должны появиться в ближайшем будущем. Выходная мощность светодиодов может модулироваться на высоких частотах (до 5 килогерц), а их выходная яркость может регулироваться путем управления доступным током. Эти преимущества устраняют необходимость в механических заслонках, а также в фильтрах нейтральной плотности для управления освещением образца в микроскопии.Хотя светодиоды имеют относительно узкие спектральные профили излучения, в большинстве случаев их все же необходимо использовать с интерференционными тонкопленочными фильтрами возбуждения для удаления остаточных длин волн на крайних участках (на спектральных хвостах).

Оптическая сила светодиодов

Флуорофор
Возбуждение
Категория
Светодиод
Обозначение
Светодиод FWHM
Полоса пропускания
(нм)
Мощность
мВт / см 2
(LLG) a
Мощность
мВт / см 2
(Зеркало) b
Флуоресценция
Набор фильтров
Возбуждение
Ширина полосы
(нм)
Мощность
мВт / см 2
(Комплект фильтров) b
Ультрафиолет (DAPI, BFP) 400 393-408 748 23.3 DAPI c 365/10 0,09
Голубой (ECFP) 445 433-453 819 24,2 ECFP 114 д 440/20 9,0
Синий (EGFP, Cy2, AF488) 465 449-473 777 21.8 ET-GFP c 470/40 17,5
Сине-зеленый (EYFP) 505 491-520 308 6,4 ET-YFP c 500/20 2,8
Зеленый (AF532) 525 503-539 273 6.6 TRITC HQ c 545/30 1,5
Зеленый (TRITC, Cy3, AF546) 535 503-573 383 9,5 TRITC HQ c 545/30 2,6
Зелено-желтый (TRITC, Cy3) 565 515-594 333 7.3 TRITC HQ c 545/30 1,9
Зелено-желтый (TRITC, Cy3) 565 515-594 333 7,3 TR HQ c 560/55 3,2
Желтый (TR, MitoTracker) 585 547-613 348 5.9 TR HQ c 560/55 2,8
Апельсин (TR, mCherry) 595 587-604 112 2,7 TR HQ c 560/55 0,51
Красный (Cy5, AF635) 635 620-637 370 4.6 Cy5 XF110 d 630/50 3,5

Таблица 1

В таблице 1 представлены значения выходной оптической мощности и спектральная ширина полосы на полувысоте для нескольких светодиодов, излучающих в ближнем ультрафиолетовом и видимом диапазонах, которые в настоящее время используются во флуоресцентной микроскопии.Мощность каждого светодиода указана в милливатт / см 2 и была измерена на выходе из жидкостного световода (столбец LLG в таблице 1), а также в фокальной плоскости объектива микроскопа (40x флюорит сухой, числовой апертура = 0,85) с помощью радиометра на основе фотодиода. Для проецирования света через объектив и в датчик радиометра использовалось либо зеркало с коэффициентом отражения более 95% от 350 до 800 нанометров, либо стандартный набор флуоресцентных фильтров (значения указаны в столбцах, обозначенных Mirror и Filter Set , соответственно, в таблице 1).Потери пропускания света в системе освещения микроскопа могут варьироваться от 95 до 99 процентов входной мощности, в зависимости от количества фильтров, зеркал, призм и линз в оптической системе. Для типичного инвертированного микроскопа исследовательского уровня, подключенного к внешнему светодиодному источнику освещения, менее 3 процентов света, выходящего из жидкого световода, доступно для возбуждения флуорофоров, расположенных в фокальной плоскости объектива. Аналогичная степень потери света происходит с внешними металлогалогенными источниками света, подключенными к микроскопу через жидкостный световод, а также с традиционными ксеноновыми и ртутными дуговыми газоразрядными лампами, прикрепленными непосредственно к осветителю через лампу.

В коммерческих светодиодных лампах можно легко заменить отдельные диодные модули, чтобы получить ширину полосы возбуждения, подходящую для различных флуорофоров, используемых в каждом эксперименте. Интенсивность каждого светодиодного модуля также может быть независимо отрегулирована с точными электрическими шагами (в процентах от максимальной мощности), так что периоды возбуждения освещения могут быть сбалансированы с чувствительностью детектора, чтобы избежать фототоксичности образца. Еще одним преимуществом светодиодов является их способность мгновенно загораться с полной интенсивностью при подаче электрического тока.В отличие от ламп дугового разряда и ламп накаливания, светодиоды можно многократно модулировать, а также включать и выключать, не оказывая отрицательного воздействия на срок их службы. Кроме того, без механических частей полностью электронная диодная система освещения избавлена ​​от проблемных вибраций, вызываемых движением заслонки и нейтральной плотности фильтра.

Уникальным аспектом светодиодного освещения является выдающаяся пространственная и временная стабильность (по сравнению с традиционными источниками освещения), которая позволяет использовать высокоточные методы количественного анализа в течение продолжительных периодов времени.Светодиоды регулируются полностью обратимым фотоэлектрическим эффектом во время работы. В результате светодиоды имеют самые низкие рабочие температуры среди всех источников света в оптической микроскопии и являются одними из самых стабильных во временном и пространственном отношении, а также в распределении длин волн. Кроме того, при условии, что светодиоды работают при правильном напряжении и токе, они имеют значительно более длительный срок службы, чем любой из других доступных в настоящее время источников света (см. Рисунок 2). Срок службы ртутных и ксеноновых дуговых ламп составляет от 200 до 400 часов (соответственно), тогда как срок службы металлогалогенных источников составляет 2000 часов и более.Срок службы вольфрамово-галогенных ламп накаливания составляет от 500 до 2000 часов, в зависимости от рабочего напряжения. Напротив, многие светодиодные источники демонстрируют срок службы более 10 000 часов без значительной потери интенсивности, а некоторые производители гарантируют срок службы 100 000 часов, прежде чем интенсивность источника упадет до 70 процентов от первоначального значения.

Все лампы, излучающие значительный уровень тепла, включая светодиоды, также демонстрируют зависимость мощности излучения от температуры источника.Для ламп накаливания и дуговых ламп требуется период до одного часа, пока источник освещения не станет достаточно стабильным, чтобы обеспечить воспроизводимые измерения или собрать покадровые видеопоследовательности без значительных временных изменений интенсивности. Этот длительный период ожидания не требуется для светодиодов, которые могут реагировать очень быстро (в течение нескольких микросекунд). Однако версии с максимальной мощностью также могут выделять значительное количество тепла (примерно от 60 до 70 процентов своей выходной мощности) во время прогрева и, из-за их высокой скорости, подвержены высокочастотной нестабильности в источнике питания.При работе светодиодов изменение тока может вызвать сдвиг пика излучения, который по величине аналогичен тому, который наблюдается в линиях дуговых ламп. Этот эффект часто возникает, если кристалл светодиода не является идеально однородным, а величина сдвига часто зависит от типа и качества полупроводникового кристалла, используемого при изготовлении устройства. Стабильность длины волны может быть обеспечена при использовании светодиодов путем калибровки спектрального выхода с рабочим током до начала экспериментов.

Кремниевые диоды

излучают свет в ближней инфракрасной области ( IR ), но диоды, изготовленные из других полупроводников, могут излучать в видимой и ближней ультрафиолетовой ( UV ) области спектра.Типичный светодиодный источник состоит из полупроводникового кристалла размером примерно от 0,3 x 0,3 миллиметра до 1-2 квадратных миллиметров. Наиболее распространенные кристаллы, используемые при изготовлении светодиодов, основаны на смесях элементов периодической таблицы Группы III и Группы V , таких как GaN (нитрид галлия), SiC (карбид кремния), ZnSe ( селенид цинка) и GaAlAsP (смесь галлия, алюминия, мышьяка и фосфора).Каждый из этих кристаллов излучает в своем диапазоне волн (см. Рисунок 1 и таблицу 2). Тщательный контроль относительных пропорций полупроводников, а также добавление легирующих добавок для изменения электронных свойств кристаллической решетки позволяет производителям и исследователям производить диоды, излучающие красный, оранжевый, желтый или зеленый свет. Спектральная полоса этих излучений обычно составляет от 12 до 40 нанометров без значительных внеполосных компонентов в инфракрасном или ультрафиолетовом диапазоне длин волн (спектральные области, вредные для визуализации живых клеток).Применение карбида кремния и нитрида галлия в светодиодах привело к появлению устройств, которые излучают в синей области (полезно для возбуждения голубых, зеленых и желтых вариантов флуоресцентных белков), в то время как сочетание нескольких цветов в разных пропорциях может генерировать различные цветовые температуры белого свет для применений в проходящей микроскопии.

В типичной конфигурации для освещения оптической микроскопии одна или несколько матриц встроены в большую светодиодную структуру для защиты и более эффективного сбора света, а также для упрощения электрического подключения и термического обращения.Одним из основных преимуществ светодиодной технологии является то, что небольшие отдельные блоки могут быть объединены для создания источника света, форма которого лучше всего подходит для конкретного применения. Возможная геометрия источника ограничена только тепловыделением и допустимой плотностью корпуса устройства для поверхностного монтажа ( SMD ), используемой для встраивания ряда матриц в печатную плату. Таким образом могут быть изготовлены очень плотные, яркие, специально разработанные источники света, соответствующие входным параметрам сбора целевой оптической системы.В микроскопии несколько светодиодов могут быть упакованы в компактный и эффективный внутренний или внешний источник света, который излучает большой поток квазимонохроматических фотонов с небольшой площади, чтобы полностью заполнить апертуру объектива (или конденсора).

Основные свойства светодиодов

Основные характеристики светодиодов отличаются от характеристик других источников освещения, обычно используемых в оптической микроскопии. Таким образом, светодиоды составляют уникальную категорию некогерентных источников света, которые способны производить непрерывное и эффективное освещение от простого двухэлементного полупроводникового диода (называемого микросхемой или кристаллом ), заключенным в прозрачный эпоксидный корпус, который: во многих случаях он также выполняет двойную функцию проекционного объектива.Общая концепция работы со светодиодами чрезвычайно проста. В одной из двух полупроводниковых областей микросхемы преобладают отрицательные заряды (область n ), а в другой преобладают положительные заряды (область p ). Когда на электрические выводы подается достаточное напряжение, создается ток, когда электроны переходят через соединение между двумя полупроводниками из области n в область p , где отрицательно заряженные электроны объединяются с положительными зарядами.Промежуточная область или соединение между двумя полупроводниками известна как область истощения (см. Рисунок 3). Каждая рекомбинация зарядов, которая происходит в области обеднения, связана с уменьшением уровня энергии (равного заряду, умноженному на ширину запрещенной зоны, В (г) , полупроводника), что может высвободить квант электромагнитного излучения в форма фотона, имеющего энергию (и длину волны), равную энергии запрещенной зоны. Ширина полосы пропускания излучаемых фотонов является характеристикой полупроводникового материала (см. Таблицу 2), поэтому можно легко получить разные цвета, внося изменения в полупроводниковый состав кристалла.

Варианты цвета светодиода

Название цвета Длина волны
(нанометры)
Полупроводник
Состав
Ультрафиолет 395 InGaN / SiC
Сине-фиолетовый 430 GaN / SiC
Супер синий 470 GaN / SiC
Зеленый 520 InGaN / Сапфир
Чистый зеленый 555 GaP / GaP
Зелено-желтый 567 GaP / GaP
Желтый 585 GaAsP / GaP
Оранжевый 605 GaAsP / GaP
Супер оранжевый 612 АлГаИнП
Супер красный 633 АлГаИнП
Ультра красный 660 GaAlAs / GaAs
Ближний инфракрасный диапазон 700 GaP / GaP
Инфракрасный 880 GaAlAs / GaAs
Бледно-белый 6500 К InGaN / SiC
Таблица 2

В качестве полупроводниковых материалов светодиоды обладают свойствами, общими с элементами кремниевой категории периодической таблицы, и демонстрируют переменные характеристики электропроводности.Типичные полупроводники демонстрируют значения электрического сопротивления, которые являются промежуточными между сопротивлениями проводников и изоляторов, и их поведение моделируется в терминах электронной зонной теории для твердых тел. В кристаллическом твердом теле электроны занимают большое количество энергетических уровней, которые сгруппированы в почти непрерывные энергетические зоны, ширина и расстояние между которыми значительно различаются в зависимости от конкретных свойств материала. На более высоких уровнях энергии две различные полосы, называемые полосами валентности и проводимости , используются для определения ширины запрещенной зоны для конкретного материала.Электроны валентной зоны, которые образуют фиксированные локализованные связи между атомами в твердом теле, имеют более низкую энергию, чем электроны высокомобильной зоны проводимости. Проводники имеют перекрывающиеся валентные зоны и зоны проводимости, которые обеспечивают переход валентных электронов в зону проводимости с образованием дырок (вакансии с суммарным положительным зарядом) в валентной зоне. Электроны от соседних атомов могут легко мигрировать через решетку в дырки, создавая движение вакансий в противоположном направлении.Напротив, изоляторы имеют полностью занятые валентные зоны и гораздо большую ширину запрещенной зоны, что требует значительных затрат энергии для перемещения валентных электронов в зону проводимости.

Ширина запрещенной зоны в полупроводниках небольшая, но конечная, и при комнатной температуре достаточно простого теплового возбуждения, чтобы переместить часть электронов в зону проводимости. Большинство электронных устройств, включающих полупроводники (такие как диоды и транзисторы), спроектированы так, что требуется приложение напряжения для создания изменений в распределении электронов между валентной зоной и зоной проводимости, необходимых для протекания тока.Между разными полупроводниками существует большая разница в потенциале запрещенной зоны, хотя расположение зон во всех этих материалах схоже. Кремний, который является простейшим внутренним полупроводником, не имеет соответствующей структуры запрещенной зоны, которая могла бы быть полезной сама по себе в конструкции светодиода (но кремний все еще используется во многих других устройствах, включая интегральные схемы). Однако характеристики проводимости кремния могут быть улучшены путем легирования (рис. 3), которое вводит незначительные количества примесей для образования дополнительных электронов или вакансий (дырок) в естественной кристаллической структуре.

Процесс легирования лучше всего описать с помощью элемента кремний, члена группы IV периодической таблицы. Кремний имеет четыре валентных электрона, которые участвуют в связывании с соседними атомами в чистом кристалле, не оставляя недостатка или избытка. Если небольшое количество элемента группы III (имеющего три валентных электрона) смешать с твердым кремнием, то теперь доступно недостаточное количество электронов, чтобы удовлетворить все требования к связыванию, создавая дыры в кристалле и создавая чистый положительный заряд для классификации. легированный кремний как полупроводник типа p .Бор является одним из элементов, которые обычно используются для легирования чистого кремния для достижения характеристик типа p . Напротив, добавление элемента группы V , такого как фосфор (имеющий пять валентных электронов), к чистому кремнию генерирует полупроводник типа n , который имеет чистый отрицательный заряд из-за дополнительных валентных электронов. Два наиболее распространенных полупроводниковых элемента, кремний и германий, обычно не подходят для создания светодиодов из-за значительного количества тепла, выделяемого на переходах, а также из-за низкого уровня излучения видимого и инфракрасного света.

Фотонно-излучающий диод p-n переходы обычно основаны на смеси элементов группы III и группы V , таких как галлий, мышьяк, фосфор, индий и алюминий. Относительно недавнее добавление карбида кремния и нитрида галлия к этой палитре полупроводников привело к появлению диодов с синим светом, которые можно комбинировать с другими цветами или вторичными люминофорами для получения светодиодов, излучающих белый свет. Фундаментальным ключом к изменению свойств светодиодов является электронная природа перехода p-n между двумя разными полупроводниковыми материалами.При плавлении разнородных легированных полупроводников поток тока в переход и характеристики длины волны излучаемого света определяются электронным характером каждого материала. В общем, ток будет легко течь в одном направлении через переход, но не в другом, что составляет базовую конфигурацию диода. Этот тип поведения лучше всего понять с точки зрения перехода электронов и дырок в двух материалах и через переход. Электроны из полупроводника типа n переходят в положительно легированный полупроводник (типа p ), в котором есть свободные дырки, что позволяет электронам «прыгать» от дырки к дырке.Результатом этой миграции является то, что дырки, кажется, движутся в противоположном направлении или от положительно заряженного полупроводника к отрицательно заряженному полупроводнику. Электроны из области типа n и дырки из области типа p рекомбинируют в окрестности перехода с образованием обедненной области (рис. 3), в которой не остается носителей заряда. Таким образом, в области истощения устанавливается статический заряд, который препятствует протеканию тока, если не приложено внешнее напряжение.

Чтобы сконфигурировать диод, на противоположных концах полупроводникового устройства p-n помещают электроды для подачи напряжения, которое способно преодолеть эффекты области обеднения. Обычно область типа n подключается к отрицательному выводу, а область типа p подключается к положительному выводу (известная как с прямым смещением перехода), так что электроны будут течь из n — наберите материал в сторону типа p , и отверстия будут двигаться в противоположном направлении.В результате зона обеднения исчезает, и электрический заряд перемещается по диоду с электронами, направляемыми к переходу из материала типа n , тогда как дырки перемещаются к переходу из материала типа p . Комбинация дырок и электронов, текущих в переход, позволяет поддерживать постоянный ток через диод. Хотя контроль взаимодействия между электронами и дырками на переходе p-n является фундаментальным элементом конструкции всех полупроводниковых диодов, основной целью светодиодов является эффективное генерирование света.Производство видимого света за счет инжекции носителей заряда через переход pn имеет место только в полупроводниковых диодах с особым составом материалов, что привело к поиску новых комбинаций, обеспечивающих необходимую ширину запрещенной зоны между зоной проводимости и орбиталями валентная зона. Кроме того, продолжаются исследования по разработке архитектур светодиодов, которые минимизируют поглощение света диодными материалами и более надежны при концентрации излучения света в определенном направлении.

Светодиодная конструкция

Среди важнейших аспектов производства светодиодов — природа элементов, используемых для полупроводников типа n и p , а также их физическая геометрия, конструкция корпуса устройства и конфигурация пути выхода света. . Базовая структура типичного светодиода состоит из полупроводникового материала (кристалла или кристалла), рамы, на которой установлен кристалл, и герметизирующего материала, окружающего сборку (см. Рисунок 4).В большинстве случаев полупроводник СИД поддерживается в чашке отражателя, которая прикреплена к электроду (катоду), а верхняя поверхность микросхемы соединяется золотой проволокой со вторым электродом (анодом). Некоторые из более сложных конструкций переходных структур требуют двух соединительных проводов, по одной на каждый электрод. Помимо очевидного различия в длине волны излучения разных светодиодов, существуют также различия в форме, размере и диаграмме направленности. Полупроводниковые светодиодные чипы имеют размер до нескольких квадратных миллиметров, а система корпус / линза варьируется от 2 до 10 миллиметров в диаметре.Чаще всего КОРПУС светодиода имеет полусферическую геометрию, но они также могут быть прямоугольными, квадратными, треугольными или многоугольными.

На рисунке 4 представлены архитектурные детали двух популярных конструкций светодиодных корпусов. Обычный полусферический 5-миллиметровый светодиод с выводной рамкой, показанный на рисунке 4 (а), обычно используется в качестве индикаторной лампы для электронных приборов. Эпоксидные смолы используются для заливки герметизирующей системы в этих светодиодах, которые также имеют цилиндрическую и прямоугольную геометрию линз.Матрица закреплена в конической чашке отражателя, которая припаяна к катодному выводу, а анод соединен с матрицей с помощью соединительной проволоки. Свет, исходящий от боковых сторон светодиода, отражается чашей в эпоксидный КОРПУС. Плоское литье в основании эпоксидного купола служит индикатором полярности свинца. Обычно эти индикаторные светодиоды содержат матрицу размером от 0,25 до 0,3 миллиметра по бокам, а диаметр линзы составляет от 2 до 10 миллиметров. Поперечное сечение мощного перевернутого диода GaInN , показанное на рисунке 4 (b), построено на алюминиевой или медной вставке радиатора, которую можно припаять к печатной плате для более эффективного отвода тепла.Инкапсулирующая матрица представляет собой защитный силиконовый слой, предназначенный для преодоления полного внутреннего отражения излучаемых волновых фронтов и их направления через большую пластиковую линзу. Золотая проволока служит для соединения большого катодного вывода с кристаллом, который установлен на кремниевом кристалле для защиты от электростатического разряда. Анод (не показан) по конфигурации аналогичен катоду, но выступает из упаковки в противоположном направлении. Светодиоды этой конструкции в настоящее время являются предпочтительным выбором для освещения в флуоресцентной микроскопии.

Цвет излучения светодиода определяется комбинацией полупроводников, используемых в процессе производства, тогда как оптические характеристики обычно контролируются переменными в упаковке. Угол луча может варьироваться от узкого до широкого (см. Рисунок 5) и определяется формой чашки отражателя, размером и критериями конструкции полупроводника, расстоянием от поверхности кристалла до верхней части корпуса или системы линз. , и геометрия линзы. Профили излучения светодиодов обычно можно разделить на два класса: краевых излучателей (рис. 4 (а)) и поверхностных излучателей (рис. 4 (б)).Большинство поверхностных излучателей демонстрируют диаграмму излучения Ламберта (см. Рисунок 5 (d)), где профиль интенсивности пропорционален косинусу угла излучения, который измеряется от оси, перпендикулярной поверхности кристалла. Напротив, краевые излучатели обычно излучают свет из небольшой области (размером примерно 50 микрометров) на сторонах кристалла в сложном узоре, зависящем от оси. Свет, выходящий из краевого излучателя, является несимметричным, с быстрой осью , перпендикулярной размеру бокового края, и медленной осью , параллельной кристаллу.Чтобы сфокусировать и коллимировать свет со всех четырех сторон светодиода с торцевым излучателем, кристалл обычно помещается внутри отражающей чашки (рис. 4 (а)) за счет увеличения размера источника.

На Рисунке 5 (d) показаны диаграммы излучения в дальней зоне для светодиодов с плоскими (Рисунок 5 (a)), полусферическими (Рисунок 5 (b)) и параболическими (Рисунок 5 (c)) линзами. Три диаграммы излучения на Рисунке 5 (d) нормализованы и наложены друг на друга для сравнения. Обратите внимание, что при F = 60 диаграмма излучения планарного ламбертовского диода уменьшается до 50 процентов от его максимального значения, тогда как полусферический светодиод имеет более симметричное распределение.Тонирование, которое применяется к некоторым линзам из эпоксидной смолы, не определяет цвет излучения светодиода, а скорее используется как удобный индикатор цвета лампы в неактивном состоянии. Конструкции светодиодов, предназначенные для приложений, требующих высокой интенсивности (например, флуоресцентной микроскопии), обычно имеют прозрачные линзы без оттеночных или диффузионных добавок. Эта конфигурация обеспечивает самый высокий уровень светоотдачи и обычно предназначена для использования луча нестандартной формы для наиболее эффективной передачи света в систему собирающих или проекционных линз.В качестве альтернативы светодиодные линзы диффузионного типа содержат встроенные частицы стекла, которые расширяют излучаемый световой конус под большим углом. Этот тип линз обычно используется в приложениях, в которых светодиоды видны напрямую, например, для индикаторных ламп на панелях оборудования.

При выборе материалов и технологий изготовления светодиодов руководствуются двумя основными целями: максимизация генерации света в гибридных полупроводниковых материалах и эффективное извлечение света, создаваемого устройством.В типичных переходах pn электроны и дырки из материалов типа n и p ( большинство носителей ) вводятся через переход, чтобы установить поток тока и произвести свет ( излучательная рекомбинация ) в определенном диапазоне длин волн. Этому процессу часто препятствует безызлучательная рекомбинация неосновных носителей (электроны в материалах типа p и дырки в материалах типа n ) с основными носителями.Кроме того, наличие примесей, структурных дислокаций и других кристаллических дефектов в полупроводниковых материалах может привести к событиям безызлучательной рекомбинации, которые не приводят к испусканию фотона. Таким образом, одна из основных целей при разработке светодиодов — максимизировать излучательную рекомбинацию носителей заряда путем тщательного выбора подходящих полупроводниковых материалов для обеспечения соответствующей зонной структуры и получения подходящих значений квантовой эффективности. Другая важная цель, как более подробно обсуждается ниже, заключается в обеспечении того, чтобы максимально возможное количество света, генерируемого светодиодом, могло выходить из устройства и использоваться для освещения.

Длина волны (и цвет) света, излучаемого полупроводниковым диодом, определяется разницей в энергии между рекомбинирующими электронно-дырочными парами валентной зоны и зоны проводимости, как описано ранее. Приблизительные энергии носителей соответствуют верхнему энергетическому уровню валентной зоны и наименьшей энергии зоны проводимости. В результате длина волны испускаемого фотона (-1) аппроксимируется следующим выражением:

l =
h c / E bg

, где h представляет собой постоянную Планка, c — скорость света и E bg — энергия запрещенной зоны.Чтобы модулировать длину волны испускаемого излучения, необходимо тщательно выбирать ширину запрещенной зоны полупроводникового материала, используемого для изготовления диода. Арсенид галлия является популярным диодным материалом и служит отличным примером того, как можно изменить структуру полупроводниковой полосы для изменения длины волны излучения светодиода. Ширина запрещенной зоны арсенида галлия составляет примерно 1,4 электрон-вольта, что дает излучение с длиной волны примерно 900 нанометров в ближней инфракрасной области. Чтобы увеличить частоту излучения для достижения длин волн в видимой красной области (650 нанометров), ширина запрещенной зоны должна быть увеличена примерно до 1.9 вольт. Это может быть достигнуто путем смешивания арсенида галлия с совместимым материалом, имеющим большую ширину запрещенной зоны (например, фосфид галлия; ширина запрещенной зоны составляет 2,3 электронвольта). Таким образом, светодиоды, изготовленные с использованием соединения GaAsP (фосфид арсенида галлия), могут быть настроены для создания запрещенных зон, имеющих любое значение от 1,4 до 2,3 электрон-вольт, путем регулирования соотношения содержания мышьяка и фосфора. Другие комбинации полупроводников могут быть аналогичным образом применены для генерации длин волн излучения, охватывающих ближнюю ультрафиолетовую, видимую и ближнюю инфракрасную области спектра.

Эффективное извлечение света, генерируемого светодиодами, — еще одна важная проблема при производстве этих полупроводниковых устройств. Поскольку область объемного обеднения внутри светодиодного кристалла является изотропным (ламбертовским) излучателем, обычно предполагается, что свет, покидающий переднюю поверхность кристалла, также будет изотропным во всех направлениях. Однако из-за явления полного внутреннего отражения только часть света, изотропно генерируемого в пределах полного объема полупроводникового кристалла, действительно может уйти во внешнюю среду.В большинстве случаев примерно 50 процентов света, генерируемого внутри, теряется из-за отражений и других явлений, и даже меньше света излучается под большими углами.

Согласно закону Снеллиуса свет может перемещаться из среды с более высоким показателем преломления в среду с более низким показателем преломления (фактически, из полупроводника в окружающую атмосферу), только если выходящие волновые фронты пересекают границу раздела двух сред под углом меньше чем критический угол для двух сред.В типичном светодиоде с кубической геометрией только около 2 процентов генерируемого света может выходить через верхнюю поверхность (фактическое значение зависит от конкретных полупроводниковых материалов и характеристик перехода p n ). Остальная часть поглощается полупроводником, как описано выше. В качестве примера на рисунке 6 показан уход света из слоистого полупроводника с показателем преломления n s в эпоксидную линзу с более низким показателем преломления ( n e ).Угол, образованный конусом аварийного выхода, определяется критическим углом, q c , для двух материалов. Световые волны, выходящие из светодиода под углами менее q c , уходят в эпоксидную смолу с минимальными потерями на отражение, в то время как волны, распространяющиеся под углами более q c , испытывают полное внутреннее отражение на границе и не исчезают. Устройство. Однако из-за кривизны эпоксидного купола для примера на Рисунке 6 большинство световых волн, выходящих из полупроводникового материала, сталкиваются с границей раздела эпоксидная смола / воздух почти под прямым углом и выходят из корпуса с небольшими потерями на отражение.

Количество света, излучаемого светодиодом, зависит от количества поверхностей, через которые может выходить свет, и от того, насколько эффективно это может происходить на каждой поверхности. Почти все светодиодные структуры состоят из слоистой конфигурации, в которой используются процессы эпитаксиального роста кристаллов для последовательного нанесения серии материалов с согласованной решеткой друг на друга для настройки свойств кристалла. Могут использоваться самые разные структурные комбинации, при этом каждая система имеет разную архитектуру слоев для оптимизации рабочих характеристик.В большинстве случаев требуется вторичный этап роста для нанесения монокристаллического слоя на поверхность материала подложки, выращенного в объеме. Среди соображений, необходимых для обеспечения высокого уровня производительности, — физические свойства полупроводниковых материалов, расположение перехода p n (где происходит световое излучение) и строгий контроль кристаллических дефектов, все из которых могут повысить или понизить эффективность генерации света.

Эпитаксиальный рост кристаллов включает жидкостное или химическое осаждение из паровой фазы одного материала на другой при попытке уменьшить дефекты в слоистой структуре, сохраняя близкое соответствие между постоянными атомной решетки и коэффициентом теплового расширения.Для производства эпитаксиальных слоев используется ряд методов, включая жидкофазную эпитаксию ( LPE ), парофазную эпитаксию ( VPE ), металлоорганическое эпитаксиальное химическое осаждение из паровой фазы ( MOCVD ) и молекулярно-лучевая эпитаксия ( MBE). ). Каждая методика имеет определенные преимущества в отношении оптимальных полупроводниковых материалов и условий окружающей среды для производства. Среди множества стратегий, лежащих в основе применения различных конфигураций слоистых полупроводников, являются микроструктурирование областей p и n , параметры перехода, требования к отражающему слою для увеличения внутренней квантовой эффективности, добавление буферных слоев с градиентным составом (предназначенных для преодоления несоответствия решеток). между слоями), и целевые значения ширины запрещенной зоны для управления профилем излучения.

Источники освещения на основе светодиодов

, предназначенные для микроскопии, используют три различных принципа для отражения и сбора света, генерируемого внутри полупроводникового кристалла. В первом и наиболее распространенном подходе используется прозрачный формованный пластик (полимер) для сбора и фокусировки излучаемого света. Хотя этот метод подходит для применений с низким уровнем светлого поля, он не особенно полезен в общей микроскопии из-за ограниченной оптической мощности, доступной от одного диода. Второй подход включает организацию небольшого массива светодиодных кристаллов непосредственно на печатной плате и использование специальной коллекторной оптической системы.Плотность упаковки светодиодов ограничена только необходимостью связывать каждый кристалл отдельными соединительными проводами и включать механизм для рассеивания тепла. Основным недостатком вложенных светодиодов на печатной плате является потеря света от краев устройств. Третий метод заключается в размещении кристалла светодиода в зеркальном колодце, который служит отражателем, а затем в упаковке этих блоков на печатную плату. Однако, поскольку отражатели больше отдельных матриц, этот метод приводит к более низкой плотности упаковки.

Поскольку каждый светодиодный кристалл представляет собой отдельный источник света, когда большая диодная матрица строится с использованием нескольких устройств, сбор излучаемого света требует другой стратегии, чем используется с обычными лампами. Самый эффективный механизм для сбора света от вложенных светодиодов включает применение матрицы микролинз, которая расположена на надлежащем расстоянии от печатной платы диода. Подходящая матрица линз может быть изготовлена ​​из формованного пластика или стекла и должна быть спроектирована так, чтобы каждый светодиод имел отдельную собирающую линзу.Затем матрица микролинз проецирует свет от отдельных источников в макроскопическую коллекторную линзу оптической системы микроскопа с меньшей числовой апертурой и большим фокусным расстоянием, чем это требовалось бы для традиционной лампы. В качестве дополнительного преимущества этот тип оптической системы демонстрирует более низкую степень хроматической и сферической аберрации. Основная цель конструкции микролинзы-светодиода (как и любого другого источника освещения) состоит в том, чтобы захватить как можно больше света и эффективно доставить его в угол приема оптической системы освещения микроскопа, чтобы полностью и однородно заполнить конденсорная (или объективная) апертурная диафрагма с осевым параллельным светом.

Белые светодиоды

Наиболее широко используемые светодиоды нынешнего поколения в основном представляют собой монохроматические излучатели высокой яркости, но для все большего числа применений (таких как микроскопия проходящего света) требуется широкий спектр или белый свет. Есть два основных подхода к получению белого света от устройств, которые в основном являются монохроматическими. Один из методов основан на объединении трех разных цветов диодов в одной оболочке или различных полупроводниковых материалов в общем кристалле (в такой пропорции, что на выходе получается белый цвет).В другом методе используется фиолетовый или ультрафиолетовый светодиод для выработки энергии, возбуждающей вторичный люминофор, который затем излучает белый свет (см. Рисунок 7 (а)). Светодиоды белого света потенциально очень энергоэффективны по сравнению с лампами накаливания. Например, в то время как обычные источники света демонстрируют среднюю мощность от 15 до 100 люмен на ватт, эффективность белых светодиодов, по прогнозам, достигнет более 300 люмен на ватт в результате постоянного развития. Возможно, наиболее важным критерием выбора светодиода белого света является средняя цветовая температура профиля излучения, которая колеблется от примерно 4500 K до 8000 K, в зависимости от свойств устройства.Выбор наилучшего соответствия цветов для оптической микроскопии должен основываться на технических характеристиках детектора и возможностях программного обеспечения, но значения, близкие к 5500 K, должны быть оптимальными.

Комбинация красного, зеленого и синего диодов в одном корпусе или в ламповом узле, содержащем кластер диодов, позволяет генерировать белый свет или любой из 256 цветов за счет использования схемы, которая управляет тремя диодами независимо ( Рисунок 7 (б)). В приложениях, где требуется полный спектр цветов от единого точечного источника, этот тип формата диодов RGB является предпочтительным методом.Однако большинство диодов белого света изготавливаются с использованием светодиода, излучающего на короткой длине волны (от 365 до 450 нанометров; от ультрафиолета до синего), и преобразователя длины волны , который поглощает свет от диода и подвергается вторичному излучению на более длинных волнах. Такие светодиоды излучают свет с двумя или более длинами волн, которые при объединении выглядят как белые. Качество и спектральные характеристики комбинированного излучения зависят от материалов, из которых изготовлено устройство. Наиболее распространенные материалы, преобразователи длины волны, называются люминофорами, которые представляют собой материалы, которые проявляют люминесценцию, когда они поглощают энергию от другого источника излучения.Обычно люминофоры состоят из неорганического субстрата-хозяина, содержащего оптически активную допант. Иттрий-алюминиевый гранат ( YAG ) является обычным материалом-хозяином, который может быть легирован одним из редкоземельных элементов, например церием.

Светодиодные фонари

Одним из преимуществ использования светодиодов для освещения в флуоресцентной микроскопии является то, что каждая разновидность этих полупроводниковых устройств имеет аналогичную эффективность преобразования энергии с излучением, ограниченным узким диапазоном длин волн, а светодиоды работают при гораздо более низкой температуре, чем дуговые лампы или лампы накаливания. .В результате для достижения того же оптического выхода, что и у традиционного источника света, требуется гораздо меньше электроэнергии. Кроме того, светодиоды значительно компактнее, чем дуговые лампы, и их можно прикрепить непосредственно к радиатору, который легко охлаждается с помощью небольшого вентилятора с компьютерным управлением. Такая технология позволяет устанавливать светодиодные источники непосредственно внутри системы микроскопа, ближе к образцу, чтобы потенциально избежать значительной потери интенсивности света (часто превышающей 95 процентов), которая происходит со всеми источниками света, когда они проецируются через оптическую цепь.Несмотря на такой высокий уровень гибкости, следует отметить, что источники на основе светодиодов абсолютно требуют эффективного теплоотвода, поскольку работа при температуре выше комнатной снижает их ожидаемый срок службы и приводит к потере эффективности оптического выхода.

Оптический выход типичного светодиода (измеряемый как общий поток излучения) приблизительно пропорционален уровню тока, подаваемого на устройство. При проектировании источников питания светодиодов необходимо учитывать время отклика (порядка микросекунд), нелинейность зависимости напряжения от излучения и максимальный рекомендуемый ток возбуждения.Еще одна первоочередная задача — это уровень собственного шума светодиодов, хотя эти устройства гораздо более стабильны (по крайней мере, на порядок), чем вольфрамовые галогенные или дуговые лампы. Дальнейшие соображения должны включать возможность быстрого переключения или модуляции светодиодов для приложений в микроскопии. Несмотря на то, что соотношение между входным током и светоотдачей может быть нелинейным, его можно точно измерить и соответствующим образом откалибровать источник питания. В качестве альтернативы линейное управление может быть достигнуто с помощью широтно-импульсной модуляции, которая управляет интенсивностью светодиода, изменяя количество времени, в течение которого диод находится во включенном состоянии по сравнению с выключенным состоянием.Такая конструкция позволяет относительно воспроизводимо изменять интенсивность света, изменяя ток возбуждения, тем самым устраняя необходимость в заслонках или фильтрах нейтральной плотности.

На рисунке 8 (а) представлена ​​типичная электронная схема, предназначенная для управления одним синим светодиодами с поверхностным излучением, который можно использовать для флуоресцентного освещения. Интенсивность выхода светодиода регулируется с помощью потенциометра, а излучение можно включать и выключать с помощью сигнала переключения, полученного от слаботочного 5-вольтового входа TTL (предпочтительно исходящего от главного компьютера).При настройке фонаря для нескольких светодиодов необходимо учитывать безопасный максимальный ток возбуждения для каждого диода. Светодиоды из одной партии (и одного дистрибьютора) могут значительно различаться (до одного вольта) по прямому падению напряжения, а также по другим электрическим свойствам из-за внутренних производственных изменений, возникающих из-за различных источников, включая неоднородности в сырье. Таким образом, чтобы поддерживать согласованные характеристики между диодными блоками, необходимо заранее определить соотношение между удерживающим напряжением и током для каждого светодиода, который будет использоваться в индивидуальной лампе.В качестве примера работы светодиода зависимость между временем отклика светодиода на входной сигнал прямоугольной формы проиллюстрирована на рисунке 8 (b). Обратите внимание на то, насколько интенсивность светодиода соответствует скачку напряжения.

В ситуациях, когда для широкополосного освещения требуются светодиоды белого света, можно использовать одноканальный источник тока, при этом интенсивность и переключение регулируются путем изменения тока, протекающего через один или несколько светодиодов, которые согласованы по рабочим характеристикам.В более сложных сценариях используются сложные конфигурации светодиодов (объединение нескольких матриц с разными профилями излучения) для получения либо узкополосного излучения для флуоресценции, либо белого света для освещения светлого поля. Этими более сложными конструкциями можно управлять с помощью многоканального источника тока, который способен изменять интенсивность или длину волны излучения в микросекундном (или даже наносекундном) масштабе времени. Этот тип источника питания, называемый импульсным режимом , переключение , полезен в технологиях, требующих чрезвычайно коротких световых импульсов, таких как получение изображений в течение всего срока службы.Схема импульсного режима полезна для преодоления сдвигов в пиковой длине волны излучения из-за неоднородности светодиодов путем предварительной настройки каждого диодного блока на пиковый ток, необходимый для получения желаемой выходной длины волны. Таким образом, средняя яркость источника может регулироваться путем изменения ширины импульса при фиксированном пиковом токе, что обеспечивает контролируемый спектральный выход. Как показано на Рисунке 8 (b), оптический выход следует за импульсом тока без значительной задержки, и возможны частоты импульсной модуляции в диапазоне мегагерц.

За последние несколько лет было введено несколько коммерческих светодиодных фонарей для флуоресцентной и широкопольной микроскопии в проходящем свете (белый свет), пример которой показан на рисунке 9. Фонарь на рисунке 9 спроектирован для непосредственного соединения с входным портом осветителя микроскопа. и вмещает до четырех модульных светодиодов с независимым управлением для последовательного или одновременного возбуждения нескольких флуорофоров. Отдельные светодиодные модули можно легко заменить, чтобы обеспечить возбуждение флуоресценции во всем видимом и ультрафиолетовом спектре.Модульная конструкция предназначена для обеспечения того, чтобы будущие светодиоды, независимо от их конфигурации, можно было сделать совместимыми для использования в ламповом домике. Многоцветные флуоресцентные изображения, полученные с помощью этого светильника (получившего название Colibri и производимого ZEISS), отличаются очень высокой контрастностью и большим динамическим диапазоном.

Среди преимуществ встроенного светодиодного фонаря — возможность настраивать интенсивность освещения для каждого диода в соответствии с требуемым временем интеграции камеры, а не использовать несколько настроек камеры.Кроме того, управление яркостью и переключение светодиодов является чисто электронным, что устраняет механические заслонки и фильтрующие колеса для большей скорости и устойчивости к колебаниям. Низкий напор светодиодов, которые с высокой эффективностью преобразуют электричество в свет, как обсуждалось выше, устраняет необходимость в вентиляторах или вспомогательных охлаждающих устройствах. Кроме того, поскольку светодиоды не находятся под высоким давлением, их режим отказа безвреден (без взрывов) по сравнению с дуговыми лампами.

Влияние поглощения света на рабочие характеристики УФ-светодиодов с излучением от 239 до 217 нм

Спрос на светодиоды (СИД) глубокого ультрафиолетового (УФ) диапазона быстро растет благодаря новым приложениям в области обнаружения газов и медицинской диагностики.Например, в УФ-области спектра ниже 240 нм такие приложения, как определение газов (NO: λ = 226 нм, NH 3 : λ = 217 нм) 1,2) , значительно выиграют от разработка светодиодов с достаточно высокой спектральной мощностью. Однако изготовление таких коротковолновых светодиодов на основе AlGaN очень требовательно, поскольку инжекция и удержание носителей, а также вывод света становятся чрезвычайно сложными. 3) Кроме того, удельное сопротивление листа и контактов в слоях n- и p-AlGaN, а также на границах раздела полупроводник / металл значительно увеличивается с увеличением мольной доли алюминия. 4,5) До сих пор о светодиоде на основе AlN с самой короткой длиной волны сообщалось в [5]. 6, излучающий на 210 нм с оптической выходной мощностью ( P opt ) 0,125 мкм Вт и внешней квантовой эффективностью (EQE) 10 -4 %. В ссылке 7 описаны светодиоды с длиной волны 222 и 227 нм, работающие в импульсном режиме с P opt = 15 μ Вт и P opt = 150 μ Вт соответственно, что соответствует максимальному EQE 0.003% и 0,2%. Недавно в работах Refs. 8, 9 продемонстрирована непрерывная работа светодиодов 226 нм и 229 нм с использованием наномембран Si p-типа с P opt = 225 μ Вт и P opt = 160 μ Вт, что соответствует EQE 0,2 % и 0,03% соответственно. Кроме того, Ref. 10 представлены светодиоды 230 нм на массивном AlN, демонстрирующие P opt = 210 μ Вт и EQE 0,025%. Недавно мы продемонстрировали светодиоды от 263 до 235 нм, демонстрирующие выходную мощность от 880 мкм Вт для 263 нм и 2.1 μ Вт для излучения 235 нм, соответствующего EQE в диапазоне от 0,933% до 0,002%, соответственно. 11) После дальнейшей оптимизации конструкции гетероструктуры AlGaN, профиля легирования и барьерного состава AlGaN, светодиоды 232 нм, смонтированные на перевернутом кристалле, были успешно развернуты в системе обнаружения газа NO. 2)

Однако коренные причины быстрого падения уровней мощности излучения и EQE с уменьшением длины волны излучения до конца не изучены.Как правило, такое поведение объясняется несколькими механизмами, в основном сниженной внутренней квантовой эффективностью (IQE), сниженной эффективностью инжекции носителей (CIE) и сниженной эффективностью вывода света (LEE) 10,11) из-за изменения оптическая поляризация испускаемого света от поперечного электрического (TE) до поперечного магнитного (TM) при длинах волн излучения около 240 нм 12,13) ​​ для полностью напряженных множественных квантовых ям (MQW) на AlN. Помимо этих механизмов, реабсорбция излучаемого света на n-стороне гетероструктуры светодиода обычно не рассматривается.Однако, поскольку проводимость на n-стороне сильно уменьшается с увеличением мольной доли алюминия, возникает дилемма проводимость-прозрачность. В этой статье мы провели всестороннее исследование влияния состава нижележащего слоя Al x Ga 1- x N: Si на характеристики излучения и рабочие напряжения УФ-светодиодов, излучающих между 239 и 217 нм. В частности, вариация алюминиевого состава MQW AlGaN светодиодов, выращенных на Al x Ga 1- x N: Si, ток растекающегося слоя с мольной долей алюминия до x = 0.95 будут представлены.

Все светодиоды были выращены методом газофазной эпитаксии металлоорганических соединений на (0001), эпитаксиально заросшем латерально (ELO) AlN / сапфир 14) с плотностями пронизывающих дислокаций (TDD) 1 × 10 9 см -2 . 15) После наращивания буферного слоя AlN был нанесен слой Al , легированный кремнием, толщиной 1,2 мкм, толщиной м, x Ga 1- x N, растекающийся по току, с 0,79 < x <0,95 .Состав каждого слоя определяли с помощью дифракции рентгеновских лучей с Δ x = 0,01. 16) Чтобы снизить удельное сопротивление слоя, растекающегося по току, концентрация легирования кремнием была оптимизирована путем изменения отношения парциального давления SiH 4 / III с 8 × 10 −5 до 4 × 10 −5 для различных составов алюминия. 5) Результирующая концентрация Si, определенная с помощью рентгеновской спектроскопии с дисперсией по длине волны, находится в диапазоне от 1.4 × 10 19 см −3 для x = 0,79 и 8 × 10 18 см −3 для x = 0,95. 16) Затем был нанесен тройной Al x Ga 1- x N / Al y Ga 1- y N MQW с мольной долей алюминия 0,68 < x <0,86 в квантовых ямах и 0,80 0,80 Ga 0,20 N / Al 0,70 Ga 0,30 N короткопериодической сверхрешеткой, a Al 0,37 Ga 0,63 N / Al 0,20 Ga 0,80 N толщиной 100 нм и контактный слой GaN: Mg толщиной 40 нм. Обратите внимание, что светодиоды спроектированы как нижние излучатели, поскольку p-слои непрозрачны для излучаемого света.После активации Mg-примесей гетероструктуры были преобразованы в УФ-светодиоды с площадью излучения от 0,04 до 0,1 мм 2 . В качестве n- и p-контактов использовались электроды на основе V и Pd соответственно. После обработки светодиоды были измерены на пластине без какого-либо активного охлаждения с помощью электролюминесцентной спектроскопии (EL) с использованием калиброванного компактного оптоволоконного спектрометра и калиброванного Si-фотодиода с УФ-усилением. Вклады люминесценции МКЯ AlGaN разделялись с помощью подгонки гауссовой функции.При непрерывном режиме работы девять светодиодов были измерены на каждой пластине, чтобы проверить ее однородность, и в документе приведены усредненные мощности излучения и рабочие напряжения. Для измерения ЭЛ в импульсном режиме напряжение смещения постоянного тока, близкое к напряжению включения, подавалось через тройник смещения и импульсы тока с длительностью импульса 1 мкм с и частотой повторения 20 кГц. Измерения пропускания проводились на калибровочных образцах Al x Ga 1- x N: Si с сапфировыми подложками с обратной полировкой и полностью светодиодными гетероструктурами без полировки с обратной стороны с использованием спектрофотометра Shimadzu UV-2600 UV-VIS.Относительное поглощение α d рассчитывалось по закону Бера – Ламберта.

Чтобы максимизировать эффективность розетки (WPE) светодиодов глубокого УФ-излучения, необходимо найти компромисс между поглощением и проводимостью Al x Ga 1- x N: Si токораспределительный слой. найденный. Поглощение УФ-излучения может быть уменьшено за счет увеличения содержания алюминия в Al x Ga 1- x N: Si токораспределительный слой, т.е.грамм. Al 0,80 Ga 0,20 N: Si с шириной запрещенной зоны E Gap ≈ 5,39 эВ прозрачен для излучения с длиной волны всего 232 нм. Однако неоднородное уширение спектра излучения УФ-светодиода и субзонное поглощение токового растекающегося слоя AlGaN: Si может привести к частичному поглощению коротковолновых вкладов в спектр излучения УФ-светодиода. Чтобы исследовать это, светодиоды с длиной волны 232 нм были выращены на Al x Ga 1- x N: Si токопроводящие слои с алюминиевым составом в диапазоне x = 0.79 и x = 0,95. На рисунке 1 показаны типичные спектры излучения светодиодов 232 нм при фиксированном постоянном токе 20 мА, выращенных на Al x Ga 1- x N: Si с x = 0,79 (черные треугольники), x = 0,85 (пустые красные треугольники), x = 0,90 (зеленые кружки) и x = 0,95 (белые квадраты), а также соответствующие спектры поглощения (сплошные линии), измеренные на полных светодиодных гетероструктурах (поглощение в сверхрешетка AlGaN: Mg и GaN: Mg одинаковы для всех светодиодов и не показаны).Спектры были нормализованы на 240 нм, предполагая, что поглощение пренебрежимо мало для всех Al x Ga 1- x N: Si текущих распределяющих слоев на этой длине волны. Спектральная мощность длинноволновых вкладов (то есть на длинах волн выше пикового излучения) очень похожа для всех светодиодов. Это указывает на то, что неоднородное уширение спектров излучения не зависит от состава алюминия нижележащего Al x Ga 1- x N: Si.Напротив, на коротковолновой стороне спектра излучения (т.е. на длинах волн ниже пикового излучения) наблюдается сильное снижение спектральной мощности для светодиодов, выращенных на Al 0,85 Ga 0,15 N: Si и Al 0,79 Ga 0,21 N: Si. Отсечка коротковолновых вкладов спектров светодиодов (т.е.длина волны, на которой спектральная мощность падает ниже 10% от нормированного значения) смещена с 228 нм для роста на Al 0,79 Ga 0.21 N: Si до 224 нм для роста на Al 0,85 Ga 0,15 N: Si. Для светодиодов, выращенных на Al 0,90 Ga 0,10 N: Si и Al 0,95 Ga 0,05 N: Si, спектры идентичны, что указывает на полную прозрачность текущих слоев. Кроме того, наблюдается сдвиг максимальной длины волны излучения с уменьшением состава алюминия Al x Ga 1- x N: Si-слой распространения тока с 232 нм для x = 0.95 и x = от 0,90 до 233 нм для x = 0,85 и до 235 нм для x = 0,79. Это сопровождается небольшим снижением спектральной мощности в пиковом излучении из-за субзонного поглощения. Следовательно, было бы предпочтительнее использовать слои AlGaN: Si с высокой мольной долей алюминия, распространяющие ток, чтобы избежать повторного поглощения излучаемого света. К сожалению, увеличение содержания алюминия в слое распределения тока Al x Ga 1- x N: Si вызывает экспоненциальное увеличение удельного сопротивления слоя. 5) Кроме того, образование n-контактов на Al x Ga 1- x N: Si-слои с высоким содержанием алюминия становится более сложной задачей 4) , которая возникает из-за уменьшения сродства к электрону Al x Ga 1- x N с увеличением мольной доли алюминия. 17) Кроме того, трудности легирования кремнием Al x Ga 1- x N составами алюминия x > 0.80 5) ограничивает концентрацию ионизированных доноров и приводит к относительно высоким контактным сопротивлениям с неомическим поведением.

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 1. (Цветной онлайн) Типичные спектры излучения светодиодов 232 нм (нормированные на 240 нм), выращенные на Al x Ga 1- x N: Si с x = 0,79 ( черные треугольники), x = 0.85 (пустые красные треугольники), x = 0,90 (зеленые кружки), x = 0,95 (белые квадраты), а также соответствующие измерения поглощения (также нормированные на 240 нм) полных светодиодных гетероструктур (сплошные линии).

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Для улучшения n-контактов на Al x Ga 1- x N: Si, конфигурация электродов V / Al / Ni / Au и быстрый термический отжиг во время формирования контакта (800 ° C для 60 s для атмосферы N 2 , подробности будут опубликованы в другом месте) была оптимизирована.Удельное сопротивление n-контакта, оцененное методом линейной переносимой длины (TLM) при 100 акм −2 , было всего 2,5 × 10 −3 Ом · см 2 для x = 0,79, 2,8 × 10 −3 Ом · см 2 для x = 0,85, 3,5 × 10 −3 Ом · см 2 для x = 0,90 и 7,6 × 10 −3 Ом · см 2 для х = 0,95. Приложенное напряжение смещения при фиксированном токе 1 мА для расстояния между контактами 8 мкм увеличивается с 0 до м.24 В для контактов на Al x Ga 1- x N: Si с x = от 0,79 до 1,1 В для x = от 0,85 до 1,9 В для x = от 0,90 до 5,4 В для х = 0,95. Как контактное сопротивление, так и напряжение при 1 мА постепенно увеличиваются с увеличением состава алюминия. Это также наблюдается в характеристиках светодиодов IV , когда прямое напряжение при 20 мА увеличивается с 7 В до 7,9 В, 10,2 В и 17,3 В для Al x Ga 1- x N : Слои Si с размером x = 0.79, x = 0,85, x = 0,90 и x = 0,95 соответственно, демонстрируя ту же тенденцию, что и измерения TLM. Поскольку более высокие удельные сопротивления листа и контактов приводят к джоулева нагреву (особенно для работы на постоянном токе при более высоких токах), что отрицательно сказывается на EQE и WPE устройств, мольная доля алюминия в Al x Ga 1- x N: Si-слой распределения тока должен быть выбран как можно более низким, без снижения спектральной мощности на длине волны, соответствующей применению.

Чтобы исследовать пределы для более коротковолновых светодиодов, состав Al x Ga 1- x N / Al y Ga 1- y N MQW активной области варьировалось от 0,68 < x <0,86 до 0,80 < y <0,97, сохраняя смещение полосы между квантовыми ямами и барьерами постоянным. Составы слоя распространения тока Al x Ga 1- x N: Si x = 0.90 и x = 0,95 были выбраны, чтобы избежать поглощения света для более коротковолновых светодиодов. Типичные спектры излучения электролюминесценции реализованных УФ-светодиодов, а также спектры поглощения полированного с обратной стороны Al x Ga 1- x N: калибровочные образцы N: Si показаны на рис. 2 (а). Здесь зеленые закрашенные кружки относятся к спектрам светодиодов, выращенных на Al 0,90 Ga 0,10 N: Si, а синие белые кружки относятся к спектрам светодиодов, выращенных на Al 0.95 Ga 0,05 N: Si. На рис. 2 (b) усредненная мощность излучения QW EL, включая стандартное отклонение (зеленый и синий) и приложенное напряжение смещения (пурпурный), нанесены на график в зависимости от длины волны пикового излучения в диапазоне от 239 до 217 нм. Характеристики всех светодиодов оценивались при постоянном токе 20 мА с использованием постоянной излучающей поверхности 0,04 мм 2 . Все светодиоды демонстрируют преобладающее излучение квантовых ям, но пиковая спектральная мощность сильно снижена с 24 мкм Вт · нм -1 для излучения на длине волны 239 нм до 18 нВт · нм -1 для излучения на 217 нм.Вклады длинных волн выше 300 нм всех светодиодов [не показаны на рис. 2 (а)] ниже 4 нВт -1 нм. Соответствующие усредненные мощности излучения КЯ ЭЛ показаны на рис. 2 (б). Как показывает стандартное отклонение, все исследованные образцы показывают только небольшое изменение длины волны излучения и мощности излучения по пластине. Интегрированная мощность излучения квантовой ямы уменьшается более чем на три порядка с уменьшением длины волны излучения с 310 мкм Вт для пикового излучения 239 нм до 0.15 мкм Вт для пикового излучения 217 нм. Падение мощности излучения еще более заметно для светодиодов на Al 0,90 Ga 0,10 N: Si, расходящих ток слоев, что хорошо видно для светодиода 224 нм с мощностью излучения квантовой ямы 0,49 мкм Вт по сравнению с Светодиод 222 нм, выращенный на Al 0,95 Ga 0,05 N: Si, демонстрирующий 1,4 мкм Вт, хотя и имеющий более короткую длину волны излучения. Более позднее наблюдение можно отнести к поглощению коротковолновых вкладов в спектры излучения, как и к поглощению Al 0.90 Ga 0,10 Слои N: Si уже увеличиваются примерно на 225 нм, как показано в спектре поглощения на рис. 2 (а). Кроме того, для светодиода с длиной волны 217 нм поглощение коротковолновых вкладов спектра излучения в токораспределительном слое Al 0,95 Ga 0,05 N: Si не может быть незначительным, поскольку поглощение начинает увеличиваться примерно при 218 нм. В соответствии со светодиодами, выращенными на разных слоях Al x Ga 1- x N: Si, токораспространяющиеся слои с 0.79 < x <0,95, рабочие напряжения для светодиодов на Al 0,90 Ga 0,10 N: Si находятся между 10,2 и 11,3 В и значительно ниже, чем рабочие напряжения для светодиодов на Al 0,95 Ga 0,05 N: Si в диапазоне от 17,4 до 20,1 В. Увеличение рабочего напряжения при уменьшении длины волны излучения на 0,25 В ожидается из-за большей ширины запрещенной зоны. Более сильное увеличение для светодиодов, выращенных на Al 0,95 Ga 0,05 N: Si, будет предметом дальнейших исследований.Независимо от каких-либо улучшений в отношении мощности излучения EQE или QW, обеспечиваемых увеличенным составом Al x Ga 1- x N: Si, уменьшение WPE в два раза должно быть рассмотрено в следующий. Однако при более коротких длинах волн излучения, для которых имеет значение поглощение света, то есть ниже 228 нм для роста на Al 0,90 Ga 0,10 N: Si, рост на Al 0,95 Ga 0,05 N: Si предпочтителен в качестве излучения. power, EQE и WPE становятся лучшими для этой текущей композиции слоев распределения.

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 2. (Цветной онлайн) (a) Спектральная мощность типичных светодиодов с различной длиной волны излучения, выращенных на Al x Ga 1- x N: Si с x = 0,90 ( зеленоватые кружки) и x = 0,95 (белые голубоватые квадраты), а также спектры поглощения полированного с обратной стороны Al x Ga 1- x N: Si калибровочных образцов одинакового состава (сплошные линии).(b) Усредненная интегрированная мощность излучения электролюминесцентной лампы QW, включая стандартное отклонение девяти устройств (зеленый и синий для роста на x = 0,90 и x = 0,95) и рабочее напряжение при 20 мА (пурпурный).

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Хотя поглощение внутри Al x Ga 1- x N: Si токораспределение слоя является одной из причин резкого уменьшения мощности излучения с уменьшением длины волны излучения, оно не может быть единственным объяснением наблюдаемого поведения .Принимая во внимание характеристики излучения УФ-светодиодов и спектры поглощения, влияние поглощения можно исключить для светодиодов с длинами волн излучения выше 222 нм, 228 нм, 234 нм и 240 нм для роста на Al x Ga 1− x N: Si с алюминиевым составом x = 0,95, x = 0,90, x = 0,85 и x = 0,80 соответственно. Поскольку для этих светодиодов можно исключить поглощение света, основные причины наблюдаемого снижения мощности излучения с уменьшением длины волны излучения (310 мкм Вт для излучения 239 нм до 1.4 μ Вт для излучения 222 нм) должно происходить из уменьшенных IQE, LEE и CIE. Поскольку все светодиоды были выращены псевдоморфно на аналогичном ELO AlN / сапфире, ожидается, что TDD и, следовательно, IQE будут одинаковыми для всех образцов. 18) Тем не менее, на IQE может также повлиять на более коротких длинах волн увеличение плотности точечных дефектов в сплавах с более высокой мольной долей алюминия 19) при увеличении состава квантовой ямы с x = 0,68 до x = 0.82. Однако абсолютное изменение состава квантовой ямы невелико. Кроме того, смещения полос между квантовыми ямами и барьерами и поля поляризации должны быть идентичными, поскольку состав барьера регулировался вместе с составом квантовой ямы. Следовательно, влияние уменьшения IQE с уменьшением длины волны излучения маловероятно, чтобы объяснить уменьшение мощности излучения более чем на три порядка величины. На LEE сильно влияет оптическая поляризация излучаемого света. Как показали предыдущие исследования, поляризация излучения света из квантовых ям AlGaN претерпевает переход от доминирующего ТЕ к доминирующему ТМ при длине волны излучения около 240 нм. 13) Это согласуется с измерениями степени поляризации P = ( I TE I TM ) / ( I TE + I TM ) в исследуемых образцах наблюдается переход от неполяризованного излучения ( P = 0) для светодиода с длиной волны 239 нм до доминирующего поляризованного излучения TM ( P = -0,7) для светодиода с длиной волны 222 нм. Тем не менее, моделирование методом трассировки лучей LEE для разной степени поляризации излучения света и с учетом поглощающей p-стороны, шероховатой задней стороны сапфира и рассеяния на диаграмме ELO (подробности будут опубликованы в другом месте) показывают лишь небольшое уменьшение LEE из 2.От 9% для излучения на длине волны 239 нм до 1,7% для излучения на длине волны 222 нм. Следовательно, основная причина уменьшения мощности излучения при уменьшении длины волны излучения, скорее всего, должна быть отнесена к уменьшенному CIE. По мере увеличения состава квантовых ям и барьеров смещение зоны проводимости в сторону ЭПС AlN резко уменьшается. 11) Это приводит к увеличению утечки электронов на p-сторону светодиода и рекомбинации носителей заряда за пределами активной области, что не способствует люминесценции квантовой ямы.Количественный анализ CIE довольно сложен и потребует дальнейших исследований.

Наконец, чтобы исследовать максимальную производительность устройства и EQE, светодиод 239 нм, 232 нм и 228 нм, выращенный на Al 0,90 Ga 0,10 N: Si, а также светодиоды 222 и 217 нм. Светодиод, выращенный на Al 0,95 Ga 0,05 N: Si, были измерены в импульсном режиме. Площадь излучения светодиодов на Al 0,90 Ga 0,10 N: Si составляла 0,1 мм 2 , тогда как площадь излучения светодиодов на Al 0.95 Ga 0,05 N: Si составлял 0,04 мм 2 , чтобы учесть уменьшенную длину растекания тока в этих слоях с более высоким сопротивлением. В качестве примера на фиг. 3 показаны LIV-характеристики светодиода с длиной волны 239 нм, выращенного на Al 0,90 Ga 0,10 N: Si. Максимальная мощность излучения при работе в непрерывном режиме составляет 730 мк Вт и возникает при постоянном токе 76 мА с последующим термическим опрокидыванием из-за джоулева нагрева. Максимальный EQE при работе в непрерывном режиме достигается при 2,4 × 10 -1 % при постоянном токе 36 мА.При работе в импульсном режиме тепловые эффекты значительно снижаются, и перекат наблюдается при токе 500 мА, достигающем 4,6 мВт выходной мощности. Максимальное значение EQE при работе в импульсном режиме достигает 3,3 × 10 -1 %, достигаемое при токе 100 мА. При уменьшении длины волны максимальная мощность излучения при работе в импульсном режиме составляет 1,2 мВт, 320 мкм Вт и 19 мкм Вт для излучения 232 нм, 228 нм и 222 нм соответственно. Светодиод с самой короткой длиной волны с пиковым излучением 217 нм показал максимальную мощность излучения 3.6 мк Вт при 135 мА в импульсном режиме. Несмотря на то, что эти уровни мощности относительно скромны, световой поток уже достаточен для использования в области обнаружения газов, например аммиак или оксид азота. 1,2) Соответствующие максимальные EQE уменьшаются с 9,6 × 10 −2 %, 2,7 × 10 −2 %, 2,0 × 10 −3 % и 4,9 × 10 -4 % для излучения 232 нм, 228 нм, 222 нм и 217 нм соответственно.Эта тенденция хорошо согласуется с недавними литературными данными, как показано на рис. 4. 6–11,20)

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 3. (Цветной онлайн) Рабочее напряжение (пурпурный), мощность излучения (зеленый) и EQE (синий) светодиода 239 нм, выращенного на Al 0,90 Ga 0,10 N: Si под непрерывным ( сплошные линии) и импульсный режим (маркеры), измеренные на пластине без активного охлаждения.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Приблизить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рис. 4. (Цветной онлайн) Максимально достигаемые EQE в импульсном режиме в зависимости от длины волны излучения по сравнению с недавней литературой. 6–11,20)

Загрузить рисунок:

Стандартное изображение Изображение высокого разрешения

В заключение, мы исследовали характеристики излучения и рабочие напряжения светодиодов глубокого УФ-излучения с длинами волн излучения от 239 до 217 нм.При увеличении алюминиевого состава Al x Ga 1- x N / Al y Ga 1- y N активной области МКЯ, т.е. уменьшении длины волны излучения, сильного наблюдается снижение светоотдачи и EQE. Наши результаты показывают, что это поведение, скорее всего, связано с уменьшением CIE.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *