LED的色彩与工艺

　　制造 LED 的材料不同，可以产生具有不同能量的光子，借此可以控制 LED 所发出光的波长，也就是光谱或颜色。历史上第一个 LED 所使用的材料是砷 (As) 化镓 (Ga) , 其正向 PN 结压降 (VF ，可以理解为点亮或工作电压 ) 为 1.424V ，发出的光线为红外光谱。另一种常用的 LED 材料为磷 (P) 化镓 (Ga) ，其正向 PN 结压降为 2.261V ，发出的光线为绿光。基于这两种材料，早期 LED 工业运用 GaAs1-xPx 材枓结构，理论上可以生产从红外光一直到绿光范围内任何波长的 LED ，下标 X 代表磷元素取代砷元素的百分比。一般通过 PN 结压降可以确定 LED 的波长颜色。其中典型的有 GaAs0.6P0.4 的红光 LED ， GaAs0.35P0.65 的橙光 LED ， GaAs0.14P0.86 的黃光 LED 等。由于制造采用了鎵、砷、磷三种元素，所以俗称这些 LED 为三元素发光管。而 GaN （氮化镓）的蓝光 LED 、 GaP 的绿光 LED 和 GaAs 红外光 LED ，被称为二元素发光管。而目前最新的工艺是用混合铝 (Al) 、钙 (Ca) 、铟 (In) 和氮 (N) 四种元素的 AlGaInN 的四元素材料制造的四元素 LED ，可以涵盖所有可见光以及部份紫外光的光谱范围。发光强度：发光强度的衡量单位有照度单位（勒克司 Lux ）、光通量单位（流明 Lumen ）、发光强度单位（烛光　 Candle power ） 1CD （烛光）指完全辐射的物体，在白金凝固点温度下，每六十分之一平方厘米面积的发光强度。（以前指直径为 2.2 厘米，质量为 75.5 克的鲸油烛，每小时燃烧 7.78 克，火焰高度为 4.5 厘米，沿水平方向的发光强度） 1L （流明）指 1 CD 烛光照射在距离为 1 厘米，面积为 1 平方厘米的平面上的光通量。
　　1Lux （勒克司）指 1L 的光通量均匀地分布在 1 平方米面积上的照度。一般主动发光体采用发光强度单位烛光　 CD ，如白炽灯、 LED 等；反射或穿透型的物体采用光通量单位流明 L ，如 LCD 投影机等；而照度单位勒克司 Lux ，一般用于摄影等领域。三种衡量单位在数值上是等效的，但需要从不同的角度去理解。比如：如果说一部 LCD 投影机的亮度（光通量）为 1600 流明，其投影到全反射屏幕的尺寸为 60 英寸（ 1 平方米），则其照度为 1600 勒克司，假设其出光口距光源 1 厘米，出光口面积为 1 平方厘米，则出光口的发光强度为 1600CD 。而真正的 LCD 投影机由于光传播的损耗、反射或透光膜的损耗和光线分布不均匀，亮度将大打折扣，一般有 50 ％的效率就很好了。实际使用中，光强计算常常采用比较容易测绘的数据单位或变向使用。对于 LED 显示屏这种主动发光体一般采用 CD ／平方米作为发光强度单位，并配合观察角度为辅助参数，其等效于屏体表面的照度单位勒克司；将此数值与屏体有效显示面积相乘，得到整个屏体的在最佳视角上的发光强度，假设屏体中每个像素的发光强度在相应空间内恒定，则此数值可被认为也是整个屏体的光通量。一般室外 LED 显示屏须达到 4000CD ／平方米以上的亮度才可在日光下有比较理想的显示效果。普通室内 LED ，最大亮度在 700 ～ 2000 CD ／平方米左右。
　　 单个 LED 的发光强度以 CD 为单位，同时配有视角参数，发光强度与 LED 的色彩没有关系。单管的发光强度从几个 mCD 到五千 mCD 不等。 LED 生产厂商所给出的发光强度指 LED 在 20mA 电流下点亮，最佳视角上及中心位置上发光强度最大的点。封装 LED 时顶部透镜的形状和 LED 芯片距顶部透镜的位置决定了 LED 视角和光强分布。一般来说相同的 LED 视角越大，最大发光强度越小，但在整个立体半球面上累计的光通量不变。当多个 LED 较紧密规则排放，其发光球面相互叠加，导致整个发光平面发光强度分布比较均匀。在计算显示屏发光强度时，需根据 LED 视角和 LED 的排放密度，将厂商提供的最大点发光强度值乘以 30 ％～ 90 ％不等，作为单管平均发光强度。一般 LED 的发光寿命很长，生产厂家一般都标明为 100,000 小时以上，实际还应注意 LED 的亮度衰减周期，如大部分用于汽车尾灯的 UR 红管点亮十几至几十小时后，亮度就只有原来的一半了。亮度衰减周期与 LED 生产的材料工艺有很大关系，一般在经济条件许可的情况下应选用亮度衰减较缓慢的四元素 LED 。配色、白平衡：白色是红绿蓝三色按亮度比例混合而成，当光线中绿色的亮度为 69% ，红色的亮度为 21 ％，蓝色的亮度为 10 ％时，混色后人眼感觉到的是纯白色。但 LED 红绿蓝三色的色品坐标因工艺过程等原因无法达到全色谱的效果，而控制原色包括有偏差的原色的亮度得到白色光，称为配色。当为全彩色 LED 显示屏进行配色前，为了达到最佳亮度和最低的成本，应尽量选择三原色发光强度成大致为 3:6:1 比例的 LED 器 件组成像素。白平衡要求三种原色在相同的调灰值下合成的仍旧为纯正的白色。原色、基色：原色指能合成各种颜色的基本颜色。色光中的原色为红、绿、蓝，下图 为光谱表，表中的三个顶点为理想的原色波长。如果原色有偏差，则可合成颜色的区域会减小，光谱表中的三角形会缩小，从视觉角度来看，色彩不仅会有偏差，丰 富程度减少。
　　LED 发出的红、绿、蓝光线根据其不同波长特性和大致分为紫红、纯红、橙红、橙、橙黄、黄、黄绿、纯绿、翠绿、蓝绿、纯蓝、蓝紫等，橙红、黄绿、蓝紫色较纯红、纯绿、纯蓝价格上便宜很多。三个原色中绿色最为重要，因为绿色占据了白色中 69 ％的亮度，且处于色彩横向排列表的中心。因此在权衡颜色的纯度和价格两者之间的关系时，绿色是着重考虑的对象。