LED与机器视觉
一、 什么叫LED?
LED 是取自 Light Emitting Diode 三个字的缩写,中文译为“发光二极管”,顾名思义发光二极管是一种可以将电能转化为光能的电子器件具有二极管的特性。目前不同的发光二极管可以发出从红外到蓝间不同波长的光线,目前发出紫色乃至紫外光的发光二极管也已经诞生。除此之外还有在蓝光 LED 上涂上荧光粉,将蓝光转化成白光的白光 LED。
二、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。
三、LED的构造
LED的构造其实非常简单:一般来说,就是一个方形的二极管片装在一个塑料、树脂或是陶瓷底座的特殊环氧层中。处于半导体中心部位的电子可以通过传感原料,转换生成灯光,而封贴在“罩状”环氧层内的微型芯片,可以将灯光“映射”出来。典型LED有两个插脚,一个长一个短。较长的插脚为阳极,或者也可以说是正极,短一点的插脚则是阴极。
不同尺寸及形状的LED底座,与LED芯片尺寸、芯片与环氧透镜之间的距离以及反射罩的形状等因素,共同决定了光线的观测角度。生产二极管芯片的化学元素互相结合,配合能源因素,可延展生成光子,决定波长,进而决定灯光的色彩。LED从最初接近红外线的灯光,到最近的紫外光,目前已可以产生完全光谱的灯光。
一般来说,当使用单个芯片时,LED的灯光就是单色的。当两个或多个不同色彩的芯片装入同一个环氧层时,就可以产生多色LED。谈及到多芯片技术,三层芯片的多芯片技术还可以产生白光:当红光、绿光及蓝光这三种原始色通过正确的比例混合时,就可以产生白光。
封装在同一个环氧层中的红光、绿光及蓝光芯片可以个别控制,这样还可以产生不同的混色及其他纯色。
四、 LED发光原理:
发光二极管LED (Light Emitting Diode)是利用二极管內电子与空隙结合过程中能量转换产生光的输出。
LED特性:冷性发光不产生热,元件寿命长(十万小时以上)、反应速度很快、体积小、功耗小、适合量产,高可靠度。
LED制作材料通常为砷、磷、镓等Ⅲ-Ⅴ族元素,制作过程包括上游的晶圆制作、磊晶成长,中游的扩散制程、金属蒸镀、晶粒制作,以及下游的产品封装及应用市场等。
五、LED技术难点:
LED照明灯具散热结构最主要的技术障碍在于:抑制单颗LED的整体温升。在长时间点亮的过程中,必须将单颗LED的整体温度抑制在50℃以下,否则这些热量将严重降低LED 的寿命,加速LED 的光衰,同时也影响了LED 驱动器的效率、损害磁性元件及输出电容器等的寿命。
六、机器视觉之LED光源特点:
1. 形状多样,应用非常灵活,可以做成点、线、面各种形式的轻薄短小产品;
2. 寿命长,都是可以使用50,000小时以上,还有一些生产商宣称其LED可以运作100,000小时左右
3. 结构牢固,抗冲击,耐振动,性能稳定可靠,
4. 上电反应快,发光响应时间极短
5. 多种颜色可供选用, 目前使用较多的有红、绿、蓝、白、黄
6. 非常省电,工作电压低,耗电量小,发光效率高,综合运行成本低
7. 控制极为方便,只要调整电流,就可以随意调光。
七、机器视觉各类光源对比表:
|
|
|
|
|
|
|
表一
|
光源类别 |
光波 |
亮度 |
寿命(小时) |
备注 |
|
LED灯 |
多种 |
从亮到很亮 |
100000 |
寿命稳定
输出小面积 |
|
光纤卤素灯 |
白光兼有黄光 |
很亮 |
200-3000 |
便宜高发热 |
|
萤光灯 |
白光兼有蓝光、绿光、黄光 |
亮 |
5000-7000 |
便宜
需要高频低发热 | |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
表二
|
光源类别 |
成本 |
稳定性 |
复杂设计 |
温度影响 |
|
LED灯 |
一般 |
好 |
高 |
低 |
|
光纤卤素灯 |
高 |
一般 |
一般 |
差 |
|
萤光灯 |
低 |
差 |
低 |
一般 | |
|
|
|
|