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【原创深度】可见光光谱之外的应用

cathy 发布于:周三, 10/11/2017 - 12:00 ,关键词:

贸泽电子Paul Golata

在过去的十年,很多照明设备都使用了LED,因为与传统的照明设备相比LED具有更多的优势:

  • 使用寿命更长,降低成本和维护费
  • 单位电能可以都产生更多的光,更高效
  • 通断操作更快速,并且没有任何不良影响
  • 尺寸更小,带来了更多的使用潜能
  • 面对打击、震动及机械压力,稳定性更高

LED在我们的生活中随处可见,无论是加油站的光罩,还是食品和服装的零售区位。白色的光照亮了我们的世界,并伴随着红光、绿光和蓝光,给我们了一个崭新的视角去瞭望生活。

同时,在我们肉眼无法察觉的光谱范围,LED也带来了改变,他改变了我们的应用。在可见光七彩色之外,LED实现了巨大的飞跃,他们正在颠覆紫外线和红外线光谱的应用,这种光是人类的视杆细胞及视为细胞的感知能力所无法企及的。

紫外线:七彩色蓝光之外的光

人类肉眼对色彩的感知能力大约在400nm-700nm的波长范围内。人们从小就知道,彩虹由六个基本色组成:红、橙、黄、绿、蓝、紫。当波长为430nm-495nm的光波摄入到人眼,被看到的是蓝色,波长小于430nm的光则显示为紫色。而当波长在400nm左右时,肉眼已经看不到紫色,不能再分辨它的颜色了。(图1)

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蓝色 430nm-495nm

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UV-A长波紫外线 360nm-430nm

图1:蓝光和紫光的波长(来源:贸泽电子)

比紫色光波更短的光是紫外线(UV),紫外线大约覆盖了三个光波区域:

  • UV-A(长波紫外线):315nm-400nm
  • UV-B(中波紫外线):280nm–315nm
  • UV-C(短波紫外线):100nm–280nm

短波紫外线主要应用于杀菌、消毒,这些高频光波的光子拥有比低频光谱更高的能量,他们主要用于破除难以处理的生物因子,其应用领域主要包括空气、水、医疗器械等的清洁工作。但由于半导体材料的带隙水平,获取波长短的光波是十分困难的。因此中波和短波紫外线的应用受到了限制,长波紫外线应用更为广泛。

紫外线灯在工业领域占据着一席之地得益于长波紫外线的应用,这是因为半导体制造商更擅长生产这种发射长波光线的半导体材料和产品。长波紫外线LED主要应用于三个领域:紫外线治疗、喷墨印刷、科学器械。下面我们就一起来探讨长波紫外线LED是如何在喷墨打印应用的。

喷墨打印是一种将高质量的数字图像传输到纸张和塑料等各种介质上的方法,喷墨打印所使用的墨水要么是被烘干的,要么是被固化的。传统的墨水一般是油墨或油墨溶剂。油墨或油墨溶剂的干燥分别是通过氧化作用和蒸发作用来实现的。这两个过程都需要施加一定的热量(红外加热),这不仅增加了打印时间,而容易导致收缩和扭曲。为了避免这样的结果,喷墨制造商研制出了通过长波紫外线来固化油墨的方法,也就是说当紫外线照射粘合剂和颜料的时候发生聚合反应,颜料被固化。这是因为来自长波紫外线的能量使反应物产生了与其他元素结合的自由基,这种自由基将粘合剂跟颜料稳固的连接起来。该方法的优点是,固化油墨不再需要将介质完全暴露在高温下,所以图像光滑且均匀。此外,这种方式十分环保,被紫外线固化的油墨百分百保留了油墨原料,不会产生蒸发作用和氧化作用的残余物,从而降低了污染、促进了环保。

很多年来,紫外线都是通过紫外线汞灯产生的。得益于宽光谱紫外线波长输出,这些紫外线汞灯能够加速喷墨打印进程,同时也使油墨的活性成分最大化。长光波紫外线led灯本来就是单色的,这限制了他们的固化功能。但如上述的LED灯的优势仍然是存在的。制造厂商仍然持续不断的改进油墨来配合最新的长波紫外线LED灯。这使得喷墨打印技术更适合于低生产率的设备,而不是高效率和高性能的系统。迄今为止,随着更高功率的长波紫外线灯的不断发展,他们将继续影响着这个行业。

许多LED灯公司都在扩张紫外线LED灯的市场供给,包括Lumileds、Led Engin、Luminus Devices、Everlight Electronics和Wurth Electronics等。例如:Lumileds LUXEON UV U Line LEDs就是一种大功率、高效率的器件(图2)。它们被设计的非常小,适用于以前的UV LED无法嵌入的地方,并且没有灯帽,可以被安装在物体表面,按阵列排列,他们之间只留有0.2毫米的空隙。它们的小尺寸允许精确的光学控制。这些LED可以提供波长为380nm–400nm和400nm–420nm的光波,可以应用于不同的领域,比如固化反应、医疗应用、分析仪器以及紫外线光化反应等。

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图2:Lumileds LUXEON UV U Line LEDs(来源:Lumileds)

针对高功耗紫外线LED,LED Engin研发了波长在385nm-410nm范围内小尺寸、高亮度UV LED元件,可以应用于油墨和粘合剂的固化、牙科治疗、牙齿美白、假冒公文的鉴定、设备消毒以及医疗应用。LZ4系列封装在7mm*7mm的基底上,LZC封装在 9mm*9mm的基底上,LZP系列封装在12mm*12mm的基底上,随着尺寸的增大,就可以有更多的die放到基底中(图3)

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图3 LED Engin的LZP00UB00系列的LED发射器

红外线:七彩色红光之外的光

七色光具有两个末端。在蓝色以下存在着比蓝光波长更短的紫外线,在七色光的另外一端,在红光之上,存在着另外一个波频——红外线。因得益于与生俱来的优势,紫外线有着丰富的应用,同样,红外线的应用也十分广泛。让我们一起来看看红外线LED的应用。

七色光中红光的边缘究竟在哪?让我们以此入手来进行探究。当波长为610nm-740nm的光射入眼睛时显示的是红色,但700nm波长以上的光人的肉眼就很难看到了。当提及红光与红外线的界线时,会有一些重叠。根据实际情况,我们通常把这一部分定义为700nm-740nm之间的光。

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红光610nm-740nm

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近红外线700nm-1500nm

图4 红光与红外线光波(来源:贸泽电子)

与紫外线拥有三个光波区域不同,红外线覆盖了五个光波区域:

  • 近红外线:700nm-1500nm
  • 短波红外线:1.5µ–3µ
  • 中波红外线:3µ–1,000µ
  • 长波红外线:8µ–8µ
  • 远红外线:15µ–1,000µ

每个区域的红外线都在工业和商业领域有所应用。这里,我们只讨论近红外线LED,这种灯尤其适合用在一些需要照明而人的肉眼无法看到的场景,而这些场景却极易以电子的方式感知到。近红外线LED的作用如此强大,就在于它拥有很多电子传感器,比如硅探测器,而这些电子传感器在近红外光谱中拥有非常理想的响应曲线。

近红外LED应用广泛,比如,近红外LED在监控上表现得尤为卓越,可以用于督查安全系统、闭路电视和机器视觉。近红外LED也被用于在高速公路上收费收集标签和车牌信息。在生物统计学中,近红外LED灯被用于访问控制及身份识别。与硅探测器一起,可以用于触摸屏、手势识别系统和烟雾探测器。如果你曾经看过热门电视剧《CSI》,你就会对获取线索十分熟悉,该过程就利用了光谱学,包括短红外光谱学。近红外光谱学还有一个振奋人心的新应用,那就是用来查明我们摄入物质的质量和特性,包括食品和药物。

同人类通过物体所反射的可见光才能看到物体一样,近红外光谱学利用近红外LED灯作为光源,照亮实验中的材料,这种材料基于其自身的内在物理特性能够吸收并反射光。实验同时设置一个波长选择性探测器来观察这些被反射的光,就能够提供实验对象的信息。这样一来,系统和用户就能通过与已知材料相比较,来确定某一材料的存在与否。

在过去,人们使用的是又大又繁琐的光谱学机器,但随着近红外LED的尺寸越来越小,功率越来越高, 近红外LED将更多的应用于手持设备和便携设备领域。

为了迎合该趋势,包括 Lumileds和Osram Opto Semiconductors在内的供应商们,已经研发出了各自的产品如Lumileds LUXEON IR LED(图5)和IR OSLON® Black Series(图6)。

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图5 Lumileds LUXEON IR LED

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图6 Osram Opto Semiconductors IR OSLON® Black Series LEDs

像Osram这样的公司是如何生产高功率NIR发光二极管(NIR LEDs)的呢?其中的秘密之一就是通过荧光粉转换。LED会将大部分光能输入在可见光谱范围之内,比如说蓝光。当这些可见光撞击到LED等上的荧光粉时,就会产生冷光,这就改变了光的波长。通过精心的设计和程序控制,各种近红外波长光就产生了,包括波长在850nm-940nm范围内的。灯罩进一步的决定了光的发射位置的方位。近红外光谱的带宽及性能可以通过在系统设计中使用一个以上的波长来得到改善。

结论

LED灯让生活更加美好,它的潜在优势促使设计师们设计出大量产品来满足人们的需求。紫外线灯涵盖了蓝色光以外的三个波长区域,其中的长波紫外线使能够在固化、喷墨印刷以及科学仪器消毒方面发挥作用。在波谱的另外一端,红外线灯覆盖了五个波长区域,近红外光谱有着完美应用。

从白炽光到LED的转变颠覆了照明世界,LED照明以更快的速度向前发展。其中很多照明应用来源于七色光的边缘之外,LED灯把紫外线和近红外线融入了设计,人类肉眼虽然无法看到这些光,但它却帮我们看到了七彩光以外的世界。

原文链接:http://www.mouser.com/applications/lighting-applications-found-at-end-of...

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