LED常用术语及光电特性-培训教材

LED常用术语及光电特性宁波安迪光电科技有限公司内部培训教材建设节约型社会请用LED中国★安迪2006/6/28课程结构第一部分：LED的常用术语LED→光通量→光照度→光强→半强度角（发光角度）→色温→色品坐标→显色性→光效率→光谱分布图第二部分：LED的常见光电特性1、电特性1．1正向电压（VF）1．2反向电流（IR）2、光特性2．1光强和半强角度2．2光通量、发光效率2．3光衰度第一部分：LED的常用术语术语：ＬＥＤ是英文ＬightEmitingＤiode的简写，中文译作发光二极管，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。发光二极管依据所发射的光线辐射不同，可以分为可见发光二极管、红外发光二极管、紫外发光二极管三种。一般我们所指的发光二极管是指可见发光二极管。波长示意图可见光波长：380——780nm常见七种光色与波长对照表术语：光通量ΦvLED光学窗口中每秒钟所发出的光量的总和。注1：光通量表示发光体LED发光的多少，发光愈多流明数愈大；注2：光通量用单位流明（Lumen，简写Lm）计量表示，如：12Lm。概念澄清：1、光通量是指“光的”，所以我们只能说“阳光的光通量”，而不能说是“那块石头的光通量”。2、光通量永远和截面捆绑在一起（比如说：光学窗口），也就是说这个量和面积相关。如：650流明的17寸显示器——实际是在说“在该17寸显示器的可视面积上的光通量为650流明”，“1200流明的投影仪”——“在该投影仪镜头截面上的光通量为1200流明”。光通量示意图假设有一理想探照灯L，它发出的光只在C这个光锥里前进，没有散射，没有损耗。现在让我们在这个光锥上切两个截面S1、S2。那么，S1上光通量和S2上的光通量什么关系？【这两个截面上的光通量是完全相等的】因为：在单位时间内，全部通过S1的光都将通过S2。光通量测量示意图积分球LED灯但是！如果L就是我们的闪光灯（眼睛），我们把一个物体（比如说一幅画）摆在S1那里，跟摆在S2那里是显然不同的！越远越暗！就是说，S1上有那么多光子蜂拥而过，到S2还是那么多光子，但是明显变稀稀拉拉了嘛！所以，只有光通量这个概念是不够的。我们常常更迫切的需要知道，在一幅画那么大一块地方，到底有多少光通过了呢？这样就引申出了另一个概念：照度。术语：照度E又称为光照度，指发光体照射在被照物体单位面积上的光通量。计算公式为：E＝Φv/S式中：S表示被照物体的面积，单位为平方米（m2）注1：照度用勒克斯（Lux，简写Lx）计量表示，如：500Lux。概念澄清：1、光照度是表明物体被照明程度的物理量。光照度与照明光源、被照表面及光源在空间的位置有关，大小与光源的光强和光线的入射角的余玄成正比，而与光源至被照物体表面的距离的平方成反比。光照度可用照度计直接测量。被光均匀照射的物体，在1平方米面积上所得的光通量是1流明时，它的照度是1勒克斯。有时为了充分利用光源，常在光源上附加一个反射装置，使得某些方向能够得到比较多的光通量，以增加这一方向被照面上的照度。例如摄像、摄影照明灯、手电筒和汽车前灯等都装有反光镜；2、只有光才有照度，“石头的照度为XXX勒克斯”的说法是错误的，正确的说法是：LED灯照射在石头上的照度为XXX勒克斯；3、平方反比定律：距离增x倍，光变暗1/x2。实验：将投影机的位置往远离屏幕的方向移动，图画将变暗。对于上图，假设S2到L的距离是S1到L距离的一倍，用用初中几何应该能算出来，S2截面的面积是S1的四倍。但是，S1上的光通量和S2是一样的。光通量除面积，发现什么了没有？灯L在S1截面上的照度是S2截面上的四分之一。以下是各种环境照度值：单位lux黑夜0.001-0.02月夜0.02-0.3阴天室内5-50阴天室外50-500晴天室内100-1000夏季中午太阳光下的照度约为109阅读书刊时所需的照度50-60电视演播室所需照度300–2000家用摄像机所需最小照度0.3-1家用摄像机标准照度1400办公室要求照度20-100到目前为止，我们谈论了两个量，光通量和照度。有趣的是，这两个量都是描述“一个受光面”的，缺了另一类很关键的情形“一个发光面”。显然，我们还需要描述发光物体明暗的物理量。让我们再回头看一看图中的灯L有多亮：灯L在锥角C中的光通量不变，如果使用光通量除以锥形角度，就可以得到发光体在某一特定方向上单位角度上的发光强度。术语：光强Iv指发光体在特定方向单位立体角内所发射的光通量。计算公式为：Iv＝Φv/Ω式中：Ω表示立体角注1：光强用坎德拉（candela，记为cd）计量表示。概念澄清：1、考虑一个点光源P，沿某一方向r取一立体角为dΩ细光锥，当这个光锥里的光通量为dΦ时，我们定义点光源P沿方向r的发光强度为Iv=dΦ/dΩ。单位立体角内的光通量为发光强度。2、对于发光体而言，如果某一方向A的光强值大于另一方向上B的光强值，则A方向上的光强对人眼的刺激强于B方向上的光强对人眼的刺激。立体角将弧度表示平面角度的定义“弧长除以半径”，扩展到三维空间中，即：立体角的定义为“球面面积与半径平方的比值”。45º特定角度单位立体角光强示意图用极坐标表示光强空间分布图形（上）角度相对光通量用极坐标表示光强空间分布图形（下）最大发光强度零度光强值术语：半强度角θ1/2在发光强度空间分布图形中，最大发光强度大于最大强度一半时构成的角度。如图：最大发光强度最大发光强度的1/2术语：色温T光源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射温度相同时，黑体的温度称为该光源的色温。概念澄清：1、所谓黑体是指入射的电磁波全部被吸收，既没有反射，也没有透射(当然黑体仍然要向外辐射)，呈现黑色，故名为黑体。显然自然界不存在真正的黑体，但许多地物是较好的黑体近似(在某些波段上)。2、黑体在加热的情况下，会辐射出不同的颜色（如将铁器加温，将由铁本色转变为红色），随着温度升高、光色也随着改变，黑体辐射光色依次显示由红——橙红——黄——黄白——白——蓝白的过程。黑体加温到出现与光源相同或接近光色时的温度，定义为该光源的相关色温度，称色温，以绝对温K（Kelvin，或称开氏温度）为单位（K=℃+273.15）。3、光色愈偏蓝，色温愈高；偏红则色温愈低。4、因相关色温度事实上是以黑体辐射接近光源光色时，对该光源光色表现的评价值，并非一种精确的颜色对比，故具相同色温值的二光源，可能在光色外观上仍有些许差异。仅凭色温无法了解光源对物体的显色能力，或在该光源下物体颜色的再现如何。5、光源色温不同，光色也不同，如白炽灯,其色温在3300K,给人一种温暖的感觉；如荧光灯,其色温在5000--7000K，给人一种稳重的感觉；色温在9000K以上给人一种冷的感觉。如表：色温光色气氛效果9000K清凉(带蓝的白色)冷的气氛7000-9000K白色(正白色)爽快的气氛5000-7000K白色(微偏黄)稳重的气氛2700-3300K暖色温暖的气氛白色爽快的气氛白色(正)9000K7000-绝对黑体示意图术语：色品坐标以不同位置的点表示各种色品的平面图。1931年由国际照明委员会(CIE)制定，也称CIE色品图。概念澄清：1、色品可用三个属性描述：①色调②亮度③饱和度；2、CIE色品图有很大实用价值，任何颜色，不论是光源色还是表面色，都可在色品图中标定出来。图中x坐标是红原色的比例，y坐标是绿原色的比例，代表蓝原色的坐标z可由x＋y＋z＝1推出，图中弧线上的各点代表纯光谱色，此弧线称为光谱轨迹。中心点C代表白色，相当于中午太阳光的颜色，其色品坐标为x＝0.3101，y＝0.3162。专业LED测试软件上的色品图术语：显色性Ra表示物体在光下颜色与基准光（太阳光）照明时颜色的偏离程度。光源的显色性用显色指数表示。注1：要正确地表现物体本来的颜色需使用显色指数较高的光源。Ra＝75Ra＞95概念澄清：1、由于同一个颜色样品在不同的光源下可能使人眼产生不同的色彩感觉，而在日光下物体显现的颜色是最准确的。因此，可以用日光标准（参照光源），将白炽灯、荧光灯、钠灯等人工光源（待测光源）与其比较，显示同色能力的强弱叫做该人工光源的显色性。2、显色性指数最高为100。显色性指数的高低，就表示物体在待测光源下“变色”和“失真”的程度。例如，在日光下观察一副画，然后拿到高压汞灯下观察，就会发现，某些颜色已变了色，如：粉色变成了紫色，蓝色变成了蓝紫色。因此，在高压汞灯下，物体失去了真实颜色，如果在黄色光的低压钠灯底下来观察，则蓝色会变成黑色，颜色失真更厉害，显色指数更低。光源的显色性是由光源的光谱能量分布决定的。3、Ra值为100～75显色优良75～50显色一般50以下显色性差术语：光效率η指电光源发出的光通量和它用电功率之比，是评价电光源用电效率最主要的技术参数。光源单位用电功率发出的光通量越大、则电能转换为光能的效率越高，即光效越高。计算公式为：η＝Φv/EP注1：光效率用流明/瓦（Lm/W）表示。注2：用电功率等于电压乘以电流（V*I）。注3：每一消耗1W电力时输出的光通量愈多，就表示光源效率愈高，亦即愈省电。注4：LED的能耗较小，随着技术的进步，将成为一种新型的节能照明光源。目前白光LED的光效已经达到70lm/W，超过了普通白炽灯的水平，且有人按现在LED的技术发展速度预测，到2010年，白光LED的光效可以达到100lm/W，而到2015年，白光LED的光效有可能达到150～200lm/W，远远超过了现在所有照明光源的光效。此外，现在广泛使用的荧光灯、汞灯等光源中含有危害人体健康的汞，这些光源的生产过程和废弃的灯管都会造成对环境的污染。LED则没有这些问题，是一种“清洁”的环保光源。术语：光谱能量分布图每种光源都可以依其波长组成而在图上显示出其光谱能量的分布状况。注1：光源是一种复合光，其所含的每一种色光（波长）均含有一定的能量；注2：光谱：除了单色光，任何光经过棱镜就会产生折射分离，分成不动颜色（波长或光粒子的能级）的光。这种包含了不同颜色的光的构成就叫做光谱。分光辐射度计原理图光源经过左边的隙缝和透镜变成平行光束，投向棱镜的入射平面，当入射光通过棱镜时，由于折射，使不同波长的色光，以不同的角度弯折，从棱镜的入射平面射出。任何一种分解后的光谱色光在离开棱镜时，仍保持为一束平行光，再由右边的透镜聚光，通过隙缝射在光电接收器上转换为电能。如果右边的隙缝是可以移动的，就可以把光谱中任意一种谱色挑选出来，所以，在光电接收器上记录的是光谱中各种不同波长色光的辐射能。几种常用光源的光谱能量分布图日光光谱能量分布图真彩荧光灯光谱能量分布图三基色荧光灯光谱能量分布图白光LED光谱能量分布图第二部分：LED的基本光电特性电特性：正向电压VF通过发光二极管的为正向电流时，在两极间产生的电压降。注1：正向电压用伏特（V）表示；注2：正向电压大小与通过发光二极管的正向电流成正相关，因此，在实际测量时应先明确正向电流的大小。电特性：反向电流IR加在发光二极管两端的为反向电压时，流过发光二极管的电流大小。注1：反向电流一般使用微安（uA）表示；注2：反向电流大小与发光二极管的反向电压正相关，因此，在实际测量时应先明确反向电压的大小。光特性：光强与半强角度参见术语“光强”与“半强角度”。光特性：光通量与发光效率参见术语“光通量”及“发光效率”。光特性：光衰度LED在使用过程中，光强会随着时间的推移而逐渐衰减。基本原理：通过测量LED灯使用前后的光强大小，计算前后光强值的比率，计算公式为：W＝IV2/IV1式中：W表示光衰度IV1表示LED灯使用前的光强IV2表示LED灯使用后的光强具体可参见：《寿命测试规范》