光度学单位的基础LED

LED光度学的基础上海市照明学会章海骢光是辐射的一种形态,是有能量的---光能够做功,烧饭和烧水,转变成热能;---转变成电的例子,可储存和输送.光是电磁辐射,是电磁波的一种光一定要度量和一定可以度量的.能量---功率其中:与辐射挂钩:辐射能量----辐射功率与眼睛挂钩:光能量---光功率一定是视觉细胞在起作用.眼睛感觉到的光功率.视网膜上的视觉细胞:眼睛感觉到的光功率---要经过“过滤”“过滤系数”见右.一.光度学的单位度量光的强弱(大小)和方向的一门科学.基本单位:光通量--------发光体的发光强度-----发光体的亮度------发光体反射体----受照体照明后的反射光照度-----------受照体的四个单位的图示:1.光通量光通量:看得见的光辐射功率单位:瓦光通量的单位:流明(lm)眼睛视网膜上的视觉细胞明视觉:锥体细胞3cd/m2.暗视觉:杆体细胞0.003cd/m2.明视觉,中间视觉和暗视觉说明两种视觉细胞的光谱光视效率是不同的.分别是光谱光视效率V(λ)和V’(λ)曲线目前的光通量由V(λ)计算得到的可将两个图合并来认识光通量1W功率555nm的黄绿光发出的光通量是:683lm.说明:对人的眼睛555nm的黄绿光最敏感.其它颜色的光线的敏感度低于555nm的值.有V(λ)曲线.光源的光通计算相同的功率(W),不同的光源得到的光通量(Φ)是不同的:400W高压钠灯54000lm----138lm/w400W高压汞灯21600lm-----54lm/w400W金卤灯38000lm------95lm/w发光效率就能说明这个问题.发光效率(luminousefficiency):光源发出的光通量/光源的输入功率.发光效能(luminousefficacy):系统(光源+电器)发出的光通量/系统的输入功率.常见光源的光效:白炽灯10-12lm/w卤钨灯15-20lm/w荧光灯---卤磷酸钙粉50-70lm/w---三基色粉80—104lm/w高压汞灯54lm/w高压钠灯70-120lm/w金卤灯60-90lm/w陶瓷金卤灯85-100lm/wLED(白)(2011年）90-160lm/w任何一个光源的光通量的大小取决于:自身的功率;光谱组成;任何一个光源的效率的大小取决于:电转换成光的效率;光谱组成.LED的最高光效光源:发光效率和发光效能发光效率=光源光通量(lm)/光源耗损功率(W);发光效能=光源光通量(lm)/系统耗损功率(W),系统耗损功率=光源功率+配件功率灯具效率和灯具能效灯具效率=灯具光通量(lm)/光源光通量(lm);灯具能效=灯具光通量(lm)/系统耗损功率(W),系统耗损功率=光源功率+配件功率.对有待机功耗的灯具的效能计算:有待机功耗的灯具的能效计算:1)不计入待机功耗时的灯具能效:灯具能效=灯具光通量(lm)/系统耗损功率(W),灯具能效=213lm/8W=28lm/W;2)计入待机功耗时的灯具能效:计算24h内的灯具能效:灯具能效=24h内的光通量/24h内的功率:3h•213lm/(3h•8W+21h•0.5W)=18.5lm/W.2.发光强度一个电珠,光通量一样,但装于手电后效果不同了.还需要发光强度的概念.发光强度I的定义:单位立体角中的光通量.单位(cd):1cd(坎特拉)=1lm/1sr∴dΦ=I(θ)dω,Φ=∫I(θ)dω立体角ω:包围空间一点的空间角度:常用光强的介绍:探照灯:~106cd一般功率的投光灯:几万---几十万cd路灯(400W):~5000cd矿灯:1200cd烛光:1cd.LED(白光):XX-XXXmcd(毫cd)从光源光通量Φ球光源亮度L:对直线状光源,光通量Φ的荧光灯管:光通量Φ与灯管轴向光强Io的关系:Φ=∫I(θ)dω=∫∫Iosinθsinθdθdφ对直线状光源:Φ=π2Io举例:三基色32W灯管,Φ=3200lm,Io=324.6cd..3.亮度(发光体)和出光度(反光体)亮度概念的引入:亮度L的定义:单位投影面积上发出的光强L=I/S单位：cd/m2.读作每平方米坎特拉.亮度定义应用之一:两个发光体间的投影面积之比.亮度定义的应用之二:探照灯的出射光强I:I=ρ·L·SS:探照灯反射器的投影面积.亮度定义的应用之三:出光度M与亮度L表面反射的光通量构成了出光度.反射量的多少与反射率有关.出光度M:M=ρ•E出光度和亮度的计算(从照度算亮度)发光体的亮度举例:钨丝灯､HID灯:~106cd/m2.荧光灯:T12:3-4000cd/m2.T8卤粉:8000cd/m2.三基色粉:10000cd/m2.T5:16000cd/m2.CFL:40000cd/m2.人眼适应的最好亮度:100cd/m2.白云:8000cd/m2.道路:0.5-2.0cd/m2.三基色32W灯管,∵Φ=π2IoΦ=3200lm,Io=324.6cd.灯管长1.2m,直径26mm,平均灯管亮度LIo/1.2m•0.026m=10402cd/m2.我们周围环境中看到的发亮物体的亮度和人眼长期适应的亮度:4.照度E被照面上单位面积S上接受的光通量.E=Φ/S单位:勒克司(lx).即1lx=1lm/1m2.举例:夏天的太阳下:80000-100000lx满月下:2lx办公室:500lx车间一般照明:150-300lx体育场(国际):垂直1200lx居住小区最佳半柱面照度Esc:3~10lx有多种照度的定义:：衡量面观察方向应用场合水平面平面物体办公，教室，工厂，道路等垂直面对TV摄像机，对对方来人小区，TV转播运动场，小路半圆柱对对方来人，小区，小路，圆柱对四周看台上观众运动场照度的计算E=I/r2举例:10000cd的光强在10m远处的照度?E=10000/10X10=100lx.二.LED的发光特点及在光度学中的情况1.基本特点从光度学内容来说,LED并无不同.仅根据LED的发光特点,决定了有以下差异:1)LED的光通量仅射向2π空间;2)LED的光强很小,Φ5的仅mcd数量级;3)LED的亮度很高,达106cd/m2数量级;4)LED的发光情况与热管理有关。2.LED的光通量仅分布在2π空间(半空间)的问题1)LED的灯具做在芯片中去了2)与传统灯具的效率比较特别节能的几种灯具:(1)下射筒灯(2)线槽灯､橱柜灯(3)球泡灯3)光通量测量上的问题积分球测量法:应该使用的测量形式积分球测量光通原则:1.积分球内面积与被测物的面积2.使用标准光通量灯做校正,较正内容视测试方法而异:1)光通直接比对:需要发光形式相同配光近似的标准灯(积分法测量),用两者光通量和接收的信号之比值求得;2)从光通标准灯的光谱和光通量确定被测光谱的绝对分布后计算得到光通量(分光法测量).积分法测量用标准光源替代一次测量分光法测量---计算过程第一步:用标准光通灯定标;第二步:测量被测光源.积分球原理达到平衡后,光源光通Φ,积分球上照度E,积分球面积S和表面吸收系数α有下关系:Φ=(E0+E1+E2+E3…)•S•α即:Φ=E•4πr2•(1-ρ)E=Φ/4πr2•(1-ρ)在点光源时,Φ=4πI0.代入有:E=I0/r2(1-ρ)而第一次照度E0=I0/r2,最后的照度比第一次增大了:1/(1-ρ)倍.在ρ=0.9,1/(1-ρ)=10.ρ=0.98时,E=50E0.看LED在积分球内测量的问题1.内壁肮上下半球肮脏带来的问题2.灯具配光形式不同带来的问题积分球内脏的分析:设定半球反射率ρ1,另半球ρ2,最后的Φ有:Φ=(E0+E1+E2+E3…)[S•α1/2+S•α2/2]=E’S(2-ρ1-ρ2)/2E’=2Φ/S(2-ρ1-ρ2)=2•4π•Io/4πr2(2-ρ1-ρ2)=2Io/r2(2-ρ1-ρ2)与原来都是ρ1的相比:E’/E=2Io/r2(2-ρ1-ρ2)/I0/r2(1-ρ1)=2(1-ρ1)/(2-ρ1-ρ2)若ρ1=0.98,ρ2=0.95,E’/E=4/7=0.57;若ρ1=0.98,ρ2=0.90,E’/E=1/3=0.33.影响很大.准确测量需要的形式:考虑球内的不均匀性后:1)基准与被测配光､光谱相同2)基准与被测置于球侧.LED基准器的说明:•相同配光,•相同光谱,•光强最好在相似的数量级,•热稳定性好(Peltier效应,半导体致冷).半导体致冷(帕而贴效应)的说明3.LED的光强很小一般的LED光强仅几百mcd,或大功率的也仅几个cd.100mcd在0.5m测量也仅0.4lx.一般照度计述的范围:0.01-3X105lx.计量范围(受标准灯的限制):40-3000lx.需要在小数值和大数值之间的线性和准确度.注意!!例如上述照度计在1.5X10-1-3X105lx之间的不确定度Urel=1.4%(K=3).LED太小,所以CIE规定了测量光强的办法:测量标准条件:光度计有效接受面积:100mm2;直径11.283mm,近似11.3mm.原因:1)LED太小,配光变化多,必须规范;2)规定元件的比较条件,利于比较和表述;远场条件(CIE标准条件A):L=316mm,接受面对LED顶的张角0.001sr,相应平面角2º.测得的平均光强符号:ILEDA.近场条件(CIE标准条件B):L=100mm,接受面对LED顶的张角0.01sr,相应平面角6.5º.测得的平均光强符号:ILEDB.LED都装在透镜内.看光路:必须规定接受器的大小和它离接受器的距离.近场和远场的图示:聚光光束(光强大):A(远场)条件;散光光束(光强变小):B(近场)条件.4.LED的亮度很高请看CREE的数据：利用光通量Φ和光强分布求得I0的数值：Φ=∑I0•f(θ)•ΔωI0=Φ/∑f(θ)•2π(cosθi-cosθi+1)LED的芯片的面积S见下：S=1.7•1.7=2.9mm2.L=I0/2.9mm2∽106cd/m2.三.绝对光度法与相对光度法的比较1.绝对光度法2.相对光度法3.两者的差异往往绝对光度法测量的数据可能低:对光输出与环境温度敏感的光源特别明显.荧光灯管放入灯具内后的光通输出低于/高于样本上的标称光通值,谢谢!!