光学基础知识及LED基础知识

光学基础知识及LED基础知识光学基础知识及LED基本理论第一部分LED基本理论知识（一）LED发光原理发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图1所示。图1假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Ｅg有关，即λ≈1240/Eg（mm）式中Eg的单位为电子伏特（eV）。若能产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV之间。比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管，但其中蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍。（二）LED的特性1．极限参数的意义（1）允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED发热、损坏。（2）最大正向直流电流IFm：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。（3）最大反向电压VRm：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。（4）工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。2．电参数的意义（1）光谱分布和峰值波长：某一个发光二极管所发之光并非单一波长，其波长大体按图2所示。图2由图可见，该发光管所发之光中某一波长λ0的光强最大，该波长为峰值波长。（2）发光强度IV：发光二极管的发光强度通常是指法线（对圆柱形发光管是指其轴线）方向上的发光强度。若在该方向上辐射强度为（1/683）W/sr时，则发光1坎德拉（符号为cd）。由于一般LED的发光二强度小，所以发光强度常用坎德拉(mcd)作单位。（3）光谱半宽度Δλ:它表示发光管的光谱纯度.是指图3中1/2峰值光强所对应两波长之间隔.（4）半值角θ1/2和视角：θ1/2是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向（法向）的夹角。半值角的2倍为视角（或称半功率角）。图3给出的二只不同型号发光二极管发光强度角分布的情况。中垂线（法线）AO的坐标为相对发光强度（即发光强度与最大发光强度的之比）。显然，法线方向上的相对发光强度为1，离开法线方向的角度越大，相对发光强度越小。由此图可以得到半值角或视角值。（5）正向工作电流If：它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。在实际使用中应根据需要选择IF在0.6·IFm以下。（6）正向工作电压VF：参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。一般是在IF=20mA时测得的。发光二极管正向工作电压VF在1.4～3V。在外界温度升高时，VF将下降。（7）V-I特性：发光二极管的电压与电流的关系可用图4表示。在正向电压正小于某一值（叫阈值）时，电流极小，不发光。当电压超过某一值后，正向电流随电压迅速增加，发光。由V-I曲线可以得出发光管的正向电压，反向电流及反向电压等参数。正向的发光管反向漏电流IR三、照明相关的光学单位及术语：（一）光的基本单位1、光通量----光源发射并被人的眼睛接收的能量之和即为光通量。单位：流明（lm）,符号Φ,。一般情况下，同类型的灯的功率越高，光通量也越大。（说明发光体每秒种所发出的光量之总和，即光通量）2、光强----一般来讲，光线都是向不同方向发射的，并且强度各异。光源在某一特定方向角内发射的光通量就叫做光强。单位：坎德拉（cd）。（说明发光体在特定方向单位立体角内所发射的光通量）3、照度----单位被照面上接收到的光通量称为照度。如果每平方米被照面上接收到的光通量为1（lm），则照度为1(lx)。单位：勒克斯（lx）。1勒克斯（lx）相当于每平方米被照面上光通量为1流明（lm）时的照度。夏季阳光强烈的中午地面照度约5000lx，冬天晴天时地面照度约2021lx，晴朗的月夜地面照度约0.2lx。（说明发光体照射在被照物体单位面积上的光通量）4、亮度----亮度是表示眼睛从某一方向所看到物体反射光的强度。单位：坎德拉/平方米（cd/m2）。（说明发光体在特定方向单位立体角单位面积内的光通量）（二）术语1、绿色照明----通过科学的照明设计，采用效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明器产品，最终达到高效、舒适、安全、经济、有益于环境和改善人们身心健康并体现现代化文明的照明系统。2、节能灯----指消耗较少的电能而达到较高的光照效果的照明产品，如荧光灯、环型灯、直管型荧光灯、紧凑型荧光灯、LED灯等。3、光通维持率----灯在规定的条件下燃点，灯在寿命期间内一特定时间的光通量与该灯的初始光通量之比，以百分数来表示。国标要求：2021h不小于78%。国外先进水平：2021h不小于90%。美国能源之星：40%额定寿命时不小于80%。国内水平：注重质量的企业，并采用保护膜工艺，基本都能达到国标。4、功率因数----交流电路中电压有效值与电流有效值的乘积为视在功率，而有功功率只是其中的一部分。功率因数是灯管的有功功率与视在功率之比。功率因数低，则电流中的谐波含量越高，对电网产生污染，破坏电网的平衡度，无功损耗增加5、显色指数----衡量光源显现实照物体真实颜色能力的参数。显色指数（0-100）高的光源对颜色的再现越接近自然原色。显色指数低导致颜色失真。以下是常用灯种的显色指数：白炽灯：95管型荧光灯：65-80三基色稀土荧光灯：80左右高压钠灯：25-60金卤灯：70-906、显色性：光源对于物体颜色呈现的程度称为显色性，也就是颜色逼真的程度，是通过与同色温的参考或基准光源（太阳光）下物体外观颜色的比较。显色性高的光源对颜色的表现较好，我们所看到的颜色也就较接近自然原色，显色性低的光源对颜色的表现较差，我们所看到的颜色偏差也较大。显色分两种：1、忠实显色：能正确表现物质本来的颜色需使用显色指数(Ra)高的光源，其数值接近100，显色性最好。2、效果显色：要鲜明地强调特定色彩，表现美的生活可以利用加色法来加强显色效果。采用低色温光源照射，能使红色更鲜艳；采用中色温光源照射，使蓝色具有清凉感；采用高色温光源照射，使物体有冷的感觉。光所发射的光谱内容决定光源的光色，但同样光色可由许多，少数甚至仅仅两个单色光波混合而成，影响所及，对各个颜色的显色性亦大不相同。二相同光色的光源会有相异的光谱组成，光谱组成较广的光源较有可能提供较佳的显色品质。当光源光谱中很少或缺乏物体在基准光源下所反射的主波时，会使颜色产生明显的色差(colorshift)。色差程度愈大，光源对该色的显色性愈差。显色指数系数仍为目前定义光源显色性评价的普遍方法。为何会有显色性高低之情形发生？其关键在该光线之分光特性，可见光之波长在380nm至760nm之范围内，也就是我们在光谱中，见到的红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫的范围，如果光源所放射的光之中所含的各色光的比例和自然光相近，则我们眼睛所看到的颜色也较为逼真。再好的装璜、摆设、艺术品、衣服等也会因选择不对的光源而失色。显色指数（0-100）高的光源对颜高的光源对颜色的再现越接近自然原色。显色指数低导致颜色失真。以下是常用灯种的显色指数：灯的种类演色性Ra灯的种类显色性Ra白炽灯100金卤灯65-93卤坞灯100荧光灯51-95高压纳灯42-52高压汞灯25-60节能灯85低压钠灯25指数(Ra)等级显色性一般应用90-1001A优良需要色彩精确对比的场所80-891B需要色彩正确判断的场所60-792普通需要中等显色性的场所40-593对显色性的要求较低，色差较小的场所20-394较差对显色性无具体要求的场所7、光效----光源将电能转化为可见光的效率，即光源消耗每一瓦电能所发出的光，数值越高表示光源的效率越高。从经济（能效）方面考虑，光效是一个重要的参数。单位：流明/瓦（lm/w）。（说明电光源将电能转化为光的能力，以发出的光通量除以耗电量来表示）白炽灯：8-14lm/W单端荧光灯：55-80lm/W高压钠灯：80-140lm/W自镇流荧光灯：50-70lm/W金卤灯：60-90lm/W卤钨灯：15-20lm/W8、平均寿命----是指灯的光通维持率达到国家标准规定的要求并能继续燃点至50%的灯达到单只灯寿命时的累计时间（即50%的灯失效时的寿命）。（说明指一批灯泡至百分之五十的数量损坏时的小时数）9、光色----光色实际上就是色温。大致分为三类：暖色10、色容差:----线光谱较强的气体放电灯发出光的颜色都可视为红、绿、蓝三种单色光按一定比例混合而成。为了评价颜色光的色度差异，引入了色度坐标的表示法，即为CIE公布的色度图。11、经济寿命:----在同时考虑灯泡的损坏以及光束输出衰减的状况下，其综合光束输出减至一特定的小时数。单位小时。此比例用于室外的光源为百分之七十，用于室内的光源如日光灯则为百分之八十。（说明在同时考虑灯泡的损坏以及光束输出衰减的状况下，其综合光束输出减至一特定的小时数。此比例用于室外的光源为百分之七十，用于室内的光源如日光灯则为百分之八十。）12、色温：----当光源所发出的光的颜色与“黑体”在某一温度下辐射的颜色相同时，“黑体的温度就称为该光源的色温。“黑体”的温度越高，光谱中蓝色的成分则越多，而红色的成分则越少。例如：白炽灯的光色是暖白色，其色温为2700K左右，而日光色荧光灯的色温则是6400K左右。单位：开尔文（K）。白炽灯的色温一般在2700K左右、日光灯的色温在2700-6400K左右、钠灯的色温在2021K左右三、照明质量1、眩光：是由环境内亮度极高的物体或强烈的亮度引起的。眩光分为直射眩光和反射眩光。直射眩光是由光源发出的光线直接射到人眼所造成的。眩光引起视觉不舒适的原因有：①.高度的刺激使瞳孔缩小；②.由于角膜或晶体等眼内组织产生光散射，在眼内形成光幕；③.视幕受高亮度的刺激，使适应状态破坏。直射眩光的强弱与光源有关，以下情况眩光最显著：①.光源周围暗，眼睛适应越暗，眩光越显著。②.光源亮度越高，眩光越显著。③.光源越接近视线，眩光越显著。④.光源的表面积越大，光源数目越多，眩光越显著。一般亮度超过160000cd/㎡就有不舒适的眩光产生。避免方法：控制光源的光线投射方向，使光源不能直接射向人眼，这就要求灯具（或灯罩）具有一定的保护角。如图或表（Y最大取值85度）在观察区内要求亮度足够低，就可以通过改变灯具的反光杯或增加安装高度来解决。有的灯具用透明格栅式或半透明罩来遮住光源，由于发光面积增大而使每个发光的亮度降低，光线就变得柔和而不刺眼。2、照度分布与亮度分布的要求a、照度的均匀性工作面上的照度分布要求均匀，为使工作面照度处于比较均匀的状态，CIE要求做到:1、局部照明和一般照明共用时，工作面上一般照度值宜为总照度值的1/3-1/5，且不宜低于50LX,局部工作面的照度值最好不要大于平均值的25%。2、一般照明中的最小照度值与平均照度之比规定在0.7以上。b、照度的稳定性c、消除频闪效应3、光色光源色温不同，光色也不同，色温在3300K以下有稳重的气氛，温暖的感觉；色温在3000--5000K为中间色温，有爽快的感觉；色温在5000K以上有冷的感觉。不同光源的不同光色组成最佳环境，色温光色气氛效果5000K清凉(带蓝的白色)冷的气氛3300-5000K中间(白)爽快的气氛a.色温与亮度高色温光源照射下，如亮度不高则给人们有一种阴气的气氛；低色