半导体照明技术(第一章)

1、 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术参考书目：参考书目：1、谢秀颖.郭宏祥，电气照明技术第二版， 中国电力出版社，2007年11月2、王晓东，电气照明技术，机械工业出版社，2004年1月3、陈元灯.李元密，LED制造技术与应用，电子工业出版社，2007年7月4、刘木清.周小丽，照明自动控制技术，机械工业出版社，2007年8月 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术半导体照明概述半导体照明概述一、半导体照明一、半导体照明 半导体照明是指用全固态发光半导体照明是指用全固态发光器件（发光二极管，即器件（发光二极管，即LED，是由，是由半导体材料制成的

2、光电器件，可将半导体材料制成的光电器件，可将电能直接转换为光能）作为光源的电能直接转换为光能）作为光源的照明，具有高效、节能、环保、寿照明，具有高效、节能、环保、寿命长、易维护等显著特点，是近年命长、易维护等显著特点，是近年来全球最具发展前景的高新技术领来全球最具发展前景的高新技术领域之一，是人类照明史上继白炽灯、域之一，是人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一场照明光源的革荧光灯之后的又一场照明光源的革命。命。半导体照明 (LED) 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术二、二、LED（Light Emitting Diode ） LED，是一种固态的半导体器件，是一种固态的半导体器件,它

3、它可以直接把电转化为光。可以直接把电转化为光。 LED的心脏是一个半导体的晶片，的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，整个晶片晶片的一端附在一个支架上，整个晶片被环氧树脂封装起来。被环氧树脂封装起来。 半导体晶片由两部分组成，一部分半导体晶片由两部分组成，一部分是是P型半导体型半导体，空穴占主导地位，另一，空穴占主导地位，另一端是端是N型半导体型半导体，主要是电子。这两种，主要是电子。这两种半导体相连就形成一个半导体相连就形成一个“P-N结结”。 当电流通过导线作用于这个晶片的时当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向候，电子就会被推向P区，在区，在P区里电子区里电子跟

4、空穴复合，然后就会以光子的形式发跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是出能量，这就是LED发光的原理。发光的原理。LED构造图 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 三、三、LED产业链产业链 LED产业链产业链大致可分为五部分：原材料，大致可分为五部分：原材料，LED上游产业，上游产业，LED中游产业，中游产业，LED下游产业，测试仪器和生产设备。下游产业，测试仪器和生产设备。1、原材料、原材料 LED的原材料包括衬底材料砷化镓、氮化铝、的原材料包括衬底材料砷化镓、氮化铝、磷化镓、磷砷磷化镓、磷砷化镓、铟镓铝磷、铟镓氮化镓、铟镓铝磷、铟镓氮等。它们大部分是等。它们大部分是III

5、V族化合物半导族化合物半导体单晶，生产工艺比较成熟。原材料的纯度一般都要在体单晶，生产工艺比较成熟。原材料的纯度一般都要在6N以上。以上。（6N就是就是6个个NICE，99%9999） 2、LED上游产业上游产业 主要是指主要是指LED发光材料外延制造和芯片制造。由于外延工艺的发光材料外延制造和芯片制造。由于外延工艺的高度发展，器件的主要结构如发光层、限制层、缓冲层、反射层高度发展，器件的主要结构如发光层、限制层、缓冲层、反射层等均已在外延工序中完成，芯片制造主要是做正、负电极和完成等均已在外延工序中完成，芯片制造主要是做正、负电极和完成分割检测。分割检测。 半半 导导 体体 照照 明明 技技

6、 术术 3、LED中游产业中游产业4、LED下游产业下游产业 水立方景观照明 是指是指LED器件封装产业。根据用于现实、照明、通信等不同场器件封装产业。根据用于现实、照明、通信等不同场合，封装出不同颜色、不同形状的品种繁多的合，封装出不同颜色、不同形状的品种繁多的LED发光器件。发光器件。 是指应用是指应用LED作为显示或照明器件后形成的产业。主要的应用产作为显示或照明器件后形成的产业。主要的应用产业有业有LED显示屏、显示屏、LED交通信号灯、交通信号灯、LED航标灯、航标灯、 LED景观灯饰、液景观灯饰、液晶背光源、晶背光源、LED车灯、车灯、LED特殊照明等。特殊照明等。 半半 导导 体

7、体 照照 明明 技技 术术鸟巢景观照明 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术篔筜湖畔的LED照明 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术中山路商业街的LED照明 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术位于湖滨北路的中闽大厦 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 5、测试仪器和生产设备、测试仪器和生产设备 测试仪器主要有：外延材料方面的测试仪器主要有：外延材料方面的X射线双晶衍射仪、荧射线双晶衍射仪、荧光谱仪、卢瑟福背散射沟道谱仪等；芯片、器件测试仪器方光谱仪、卢瑟福背散射沟道谱仪等；芯片、器件测试仪器方面的面的 LED光电特性测试仪、光谱分析仪等。光电特性测试仪、光谱分析仪等。 生

8、产设备包括金属有机化合物化学气相淀积仪生产设备包括金属有机化合物化学气相淀积仪(Metal-organic Chemical Vapor DePosition ，缩写缩写MOCVD) 、液相外镀炉、光刻机、划片机、全自动固晶机、金丝球焊机、液相外镀炉、光刻机、划片机、全自动固晶机、金丝球焊机、硅铝丝超声压焊机、灌胶机、真空烘箱、芯片计数仪、芯片硅铝丝超声压焊机、灌胶机、真空烘箱、芯片计数仪、芯片检测仪、倒膜机、光色点全自动分选机等。检测仪、倒膜机、光色点全自动分选机等。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术MOCVD系统 目前国际上目前国际上MOCVD的价格在每台的价格在每台440万美元左

9、右，按人民币万美元左右，按人民币计算接近计算接近3000万元万元 。生产企业主要有：德国的。生产企业主要有：德国的Aixtron公司、公司、美国的美国的Emcore公司、英国的公司、英国的Thomas Swan公司等。公司等。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 厦门为中国七大厦门为中国七大LED产业基地之一，首批产业基地之一，首批4个半导体照明工程个半导体照明工程产业化基地之一（产业化基地之一（大连、上海、南昌和厦门大连、上海、南昌和厦门 ），已经成为中国），已经成为中国大陆地区光电产业快速发展的重要城

10、市大陆地区光电产业快速发展的重要城市 。 厦门生产厦门生产LED外延片、芯片的企业有四家，即厦门外延片、芯片的企业有四家，即厦门三安光电、三安光电、联厦光电、明达光电、乾照光电联厦光电、明达光电、乾照光电，芯片总产量约占祖国大陆自产，芯片总产量约占祖国大陆自产芯片的芯片的25%。封装企业有十几家，下游应用企业有。封装企业有十几家，下游应用企业有50多家，还有多家，还有与之配套的荧光粉、环氧树脂、塑料镜头、蓝宝石外延材料、各与之配套的荧光粉、环氧树脂、塑料镜头、蓝宝石外延材料、各种辅助材料和模具等生产厂，形成了较完整的产业链。种辅助材料和模具等生产厂，形成了较完整的产业链。 2014年厦门光电产

11、业实现总产值年厦门光电产业实现总产值1218亿元，占厦门工业总产亿元，占厦门工业总产值值20%左右，占全省光电总产值的一半以上，厦门已成为海西光左右，占全省光电总产值的一半以上，厦门已成为海西光电产业最大、最重要的集聚地和辐射地。目前，全市光电企业数电产业最大、最重要的集聚地和辐射地。目前，全市光电企业数量量300多家。其中光电高新技术企业多家。其中光电高新技术企业120家，实现产值家，实现产值657.6亿元，亿元，占光电产业总产值的占光电产业总产值的54%，成为推动我市光电产业转型升级的中，成为推动我市光电产业转型升级的中坚力量。坚力量。 四、厦门市四、厦门市LED产业简介产业简介 半半 导

12、导 体体 照照 明明 技技 术术 本章主要介绍光、视觉、颜色等与照明技术有关的基础知识。本章主要介绍光、视觉、颜色等与照明技术有关的基础知识。第一节第一节 光光照明技术的实质主要是光的控制与分配技术。照明技术的实质主要是光的控制与分配技术。 一、光的本质一、光的本质 1、 “什么是光，光的本质是什么？什么是光，光的本质是什么？”这个问题很早就引这个问题很早就引起了许多学者的关注，直到起了许多学者的关注，直到17世纪，基本上形成了两种学说：世纪，基本上形成了两种学说： 一种是荷兰物理学家一种是荷兰物理学家惠更斯惠更斯提出的提出的波动说，波动说，认为光是某认为光是某种振动，在弹性介质中以波的形式向

13、周围传播。种振动，在弹性介质中以波的形式向周围传播。 另一种另一种牛顿牛顿支持的支持的微粒说，微粒说，认为光是从光源发出的一种认为光是从光源发出的一种物质微粒，在均匀介质中以一定的速度传播。物质微粒，在均匀介质中以一定的速度传播。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 光的波动说与微粒说之争从十七世纪初开始，至二十世纪初光的波动说与微粒说之争从十七世纪初开始，至二十世纪初以光的波粒二象性告终，前后共经历了三百多年的时间。以光的波粒二象性告终，前后共经历了三百多年的时间。 历史上许多著名科学家都加入这一论战，包括牛顿、胡克、历史上许多著名科学家都加入这一论战，包括牛顿、胡克、惠更斯、托马斯杨

14、、菲涅耳等。直到惠更斯、托马斯杨、菲涅耳等。直到19051905年年3 3月，爱因斯坦在月，爱因斯坦在德国德国物理年报物理年报上发表了题为上发表了题为关于光的产生和转化的一个关于光的产生和转化的一个推测性观点推测性观点的论文的论文： 他认为他认为对于时间的平均值，光表现为波动性；对于时间的对于时间的平均值，光表现为波动性；对于时间的瞬间值，光表现为粒子性。瞬间值，光表现为粒子性。这是历史上第一次揭示光的这是历史上第一次揭示光的波动性波动性和和粒子性粒子性的统一，即波粒二象性。这一科学理论最终得到了学的统一，即波粒二象性。这一科学理论最终得到了学术界的广泛接受。术界的广泛接受。 1921年，年，

15、爱因斯坦因光电效应研究而获得奖爱因斯坦因光电效应研究而获得奖诺贝尔物理学诺贝尔物理学奖奖。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 2 2、光的波动性，是指光是一种电磁波。、光的波动性，是指光是一种电磁波。 电磁波包括微波、红外线、可见光、紫外线、电磁波包括微波、红外线、可见光、紫外线、X X射线、射线、Y Y射线、宇射线、宇宙射线等，如图宙射线等，如图1-11-1所示。电磁波能量的传播称为辐射，辐射在通过所示。电磁波能量的传播称为辐射，辐射在通过物质时一般不改变频率，速度则随物质而改变。在真空中，光速是一物质时一般不改变频率，速度则随物质而改变。在真空中，光速是一常数常数c=2.9979c

16、=2.9979108m/s，光的速度、频率与波长之间的关系为：，光的速度、频率与波长之间的关系为： c=图1-1 电磁波谱和可见光谱 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 在电磁波谱中，波长为在电磁波谱中，波长为380780nm(1nm380780nm(1nm1010-9-9m)m)的电磁波，作的电磁波，作用于人眼能产生视觉，这部分电磁波叫用于人眼能产生视觉，这部分电磁波叫可见光可见光。可见光只占电磁。可见光只占电磁波谱极小的一部分。波谱极小的一部分。 单色光单色光:由单一波长组成的光。由单一波长组成的光。 可见光按波长依次排列可以得到可见光谱。可见光按波长依次排列可以得到可见光谱。不同波

17、长的可见光，不同波长的可见光，在视觉上会形成不同的颜色。在视觉上会形成不同的颜色。 通常将可见光分为：通常将可见光分为： 红红(780630nm)(780630nm)、橙、橙(630600nm)(630600nm)、黄、黄(600570nm)(600570nm)、 绿绿(570490nm)(570490nm)、青、青(490450nm)(490450nm)、蓝、蓝(450430nm)(450430nm)和和 紫紫(430380nm)(430380nm)等七种单色光。等七种单色光。 将可见光按波长从将可见光按波长从380780nm380780nm依次展开，光将分别呈现紫、蓝、依次展开，光将分别呈

18、现紫、蓝、青、绿、黄、橙、红色。青、绿、黄、橙、红色。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术3、光的微粒性是指光束是微粒流、光的微粒性是指光束是微粒流。 微粒的运动速度就是光速微粒的运动速度就是光速,这些粒子就是光子。不同波长的光这些粒子就是光子。不同波长的光,具有不同的能量，即由不同能量的光子组成。光子具有的能量具有不同的能量，即由不同能量的光子组成。光子具有的能量E正正比于光的频率：比于光的频率： E=hh=6.6210-34J.S，为普朗克常数。为普朗克常数。 光子所具有的能量光子所具有的能量h h是频率为是频率为的光所具有的能量的最小的光所具有的能量的最小单位，不能再分割了，故光子

19、又称光量子。在光和其他物质相单位，不能再分割了，故光子又称光量子。在光和其他物质相互作用是，能量的交换是以互作用是，能量的交换是以h h的形式一份一份地进行的，即的形式一份一份地进行的，即能量是不连续的。能量是不连续的。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术二、光的产生和传播二、光的产生和传播1、光的产生、光的产生通常，光按两种方式产生，即热辐射和发光。通常，光按两种方式产生，即热辐射和发光。（1）热辐射）热辐射 热辐射是指物质在高温下辐射出热能。当物体被加热到高温热辐射是指物质在高温下辐射出热能。当物体被加热到高温时，组成它的原子或分子将产生热运动，并互相碰撞使电子获得时，组成它的原子或

20、分子将产生热运动，并互相碰撞使电子获得能量而被激发，从而产生辐射。能量而被激发，从而产生辐射。 黑体辐射是热辐射的一种黑体辐射是热辐射的一种。黑体又称为完全辐射体其黑体又称为完全辐射体其特点是入射到黑体上的光辐射将完全被吸收，而没有反射特点是入射到黑体上的光辐射将完全被吸收，而没有反射和透射，即它的反射比和透射比为和透射，即它的反射比和透射比为0，吸收比为，吸收比为1。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术著名的普朗克定律所描述的就是不同温度下的黑体的光谱辐射著名的普朗克定律所描述的就是不同温度下的黑体的光谱辐射功率与波长的函数关系，普朗克的黑体辐射公式是：功率与波长的函数关系，普朗克的黑

21、体辐射公式是：其中其中为辐射波长；为辐射波长；T为黑体的绝为黑体的绝对温度，对温度，h为普朗克常量，为普朗克常量， c为真为真空中的光速，空中的光速，k=1.381023为玻为玻尔兹曼常量。尔兹曼常量。) 1(2)(/52kThcehcE（W/m3）图1-2 不同温度黑体辐射的能量分布 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术（2）发光）发光 发光就是其他任何种类能量变换成光能的过程，通常通过发光就是其他任何种类能量变换成光能的过程，通常通过激发激发过程来完成。过程来完成。 激发是一个能量转移过程。一个系统得到激发，得到到能量由激发是一个能量转移过程。一个系统得到激发，得到到能量由低能态低能态

22、E1跃迁到高能态跃迁到高能态E2，当它由高能态回到低能态时，根据能，当它由高能态回到低能态时，根据能量守恒定律，多余的能量就可能以光的形式释放出来，这就是激量守恒定律，多余的能量就可能以光的形式释放出来，这就是激发发光。发光波长的长短取决于能量差发发光。发光波长的长短取决于能量差E=E2-E1, E正是发射正是发射的光子所具有的能量。的光子所具有的能量。/hchE按激发的方式不同，可把发光分为以下几种：按激发的方式不同，可把发光分为以下几种： 1）生物发光：）生物发光：萤火虫、发光细菌等的生物发光。萤火虫、发光细菌等的生物发光。 2）化学反应：）化学反应：由化学反应直接引起的发光。物质的燃烧属

23、于化由化学反应直接引起的发光。物质的燃烧属于化学反应。学反应。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 3）光致发光：）光致发光：由光、紫外线、由光、紫外线、X射线等激发而引起的发光。射线等激发而引起的发光。如荧光灯是由汞蒸气产生的紫外线激发荧光粉而发光的。如荧光灯是由汞蒸气产生的紫外线激发荧光粉而发光的。 4）阴极射线发光：）阴极射线发光：由电子束激发荧光物质发光：由电子束激发荧光物质发光： 如电视机的显像管。如电视机的显像管。 5）电致发光：）电致发光：直接由电能转变为光能。直接由电能转变为光能。 a、气体或伴随气体放电而发光：、气体或伴随气体放电而发光： 如霓虹灯和各种放电灯。如霓虹灯

24、和各种放电灯。 b、加交流或直流电场于硫化锌等粉末材料而发光：、加交流或直流电场于硫化锌等粉末材料而发光：如场致发光板。如场致发光板。 c、在磷化镓、磷砷化镓、铟镓铝磷、铟镓氮等一类半导、在磷化镓、磷砷化镓、铟镓铝磷、铟镓氮等一类半导体体PN结处注入载流子时的发光：结处注入载流子时的发光： 如通常的发光二极管。如通常的发光二极管。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术2、光的传播光的传播（1 1）光的反射）光的反射 光从一种介质传播到另一种介质时，有一部分或全部从分界面光从一种介质传播到另一种介质时，有一部分或全部从分界面射回原来的介质，这种现象叫做光的反射。射回原来的介质，这种现象叫做光

25、的反射。 在光的反射中，光的传播方向和能量可能发生变化，但光的频在光的反射中，光的传播方向和能量可能发生变化，但光的频率是不会改变的。率是不会改变的。（2）光的折射。）光的折射。 光从一种介质射入另一种介质时，光从一种介质射入另一种介质时，若光的入射方向不是垂直于上述两种若光的入射方向不是垂直于上述两种介质分界面，则在分界面将有一部分介质分界面，则在分界面将有一部分光被反射回原来的介质，另一部分将光被反射回原来的介质，另一部分将射人另一种介质中，但传播方向改变射人另一种介质中，但传播方向改变了，这种现象称为光的折射。了，这种现象称为光的折射。图1-3 光的发射和折射 半半 导导 体体 照照 明

26、明 技技 术术 光在其介质中传播速度较高光在其介质中传播速度较高( (折射率小折射率小) )的媒质被称为的媒质被称为光疏媒光疏媒质质，而传播速度较低，而传播速度较低( (折射率大折射率大) )的称为的称为光密媒质光密媒质。 当光从光疏媒质射入光密当光从光疏媒质射入光密媒质媒质时时( (n n1 1n n2 2) )，折射角，折射角2 2将小于入将小于入射角射角1 1, ,反之，则折射角反之，则折射角2 2 将大于入射角将大于入射角1 1。同时，入射角发。同时，入射角发生变化时，折射角随之发生变化，但两角之间的关系符合折射定生变化时，折射角随之发生变化，但两角之间的关系符合折射定律：律：2211

27、sinsinnn折射定律也叫斯涅耳折射定律也叫斯涅耳（snall）定律。）定律。图1-4 光的折射；(a)n1n2，(b)n1n2 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术（3）光的全反射）光的全反射 光由光密媒质（折射率大）入射到光疏媒质（折射率小）的光由光密媒质（折射率大）入射到光疏媒质（折射率小）的界面时，全部被反射回原媒质内的现象称为界面时，全部被反射回原媒质内的现象称为全反射全反射。全反射的临。全反射的临界角为：界角为：)/arcsin(21nn应用：应用：光纤通信等。高锟，光纤通信等。高锟， “光纤之父光纤之父”，2009年获诺贝尔年获诺贝尔物理学奖物理学奖图1-5 光的全反射 半

28、半 导导 体体 照照 明明 技技 术术（4）光的透射。）光的透射。 光从一种介质射入另一种介质，并从这种介质穿透出来的光从一种介质射入另一种介质，并从这种介质穿透出来的现象叫光的透射。现象叫光的透射。 图1-6 光的透射（5）光的吸收和散射）光的吸收和散射 光在介质中传播时其强度将越来越光在介质中传播时其强度将越来越弱，弱，在这个过程中有一部分光的能量在这个过程中有一部分光的能量转变为其它形式的能量转变为其它形式的能量(例如热能例如热能)。这。这就是介质对光的吸收。就是介质对光的吸收。 光在不均匀媒质中传播会产生散射光在不均匀媒质中传播会产生散射，这是由于无数杂乱无章的界面对光进这是由于无数杂

29、乱无章的界面对光进行多次的反射和折射引起的。行多次的反射和折射引起的。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术（6）光的漫反射和漫透射）光的漫反射和漫透射 当光线遇到某种表面，当光线遇到某种表面，该表面的不平整度与光的波长差不该表面的不平整度与光的波长差不多或大于光的波长时，多或大于光的波长时，就不再存在单一的反射或折射光线，就不再存在单一的反射或折射光线，而向光的散射一样，光线在入射点上向四面八方散开。这种而向光的散射一样，光线在入射点上向四面八方散开。这种光回到入射光所在媒质的现象称为漫反射，而透射入第二种光回到入射光所在媒质的现象称为漫反射，而透射入第二种媒质的现象称为漫透射。媒质的现

30、象称为漫透射。图1-7 光的漫反射图1-8 光的漫透射 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术（7）光的偏振）光的偏振 振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，它是横波区别于振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，它是横波区别于其他纵波的一个最明显的标志。光波电矢量振动的空间分布对于其他纵波的一个最明显的标志。光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的现象叫做光的偏振。光的传播方向失去对称性的现象叫做光的偏振。 （8）光的干涉和衍射）光的干涉和衍射 1）光的干涉：）光的干涉：满足一定条件的两列相干光相遇叠加，在叠加满足一定条件的两列相干光相遇叠加，在叠加区域内光强按空间周期性变化的

31、现象称为干涉。区域内光强按空间周期性变化的现象称为干涉。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术等厚干涉等倾干涉牛顿环图1-9 各种干涉条纹杨氏干涉 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术2)光的衍射光的衍射光在传播路径中，遇到不透明或透明的障碍物，绕过障光在传播路径中，遇到不透明或透明的障碍物，绕过障碍物，产生偏离直线传播的现象称为光的衍射。碍物，产生偏离直线传播的现象称为光的衍射。 只有当小孔、只有当小孔、单缝或小屏的尺寸小于波长或和波长差不多时，才能观察到单缝或小屏的尺寸小于波长或和波长差不多时，才能观察到明显的衍射现象明显的衍射现象图1-10 光的衍射条纹 半半 导导 体体 照照

32、明明 技技 术术作业：作业：1、光的本质是什么？可见光的波长范围是多少？、光的本质是什么？可见光的波长范围是多少？2 、光的产生有哪几种方式及其原理？、光的产生有哪几种方式及其原理？3 、试述光的全反射的条件及原理，临界角的表达式。、试述光的全反射的条件及原理，临界角的表达式。光入射到折射率为光入射到折射率为n1=1.33的玻璃和折射率为的玻璃和折射率为n2=1的空的空气的界面时，产生全反射的临界角气的界面时，产生全反射的临界角为多少度？为多少度？ 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术二、光度学及其测量二、光度学及其测量照明光源和灯具的主要性能指标是光学参数。照明光源和灯具的主要性能指标是

33、光学参数。1、能量的辐射分布、能量的辐射分布 光源的总辐射能量是各种波长能量的总和，波长不同，能量也不光源的总辐射能量是各种波长能量的总和，波长不同，能量也不同。我们称发光器件的辐射能量随波长而变化的情况为发光器件辐同。我们称发光器件的辐射能量随波长而变化的情况为发光器件辐射能量的光谱分布，以射能量的光谱分布，以PA表示。发光器件在表示。发光器件在1 1- -2 2波长范围内的辐波长范围内的辐射功率可表示为：射功率可表示为：2121dPPA0)(dPP如果是全部波长范围内的辐射功率，则为：如果是全部波长范围内的辐射功率，则为：P 是一个相对的分布函数。光谱分布的两个主要参数是它的峰是一个相对的

34、分布函数。光谱分布的两个主要参数是它的峰值波长和带宽。值波长和带宽。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 2、辐射度量及单位、辐射度量及单位（1）辐射能）辐射能U 度量辐射能的物理量成为辐射度，单位是：焦耳（度量辐射能的物理量成为辐射度，单位是：焦耳（J）。辐射）。辐射能是一种传播着电磁波的能量。能是一种传播着电磁波的能量。（2）辐射通量或辐射功率）辐射通量或辐射功率P 单位时间内流过面积元单位时间内流过面积元d的能量，称为流过的辐射通量，单的能量，称为流过的辐射通量，单位是：瓦（位是：瓦（W W）。）。 dtdQeP 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术ddpJ （3）辐射强度）辐

35、射强度J 单位时间在单位立体角内所辐射的能量，单位为：单位时间在单位立体角内所辐射的能量，单位为：W/sr。对于点辐射源，在整个空间的辐射通量对于点辐射源，在整个空间的辐射通量P为：为：20sinodJdJdPJP4如果辐射通量在空间分布均匀，即如果辐射通量在空间分布均匀，即J 不随不随和和而改变，则：而改变，则： 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术（4）面辐射度）面辐射度M 对于实际的辐射体，由于占有一定的面积，常用面辐射度来度对于实际的辐射体，由于占有一定的面积，常用面辐射度来度量物体的辐射能力，定义为单位面积所辐射的通量，单位为量物体的辐射能力，定义为单位面积所辐射的通量，单位为W

36、/m2。ddPM 注：立体角注：立体角 其定义为任意一个封闭的圆锥面所围的其定义为任意一个封闭的圆锥面所围的空间。空间。立体角是以锥的顶点为球心，半径为立体角是以锥的顶点为球心，半径为r r的球面被锥面所截得的面积来度量的。当的球面被锥面所截得的面积来度量的。当锥面在球面上截得的面积为锥面在球面上截得的面积为dAdA时，则该立体时，则该立体角即为一个单位立体角角即为一个单位立体角d d, , 表达式为：表达式为：立体角由上式可知，闭合球面的立体角都是由上式可知，闭合球面的立体角都是4。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术（5）辐射照度）辐射照度H落在单位面积上辐射通量的数值，单位为：落在

37、单位面积上辐射通量的数值，单位为：W/m2。（6）辐射亮度）辐射亮度R给定方向上单位有效面积在单位立体角内的辐射通量值，单位给定方向上单位有效面积在单位立体角内的辐射通量值，单位为为W/m2.srddPH dddPRcosR的数值与辐射面的性质有关，并且随给定方向而改变。的数值与辐射面的性质有关，并且随给定方向而改变。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术2、朗伯定律、朗伯定律 对于某些面辐射源或理想的漫射面，辐射亮度对于某些面辐射源或理想的漫射面，辐射亮度R不随给定方不随给定方向向变化，就称这些面辐射源是遵守朗伯定律的辐射源。这种源变化，就称这些面辐射源是遵守朗伯定律的辐射源。这种源又称

38、为余弦辐射体或朗伯光源，对于这些表面，所有方向亮度又称为余弦辐射体或朗伯光源，对于这些表面，所有方向亮度都相等，而且元表面都相等，而且元表面d 的辐射强度的辐射强度dJ 与表面法线和给定方向与表面法线和给定方向间夹角间夹角的余弦成正比，即的余弦成正比，即cosdRdJ cos0JJ 也可以写成也可以写成式中，式中，J0是垂直方向的辐射强度；是垂直方向的辐射强度；J 是与是与J0成成角方向的辐射角方向的辐射强度。强度。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 光是能量的一种存在形式，光对物质的作用是与光能量的转化光是能量的一种存在形式，光对物质的作用是与光能量的转化相关的。在照明技术中，由于光

39、作用于人的眼睛所产生的视觉强度，相关的。在照明技术中，由于光作用于人的眼睛所产生的视觉强度，不仅与光能量的大小有关，还与光的波长有关，所以在照明技术中，不仅与光能量的大小有关，还与光的波长有关，所以在照明技术中，为了更好地研究光在照明工程中的应用，通常采用的是以视觉效果为了更好地研究光在照明工程中的应用，通常采用的是以视觉效果来评价光辐射的量来评价光辐射的量光度量。在照明工程中，常用的光度量有光光度量。在照明工程中，常用的光度量有光通量、发光强度、照度和亮度等。通量、发光强度、照度和亮度等。3、光度量、光度量（1）光能）光能Q 光能是指辐射能落于人眼而引起视觉的这部分能量的大小，光能是指辐射能

40、落于人眼而引起视觉的这部分能量的大小，单位是单位是lms。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术光通量是说明光源发光能力的基本量。光通量是说明光源发光能力的基本量。具有均匀光强度具有均匀光强度1cd的点光源在单位立体角的点光源在单位立体角1sr(球面度球面度)内发出的光通量为内发出的光通量为1lm物理意义。物理意义。 （2 2）光通量）光通量F F 光通量是根据人眼对光的感觉来评价光源在单位时间内光辐射光通量是根据人眼对光的感觉来评价光源在单位时间内光辐射能量的大小，单位是流明，符号能量的大小，单位是流明，符号lm。当辐射体发出的辐射通量当辐射体发出的辐射通量按按V()曲线的效率被人眼所接

41、受时，其表达式为曲线的效率被人眼所接受时，其表达式为:00680dPVdPVKFm 40W白炽灯光通量为白炽灯光通量为350Lm，36W荧光灯光通量为荧光灯光通量为2500Lm 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术（3 3）发光强度）发光强度( (光强光强) )I I一个光源在单位立体角一个光源在单位立体角d d内所发出的光通量称为该光源的光强内所发出的光通量称为该光源的光强，单位是坎德拉，符号：单位是坎德拉，符号：cd。若光源发射的光通量比较均匀时各个方向的光强相等，其若光源发射的光通量比较均匀时各个方向的光强相等，其值为值为发光强度是用来描述光源发出的光通量在空间给定方向上的分布发光强

42、度是用来描述光源发出的光通量在空间给定方向上的分布情况的，情况的，1 1单位立体角内发出单位立体角内发出1 1流明的光称为流明的光称为1 1坎德拉。坎德拉。ddFI FI 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术（4）面发光度）面发光度L对于一定面积的发光体来说，在单位面积上所发出的光对于一定面积的发光体来说，在单位面积上所发出的光通量被称为面发光度。通量被称为面发光度。ddFL 即面积为即面积为1m2的均匀发光面发出的均匀发光面发出1流明的光通量，它与流明的光通量，它与方向无关。方向无关。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 4 4亮度亮度B B 亮度是描述发光面或反光面上光的明亮程度

43、的光度量。并且亮度是描述发光面或反光面上光的明亮程度的光度量。并且, ,亮度考虑了光的辐射方向，所以它是表征发光面在不同方向上的亮度考虑了光的辐射方向，所以它是表征发光面在不同方向上的光学特性的物理量。光学特性的物理量。发光体的表面发光体的表面d在与其法线成在与其法线成角的方角的方向上的亮度向上的亮度B为：为：dddFBcos亮度的单位是亮度的单位是尼特尼特 (nt)(nt)，1 1尼特尼特(nt)=1(nt)=1坎德拉平方米坎德拉平方米(cd(cdm m2 2) )。即即1m1m2 2发光面沿其法线方间发出发光面沿其法线方间发出1cd1cd光强时，该发光面在其法线方光强时，该发光面在其法线方

44、向上呈现的亮度为向上呈现的亮度为1nt1nt。注意：注意：一般当亮度超过一般当亮度超过1.61.610105 5cdcdm m2 2时，人眼就感到难以忍受时，人眼就感到难以忍受了。了。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术照度是描述被照面被照射的程度的光度量。照度的单位是勒克照度是描述被照面被照射的程度的光度量。照度的单位是勒克斯斯(lx)(lx)。1lx1lx表示在表示在1m1m2 2面积上均匀分布面积上均匀分布1lm1lm光通量的照度值，光通量的照度值，即即1lx1lx1lm/m1lm/m2 2。（6）照度）照度E照度表示被照明物体的单位面积所

45、接受的总光通量，即照度表示被照明物体的单位面积所接受的总光通量，即ddFE 一般情况下，一般情况下，1lx1lx的照度仅能辨别物体的轮廓；照度为的照度仅能辨别物体的轮廓；照度为5-10lx5-10lx时，看一般书籍比较困难；短时阅读的照度不应低于时，看一般书籍比较困难；短时阅读的照度不应低于50lx50lx。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术常见照度（勒克斯）：常见照度（勒克斯）：阳光直射阳光直射( (正午正午) )下下: 110000: 110000阴天室外阴天室外: 1000: 1000商场内商场内: 500: 500阴天有窗室内阴天有窗室内: 100: 100普通房间灯光下普通房

46、间灯光下: 100: 100满月照射下满月照射下: 0.2: 0.2照度计 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术各光度量之间的关系图 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术4 4、光度学参数的测量、光度学参数的测量cos20rI 光度学参数包括法向光强、光强分布、半值角、总光通量、亮光度学参数包括法向光强、光强分布、半值角、总光通量、亮度、面发光度和照度等度、面发光度和照度等（1 1）法向光强）法向光强I I v v 光强光强I I的测定非常重要，如总光通量、亮度等都可以从的测定非常重要，如总光通量、亮度等都可以从I I导出。导出。有了标准光源和校正好视见度的接收器即可进行法向光强的测定

47、。有了标准光源和校正好视见度的接收器即可进行法向光强的测定。强度为强度为I I的标准光源在接收器上产生的照度的标准光源在接收器上产生的照度为：为：接收器处于光源正前方，接收器处于光源正前方，=0，故：，故：20rI 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术如此定标后，将待测光源置于同样距离的位置，可测出该光如此定标后，将待测光源置于同样距离的位置，可测出该光源的法向光强。源的法向光强。（2）总光通量F 光源的总光通量是描述光源总的光输出的重要参数。测量总光通量的常用方法是积分球法。积分球 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术积分球是由两个半球体组成的一个空心球体，球体上开有出积分球是由两个

48、半球体组成的一个空心球体，球体上开有出射窗口，此处安装视见度校正过的接收器。球的内表面涂有射窗口，此处安装视见度校正过的接收器。球的内表面涂有白色的氧化镁或硫酸钡涂料，使其反射符合朗伯定律的漫反白色的氧化镁或硫酸钡涂料，使其反射符合朗伯定律的漫反射，以使在积分球的内表面各处产生均匀的照度。待测光源射，以使在积分球的内表面各处产生均匀的照度。待测光源置于球中，并以一屏挡住光源向出射窗口的直射光。接收器置于球中，并以一屏挡住光源向出射窗口的直射光。接收器上的照度正比于光源的总光通量上的照度正比于光源的总光通量F F。实际测定时只要将标准光。实际测定时只要将标准光源标定仪器，然后将标准光源换成待测光

49、源即可测出。源标定仪器，然后将标准光源换成待测光源即可测出。（3 3）发光强度的角分布）发光强度的角分布发光强度的角分布发光强度的角分布I I是描述器件在空间各个方向上的发光强是描述器件在空间各个方向上的发光强度分布。度分布。I I主要取决于光源封装形式、封装透镜的几何参数。主要取决于光源封装形式、封装透镜的几何参数。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术（4）亮度测量）亮度测量用测得的光强除以在给定方向上表面的投影面积就可用测得的光强除以在给定方向上表面的投影面积就可以得到亮度。以得到亮度。（5）照度测量）照度测量照度可以用照度计测量。照度计通常由进行过视见度曲照度可以用照度计测量。照度

50、计通常由进行过视见度曲线校正的硅光电池和数字式电表组成。线校正的硅光电池和数字式电表组成。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术第二节第二节 视视 觉觉 视觉是指光射入眼睛后产生的一种知觉，即视觉依赖于光。视觉是指光射入眼睛后产生的一种知觉，即视觉依赖于光。 视觉的功用：视觉的功用：人们通过视觉可以察觉某些物体的存在，鉴别并人们通过视觉可以察觉某些物体的存在，鉴别并确定它在空间中的位置，阐明它与其它事物的关系，辨认它的运确定它在空间中的位置，阐明它与其它事物的关系，辨认它的运动、颜色、明亮程度或形状等等。动、颜色、明亮程度或形状等等。一、眼睛一、眼睛眼睛 人眼的工作状态很像一架人眼的工作状

51、态很像一架简单的照相机，把倒立的实像简单的照相机，把倒立的实像投射到视网膜上，它的焦距由投射到视网膜上，它的焦距由晶状体控制。透镜的孔径即瞳晶状体控制。透镜的孔径即瞳孔的大小由虹膜控制，在低照孔的大小由虹膜控制，在低照度下瞳孔变大，而在高照度下度下瞳孔变大，而在高照度下瞳孔孔径缩小。瞳孔孔径缩小。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术近视的原因：近视的原因：近视眼是由于晶状体变厚，焦距变短，使成像近视眼是由于晶状体变厚，焦距变短，使成像落在视网膜之前，因此看物体模糊。矫正近视眼采用落在视网膜之前，因此看物体模糊。矫正近视眼采用凹透镜。凹透镜。远视则刚好相反远视则刚好相反。二、视网膜二、视网

52、膜 视网膜是视觉的光学过程和电生理过程的接口，是人眼感视网膜是视觉的光学过程和电生理过程的接口，是人眼感受光的部分受光的部分。其边缘部位主要分布着杆状细胞，中央部位主要。其边缘部位主要分布着杆状细胞，中央部位主要分布着锥状细胞。当光落在视网膜上时，视细胞吸收了光能，分布着锥状细胞。当光落在视网膜上时，视细胞吸收了光能，使视细胞中含有的视紫质分解、并刺激神经末梢，形成生物脉使视细胞中含有的视紫质分解、并刺激神经末梢，形成生物脉冲冲(生物电流生物电流)，通过视神经把信息传导到大脑后部的视觉皮层，通过视神经把信息传导到大脑后部的视觉皮层，经大脑综合处理而形成视知觉。经大脑综合处理而形成视知觉。 半半

53、 导导 体体 照照 明明 技技 术术三、视觉过程三、视觉过程光线光线角膜角膜瞳孔瞳孔晶状体（折射光线）晶状体（折射光线）玻璃体（固玻璃体（固定眼球）定眼球）视网膜（形成物像）视网膜（形成物像）视神经（传导视觉信视神经（传导视觉信息）息）大脑视觉中枢（形成视觉）大脑视觉中枢（形成视觉） 产生视觉的首要条件就是要有光的存在，并射入眼睛中。产生视觉的首要条件就是要有光的存在，并射入眼睛中。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术四、视觉特性四、视觉特性 由于视网膜上的锥状细胞和杆状细胞对光的感受性不同，因而由于视网膜上的锥状细胞和杆状细胞对光的感受性不同，因而当视野当视野( (是指当头和眼睛不动时

54、眼睛所能观察到的空间是指当头和眼睛不动时眼睛所能观察到的空间) )亮度发生亮度发生变化时，人眼就会产个不同的视觉特性。变化时，人眼就会产个不同的视觉特性。（一）人眼的光谱灵（一）人眼的光谱灵敏度敏度人眼在可见光范围内人眼在可见光范围内的视觉灵敏度是不均的视觉灵敏度是不均匀的，它随波长而变匀的，它随波长而变化。另外，人眼的光化。另外，人眼的光谱灵敏度，随环境亮谱灵敏度，随环境亮度的改变而变化。度的改变而变化。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 （二）明视觉、暗视觉和中间视觉（二）明视觉、暗视觉和中间视觉1 1、明视觉。、明视觉。 视场亮度视场亮度超过超过10cd/m10cd/m2 2时锥

55、状细胞的工作起着主要作用，时锥状细胞的工作起着主要作用，这种视觉状态称为明视觉这种视觉状态称为明视觉( (或称锥状视觉或称锥状视觉) )。 锥状细胞的最大的视觉灵敏度在锥状细胞的最大的视觉灵敏度在555nm555nm处。所以，明视觉锥处。所以，明视觉锥状细胞工作时，波长较长的光谱如状细胞工作时，波长较长的光谱如红色光显得特别明亮红色光显得特别明亮。特征：特征：锥状细胞具有较高的视觉灵敏度，能分辨物体的细节，锥状细胞具有较高的视觉灵敏度，能分辨物体的细节，且在感受波长范围为且在感受波长范围为380-780nm380-780nm的光刺激时，对各种色光感的光刺激时，对各种色光感觉不同。因此，在明视觉

56、状态下，正常人的眼睛都能有良好觉不同。因此，在明视觉状态下，正常人的眼睛都能有良好的颜色感觉。的颜色感觉。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 2 2、暗视觉。、暗视觉。 在微弱的照度在微弱的照度( (视场亮度在视场亮度在1010-6-6-10-10-2-2cd/mcd/m2 2) )下，只有杆状细胞下，只有杆状细胞工作，锥状细胞不工作的视觉状态称为暗视觉工作，锥状细胞不工作的视觉状态称为暗视觉( (或称杆状视觉或称杆状视觉) )。 杆状细胞的最大的视觉灵敏度在杆状细胞的最大的视觉灵敏度在507nm处。所以，暗视处。所以，暗视觉杆状细胞工作时，绿光和蓝光显得特别明亮。觉杆状细胞工作时，绿

57、光和蓝光显得特别明亮。特征：特征：对物体细节的分辨能力很差，且对颜色也无法分辨。因对物体细节的分辨能力很差，且对颜色也无法分辨。因此，暗视觉条件下，只有当目标足够大，才能被看到；并且世此，暗视觉条件下，只有当目标足够大，才能被看到；并且世界是无色的，各种颜色的物体都给人以蓝、灰色感。界是无色的，各种颜色的物体都给人以蓝、灰色感。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术3 3、中间视觉。、中间视觉。 视场亮度在视场亮度在1010-2-2-10cd/m-10cd/m2 2时，杆状细胞和锥状细胞同时起时，杆状细胞和锥状细胞同时起作用，这种视觉状态称为中间视觉。作用，这种视觉状态称为中间视觉。 （三

58、）视觉阈限（三）视觉阈限 能引起视觉的最低限度的光量称为视觉的阈限能引起视觉的最低限度的光量称为视觉的阈限，一般用亮，一般用亮度来度量，故又称为亮度阈限。度来度量，故又称为亮度阈限。 视觉的亮度阈限与目标物的大小有关。视觉的亮度阈限与目标物的大小有关。目标物的大小一般目标物的大小一般用目标物对眼睛所张的角度表示，称为视角。视角越小，则用目标物对眼睛所张的角度表示，称为视角。视角越小，则亮度阈限越高；视角越大，亮度阈限就越低。但当视角超过亮度阈限越高；视角越大，亮度阈限就越低。但当视角超过30300 0时，亮度阈限不再降低。时，亮度阈限不再降低。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术 视觉的

59、亮度朗限与目标物发出的光的颜色有关。视觉的亮度朗限与目标物发出的光的颜色有关。在相同的视在相同的视角下对波长较长的光，例如红光、黄光，其亮度阈限就高；对角下对波长较长的光，例如红光、黄光，其亮度阈限就高；对于波长较短的光，例如蓝光，则亮度阈限值要低一些。这是因为于波长较短的光，例如蓝光，则亮度阈限值要低一些。这是因为在暗视觉条件下，光谱光效率向短波方向偏移的缘故。在暗视觉条件下，光谱光效率向短波方向偏移的缘故。 视觉的亮度阈限与观察目标物的时间有关。视觉的亮度阈限与观察目标物的时间有关。目标物呈现的时目标物呈现的时间越长，亮度阈限值就越低；呈现时间越短，亮度阈限值就越高。间越长，亮度阈限值就越

60、低；呈现时间越短，亮度阈限值就越高。 一般来说，亮度越高，越有利于视觉。但当视野亮度值超一般来说，亮度越高，越有利于视觉。但当视野亮度值超过过10106 6cd/mcd/m2 2时，视网膜可能被灼伤，所以人们只能忍受不超过时，视网膜可能被灼伤，所以人们只能忍受不超过10106 6cdcdm m2 2的亮度。的亮度。 半半 导导 体体 照照 明明 技技 术术（四）明适应、暗适应和眩光（四）明适应、暗适应和眩光明适应和暗适应是指视觉对现场亮度变化的适应过程。明适应和暗适应是指视觉对现场亮度变化的适应过程。1 1、明适应、明适应 眼睛由暗眼睛由暗( (视野亮度低于视野亮度低于1010-3-3cd/m