半导体照明技术：第一章 光 视觉 颜色

1、推荐书目1. E. Fred Schubert, Light-Emitting Diodes, New York: Cambridge, 20032.色度学，荆其诚，焦书兰等，科学出版社，1979第第1章章 光光 视觉视觉 颜色颜色第一章内容 1.1 光 1.2视觉 （不讲） 1.3颜色1.1.1 光的本质 本质：波粒二重性(同时具有粒子性和波动性) 光速、光波长与频率关系： c= 光子具有的能量： E=h=hc/ 可见光波段：380nm780nm 波长：nm(10-9m)1.1.2.1 光的产生光的产生：温度辐射和发光（激发发光）光的产生：温度辐射和发光（激发发光）温度辐射：物质在高温下辐射

2、出热能；温度辐射：物质在高温下辐射出热能；黑体辐射：能量分布由普朗克公式描述黑体辐射：能量分布由普朗克公式描述：)/() 1/(2)(352mWkTehcEhc 激发发光：除温度以外的原因产生可见光激发发光：除温度以外的原因产生可见光 生物发光：萤火虫 化学发光：化学反应直接引起发光 光致发光：光、X射线、紫外等激发而引起发光 阴极射线发光：电子束激发荧光物质发光（显像管） 燃烧发光：碱金属和碱土金属及其盐类的燃烧 电致发光：气体放电、场致发光、电致载流子复合发光1.1.2.2 光的传播 反射与折射 斯涅耳（斯涅耳（snall）定律）定律 n1sin1=n2sin2 全反射:光线从高折射率媒质

3、进入低折射率媒质，如入射角大于临界角，入射光的能量都被反射，没有折射。 全反射角：全反射角： 2 =sin-1(n1/n2)211折射率n1折射率n2媒质1媒质2入射光线反射光线折射光线*422sairsourceescapennPP可由半导体材可由半导体材料进入到空气料进入到空气中的光功率：中的光功率：* E. Fred Schubert, “LED basics: optical properties,” in Light-Emitting Diodes, New York: Cambridge, 2003, pp. 91 1.1.2.2 光的传播 吸收吸收：光能转变成其他形式的能量 为吸

4、收系数 LED中光吸收机制中光吸收机制： 芯片自吸收，芯片表面电极吸收，封装胶吸收，反射吸收，荧光粉吸收 散射散射：光在不均匀媒质中传播 由于无数杂乱无章的界面的多次 反射和折射)exp(0axIIaI0)exp(xII0举例：荧光粉的颗粒散射 1.1.3 人眼的光谱灵敏度 人眼的光谱灵敏度随环境亮度的改变而变化 明视觉：亮度超过10cd（坎德拉）.m-2. 暗视觉：环境亮度低于10-2cd/m2. 1.1.4 光度学及测量辐通量（辐射功率）：辐通量（辐射功率）：以辐射形式发射、传输或接收的功率。 单位：W； 总的辐射功率总的辐射功率为：0dPP光通量：光通量：按照CIE规定的人眼的视觉特性（

5、CIE标准光度观察者）来评价的辐通量，即用光谱灵敏度为V()函数的物理探测器所评价的辐通量。 符号F，单位：流明（lm）1975年，流明的定义为：频率为5401012赫兹，辐 通 量 为 1 / 6 8 3 W 的 单 色 辐 射 的 光 通 量 。 5401012赫兹的波长是555nm 1.1.4 光度学及测量辐通量和光通量的关系式： 对于明视觉： Km=683 lm/W对于暗视觉： Km1725 lm/WdVPKFm780380)(dVPKFm780380)( 1.1.4 光度学及测量光强度：点光源在给定的方向上，单位立体角内发射的光通量。单位：坎德拉（cd）光照度：投射在单位面积上的光通

6、量。单位：勒克斯（lx），1 lx1 lm/m2 ddFI 1.1.4 光度学及测量朗伯发光：某些面辐射源或理想的漫射面，辐射强度与表面法线和给定方向间夹角的余弦成正比LED、OLED等发光器件在光学模拟中，常常当作朗伯发光体来处理cos0II 练习 如图所示为一LED所测的光强分布图，法向的光强为6.48cd。如果此LED是一朗伯发光体，在LED法线45度方向的强度是多少？此方向上2米处放置一探测器，其测到的照度是多少？cdIIoo58. 445cos)45(0解：222/15. 14/58. 4/ )45()/()45(/mlmRIRIdIdddFEoo1.3.1 颜色的性质 三原色原理认

7、为：人眼的视网膜是三种不同感色物质镶嵌而成。其分别对应于蓝(B)、绿(G)、红（R)光的特定波长。 颜色叠加原理：任何颜色都是由三原色合成的: C=XR+YG+ZBRed + Green =YellowRed + Blue =MagentaGreen + Blue =Cyan Red + Green + Blue =White1.3.1 颜色的性质采用归一化x=X/(X+Y+Z)y=Y/(X+Y+Z)z=Z/(X+Y+Z)x+y+z=1颜色可以使用坐标（x,y）来确定1.3.2 国际照明委员会色度学系统 国际照明委员会规定三原色标准为 , , 如表1-3所示XYZdZPZdYPYdXPX780

8、380780380780380)()()(色度坐标计算示例 考虑一简化的发光光谱，在460nm处的功率为0.4W，580nm处的功率为0.5W，其它波长功率为0，试计算该光谱的色度坐标6682. 00011. 05 . 06692. 14 . 0)(459. 087. 05 . 006. 04 . 0)(5745. 09163. 05 . 02908. 04 . 0)(780380780380780380dZPZdYPYdXPX270. 0Z)YY/(Xy0.338Z)YX/(Xx1.3.2.3 均匀色度标尺 CIE 1931色度图X，Y坐标转换为CIE 1960 均匀色度标尺(UCS)图u,

9、 v坐标，用公式 转换为CIE 1976 均匀色度标尺(UCS)图u, v坐标，用公式ZYXXu3154ZYXYv3156ZYXXu3154ZYXYv3159 1.3.3.1 色温和相关色温 光源的光辐射所呈现的颜色与在某一温度下黑体辐射的颜色相同时，称黑体的温度Tc为光源的色温，用绝对温度K表示。 当光源发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色接近时，黑体温度就称为该光源的相关色温。 当（u,v）色度图上，等温线和色温曲线通常是垂直的 1.3.3.1 色温和相关色温色温色温光源光源1700 K火柴光1850 K蜡烛2800 K钨灯 (白炽灯)3350 K演播室CP灯3400 K演播室台灯,

10、 照相泛光灯（不是闪光灯）, 等.4100 K月光5000 K日光5500 K平均日光, 电子闪光5770 K有效太阳温度6420 K氙弧灯6500 K日光9300 K电视屏幕（模拟） 1.3.3.2 显色指数 显色指数：表明光源发射的光对被照物颜色正确反映的量称为显色指数 显指（CRI）是白光光源质量的重要参量。光源显色指数白炽灯97日光色荧光灯80-94白色荧光灯75-85暖白色荧光灯80-90卤钨灯95-99白光LED（两色混合）6080白光LED（三色混合）8595高压汞灯22-51高压钠灯20-30金属卤化物灯60-65 1.3.3.2 显色指数黄色香蕉在红光下观察绿色香蕉在黄光下观察高显指光源下观察低显指光源下观察作业1. 假设InGaN蓝光LED芯片是一折射率为2.5的薄层，放置在