LED讲义之光的基本单位

1、1主讲人：魏勇华主讲人：魏勇华 2009.05.02之之LED的光学特性的光学特性23 第一节第一节 光通量光通量一、一、定义定义 光源向各个方向射出的能量之和，它标光源向各个方向射出的能量之和，它标志器件的性能优劣。符号志器件的性能优劣。符号: (Flux)，单位：，单位：lm（流明）。（流明）。 二、光通量的特性：二、光通量的特性： 它与工作电流、芯片材料和封装工它与工作电流、芯片材料和封装工艺有关。随着电流增加，艺有关。随着电流增加，LED光通量随光通量随之增大。相同芯片的裸晶亮度或者功率之增大。相同芯片的裸晶亮度或者功率越高，越高，LED光通量越高。光通量越高。 4三、某些实际例子三、

2、某些实际例子5第二节第二节 Iw一、光强的定义一、光强的定义 光强即我们通常所理解的亮度，它表示光源光强即我们通常所理解的亮度，它表示光源在单位立体角内辐射的光通量。发光强度是针在单位立体角内辐射的光通量。发光强度是针对点光源而言的对点光源而言的,表明物体在空间发射的会聚能表明物体在空间发射的会聚能力力.符号：符号：I（Intensity），单位：坎德拉，即），单位：坎德拉，即cd二、光强的特性二、光强的特性 1、它主要取决于封装的工艺（包括支架、它主要取决于封装的工艺（包括支架、模粒头、环氧树脂中添加扩散剂与否）；使用圆模粒头、环氧树脂中添加扩散剂与否）；使用圆锥状（子弹头）的模粒头，锥状（

3、子弹头）的模粒头，LED管芯位置离模管芯位置离模粒头远些，封装的环氧树脂中勿加扩散剂，都可粒头远些，封装的环氧树脂中勿加扩散剂，都可以提高光强。以提高光强。 2、在相同条件下，光通量与光强之间的关、在相同条件下，光通量与光强之间的关系为：光通量系为：光通量=4 （角度（角度/360）光强；其中）光强；其中 =3.14，1000mcd=1cd I =光通量光通量/立体角立体角 =/wW W的最大值为的最大值为4 46三、某些实际例子三、某些实际例子自行车车灯(无反射罩)2.5 cd自行车车灯(有反射罩)250 cd厚玻璃射灯 PAR 38 120WSpot9500 cdMVF 406 CAT A

4、1/1800W最大光强4,500,000 cd7第三节第三节 照度照度照度照度EE = /SE = /S流明流明面积面积S( m2 )二、照度的特性二、照度的特性 因为在大多数情况下，物体都不是自因为在大多数情况下，物体都不是自己发光的，所以照度具有重要意义，尤其己发光的，所以照度具有重要意义，尤其是在家居照明，博物馆照明和广告招牌行是在家居照明，博物馆照明和广告招牌行业，使用频繁。业，使用频繁。一、照度的定义一、照度的定义 1 lm的光通量平均分布在的光通量平均分布在1的物体上所的物体上所产生的光照度。照度是表征受照面被照明程度产生的光照度。照度是表征受照面被照明程度的物理量，它可用落在受照

5、物体单位面积上的的物理量，它可用落在受照物体单位面积上的光通量数值来度量。符号光通量数值来度量。符号:E（Illuminance），单位：，单位：Lx或或Lux（勒克斯）。（勒克斯）。 8展品特性推荐最大照度（lx）国际博物馆协会英国照明工程学会日本工业标准中国国家文物局对光与辐射较不敏感展品如金属、石材、玻璃、陶瓷珠宝、搪瓷等无限制，一般在300 lx以下，色温4000-6000K视陈列情况，可不加限制，但要考虑热辐射750-1500 lx小于300 lx，色温6500K对光与辐射较敏感展品如竹器、骨器、油画、角制品、天然皮革、动物标本使用值为150-180 lx，色温4000K左右150

6、lx300-750 lx小于180 lx，色温小于4000K对光与辐射特敏感展品纸质书画，纺织品，树胶彩画、染色皮革、植物标本50 lx，如有可能应进一步降低，色温2900K左右50 lx150-300（金箔标本类则为75-150 lx）小于50 lx，色温小于2900K一般照明可接受低水平扩散光可接受低水平扩散光无75-150 lx无9一、亮度的定义一、亮度的定义 光源在某一方向的光强与人眼所光源在某一方向的光强与人眼所“见到见到”的面积之比称为亮度，也叫的面积之比称为亮度，也叫辉度。符号辉度。符号:L:L（luminaceluminace），单位：），单位：cd/cd/（坎德拉（坎德拉/

7、/平方米）。平方米）。第四节第四节 亮度亮度二、某些实际例子二、某些实际例子 1011三、某些实际例子三、某些实际例子北方晴空北方晴空 8000-8500阴天阴天 6500-7500夏日正午阳光夏日正午阳光 5500金属卤化物灯金属卤化物灯 4000-4600下午日光下午日光 4000冷色营光灯冷色营光灯 4000-5000高压汞灯高压汞灯 3450-3750暖色营光灯暖色营光灯 2500-3000卤素灯卤素灯 3000钨丝灯钨丝灯 2700高压钠灯高压钠灯 1950-2250蜡烛光蜡烛光 2000光源色温不同，光色也光源色温不同，光色也不同。色温在不同。色温在3300K以以下有稳重的气氛，温

8、暖下有稳重的气氛，温暖的感觉；色温在的感觉；色温在3000-5000K为中间色温，有为中间色温，有爽 快 的 感 觉 ； 色 温 在爽 快 的 感 觉 ； 色 温 在5000K (带蓝的白色带蓝的白色)以以上有冷的感觉。不同光上有冷的感觉。不同光源的不同光色组成最佳源的不同光色组成最佳环境。环境。1213141516 CIE 1931色度图是用标称值表示的CIE色度图，x表示红色分量，y表示绿色分量。E点代表白光，它的坐标为(0.33，0.33)；环绕在颜色空间边沿的颜色是光谱色，边界代表光谱色的最大饱和度，边界上的数字表示光谱色的波长，其轮廓包含所有的感知色调。所有单色光都位于舌形曲线上，这

9、条曲线就是单色轨迹，曲线旁标注的数字是单色(或称光谱色)光的波长值；自然界中各种实际颜色都位于这条闭合曲线内；RGB系统中选用的物理三基色在色度图的舌形曲线上。一、简介17trafficsignalAutomotivebrake/tailturn/markerInGaNAlInGaPAlInGaPAlInGaPAlInGaPInGaNInGaN二、某些实际例子二、某些实际例子18r射线X射线远紫外线近紫外线可见光区中紫外线近红外线中红外线远红外线极超短波1000nm1.5m100m10-3nm1nm10nm100nm280nm315nm380nm780nm5m1mm紫外线区红外线区短波长长波长

10、白色光分成七色光谱棱镜人眼所见电磁波范围第八节第八节 紫色青色蓝色580500380490560605480435595780蓝绿色绿色黄绿色黄色橙色红色19一、一、LED的峰值波长的峰值波长 LED发光强度或光功率输出随着波长变化而不同，绘成一条分布曲线光谱分布曲线。当此曲线确定之后，器件的有关主波长、纯度等相关色度学参数亦随之而定。 LED的光谱分布与制备所用化合物半导体种类、性质及pn结结构（外延层厚度、掺杂杂质）等有关，而与器件的几何形状、封装方式无关。 如图，无论什么材料制成的LED，都有一个相对光强度最强处（光输出最大），与之相对应有一个波长，此波长叫峰值波长，用p表示。只有单色光

11、才有p波长。 二、谱线宽度二、谱线宽度 在LED谱线的峰值两侧处，存在两个光强等于峰值（最大光强度）一半的点，此两点分别对应p-，p+之间宽度叫谱线宽度，也称半功率宽度或半高宽度。 半高宽度反映谱线宽窄，即LED单色性的参数，LED半宽小于40 nm。pp-p+42052020 三、主波长三、主波长 有的LED发光不单是单一色，即不仅有一个峰值波长，甚至有多个峰值，并非单色光。为此描述LED色度特性而引入主波长。主波长就是人眼所能观察到的，由LED发出主要单色光的波长。单色性越好，则p也就是主波长。 如GaP材料可发出多个峰值波长，而主波长只有一个，它会随着LED长期工作，结温升高而主波长偏向

12、长波。四、几种不同化合物半导体及四、几种不同化合物半导体及掺杂制得掺杂制得LED的峰值的峰值 蓝色InGaN/GaN发光二极管， 发光谱峰p = 460465nm； 绿色GaP:N的LED，发光谱峰p = 550nm； 红色GaP:Zn-O的LED，发光谱峰p = 680700nm； 红外LED使用GaAs材料，发光谱峰p = 910nm； Si光电二极管，通常作光电接收用。 21第九节第九节 发光效率和视觉灵敏度发光效率和视觉灵敏度人眼对不同的颜色(波长)有不同的灵敏度。 而这是产生不同灯有不同光效的基础。明视觉明视觉 暗视觉暗视觉光谱光效率曲线光谱光效率曲线 一、一、LED的发光效率的发光

13、效率 LED效率有内部效率（pn结附近由电能转化成光能的效率）与外部效率（辐射到外部的效率）。前者只是用来分析和评价芯片优劣的特性；后者与输入电能之比即发光效率，是LED光电最重要的特性。二、二、 视觉灵敏度视觉灵敏度 视觉灵敏度是使用照明与光度学中一些参量。人的视觉灵敏度在 = 555nm处有一个最大值680 lm/w。若视觉灵敏度记为K，则发光能量P与可见光通量F之间关系为 P=Pd F=KPd三、三、 流明效率流明效率 LED的光通量F/外加耗电功率W=KP 它是评价具有外封装LED特性，LED的流明效率高指在同样外加电流下辐射可见光的能量较大，故也叫可见光发光效率。 22 品质优良的LED要求向外辐射的光能量大，向外发出的光尽可能多，即外部效率要高。事实上，LED向外发光仅是内部发光的一部分，总的发光效率应为=ice ，式中i向为p、n结区少子注入效率，c为在势垒区少子与多子复合效率，e为外部出光（光取出效率）效率。 由于LED材料折射率很高i3.6。当芯片发出光在晶体材料与空气界面时（无环氧封装）若垂直入射，被空气反射，反射率为（n1-1）2/（n1+1）2=0.32，反射出