LED简介及色差分析

LED简介及色差分析手法 LED基本知识介绍 色彩学的基本知识 LED色差分析流程 发光二极管发光二极管英文全称为LightEmittingDiode 简称LED 是一种新型的固态光源 诞生于20世纪60年代 1923年罗塞夫 Lossen o w 在研究半导体SiC时有杂质的P N结中有光发射 研究出了发光二极管 LED LightEmittingDiode 一直不受重视 随着电子工业的快速发展 在60年代 显示技术得到迅速发展LED才逐步受到人们的重视 LED基本知识介绍 LED的优点 寿命长 100 000Hrs 驱动电压低 1 8 4 5V 耗电量少 40 1000mW 相对冷光源 辐射小 点亮速度快 时间常数为10 7 10 9S 避免疑似点灯效应 体积小 多种色彩 耐震性特佳 全固体封装 不易破损 单色性佳 发光波长稳定 绿色无污染 LED基本知识介绍 发光原理发光二极管是由 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 中间的有双异质结构构成的有源层 这个有源层就是发光区 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 并以光和热的形式放出能量 如图所示 在电动势的作用下 电子对从能量高的能级跳跃到能量低的空穴 根据能量守恒 多余的能量以光和热的形式释放出 LED基本知识介绍 LED分类及结构 A 直插式LED ightemittingdiode 按外形尺寸分 3mm 5mm 8mm 10mm等等按发光颜色分 红色 绿 蓝 黄 橙 黄绿 白色 紫色 红外线 紫外线等按胶体颜色分 无色透明 有色透明 有色散射 无色散射 深浅根据配比调节 色彩分类 单色 双色 全彩 三色 LED基本知识介绍 SMD Surfacemountdiode 表面贴装二极管1 按外形分 0603 1206 2810 3020 3528 5050等等2 按颜色分 红色 绿 蓝 黄 琥珀 黄绿 白色 紫色 红外线等 3 按胶体颜色分 无色透明 有色透明 有色散射 无色散射 深浅根据配比调节 4 色彩分类 单色 双色 全彩 三色 LED分类及结构 LED基本知识介绍 LED分类及结构 C 食人鱼 Fluxled 1 食人鱼产品主要是顶部LENS的不同种类而改变 2 顶部珠子分为 3mm 5mm 平头与微凸产品 3 为改变角度的大小 顶部珠子的高低也不同 比如3mm的珠子高度有1 35 1 5 1 9mm的 4 颜色种类如插件LED齐全 LED基本知识介绍 D 大功率LED Powerled 1 大功率有1w 3w 5w 10w等等不同种类2 目前流程大大功率有铝基板样式的 仿luminous SMD样式的 3 透镜有酒杯状的 平头的 透镜的4 直流与交流驱动 LED分类及结构 LED基本知识介绍 E 数码管LED Display 数码管的种类比较繁多 单位 双位 三位 四位 多位 以及客户要求定做的各种产品 F 点阵 Dotmatrixdisplay 外形和数码管不同 但性能等相关规格差别不大 LED分类及结构 LED基本知识介绍 液晶模组使用的LED类型 SMD 目前已商品化的白光LED多是二波长 即以蓝光单晶体加上YAG黄色荧光粉组合产生白光 未来较被看好的是三波长白光LED 即以无机紫外光晶体加红 蓝 绿三色荧光粉混合产生白光 或以红 蓝 绿三色芯片的光混合产生白光 ProductsofSMDLEDs LED基本知识介绍 SMDLED构造 LED基本知识介绍 发光二极管组件依其制作过程可分为上游晶圆制作 单芯片与磊芯片的生产与制造 中游晶粒制作 将磊芯片经过制作电极 平台蚀刻等程序切割出LED晶粒 及下游封装 将晶粒封装成发光器件 具体工艺流程为 1 外延片工艺 衬底 结构设计 缓冲层生长 N型GaN层生长 多量子阱发光层生长 P型GaN层生长 退火 检测 光荧光 X射线 外延片2 晶片工艺 外延片 设计 加工掩模版 光刻 离子刻蚀 N型电极 镀膜 退火 刻蚀 P型电极 镀膜 退火 刻蚀 划片 晶片分检 分级 包装3 封装工艺 封装 扩晶 点银浆 绝缘胶 固晶 烘干 焊线 封胶 环氧树脂 烘干 半切 电性能检测 全切 测试分选 包装 LED的产业链 LED基本知识介绍 LED主要参数 电路正向导通电压驱动电流光学出光量 光通量Lm 光强Cd 颜色 色坐标x y 色温K 结构尺寸大小 563060307020 LED基本知识介绍 LED主要参数 电路方面 LED基本知识介绍 正向电压VF Forwardvoltage 通过发光二极管的正向电流为确定值时 在两极间产生的电压降 V 反向电流IR Reversecurrent 加在发光二极管两端的反向电压为确定值时 流过发光二极管的电流 V LED的参数 电路方面 LED基本知识介绍 LED理想的I V曲线图 施加正向电压时 施加反向电压时 LED的特性 LED基本知识介绍 LED的特性LED电性参数图 正向电流 反向电压 反向电流 正向电压 LED基本知识介绍 光通量 vLuminousflux通过发光二极管的正向电流为规定值时 一光源所发射并被人眼感知之所有辐射能称之为光通量单位 流明 LM 发光 或辐射 强度IvLuminous orRadiant intensity光源在单位立体角内发射的光 或辐射 通量 可表示为Iv d d 单位 mcd 其中 距离d在CIE中规定了两种标准d1 100mmd2 316mm V LED的参数 光学方面 LED基本知识介绍 CIEX Y色度图因白光非单一色光 所以在测试时 白光分色按右图分X Y值 而其它颜色光按波长来分 LED的参数 光学方面 LED基本知识介绍 LED的参数 光学方面 LED基本知识介绍 LED基本知识介绍 LED的参数 光学方面 LED基本知识介绍 LED的参数 光学方面 LED电流 电压与光学的相关曲线 LED基本知识介绍 LED电流 电压与光学的相关曲线 LED基本知识介绍 图像信息 图像是用各种观测系统以不同形式和手段观测客观世界而获得的 可以直接或间接作用于人眼并进而产生视知觉的实体 科学研究和统计表明 人类从外界获得的信息约有75 来自视觉系统 也就是从图像中获得的 例如照片 绘图 视频等等 对于人而言 视觉是五种感知觉中最重要的一个 视觉听觉味觉嗅觉触觉 色彩学的基本知识 要看图像是如何形成的 还得先看看光是怎样产生的 电偶极子模型物体微观上可认为由大量分子 原子 电子所组成 可看成电荷体系 大部分物体发光属于原子发光类型 经典电磁场理论把原子发光看作是原子内部过程形成的电偶极子的辐射 原子由带正电的原于核和绕核运动的带负电的电子组成 在外界能量的激发下 由于原子核和电子的剧烈运动和相互作用 原子的正电中心和负电中心常不重合 且正负电中心的距离在不断地变化 因而形成一个振荡电偶极子 图像是如何形成的 色彩学的基本知识 振荡电偶极子在周围空间产生交变的电磁场 并在空间以一定的速度传播 伴随着能量的传递 由于原子的剧烈运动 彼此间不断碰撞 辐射过程常常中断 因而原子发光是断断续续的 原子每次发光持续时间是原子两次碰撞的时间间隔 持续时间很短 大约10 8 10 9秒 实际光源由大量原子和分子组成 所发出的光振动方向杂乱无章 光就是电磁波 电磁波的频谱对于光而言就是光谱 视觉是外界光刺激作用于人的视觉神经而产生的主观感觉 视觉有三种特性 从描述视觉特性的心理物理量来看 它们是亮度 主波长 纯度 从相应的心理量来看 它们是明度 色度 饱和度 用一个三维空间纺锤体形立体可以把颜色的三种基本特性 明度 色调和饱和度全部表示出来 亮度表示光的强度 物体表面或光源的亮度越高 人感觉到的明度就越高 但二者的关系并不固定 光谱是由不同波长的光组成的 不同波长所引起的不同感觉就是色度 纯色是指没有混入白色的窄带单色光 在视觉上就是高饱和度的颜色 可见光谱的各种单色光是最饱和的彩色 当光谱色搀入白光成分越多时 就越不饱和 图像是如何形成的 色彩学的基本知识 特定的光谱将让人感受到不同的亮度和颜色 于是感受到五彩缤纷的世界 人眼如何看到图像 视网膜成像 功能强大的成像系统快速无极变焦 自动光圈调整 光轴可变 环境亮度自适应 一个功能很强大的成像系统 色彩学的基本知识 人眼的结构 1 晶状体 强大的自动调焦能力2 视网膜 人眼感知图像信号的窗口视网膜上分布着无数的光接收细胞锥体细胞 约6000000 7000000个 对颜色很敏感 适应于强照度 人类利用它分辨物体细节 锥体细胞视觉称为适亮视觉 杆体细胞 约75000000 150000000个 对颜色不敏感 适应于低照度 杆体细胞主要提供视野的整体视象 杆体细胞视觉称为适暗视觉 3 中央凹 视网膜的中心高分辨率的传感器 1 人眼具有很大的亮度适应范围 最低10 19lx 最高110lx 这样大的亮度适应范围 仅靠瞳孔的调节是远远不够的 瞳孔调节只能使进入眼球内的光通量改变大约20倍 还需要杆细胞和锥细胞的转换来实现的 但这需要大约30分钟的时间完成完全转换 2 人眼具有较小的亮度分辨能力 一般小于64级3 人眼有较强的亮度变化鉴别能力4 人眼具有马赫效应5 人眼具有 同时对比度 现象6 人的视觉感受不仅受实际物体的视觉特征影响 还取决于观察物体的环境和背景 以及观察者所具备的先验知识 人眼有很多有趣的生理 心理视觉现象 人眼的特性 色彩学的基本知识 自我测试 亮度分辨能力测试亮度变化鉴别能力测试 色彩学的基本知识 马赫带效应 同时对比度现象 人眼的特性 视见光谱范围 人可以看到的频谱范围很窄 色彩学的基本知识 色彩学的基本知识 辐射通量 物体能量辐射能力的量度 设光源表面S向所有方向辐射出各种波长的光 此光源表面一个面积元dS的辐射情况 可以用单位时间内该面积元dS辐射出来的所有波长的光能量 也就是通过该面积的辐射功率 来表示 这就是面积元dS的辐射通量 单位为瓦特 由于光源的辐射由不同波长的光组成 不同波长的光在其中所占的相对数值又是不同的 设P 是辐通量随波长变化的函数 它就是在单位时间内某一波长附近的单位波长间隔内的辐射能量 它又称谱辐射通量密度 于是 从面积元dS发出的各种波长的光的总辐射通量为 色彩学的基本知识 辐射通量代表的是光源面积元在单位时间内辐射的总能量的多少 而我们感兴趣的只是其中能够引起视觉的部分 相等的辐射通量 由于波长不同 人眼的感觉也不相同 为了研究客观的辐射通量与它们在人眼所引起的主观感觉强度之间的关系 首先必须了解眼睛对各种不同波长的视觉灵敏度 人眼对黄绿色光最灵敏 对红色和紫色光较差 而对红外光和紫外光 则无视觉反应 在引起强度相等的视觉情况下 若所需的某一单色光的辐射通量愈小 则说明人眼对该单色光的视觉灵敏度愈高 如果一个物体只发出红外线 哪怕它辐射的能量很强 我们看它也是 黑的 比如一块烧热了的铁 光通量 引入视见函数V 后 就可以研究光通量 它表示光源表面的客观辐射通量对人眼引起的视觉强度 以 表示 它等于辐射通量与视见函数的乘积 在某一波长 附近对于波长间隔为d 的单色光来讲 其光通量为 光通量和辐射通量具有相同的量纲 但在国际单位制中 辐射通量的单位为瓦 而光通量的单位为流明 lumen 1lm到底是多少呢 教室里的总光通量大约是多少 实验测量和理论分析表明 波长为555nm的单色辐射 1W辐通量等于683lm的光通量 对于其它波长的单色光 1W辐通量引起的光刺激值都小于683lm 它们的数值关系就是光谱光视效率 视见函数 色彩学的基本知识 发光效率 电光源发出的总光通量 与电光源的耗电功率P之比 称为电光源的发光效率 它是衡量电光源工作性能的重要指标 即 表示电源每耗电1W所发出光通量的流明数 电光源的发光效率都是不高的 这是因为输入光源的电功率不能全部转化为电磁辐射通量 而电磁辐射通量中又只有一部分落在可见光区的缘故 式中d 是点光源在某一方向上所张的立体角元 可以证明 因此 发光强度是表征光源在一定方向范围内发出的光通量的空间分布的物理量 它可用点光源在单位立体角中发出的光通量的数值来量度 可表达为 于是可以得出整个空间立体角为 发光强度 色彩学的基本知识 如果I不随 和 而变化 均匀发光体 则总光通量 4 I 一个光源发出频率为540 1012Hz 555nm 的单色辐射 若在给定方向的辐射强度为 1 683 W sr 则光源在该方向上的发光强度为1cd 可见 发光强度为1cd的点光源在单位立体角1sr内发出的光通量为1lm 即 1lm 1cd sr 发光强度的单位是坎德拉 cd 在国际单位制中 发光强度的单位是国际单位制中七个基本单位之一 光度学中其它单位均为导出单位 通常发光强度是空间角度的函数 LED发光强度空间分布图 色彩学的基本知识 光照度 照度是表征受照面被照明程度的物理量 它可用落在受照物体单位面积上的光通量数值来量度 如果照射在物体面元d 上的光通量为d 则照度E可表达为 照度的单位称为勒克斯 lx 它是1lm的光通量均匀分布在1m2的表面上所产生的照度 对点光源 均匀发光体 来说d Id I与空间角无关 因而与点光源距离为R 法矢量与光线成 角的平面上的照度 因为 由此可见 点光源所造成的照度反比于光源到受照面的距离的平方 而正比于光束的轴线方向与受照面法线间夹角 的余弦 色彩学的基本知识 光亮度 只有在发光体的线度远小光源到观察点距离 即发光体实际线度大小可以略去不计时 点光源才有意义 对于实际的扩展光源来说 应该把它的表面分成无数面元 同时分出这样的一个光束 它从某一面元dS出发 包围在一个立体角d 内 这光束的轴线与dS的法线N成一个角度 光亮度简称亮度 是与人眼视觉感受联系最直接的光度学参数 朗伯首先由实验发现对许多发光体 不是所有发光体 来说 在立体角d 中发射出的光通量d i正比于dScosi的大小 朗伯定律 比例系数和发光面的性质有关 不随i角的不同而变 这个系数用L表示 称为光源的亮度 它是表征发光面发光强弱并与发光表面特性有关的物理量 可以用单位面积的光源表面在法线方向的单位立体角内传送出的光通量数值来量度 于是 由上式可知 亮度的单位为lm m2 sr cd m2 称为尼特 nit 因此 色彩学的基本知识 通常扩展光源上每一面元的亮度L随方向而变 如果某扩展光源的发光强度I cos 即 其中IN是dS法线方向的发光强度 Ii是任意角度i的发光强度 这类光源称为遵从朗伯定律的光源 也叫余弦发光体或朗伯光源 显然 可见 朗伯光源的亮度与空间角度无关 或者说 朗伯光源从各个方向看都是一样亮的 光束投射到光滑的表面上时 会定向地反射出去 而投射到粗糙的表面上时 它将朝所有方向漫射 一个理想的漫射面 应是遵循朗伯定律的 也就是无论入射光从何方来 沿各方向漫射光的发光强度总是与cos 成正比 因而亮度相同 涂了氧化镁的表面被照亮以后 或者从内部被照明的优质玻璃灯罩 积雪 白墙以及十分粗糙的白纸 都很接近理想的漫射体 这类物体称为朗伯反射体 CRT电视机屏幕 电影荧幕都是朗伯反射体 而液晶显示屏幕则不是 色彩学的基本知识 光度学参数汇总 色彩学的基本知识 光度学参数汇总 色彩学的基本知识 色度学 色度学是本世纪发展起来的以物理光学 视觉生理学和视觉心理学等学科领域为 基础的综合性学科 它超出了通常意义下的物理学范围 但又常常在物理学中介绍它 在科学研究 生产和生活中有许多现象往往和视觉联系在一起 这些现象是物理过程和生理过程的一种混合 要完全理解这些现象 必须研究视觉这个领域 特别是色的视觉 即色度学所涉及的问题 如果要使得两个光源的色彩完全一致 是不是需要两个光源的光谱分布完全一样呢 不是的 这是人眼的又一个特性 即两个光谱分布完全不同的光源有可能引起相同的色彩感 这称为人眼的 异谱同色 效应 特定的光谱产生特定的视觉感受 但是特定的视觉感受不一定只有一种光谱可以产生 因此 试图用光谱来度量颜色是行不通的 但是可以用与复杂光谱具有相同视觉刺激函数的简单光谱组合来度量复杂的光谱组合 色彩学的基本知识 颜色的基本概念 混色 十七世纪后期 牛顿通过分光棱镜实验证明了 白光是由很多不同颜色的光混合而成的 两种颜色相混合会出现一种新的颜色 十九世纪初 Yaung提出某一波长的光可以通过三种不同波长的光相混合而复现出来的假设 他认为红 R 绿 G 蓝 B 这三种单色光可以作为基本的颜色 原色 把这三种光按不同的比例混合就能准确地复现出任何其它波长的光 当把它们以等量混合时会产生中性的颜色 白光 W Maxwell用旋转圆盘所做的颜色混合实验证明了Yaung的假设 他还证明这三种颜色不一定是红 绿 蓝 所谓混色 是将两种或者两种以上的彩色相混合 从而产生新的彩色的过程 混色有两种方法 一种是通过颜料的反射或吸色性质 将两种不同颜色的颜料相混合 混合颜料将会具有新的反射或吸色性质 从而得到新的颜色 这称为相减混色 例如红色颜料 它因为反射白光中的红光而吸收白光中的绿光和蓝光 故呈红色 而黄颜料则反射白光中的红光和绿光而吸收白光中的蓝光 故呈黄色 相减混色一般用于彩色印刷 印染 相纸行业等 另一种混色方法是直接将不同彩色的光同时投射到人眼 从而产生新的彩色感 这称为相加混色 色彩学的基本知识 直接混色两种以上的彩色光同时投到屏幕上 又称光谱混色 投影电视就是把红 绿 蓝光同时投到银幕上直接混色 间接混色 1 时间混色 两种以上的光先后很快投射到屏幕上 利用人眼的 视觉惰性 视觉暂留 重现彩色 2 空间混色 利用人眼分辨力有一定限度实现空间混色 如彩色显象管 3 生理混色 两只眼睛同时分别看不同彩色 大脑中形成混色效果 颜色的基本概念 混色 通过混色实验 有如下的基本混色式 红 绿 黄红 黄 品红绿 蓝 青红 绿 蓝 白 需要注意的是 上述混色式只是一种简便的表达 实际混色比上述结果要复杂得多 因为混色的两种光的强度不同 结果也会不同 色彩学的基本知识 颜色度量体系 1931年9月 国际照明委员会在英国的剑桥市召开了具有历史意义的大会 会议所取得的主要成果包含 1 定义了标准观察者 StandardObserver 标准 普通人眼对颜色的响应 该标准采用想象的X Y和Z三种基色 用颜色匹配函数 color matchingfunction 表示 颜色匹配实验使用的视野 fieldofview 2 定义了标准光源 StandardIlluminants 用于比较颜色的光源规范 3 定义了CIEXYZ基色系统 与RGB相关的想象的基色系统 但更适用于颜色的计算 4 定义了CIExyY颜色空间 一个由XYZ导出的颜色空间 它把与颜色属性相关的x和y从与明度属性相关的亮度Y中分离开 5 定义了CIE色度图 CIEchromaticitydiagram 容易看到颜色之间关系的一种图 近日出或日落时之日光 近正午之阳光 相似北方45度仰角之日光 平均太阳光 色彩学的基本知识 彩色电视的色度范围 NTSC和PAL电视重现的颜色范围 几种设备重现的颜色范围 色彩学的基本知识 CIE1960YUV色度图 CIE1960YUV是由CIE1931XYZ经过线性变换之后得到的一种颜色空间 目的是企图得到这样的一种色度图 在色度图中 代表两种颜色的两个点之间的色差与对颜色感知的差别是均匀的 其中的Y代表色彩的亮度 U V的坐标定义如下 这种色度体系主要用于电视信号传输 1976CIELU V 色度图 CIE1931XYZ二维色度图有两个比较明显的缺点 明度没有反映在色度图中 在颜色空间中两种颜色之间的距离与这对两种颜色感知的色差有差异 CIE1960YUV色度图表示色差有了明显改进 但色度图上没有亮度坐标 在列出U V值时要单独列出Y值 对计算色差很不方便CIE于1976年采用了新的颜色空间和色差公式 称1976CIELU V 其转换公式为 U U V 1 5V CIE1931与CIE1976Lu v 色度图对比 色彩学的基本知识 显色指数 光源对物体本身颜色呈现的程度称为显色性 也就是颜色逼真的程度 显色性高的光源对颜色表现较好 我们所见到的颜色也就接近自然原色 显色性低的光源对颜色表现较差 我们所见到的颜色偏差也较大 光源的显色性是指与参照标准下相比较 一个光源对物体颜色外貌所产生的效果 光源的显色指数是待测光源下物体的颜色与参照光源下物体的颜色相符程度的度量 在一个连续的光谱下的显色性 仅有绿光和黄光的光照下的显色性 在一个连续的光谱下的显色性 仅有黄光的光照下的显色性 色彩学的基本知识 那什么是色温呢 色温全称为开尔文温度 色温的单位是K 即Kelvin 开尔文 和我们中国人平时用的摄氏温度 和美国人用的华氏温度一样 色温也是温度的一种计量单位 色彩和开尔文温度的关系就起源于黑体辐射理论 对黑体 能够吸收全部可见光的物体 加热直到它发光 就像把铁加热一样 在不同温度下呈现的色彩就是色温 将黑体从绝对零度 摄氏负273点15度 又让我想起了圣斗士冰河 开始加温 温度每升高一度称为1开氏度 用字母K来表示 当温度升高到一定程度时候 黑体便辐射出可见光 其光谱成份以及给人的感觉也会着温度的不断升高发生相应的变化 于是 就把黑体辐射一定色光的温度定为发射相同色光光源的色温 当这个黑色物体受热后受到的热力相当于500 550摄氏度时 将变成暗红色 如果继续加热达到1050一1150摄氏度时 就会变成黄色 然后是白色 最后就会变成蓝色 当黑色物体的温度达到3200开尔文时会发出红光 我们平常使用的白炽灯的钨丝也会发出这种光芒 当温度上升到5500开尔文时 黑色物体会发白光 根据这一原理 任何光线的色温是相当于上述黑体散发出同样颜色时所受到的 温度 那我们现在就按照以上的一开尔文理论 即可以推算出 温度越高 蓝色的成份越多 图像就会偏蓝 温度越低 红色的成份越多 图像就会偏红 色温 色彩学的基本知识 10000K 早晨的阳光 偏蓝的光 6000K 中午的阳光 5000K 下午的阳光 2000K 黄昏的阳光 偏红的光 色温越高 光色越偏蓝 色温越低 越偏红色 一天中的光色随时间变化而变化 自然光 色温与相对色温 色彩学的基本知识 不同色温下的颜色表现 色温与相对色温 色彩学的基本知识 LED色差分析流程 目的建立海信模组LED色差的分析流程 利于现场分析及排查问题适用范围海信模组 海信外