照明对LED的要求发光效率100lmW课件

1、纲要一、前言二、照明的三大要素三、LED照明四、辐射度学基础五、人的视觉特性六、光度学基础七、色度学基础八、LED的光度与色度学问题前言1、我们正处在驾驭光、享受光的时代照明是什么？ 过去：照明是电气，是照亮 现在：照明是家具，是装饰、是光 未来：照明是享受，是健康 从照明工程到照明设计，从数量到质量的转变。半导体照明（LED）和光伏都是半导体器件，是成长性高、发展快、影响大、需求迫切的产业；是节能减排、循环经济的先导产业2、视觉的性质和认知决定对照明的量和质的要求3、现代照明设计师是最稀缺人才辐射度学、光度学、色度学、视光学是设计知识的基础。充分利用LED的特性，创新设计满足人们生理和心理需

2、求的个性化健康照明产品，是时代的需要，是现代照明设计师的追求。光源照明是高科技朝阳事业历史上 : 1879年爱迪生发明白炽灯是被公认为人类进入现代文明社会的里程碑 !一、照明的三大要素物体亮度L（nt）照度E（lx）发光强度I（cd）光源亮度 L（nt）光源 主观亮度光通量（lm）关键词：辐射学、光度学、色度学；亮度、照度、颜色照明源被照物人眼电源光源灯具控制器吸收反射透射光泽度光谱特性生理效应视见函数大脑心理效应 生物效应光洁度照明的三大要素能源管理照明的效率光通量灯具照明设计照度、色温、显色性被照物反(透)射率眼睛视觉生理亮度、颜色大脑心理亮度、颜色生理效率照明系统整体效率物理效率照明效率

3、配光曲线光源亮度、色温、显色性电源光源体效率灯具效率光效 眩光 色温 照度光强 配光曲线 平均寿命显色指数 流明系数色偏移 性价比 灯具效率 照明系统能效 照明功率密度能效标识 能源消费弹性系数“节能决定”涉及的制度规范非物理的、无法量化的主观感觉指标 节能光源的主要技术指标资料来源：陈大华教授照明应考虑的若干问题光源和灯具的发光效率显色性 安全标准、 性能标准、能效标准人的生理和心理健康 照明应考虑的若干问题人眼通过照明源在被照物上的光线反射而识别物体，在这三者的相互关系中主要涉及到辐射度学、光度学、色度学等基础物理学科和人的视觉认知科学，因此了解这些基础学科对照明系统的认知与理解是很关键也

4、是必要的。二、LED照明照明光源史第四代第三代第二代第一代第一代电光源：白炽灯（卤钨灯）第二代电光源：荧光灯（日光灯、节能灯）第三代电光源：高强度气体放电灯（HID）第四代电光源：半导体发光二极管（LED）LED器件工艺p-Al0.15Ga0.85NIn0.2Ga0.8Nn-In0.05Ga0.95Nn-Al0.15Ga0.85NxEnergyP-GaN Mgp-Al0.15Ga0.85N:MgN-Al0.15Ga0.85N :SiN-In0.05Ga0.95N :SiIn0.2Ga0.8NN-In0.1Ga0.9N :SiN-GaN :SiGaN buffer layer(0001) sap

5、phire substraten-electrodep-electrode电极刻蚀前工序外延片AlGaInp、GaN 基芯 片AlGaInp、GaN基超高亮度及白光LED（含专用显示器） 衬底 金属有机物源 高纯气体 高纯化学试剂高纯金属 高纯化学试剂 光刻胶 后工序各种不同颜色、外型LED封装 环氧树脂 高纯金丝、硅铝丝 封装模具 银 浆 金属支架、底座荧光粉 塑料零件 超高亮度及白光LED产业链 特种照明白光照明 白光照明（大功率） 安全照明白光器件（小功率）灯具、灯座、金属、塑料结构件 封装原料 电源变换器 其他主要应用面屏幕显示背光源汽车用灯交通信号灯装饰照明景观照明专用显示器仪器仪表

6、显示其他显示控制、驱动电路显示单元金属、塑料结构件 金属、塑料件导光板线路板灯具结构件塑料件背光显示板金属、塑料结构件 线路板金属、塑料件线路板电源变换器导光板、管导光板、管超高亮度及白光LED产业链 前工序外延片AlGaInp、GaN 基芯 片AlGaInp、GaN基超高亮度及白光LED（含专用显示器） 衬底 金属有机物源 高纯气体 高纯化学试剂 高纯金属 高纯化学试剂 光刻胶 后工序各种不同颜色、外型LED封装 环氧树脂 高纯金丝、硅铝丝 封装模具 银 浆 金属支架、底座荧光粉 塑料零件 超高亮度及白光LED（含专用显示器） 特种照明白光照明 白光照明（大功率） 安全照明白光器件（小功率）

7、灯具、灯座、金属、塑料结构件 封装原料 电源变换器 其他主要应用面屏幕显示背光源汽车用灯交通信号灯装饰照明景观照明专用显示器仪器仪表显示其他显示控制、驱动电路显示单元金属、塑料结构件 金属、塑料件导光板线路板灯具结构件塑料件背光显示板金属、塑料结构件 线路板金属、塑料件线路板电源变换器导光板、管LED的性能、特点：亮度高、寿命长：80100lm/w、25万小时低功耗节能省电：低电压、低电流色域宽色彩丰富：涵盖全部光波段、白色 光色纯光束集中：单色性好、发散角小响应快网络控制：可瞬时反复开关、智能调控体积小安全可靠：结构紧凑、固态抗冲击无污染绿色环保：无汞、气、玻璃、无红外、紫外辐射。 世界各国

8、的半导体照明计划 国家立项时间项目名称项目预期目标预计效益美国2000年 国家半导体照明计划 2010年白光LED100lm/w,2020年200ml/w每年节省350亿美元电费，每年减少7.55亿吨CO2，形成500亿美元的大产业 日本 1998年 21世纪光计划 2010年白光LED110lm/w可减少1座核电厂发电量，每年节省10亿公升以上的原油消耗 欧洲 2000年彩虹计划 通过欧共体的补助金推广LED的应用 通过应用半导体照明实现高效、节能、不使用有害环境的材料、模拟自然光的目标韩国2004年 固态照明计划 预期2010年达到120lm/W 中国台湾 2001年 次世纪照明光源开发计

9、划 2005年白光LED40lm/w(实际达到47lm/w)每年可节省110亿千瓦时，相当于一座核电厂发电量 中国大陆 2003年 国家半导体照明工程 2010年白光LED100lm/w (130lm/w)建立半导体照明产业，全面进入通用照明市场占有30%的市场份额，实现节电30%以上，年照明节电1000亿千瓦时以上。 美国半导体照明光源发展目标：技术SSL-LED 2002SSL-LED 2007SSL-LED 2012SSL-LED 2020白炽灯荧光灯发光效率（lm/W)25751502001685寿命（KHr)2020100100110光通量（lm) 25200100015001200

10、3400输入功率（W)12.76.77.57540光通量造价（$/klm)20020520.41.5照明成本（$）54580809575照明市场替代情况小功率、低光通量市场白炽灯荧光灯全部 国际LED产业发展趋势1、加快高端技术研发，抢占半导体照明制高点2、技术创新与开发速度加快发展趋势3、市场快速成长，新的应用领域不断涌现4、产业链中成熟技术逐渐向成本低的地区转移5、跨国公司加强战略联盟，通过专利授权等手段垄断高端市场（一）、LED芯片大厂的技术竞争1、Cree 量产：114 lm/W，效率：430 mw/W 实验室：150 lm/W，单颗：4A，1000 lm2、Nichia 量产100

11、lm/W，实验室：191 lm/W 3、Philips （Lumileds） 量产：112 lm/W，单颗：1A，220 lm 热阻：5.5 C/W，1.4A，250 lm4、中村修二 白光：129 lm/W，预计2015年达到150 lm/W LED技术的发展（二）、不同色温的白光LED比较1.Cree 5000-10000K 3700-5000K 2600-3700K 101lm/W 84lm/W 78lm/W CRI=93 ? ? 2.Nichia 5500K 4200K 3500K 2800 K 100lm/W 86lm/W 80lm/W 74lm/W CRI=92 65lm/W 60

12、lm/W 55lm/W AC LED不用其他驱动电源直接用交流驱动驱动电压宽：100V到240V超宽供电范围设计寿命：35000小时以上工作频率：50/60 太阳能光伏与LED的完美结合太阳能电池是光电半导体转换器件LED是电光半导体转换器件LED和太阳能电池都是低电压、低电流、直流，两者结合是最科学、最合理的匹配。太阳能光伏（PV）（一）、太阳能光伏的原理（二）、太阳能电池的分类 太阳能电池硅化合物晶体非晶体单晶多晶薄膜式多晶铟硒铜、碲化镉砷化镓、磷化铟单结晶体电池CSiGeAsInP24.725.121.9多结晶体薄膜单结GaInP/GaAs/Ge叠层CdTeCIGS31.016.518.

13、9薄膜多结光电化学a-Si/a-SiGe叠层染料敏化TiO213.511.0聚光电池有机电池点接触硅PC电池（100X）酞菁铜/C60双层电池28.33.6已报道最高电池效率（Green等，Sinton等）柔性衬底薄膜太阳电池 柔性太阳电池主要涉及非晶硅（a-Si:H）、铜铟镓硒（Cu（In、Ga）Se2，CIGS）和碲化镉（CdTe）光伏电池和集成组件 与平板式晶体硅、玻璃衬底的薄膜电池等硬衬底电池相比，其最大的特点是重量轻，可折叠，不易破碎，并具有较高的质量比功率（500W/kg）便于艺术造型。柔性太阳能材料特点耐高温重量轻柔韧可弯曲 持久耐用耐遮影无玻璃柔性太阳能电池板普通玻璃封装太阳能

14、电池板31太阳能在发电、路灯照明和市政交通等方面的应用： 太阳能与LED的结合厦门市筼筜湖560盏太阳能LED庭院灯项目LED的应用标 识显 示照 明警示标记识别文字图像显示屏特种照明背光源汽车照明夜景照明普通照明LED的应用全色显示交通灯手机汽车面板和照明LED 光源LCD背光源色彩效果对比： LED的广泛应用 建筑物照明 奥运水立方，使用Cree公司49.6万只1W XLamp LED发出变幻迷人的光彩。奥运效益带动LED应用于未来建筑景观照明，2010年中国高亮度LED建筑景观照明市场规模将达200亿元人民币，LED成为地方形象发展之朝阳产业。 LED夜景工程 中小尺寸LED背光源市场渗

15、透大幅提升 710寸面板用LED背光源成本接近于CCFL，预估2008年710寸LED背光源市场渗透率将由50%跃升至64%左右，整体白光LED需求达10.54亿颗。 LED NB背光源 LED NB有3大优势： 、较传统CCFL厚度减少约1/2； 、可节省2030%电力； 、与传统CCFL价差拉近。全球白光LED NB渗透率约8%。未来预估15寸以下产品将大幅使用LED背光源。预计2012年90用LED NB背光源。商用照明商业照明应用： 、广范的商品照明，如条状照明灯； 、重点式商品照明，如化妆品展示灯或珠宝聚光灯等。LED商业照明可广泛用于超市、银行、连锁店、机场、火车站、隧道、地铁站与

16、展览场所等。由于商业使用照明的时间较长，将较一般住家照明容易推广与使用。 LED汽车应用2008车内灯预计占车用LED市场40%、煞车灯占32% 。 三大奥运激LED广告牌需求 LED招牌广告牌 LED较传统霓虹灯比较有安装、环保、节电，取代传统霓虹灯成为招牌广告牌之主。 LED显示广告牌 LED显示广告牌是奥运亮点，推动显示广告牌2010达120亿人民币。 全球可视化与显示解决方案大型LED显示屏幕亮相上海体育场。（面积达391平方米 ）2007年12月27日，全彩高清LED显示系统在五棵松奥运篮球馆安装完毕，净高9.042米，最大直径约为11米，重22吨。 LED照明光源的应用数字化色光技

17、术及应用产品 舞台灯、水下变色灯、医疗用灯等；特种照明场所 低温度照明场所：冷库、冷柜、冰箱； 应急照明； 户内外广告照明； 低照度照明：草坪灯、庭院灯、廊灯、门牌灯；普通照明 便携式照明； 阅读照明：飞机、汽车、台灯； 室内照明：高度4m以下，同时对光效、色温、显色 性都有要求；道路照明 要求：低色温：3000K左右； 总光通量：10.5m宽次干路15 lx照度，要求光源总 光通量25000 lm以上（灯具效率70）。国际照明大厂的扩充整并 近期国际大厂扩充策略：上下游供应链整合、企业与企业间的交叉授权、新产品开发、扩充产品应用与建立产业交流平台等，借此巩固在LED照明产业的地位。 荷商Ph

18、ilips为LED照明领导厂商 Philips收购Lumileds股权，掌握LED高功率芯片的来源；2007年2月以7.04亿美元完成收购欧洲家用照明设备制造商Partners in Lighting International；2007年3月以7500万美元收购加拿大白光LED制造商TIR Systems；2007年8月以6.88亿美元完成对北美LED制造商Color Kinetics的收购案；2007年11月再度以27亿美元收购北美灯具大厂Genlyte。 2007年底Seoul Semiconductor与Osram签署交叉授权并计划推出新高亮度LED产品 Osram与Toyoda Go

19、sei签订专利相互使用 Cree并购华刚于08年2月完成 2006年我国光源和照明有一万多家企业，产值达1600亿元人民币，为全国GDP的1。全球该领域营业额1600亿美元,我国出口100亿美元. 2006年产值：Philips 60亿欧元， OSRAM 42亿欧元 GE 28亿欧元 Matsushita Toshiba Iwasaki 等 35亿欧元三、辐射度学基础辐射度学是研究电磁辐射能测量理论和方法的一门科学，主要包括辐射量、立体角等物理量。 立体角 在辐射度学和光度学中，常涉及某一辐射源向三维空间的各个方向发射辐射通量的问题，因此角度量须采用立体角，以 表示。设在圆球表面上切出一小圆面

20、积S，圆球半径为r，则立体角定义为 如果圆球表面上的小面积S等于圆球半径的平方时，则该小面积S所对应的立体角为一单位立体角，称为球面度（steradian)，以符号sr表示 在一般情况下，当立体角不太大时，可用顶点为O的圆锥的平底面积代替该圆锥所截出的球面积，以近似计算立体角的球面度。由图21可得 图2-1 立体角的定义辐射度量 辐射能（radiant energy）辐射能密度（radiant energy density） 辐射能量（radiant flux）辐射强度（radiant intensity）辐射通量面密度 辐射亮度（radiance）辐射能（radiant energy） 辐射

21、能是以辐射形式发射、传播或接收的能量，单位为J（焦耳）。当辐射能被其它物质吸收时，可以转变为其它形式的能量，如热能、电能等等。辐射能密度（radiant energy density） 辐射能密度是体积元内的辐射能除以相应的体积元，单位是 (焦耳每立方米)。辐射能量（radiant flux） 辐射能量又称为辐射功率 ，是以辐射形式发射、传播或接收的功率，单位为 W（瓦），即1W1J/s（焦耳每秒）。 若以t表示时间，辐射能量的定义式为 辐射强度（radiant intensity） 辐射强度定义为在给定方向上的立体角元内，离开点辐射源（或辐射源面元）的辐射能量 ，除以该立体角 。即为 单位为

22、W/sr （瓦每球面度）辐射通量面密度（radiant flux(surface) density） 辐射源面上一点处的辐射能量面密度为包含这点的面元上的辐射能量除以该面元面积。 辐射源的辐射能量面密度有两种情况：辐射出射度（radiant exitance） 辐射出射度为离开辐射源表面一点处的面元的辐射能量 除以该面元面积 ，即 单位为 （瓦每平方米）。 辐射出射度在数值上等于单位面积辐射源所发射的辐射能量。辐射照度（irradiance） 在辐射接收面上一点的辐射照度等于照射在包括该点的一个面元上的辐射量 除以该面元的面积 即 单位为 （瓦每平方米） 辐射出射度 与辐射照度 的表达式和单位

23、完全相同，其区别仅在于: 前者是描写面辐射源向外发射的辐射特性 后者则为描述辐射接收面所接收的辐射特性。辐射亮度（radiance） 辐射亮度定义为光源在垂直其辐射传输方向上单位表面积单位立体角内发出的辐射能量，即 单位为 （瓦每球面度平方米） 光辐射探测器光辐射量的测量通常采用各种探测器把光辐射能变换成一种可测的量人眼是一种极好的光辐射探测器由于人眼瞳孔的调节、亮暗适应等一系列生理特点，很难用作光度量绝对量的测量，只能作为光度比较测量时高灵敏度的光度平衡判别器。常见光辐射探测器的分类光辐射探测器 光电探测器 热探测器外光电效应无放大作用有放大作用真空光电管充气光电管光电倍增管充气光电管内光电

24、效应光伏型无放大作用有放大作用光电池光电二极管双光电二极管光电三极管光电场 效应管光电开关管光电雪崩二极管光导型本征光导探测器光敏电阻光导探测器杂质光导探测器N型/P型光导探测器测辐射热计热电偶热电堆热释电探测器气动光导探测器高莱探测器四、人眼的视觉特性4.1人眼的构造角膜 11mm1mm虹膜瞳 28mm晶体 9mm 厚度3.6mm4.4mm玻璃体 18mm左右中心凹黄斑 2mm3mm 锥体细胞密集区盲点，距黄斑4mm视 网 膜锥体细胞 26um,长40um， 650700万个杆体细胞 24um, 长60um, 1.2亿个双极细胞神经节细胞中心凹3视角内，只有锥体细胞中心凹20视角，杆体细胞最

25、多锥体细胞与杆体细胞的分布0.0069mm2面积上的细胞数量24002000160012008004000100 80 60 40 20 0 20 40 60 80鼻侧 中央窝 耳侧盲点区杆体细胞锥体细胞视神经传导系统细胞第一级神经元(双极细胞)锥体杆体第二级神经元(神经节细胞)视神经视交叉 视束第三级神经元 视辐射枕叶视区光线眼球大脑视觉脑科学视觉由眼睛开始资料来源：陈忠教授视觉通路资料来源：陈忠教授 10-36 10-17A BA：颜色知觉激活图（V4） B：运动知觉激活图（MT+）资料来源：陈忠教授4.2 人眼的视觉功能视觉功能BECDA察觉认别(成像) 辨认细节调节适应 控制光大小、瞳

26、孔 2- 8mm人眼的适应性 角膜调节2/3、晶状体调节1/3锥体细胞、杆体细胞 神经节下丘脑脑垂体褪黑激素 闭眼、眨眼、防强光、冲击光学调节(聚焦)光 度 调 节灵敏度调节生物钟调节防止伤害调节4.3 人眼视觉特性（一）分辨率： 衍射极限 锥体细胞大小1.5-2 m 人眼的波像差、波色差决定，平均约0.7视力：分辨率1，视力为1.0 ; 分辨率30, 视力为2.0视场（视野）水平:内侧60、外侧100 垂直:向上70、向下50 2内 特清晰 2内 最清晰 10内 有效视场 20内 工作范围 40以外 无色彩感、分辨率低人眼分辨力与视角的关系70605040 3020100 102030405

27、01.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10分辨率视 角 人眼能区别两发光点的最小角距离称为极限分辨角 ，其倒数则为眼睛的分辨力，或称为视觉锐度。分辨角随照度变化 照度/lx 分辨角/() 照度/lx 分辨角/()0.0001500.52.00.0053011.50.0011751.20.00511100.90.01091000.80.05045000.70.100310000.7人眼对不同形状的高对比度目标的分辨力 亮线(宽度)亮圆斑(直径) 暗线(宽度)暗圆斑(直径)等间隔的亮暗条纹(间隔)游标移动(移动量)蓝道环视力表发现10130130252分辨11301识别251

28、目标视觉人眼视觉特性（二）响应速度：0.1秒为视觉残留时间(正后像暂留)0.1秒10秒响应视见度高2秒3秒视觉辩认最好最大临界闪烁频率50 Hz100 Hz以下闪频时对眼睛有害?8-15Hz对危害最大紫外光有害、强兰光有害、强光、眩光有害。人眼的色差与像差人眼有球差、慧差、像散等高级像差和色差（五级、七级）空间像调制曲线（AIM）波前像差测量系统波色差测量什么是眼波像差？无像差的眼有像差的眼 波像差随调焦的变化（从0D到-4D) 0D到-2D：多数眼波像差下降 -2D到-4D：多数像差上升多数眼波像差变化很大（1、2、7、9、10、12、17、20）少数变化较小（3、5、8、11、18）人眼观察不同距离物体时波像差的变化资料来源:母国光院士新一代视觉工程研究成果个体眼光学波像差的色差 8只眼在12个波长的波像差离焦随波长的变化大，平均变化量2.15D 像散随波长的变化相对小，最大为0.06 D球差随波长的变化大，最大从0.12到0.21 m慧差随波长的变化相对小，平缓（0.03 m）三叶草随波长的变化相对小，平缓（0.03