LED光学基础知识.课件

LED光学基础知识照明原理及技术

照明技术就如同其它任何技术和科学学科一样，有其专有之术语。此些特殊用语及观念被用来定义灯及灯具之特性并将测量单位统一化。以下为一些重要之照明用语及概念。光谱(Spectrum)光线依波长大小顺序之分布称为光谱。每种光源都可以依其波长组成而在光谱图上显示出其光谱能量分布图(PowerSpectrumDistribution)。太阳光及白炽灯泡之光谱能量分布为连续曲线，而一般电灯为非连续曲线。若自然光通过绫镜照射在光屏上，则可分成紫、蓝、深蓝、绿、黄绿、黄、橙、红等类似彩虹颜色的光，这种条纹图案称为可见光线的光谱或分光，他直观反映了可见光线的光色成分。光谱图是记录光源在不同波长，发光能量的图形。不可见光(InvisibleLight)相对于可见光，波长在360到830nm以外的电磁辐射称为不可见光。波长小于360nm的电磁波最为一般人了解的是紫外线，其它还有x射线、r射线、宇宙线；大于780nm的电磁辐射则有红外线及无线电波等。可视光

1.电磁波短的波长100nm~380nm的光叫做紫外线，电磁波的波长780nm~3000nm的光叫做红外线，而波长在380nm~780nm之间电磁波的光是眼睛感觉得到的光，这一部份的光称为可视光。2.可视光从波长短的到波长长的方向，是由紫色、蓝色、绿色、黄色、橙色、到红色，比可视光更短的电磁波为紫外线有杀菌之效果，此外更长的电磁波为红外线有加热之效果，紫外线与红外线是眼睛看不见的但在人体、生物或工业领域或应用范围很广泛。光色(Lightcolor)

一个灯的光色可以简单的以色温来表示。光色主要可分成三大类：

暖色：<3300K

中间色：3300至5000K

昼光色：>5000K

即使光色相同，灯种间也可能因为其发出光线光谱组成不同而有很大的演色性表现差异。色温(Co1orTemperature)单位：绝对温度(Kelvin,K)一个光源之色温被定义为与其具有相同光色之"标准黑体(blackbodyradiator)"本身之绝对温度值，此温度可以在色度图上之普朗克轨迹上找到其对应点。标准黑体之温度越高,其辐射出之光线光谱中蓝色成份越多,红色成份也就相对的越少。以发出光色为暖白色之普通白热灯泡为例，其色温为2700K，而昼光色日光灯之色温为6000K。色温是表示光源光色的尺度，表示单位是ｋ（ｋｅｌｖｉｎ）。

蜡烛、白热灯泡、荧光灯等都是我们日常生活中经常接触的各种光源的光。而清晨、正午所看到的太阳光的色调也都各有不同。色温乃是用物理性、客观性的尺度来表现光源的色调；是决定照明场所气氛的重要因素。东亚日光灯光源色区分昼光色昼白色白色灯泡色一般型灯管代号DCW(N)WL太阳神灯管代号D-EXN-EXW-EXL-EX参考色温Ｋ7100~57005400~46004500~39003150~2600环境气氛清凉自然光色自然光色温暖一般色来说色温低的话，会带有橘色，表示具有暖意的光；随着色温变高，就变成如正午太阳一般为带有白色的光；当再变高时则

变成带有蓝、清爽的光。色度图

1931国际照明委员会（CIE）色度图显示了颜色之间的关系。色度图是建立在人眼视网膜上有三种不同的颜色感应细胞的基础上。相应每种细胞的不同响应，每种颜色可以用三个色度参量（X，Y，Z）来表示。又由于理论上任何颜色都可以用三基色混合而成，用归一化的色坐标（x，y，z）表示这三种基色所占的份量，x+y+z=100%，z由（x，y）确定，因此任何颜色都可以用（x，y）色度图上的点来表示。CIE1931色度图(chromaticitydiagram)平均演色评价指数（Ra的数值）

在某种光源照明下见到的各种色彩和用标准照明完全相同时，将此灯的平均演色评价指数（Ra）定为100。但是，Ra是表示色彩再现保真度的指数，而并不表示色彩的优劣。因此，有时即使Ra低，产生色差，而也能见到很好的色彩。但如人的脸，有时即使有一点点的色差，也会感到不自然，给人不健康的感觉。平均演色评价指数Ra低，并不能说这种灯的实用价值低。

一般，若平均演色评价指数Ra80以上，就基本上可以满足色彩视度要求较高的照明要求。

主要光源的平均演色性评价数(Ra)日光灯三波长80日光灯白色65日光灯昼光色69色评价用99水银灯泡40高演色性复金属灯90复金属灯65高演色性钠光灯53钠光灯25卤素灯泡100灯泡100平均演色评价指数（Ra）的概念表示光源的演色性程度即色的色视度优劣的代表指数称为平均演色性指数（Ra）。平均演色评价指数（Ra）表示：对于用标准光（规定为基准的光）看见的各种色彩，在分别用各种类光源照明时的各色彩在现的保真程度。照度(Illuminance,E)光强度(luminousintensity,I)光源在某一方向立体角内之光通量大小。单位：坎德拉(candela,cd)一般而言，光源会向不同方向以不同之强度放射出其光通量。在特定方向所放出之可见光辐射强度称为光强度。单位：勒克斯(Lux,lx)照度是光通量与被照面之比值。1lux之照度为1lumen之光通量均匀分布在面积为一平方米之区域。照度分布图(Polardiagram)发光效率(Luminousefficacy,η)单位：流明每瓦[lm/W]代表光源将所消耗之电能转换成光之效率光源消耗电功率每瓦特(W)所输出的光束值称为光源效率。每一消耗电力输出的光源愈多，就表示光源效率愈高，亦即愈省电，发光效率依功率大小、种类、使用状况而异。图为一般常用光源效率比较表：燈效率的差異不同種類的燈效率如所示，光源種類光源效率（lm）白熾燈13.5~22石英鹵素燈

13.5~30螢光水銀燈

35~63日光燈30~105複金屬水銀燈63~115高壓鈉氣燈40~155低壓鈉氣燈130~180作為白色光源的燈中，高壓鈉光燈的效率最高。另外，在燈的輔射能中，可見光的比例越高，效率越高。而且，在可見光中黃綠系的光能量越多也越明亮，效率也越高。燈的效率高低是選擇燈的基準之一，而根據使用目的往往需要選定演色性高的燈或容易進行配光控制的燈。白熾燈泡(Incandescentlamp)白熾燈泡為最早成熟的人工電光源，它是利用燈絲通電發熱發光的原理發光。一般而言，白熾燈泡的發光效率較低，壽命也較短，但使用上較方便。氣體放電燈(Gasdischargelamp)此類光源之發光原理為其兩電極間之氣體受電子激發而發光。又可分為低壓氣體放電燈，如日光燈.高壓氣體放電燈，如水銀燈、高壓鈉氣燈及複金屬燈。發光二極體(LED)發光二極體為特殊材質製成之P-N二極體。在順向偏壓下，電子在接合面流動時，會在再結合而消滅的過程中發光,體積小、發光效率原不高，但近年來發展迅速，適用場合已推廣到交通信號燈、指示燈，甚至也適用於一些特殊場合之照明用途。燈具效率(Luminaireefficiency)燈具效率(又稱燈具光輸出比)是用來評估燈具之能源效率的一項重要標準，其值是將裝有光源的燈具所發出之光通量除以所裝光源本身所發出光通量所得之商值。專有名詞光源有許多專有名詞，現列出常用名詞給一般大家參考。名稱英文名稱單位

說明

光束LuminousFlux流明Lm光源每秒種所發出的量之總和，簡單說就是發光量。光度

LuminousIntensity燭光

Cd光的強度，在某一特定方向角內所放射光的量。照度

Lux勒克斯/m2單位面積內所射入光的量，也就是光束除以面積(m2)所得到的值，用來表示某一場所的明亮值。輝度

LuminanceNtCd/m2從某一方向所看到物體反射光線的強度。也就是說單位面積對某一方向反射的光之強度。照度是表示單位面積內入射光的量。輝度則是表示眼睛從某一方向所看到物體的反射光的強度。

重要之測光公式：I,光強度[cd]=立體角內之光通量/立體角Ω[sr]E,照度[lx]=落在某面積上之光通量[lm]/此被照面面積[㎡]=光強度[cd]/(距離[m])2L,輝度[cd/㎡]=光強度[cd]/所見之被照面面積[㎡]η發光效率[lm/W]=所產生之光通量[lm]/消耗電功率[W]全固體白光發光二極體（W-LED）特性1996年日本日亞化學工業株式會社(Nichia)發表利用藍光LED(LightEmittingDiode；發光二極體)塗上黃色螢光粉(YAG)激發產生人眼可見的白光LED後，白光LED正式進入商業化，並使該公司在全球白光LED市場佔率高達70％，由於白光LED具有省電、環保、壽命長等優點，可廣泛運用於通訊、電子、汽車、光電顯示等產業，亦將逐漸取代傳統照明設備，因此可望成為未來照明市場的耀眼明星。而台灣則在業者積極擴產下，2003年下半藍光LED晶粒產能，已超越日本成為世界第一，而產值則僅次於日本為世界第二，因此在台灣業者挾著完整LED產業體系，量產及降低成本能力之優勢下，加上億光（2393）及光寶科技（2301）陸續取得德國歐司朗（Osram）的授權，已正式朝白光LED進軍，未來台灣廠商在白光LED的表現值得令人拭目以待。作為照明光源，全固體白光發光二極體(W-LED)具有體積小、壽命長等優點，而且，與白熾燈相比，後者的輻射主要集中在紅外區，產生大量熱量，W-LED則是一種冷光源，輻射主要集中在可見光區，幾乎不產生熱，也消除了非可見光區電磁波對人體的危害；與螢光燈相比，W-LED的製造與使用過程都不會引入汞的污染，與疊有許多線狀光譜的螢光燈光譜，W-LED的連續光譜更接近自然光；此外，由於使用低於5V的直流電源，W-LED不會有50Hz的閃爍現象；由於燈體封裝在樹脂中，W-LED對震動等因素不敏感，比燈絲或燈管對環境的適應性更高。基於LED的種種優點，它將能取代部分難以更換或昂貴的發光設備，比如目前已開始應用在交通照明以及背景光照明等，甚至在醫學上，W-LED被用於內窺鏡的照明，使無引線內窺鏡得以實現。近年來，隨著氣相外延生長的化合物半導體薄膜技術的改進，特別LED/LCD/2006SpectrometerCIE（x,y）色度圖，其中E代表純白色，X代表W-LED的顏色

上圖中E是概念中的純白色，座標為（0.33,0.33）。作為色彩混合的一個例子，白光可以用若干方法得到。它可以是可見光區的連續光譜，如日光、白熾燈的黑體輻射，也可以是由若干光譜色合成，如汞燈的線狀光譜。這裏的W-LED所發出的白光是由InGaN/GaN藍光LED的藍光與YAG螢光粉發出的黃光合成，色座標（0.31,0.38）接近純白色點。LED基片發出的藍光部分被螢光粉吸收，另一部分藍光與螢光粉發出的黃光混合，可以得到得白光。之所以採用這種方法，是因為這樣得到的白光均勻穩定，與紅綠藍三基色白光等相比，更接近自然日光。W-LED的xy色座標為(0.31,0.38)。根據相關色溫公式(McCamy，1992)：

T=-437n3+3601n2-6861n+5514.31

n=(x-0.3320)/(y-0.1858)

可知其色溫為6400K。調節螢光粉的含量，色溫可以在5000～20000K間變化。通過對標準檢測色的還原程度計算，W-LED的顯色指數多在70左右。發光亮度通常是1cd，個別達到2cd，甚至3cd以上。發光光譜是由一個寬頻和一個窄帶組成，峰值分別在460nm(藍光LED發射峰)與550nm的寬頻譜（YAG的發射峰）。光譜能量分佈集中在可見光區，包含了從藍到紅的全可見波長。

W-