LED照明与光色测量基础知识

    1、前言　　　　发光二极管（ＬＥＤ）作为新兴的发光体，具有电光效率高、体积小、寿命长、电压低、节能环保等优点，是新一代照明的首选器件。ＬＥＤ的发展受到国内外的普遍关注，新产品、新技术层出不穷。近年来，ＬＥＤ产业发展迅速，光效不断增加，亮度不断提高。如今，ＬＥＤ已经在众多场合得到大量应用，尤其是白光ＬＥＤ技术的不断进步，使其在照明领域的应用也逐渐普及。LED产业的发展如图1所示。　　　　2、ＬＥＤ的工作原理　　　　发光二极管（ＬＥＤ）是一种能把电能转化为光能的固体器件，它的结构主要由ＰＮ结芯片、电极和光学等系统组成。ＬＥＤ的基本工作原理是一个电光转换的过程，当一个正向偏压施加于ＰＮ结两端，由于ＰＮ结势垒的降低，Ｐ区的正电荷将向Ｎ区扩散，Ｎ区的电子也向Ｐ区扩散，同时在两个区域形成非平衡电荷的积累。由于电流注入产生的少数载流子相对不稳定，对于ＰＮ结系统，注入到价带中的非平衡空穴要与导带中的电子复合，其中多余的能量将以光的形式向外辐射，电子和空穴的能量差越大，产生的光子能量就越高。能量级差大小不同，产生光的频率和波长就不同，相应的光的颜色就会不同。LED工作原理如图2所示。　　　　3、ＬＥＤ的光参数　　　　3.1光通量　　　　光通量是光源在单位时间内发出的光量，即辐射功率（或辐射通量）能够被人眼视觉系统所感受到的那部分有效当量。光通量的符号为Φ，单位为流明（Lｍ）。　　　　根据光谱辐射通量Φ（λ），由下式可确定光通量：　　　　Φ=Km■Φ（λ）gV（λ）dλ　　　　式中，Ｖ（λ）—相对光谱光视效率；　　　　Km—辐射的光谱光视效能的最大值，单位为Lｍ/Ｗ。１９７７年由国际计量委员会确定Km值为６８３Lm/W（λｍ＝５５５ｎｍ）.　　　　3.2光强度　　　　光源在给定方向上的发光强度I是该光源在该方向的立体角元内传输的光通量ｄΦ除以该立体角元ｄΩ之商，即：　　　　I=■　　　　发光强度的单位是坎德拉（ｃｄ），１ｃｄ＝１Lｍ/１ｓｒ。空间各个方向的光强之和就是光通量。　　　　3.3光亮度　　　　光源发光表面上某一点处的亮度L，是该面元ｄＳ在给定方向上的发光强度除以该面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积之商，即：　　　　L=■　　　　单位为坎德拉每平方米（ｃｄ/ｍ２）。当发光表面与测量方向垂直时，则ｃｏｓθ＝１。　　　　3.4光照度　　　　表面上一点的照度E是入射在包含该点面元上的光通量ｄΦ除以该面元面积ｄＳ之商。即：　　　　E=■　　　　单位为勒克斯（Lｘ），１Lｘ＝１Lｍ/ｍ２。　　　　3.5其他参数　　　　LED的光参数还包括：光谱、色品坐标、主波长和色纯度、色温和相关色温、显色性和显色指数等。　　　　4ＬＥＤ光色测量的必要性　　　　4.1避免危害　　　　ＬＥＤ与传统的照明灯不同，它具有点光源、高亮度、窄光束输出等特点。当ＬＥＤ应用于照明器具时，如果对出光角不加以严格的控制就会产生强烈的眩光，某些高亮度ＬＥＤ产品甚至会对人体造成光辐射危害。光色测量可为ＬＥＤ的安全使用提供指导。　　　　4.2促进ＬＥＤ产业的发展　　　　ＬＥＤ的光色测量能提供大量的实验数据，可作为判定ＬＥＤ产品合格与否的标准，并可为改进ＬＥＤ的设计、制造提供依据。　　　　5ＬＥＤ的光色测量方法　　　　5.1光通量的测量　　　　5.1.1积分法　　　　测得ＬＥＤ在各个方向的光强，然后对这些光强值进行计算，从而得到ＬＥＤ的总光通量（如图3所示）。　　　　5.1.2积分球法　　　　积分球又称为光通球，是一个中空的完整球壳。内壁涂白色漫反射层，且球内壁各点漫射均匀。光源在球壁上任意一点上产生的光照度是由多次反射光产生的光照度叠加而成的。由积分学原理可知，球面上任意一点的光照度为与光源光通量成正比，因此可利用已知光通量的标准灯与被测灯进行比较得到被测灯的光通量，如图4（a）所示。　　　　但是由于标准灯与被测灯的物理结构以及性质的不同（如吸收），在利用积分球法测试光通量时需要对测试结果进行修正，可采用辅助灯的方法，如图4（b）所示。

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