光学基础知识及LED基本理论
第一部分LED基本理论知识
（一）LED发光原理
发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ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。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）复合而发光，如图1所示。
图1
假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。
理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Ｅg有关，即
λ≈1240/Eg（mm）
式中Eg的单位为电子伏特（eV）。若能产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV之间。比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管，但其中蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍。
（二）LED的特性
1．极限参数的意义
（1）允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED发热、损坏。
（2）最大正向直流电流IFm：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。
（3）最大反向电压VRm：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。
（4）工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。
2．电参数的意义
（1）光谱分布和峰值波长：某一个发光二极管所发之光并非单一波长，其波长大体按图2所示。
图2
由图可见，该发光管所发之光中某一波长λ0的光强最大，该波长为峰值波长。
（2）发光强度IV：发光二极管的发光强度通常是指法线（对圆柱形发光管是指其轴线）方向上的发光强度。若在该方向上辐射强度为（1/683）W/sr时，则发光1坎德拉（符号为cd）。由于一般LED的发光二强度小，所以发光强度常用坎德拉(mcd)作单位。
（3）光谱半宽度Δλ:它表示发光管的光谱纯度.是指图3中1/2峰值光强所对应两波长之间隔.
（4）半值角θ1/2和视角：θ1/2是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向（法向）的夹角。
半值角的2倍为视角（或称半功率角）。
图3给出的二只不同型号发光二极管发光强度角分布的情况。中垂线（法线）AO的坐标为相对发光强度（即发光强度与最大发光强度的之比）。显然，法线方向上的相对发光强度为1，离开法线方向的角度越大，相对发光强度越小。由此图可以得到半值角或视角值。
（5）正向工作电流If：它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。在实际使用中应根据需要选择IF在0.6·IFm以下。
（6）正向工作电压VF：参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。一般是在IF=20mA 时测得的。发光二极管正向工作电压VF在1.4～3V。在外界温度升高时，VF将下降。
（7）V-I特性：发光二极管的电压与电流的关系可用图4表示。
在正向电压正小于某一值（叫阈值）时，电流极小，不发光。当电压超过某一值后，正向电流随电压迅速增加，发光。由V-I曲线可以得出发光管的正向电压，反向电流及反向电压等参数。正向的发光管反向漏电流IR<10μA以下。
（三）LED的优点与缺点
LED的优点：
1.电压：LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。
2.效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80%。
3.适用性：很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境。
4.稳定性：10万小时，光衰为初始的50%。
5.响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级。
6.对环境污染：无有害金属汞。
7.颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色 发光。如小电流时为红色的LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色。
8.价格：LED的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只LED的价格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由上300～500只二极管构成
LED的缺点：
1、每瓦的流明成本高.
2、光效还没有荧光灯或HID高.
3、需要驱动器驱动(不如白灯简单)
家用照明灯发光效率和平均寿命的比较:
（四）LED的基本结构、及分类
1、LED的结构
LED的封装结构如下图：
2、LED的分类
2.1、按发光管发光颜色分
按发光管发光颜色分，可分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等。另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。
根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型发光二极管和达于做指示灯用。
2.2．按发光管出光面特征分
按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。国外通常把φ3mm的发光二极管记作T-1；把φ5mm的记作T-1（3/4）；把φ4.4mm的记作T-1（1/4）。
由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。从发光强度角分布图来分有三类：
（1）高指向性。一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。半值角为5°～20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。
（2）标准型。通常作指示灯用，其半值角为20°～45°。
（3）散射型。这是视角较大的指示灯，半值角为45°～90°或更大，散射剂的量较大。
2.3．按发光二极管的结构分
按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。
2.4．按发光强度和工作电流分
按发光强度和工作电流分有普通亮度的LED（发光强度<10mcd）；超高亮度的LED（发光强度>100mcd）；把发光强度在10～100mcd间的叫高亮度发光二极管。
一般LED的工作电流在十几mA至几十mA，而低电流LED的工作电流在2mA以下（亮度与普通发光管相同）
除上述分类方法外，还有按芯片材料分类及按功能分类的方法。
第二部分 照明相关的光学常识
一、光与电磁波：
光是一种电磁波，它具有电磁波的特性。光波在整个电磁波谱中只站很小的一部分（见图1.1）。速度为：30×10000 km/s，波长为780～380nm（纳米）。1纳米=10的-9次方米
三、照明相关的光学单位及术语： （一）光的基本单位
1、光通量----光源发射并被人的眼睛接收的能量之和即为光通量。单位：流明（lm）,符号 Φ,。一般情况下，同类型的灯的功率越高，光通量也越大。（说明 发光体每秒种所发出的光量之总和，即光通量）
2、光强----一般来讲，光线都是向不同方向发射的，并且强度各异。光源在某一特定方向角内发射的光通量就叫做光强。单位：坎德拉（cd）。（说明 发光体在特定方向单位立体角内所发射的光通量）
3、照度----单位被照面上接收到的光通量称为照度。如果每平方米被照面上接收到的光通量为1（lm），则照度为1(lx)。单位：勒克斯（lx）。1勒克斯（lx）相当于每平方米被照面上光通量为1流明（lm）时的照度。夏季阳光强烈的中午地面照度约5000 lx，冬天晴天时地面照度约2000 lx，晴朗的月夜地面照度约0.2 lx。（说明发光体照射在被照物体单位面积上的光通量）
4、亮度----亮度是表示眼睛从某一方向所看到物体反射光的强度。单位：坎德拉/平方米（cd/m2）。（说明 发光体在特定方向单位立体角单位面积内的光通量）
（二）术语
1、绿色照明----通过科学的照明设计，采用效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明器产品，最终达到高效、舒适、安全、经济、有益于环境和改善人们身心健康并体现现代化文明的照明系统。
2、节能灯----指消耗较少的电能而达到较高的光照效果的照明产品，如荧光灯、环型灯、直管型荧光灯、紧凑型荧光灯、LED灯等。
3、光通维持率----灯在规定的条件下燃点，灯在寿命期间内一特定时间的光通量与该灯的初始光通量之比，以百分数来表示。
国标要求：2000h不小于78%。
国外先进水平：2000h不小于90%。
美国能源之星：40%额定寿命时不小于80%。
国内水平：注重质量的企业，并采用保护膜工艺，基本都能达到国标。
4、功率因数----交流电路中电压有效值与电流有效值的乘积为视在功率，而有功功率只是其中的一部分。功率因数是灯管的有功功率与视在功率之比。
功率因数低，则电流中的谐波含量越高，对电网产生污染，破坏电网的平衡度，无功损耗增加
5、显色指数----衡量光源显现实照物体真实颜色能力的参数。显色指数（0-100）高的光源对颜色的再现越接近自然原色。显色指数低导致颜色失真。以下是常用灯种的显色指数：
白炽灯： >95 管型荧光灯：65-80
三基色稀土荧光灯：80左右 高压钠灯： 25-60
金卤灯： 70-90
6、显色性：光源对于物体颜色呈现的程度称为显色性，也就是颜色逼真的程度，是通过与同色温的参考或基准光源（太阳光）下物体外观颜色的比较。显色性高的光源对颜色的表现较好，我们所看到的颜色也就较接近自然原色，显色性低的光源对颜色的表现较差，我们所看到的颜色偏差也较大。
显色分两种：
1、忠实显色：能正确表现物质本来的颜色需使用显色指数(Ra)高的光源，其数值接近100，显色性最好。
2、效果显色：要鲜明地强调特定色彩，表现美的生活可以利用加色法来加强显色效果。
采用低色温光源照射，能使红色更鲜艳；
采用中色温光源照射，使蓝色具有清凉感；
采用高色温光源照射，使物体有冷的感觉。
光所发射的光谱内容决定光源的光色，但同样光色可由许多，少数甚至仅仅两个单色光波混合而成，影响所及，对各个颜色的显色性亦大不相同。二相同光色的光源会有相异的光谱组成，光谱组成较广的光源较有可能提供较佳的显色品质。当光源光谱中很少或缺乏物体在基准光源下所反射的主波时，会使颜色产生明显的色差(color shift)。色差程度愈大，光源对该色的显色性愈差。显色指数系数仍为目前定义光源显色性评价的普遍方法。为何会有显色性高低之情形发生？其关键在该光线之"分光特性"，可见光之波长在380nm至760nm 之范围内，也就是我们在光谱中，见到的红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫的范围，如果光源所放射的光之中所含的各色光的比例和自然光相近，则我们眼睛所看到的颜色也较为逼真。再好的装璜、摆设、艺术品、衣服等也会因选择不对的光源而失色。显色指数（0-100）高的光源对颜高的光源对颜色的再现越接近自然原色。显色指数低导致颜色失真。以下是常用灯种的显色指数：
灯的种类 演色性Ra 灯的种类 显色性Ra
白炽灯 100 金卤灯 65-93
卤坞灯 100 荧光灯 51-95
高压纳灯 42-52 高压汞灯
25-60 节能灯 85 低压钠灯 25 指数(Ra) 等级 显色性
一般应用 90-100 1A
优良
需要色彩精确对比
的场所 80-89 1B 需要色彩正确判断
的场所 60-79 2
普通
需要中等显色性的
场所 40-59 3 对显色性的要求较低，色差较小的场所 20-39
4
较差
对显色性无具体要
求的场所
7、光效----光源将电能转化为可见光的效率，即光源消耗每一瓦电能所发出的光，数值越高表示光源的效率越高。从经济（能效）方面考虑，光效是一个重要的参数。单位：流明/瓦（lm/w）。（说明 电光源将电能转化为光的能力，以发出的光通量除以耗电量来表示）
白炽灯：8-14lm/W 单端荧光灯：55-80 lm/W 高压钠灯：80-140 lm/W 自镇流荧光灯：50-70 lm/W 金卤灯：60-90 lm/W 卤钨灯： 15-20 lm/W
8、平均寿命----是指灯的光通维持率达到国家标准规定的要求并能继续燃点至50%的灯达到单只灯寿命时的累计时间（即50%的灯失效时的寿命）。（说明 指一批灯泡至百分之五十的数量损坏时的小时数）
9、光色----光色实际上就是色温。大致分为三类 ：暖色<3300K，中间色3300 至5000K，日光色>5000K。由于光中光谱的组成有差别,因此即使光色相同,灯的显色性也有可能不同。
10、色容差:----线光谱较强的气体放电灯发出光的颜色都可视为红、绿、蓝三种单色光按一定比例混合而成。为了评价颜色光的色度差异，引入了色度坐标的表示法，即为CIE 公布的色度图。
11、经济寿命:----在同时考虑灯泡的损坏以及光束输出衰减的状况下，其综合光束输出减至一特定
的小时数。单位小时。此比例用于室外的光源为百分之七十，用于室内的光源如日光灯则为百分之八十。（说明 在同时考虑灯泡的损坏以及光束输出衰减的状况下，其综合光束输出减至一特定的小时数。此比例用于室外的光源为百分之七十，用于室内的光源如日光灯则为百分之八十。）
12、色温：----当光源所发出的光的颜色与“黑体”在某一温度下辐射的颜色相同时，“黑体的温度就称为该光源的色温。“黑体”的温度越高，光谱中蓝色的成分则越多，而红色的成分则越少。例如：白炽灯的光色是暖白色，其色温为2700K左右，而日光色荧光灯的色温则是6400K左右。单位：开尔文（K）。白炽灯的色温一般在2700K左右、日光灯的色温在2700-6400K左右、钠灯的色温在2000K左右
三、照明质量
1、眩光：
是由环境内亮度极高的物体或强烈的亮度引起的。眩光分为直射眩光和反射眩光。直射眩光是由光源发出的光线直接射到人眼所造成的。眩光引起视觉不舒适的原因有：
① .高度的刺激使瞳孔缩小；
② .由于角膜或晶体等眼内组织产生光散射，在眼内形成光幕；
③ .视幕受高亮度的刺激，使适应状态破坏。
直射眩光的强弱与光源有关，以下情况眩光最显著：
① .光源周围暗，眼睛适应越暗，眩光越显著。
② .光源亮度越高，眩光越显著。
③ .光源越接近视线，眩光越显著。
④ .光源的表面积越大，光源数目越多，眩光越显著。
一般亮度超过160000cd/㎡就有不舒适的眩光产生。避免方法：
控制光源的光线投射方向，使光源不能直接射向人眼，这就要求灯具（或灯罩）具有一定的保护角。如图或表（Y最大取值85度）在观察区内要求亮度足够低，就可以通过改变灯具的反光杯或增加安装高度来解决。
有的灯具用透明格栅式或半透明罩来遮住光源，由于发光面积增大而使每个发光的亮度降低，光线就变得柔和而不刺眼。
2、照度分布与亮度分布的要求
a、照度的均匀性
工作面上的照度分布要求均匀，为使工作面照度处于比较均匀的状态，CIE要求做到:
1、局部照明和一般照明共用时，工作面上一般照度值宜为总照度值的1/3-1/5，且不宜低于50LX, 局部工作面的照度值最好不要大于平均值的25%。
2、一般照明中的最小照度值与平均照度之比规定在0.7以上。
b、照度的稳定性
c、消除频闪效应
3、光色
光源色温不同，光色也不同，色温在3300K以下有稳重的气氛，温暖的感觉；色温在3000--5000K为中间色温，有爽快的感觉；色温在5000K以上有冷的感觉。不同光源的不同光色组成最佳环境，色温光色气氛效果
>5000K 清凉(带蓝的白色) 冷的气氛
3300-5000K 中间(白) 爽快的气氛
<3300K 温暖(带红的白色) 稳重的气氛
a. 色温与亮度 高色温光源照射下，如亮度不高则给人们有一种阴气的气氛；低色温光源照射下，亮度过高会给人们有一种闷热感觉。
b. 光色的对比在同一空间使用两种光色差很大的光源，其对比将会出现层次效果，光色对比大时，在获得亮度层次的同时，又可获得光色的层次。
因为大部分光源所发出的光皆通称为白光，故光源的色表温度或相关色温度即用以指称其光色相对白的程度，以量化光源的光色表现。根据Max Planck的理论，将一具完全吸收与放射能力的标准黑体加热，温度逐渐升高光度亦随之改变；CIE色座标上的黑体曲线（Black body locus）显示黑体由红--橙红--黄--黄白--白--蓝白的过程。黑体加温到出现与光源相同或接近光色时的温度，定义为该光源的相关色温度，称色温，以绝对温K（Kelvin，或称开氏温度）为单位（K=℃+273.15）。因此，黑体加热至呈红色时温度约527℃即800K，其他温度影响光色变化。
光色愈偏蓝，色温愈高；偏红则色温愈低。一天当中画光的光色亦随时间变化：日出后40分钟光色较黄，色温3,000K；正午阳光雪白，上升至4,800-5,800K，阴天正午时分则约6,500K；日落前光色偏红，色温又降至纸2,200K。其他光源的相关色温度。
因相关色温度事实上是以黑体辐射接近光源光色时，对该光源光色表现的评价值，并非一种精确的颜色对比，故具相同色温值的二光源，可能在光色外观上仍有些许差异。仅冯色温无法了解光源对物体的显色能力，或在该光源下物体颜色的再现如何。
不同光源环境的相关色温度
光源 色温
北方晴空 8000-8500k
阴天 6500-7500k
夏日正午阳光 5500k
金属卤化物灯 4000-4600k
下午日光 4000k
冷色营光灯 4000-5000k
高压汞灯 3450-3750k
暖色营光灯 2500-3000k
卤素灯 3000k
钨丝灯 2700k
高压钠灯 1950-2250k
蜡烛光 2000k
光源色温不同，光色也不同，色温在3300K以下有稳重的气氛，温暖的感觉；色温在3000--5000K为中间色温，有爽快的感觉；色温在5000K以上有冷的感觉。不同光源的不同光色组成最佳环境如表：
色温 光色 气氛效果
<3300K 温暖(带红的白色) 稳重的气氛
>5000K 清凉(带蓝的白色) 冷的气氛
3300-5000K 中间(白) 爽快的气氛
第三部分辐射度学、光度学基础
3.1 引言
3.2 立体角定义
3.3 辐射度学中的基本量
3.4 人眼的视见函数
3.5 光度学中的基本量
3.6 光照度公式与朗伯余弦定律
3.1 辐射度学、光度学的发展
辐射度学、光度学的研究始于18世纪。1760年Lamber提出了光度学的基本定律，如照明可加性定律，照度的平方反比定律，余弦定律等。
辐射度学、光度学、色度学（简称三度学）的发展与照明光源的发展密切相关。近年来，以LED为代表的新光源开发利用，使得三度学得到了迅速的发展。
3.2 立体角平面几何中，整个平面以一点为中心分为360°或2π弧度。发光体都是在一定空间内辐射能量。以空间某一点为中心，划分为若干立体角。立体角定义：任意形状的封闭锥面所包含的空间称为立体角，用Ω表示。
3.2 立体角
平面角计算公式：弧度=弧长/半径
立体角计算公式：封闭锥面在球面上截处的面积A 除以半径平方。
立体角单位：球面度(sr)
整个球面面积为4πr ，则整个空间对应立体角为π球面度。整个空间也被称为4π空间。
=A/r2
3.3 辐射度学
辐射度学(Radiometry)是一门研究电磁辐射能测量的科学。辐射度学适用于整个电磁波谱，主要用于X光、紫外光、红外光以及其它非可见的电磁辐射。研究范围包括辐射能的基本概念、辐射能的传输、变换以及仪器的辐射度学校准或标定。
辐射度学量表示辐射能的大小，基本量是辐射功率或辐射通量，单位是瓦特(W)。
辐射通量(radiation flux ) Φe
定义：单位时间内的辐射能量，表征辐射体辐射能力的强弱，也称辐射功率。
例：太阳对地面辐射。
符号：Φe单位：瓦[特](W)
辐射强度Ie用来表示辐射体在不同方向上的辐射分布。
定义：点辐射源在某一方向微元立体角d 内发出的
辐通量为dΦ，则辐射强度I为：
单位：瓦每球面度(W/sr)
辐射照度Ee 如果某一表面被其它辐射源照射，为了表示A点附近被照射的强弱，在A点周围取微小面元dS，若其接受的辐射通量为dΦ，
则A点辐照度为：Ee
单位为瓦每平方米(W/m )。
辐射度学中的基本量
辐射通量 辐射强度 辐射照度
符号 Φe Ie Ee
单位 W W/sr W/m2
3.4 人眼的视见函数(Visibility function)
1. 人眼对不同波长光辐射的敏感程度是否相同？
2. 光辐射引起人眼视觉刺激的强弱，不仅与辐射强度大小有关，还与辐射的波长有关。
3. 可见光范围内，人眼对不同波长光的视觉敏感度不同。
4. 对黄绿光(555nm)最敏感，对红光和紫光最差，对可见光以外的红外紫外光无视觉反映。
5. 为了表示人眼对不同波长光辐射敏感度的差别，
定义了“视见函数”V(λ)。
6. 把波长555nm视见函数定义为1，即V(555)=1。
7. 国际照明委员会(CIE)在大量测量基础上，规定了视见函数标准。
紫 蓝 绿 黄 橙 红 红
400 470 510 580 620 700 760
0.0004 0.091 0.503 0.87 0.381 0.0041 0.00006
3.5 光度学中的基本量
1. 光度学研究范畴：使人眼产生总的目视刺激的度量。
2. 光度学除了包括光辐射能的客观度量外，还应考虑人眼视觉的生理和感觉印象等心理因素。
3. 不能仅仅局限在“物理量的度量”，人眼的生理、心理因素常常对光度测量有着很大的影响。 光通量(Luminous flux) 定义:按人眼产生的视觉强度来度量的辐射通量。
符号：Φ
单位：流明(lm)
发光强度(Luminous intensity) 发光强度是光度学中最基本的物理量。是国际七个基 本单位之一。表示发光体在不同方向上的发光特性，与辐射度学中的辐射强度相对应。关系为：
发光强度(Luminous intensity)
由上式可见，α方向的光亮度L是投影α方向的单位面积上的发光强度。