LED的光学指标

LED的光学指标

人眼对自然界光的感知有两个方面：一是光的颜色，二是光的辐射强度。我们将从这两方面展开讨论，进而分析LED的各种光学指标。

1、 光的颜色的三种表示法

·国际照明委员会色品图表示法

·光的颜色鲜艳度

·色温或相关色温

下面将逐一对其进行介绍。

国际照明委员会色品图表示法

国际照明委员会（CIE）于1931年研究提出了XYZ色品图，1960年又在XYZ色品图的基础上提出了UCS色品图。

颜色感觉是光辐射源或被物体反射的光辐射作用于人眼的结果。因此，颜色不仅取决于光刺激，而且取决于人眼的视觉特性。

关于颜色的测理和标准应该符合人眼的观测结果。但是，人眼的颜色特性对于不同的观测者或多或少会有一些差异，因此要求根据大量观测者的颜色视觉实验，确定一组为匹配等能光谱色的三原色数据，即“标准色度观测者光谱三刺激值”，以此来代表人眼的平均颜色视觉特性，用于色度学的测量和计算。

CIE于1931年在RGB系统的基础上采用设想的三原色X、Y、Z（分别代表红色、绿色和蓝色），建立了CIE1931色品图，如图1所示。该图是归一化图，只要标示X、Y值，就可以知道Z的值（Z=1-（X+Y）），因而三变量的色品图就变成X、Y二变量的平面图。

图1 CIE1931色品图

光的颜色鲜艳度

光的颜色鲜艳度必须用光的主波长λ_d和色纯度来表示。目前，LED芯片供应商都是用主波长λ_d来表示鲜艳度，而不用峰值波长λ_p来表示。

·主波长λ_d：如图2所示为色品图，图中AB为黑体轨迹。设F点为某一光源在色品图中的坐标，E点为理想等能量白光的参考光源点，在色品图标中为(0.3，0.3)。由E点连接F点并延伸交于G点，则G点对应的单色波长即称为F点光源的主波长λ_d。

·峰值波长λ_p：光谱发光强度或辐射功率最大处的对应的波长。它是一种纯粹的物理量，一般应用于波形比较对称的单色光的检测。

·中心波长：光谱发光强度或辐射功率出现主峰和次峰时，主峰半宽度的中心点所对应的波长。一般应用于配光曲线法向方向附近凹进去的、质量不好的单色管的检测。

·色纯度Pe：如图2所示，Pe=EF/EG。如果某一光源在色品图中F点的坐标越靠近G点，那么EF和EG的长度就越接近相等，Pe越接近1，色纯度就越高。色纯度通俗地说是指出射光的色坐标靠近CIE1931色品图上光谱轨迹的程度，靠得越近则纯度越高。所以，若色坐标位于光谱轨道上，则色纯度为100%；反之，等能的白光纯度则为0%。色纯度也是一种生理-心理物理量。

·半宽度：光谱发光强度或辐射功率最大处的一半的宽度（FWHM），简称“带宽”。带宽越小则颜色越纯，显然它也是纯粹的物理量。

图2 主波长示意图

色温或相关色温

白光在照明领域的使用，一般用色温或相关色温表示（有时也用色坐标表示）。光源的颜色有两方面的意思，即色表和显色性。色表就是人眼直接观察光源时所看到的颜色感觉；光源的光照射到物体上所产生的客观效果，即光源使被照有色物体的颜色再次显现出来的能力，称为光源的显色性。

光源发光的颜色可用色温T_c表示。当光源所发射的光的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色相同时，黑体的这个温度就称为光源的颜色温度，简称色温。

光谱的能量分布和黑体在某一温度下辐射的相对光谱能量分布相似时，其颜色必定相同。因此分布温度一定是色温，如白炽灯、卤钨灯发出光的颜色可用色温表示；但对于气体放电光源，其光谱能量分布很少与黑体的相似，所以这些光源的分布温度仅能称为相关色温。如黑体钨丝在2000°F（华氏度1°F=0.555556K）以上时辐射出的颜色与蜡烛点亮时发射光的颜色相同，那么钨丝2000°F以上的温度就称为蜡烛光的色温。

某一光源的相关色温的求法是：在CIE1960UCS色品图中，代表该光源颜色的坐标点向黑体白轨做垂线，与白轨相交点的黑体的色温即为该光源的相关色温。

一般情况下，人们把高色温称为冷色调，把低色温叫做暖色调。

2、 与光辐射强度有关的指标

相对视敏函数V（λ）曲线

对于有不同λ_p的光线，即使光功率一样，人眼感到的光强度仍是不一样。人眼对于λ_p=555nm的绿光的灵敏度最高，对该值两边波长的灵敏度越来越低。当λ_plt;380nm或λ_pgt;780nm时，即使光源的光能量辐射再强，人眼也对它没有任何光的感觉。例如在图3的相对视敏函数曲线中，对于850nm、880nm、940nm处的线外线，人眼根本看不到。

图3 相对视敏函数曲线

国际照明委员会研究推荐了V（λ）曲线。当λ_p=555nm时，V（λ）为最大值1.0；而当λ_p=460nm时，V（λ）=0.06；当λ_p=660nm时，V（λ）=0.0608。

光通量φ

光通量是按人眼的光感觉来度量光的辐射功率，即辐射光功率能够被人眼视觉系统所感受到的那部分有效当量。表征的符号为φ，国际通用的光通量单位为流明（lm）。

假设单色光的波长为λ_i，则该波长的光通量F（λ_i）就等于它的辐射功率P（λ_i）与相对视敏函数V（λ_i）的乘积，可参见式（1）：

F（λ_i）=P（λ_i）×V（λ_i） （1）

如果光源的辐射功率波谱为P_x(λ)，则总的光通量F（λ）应为各个波长分量光通量的总和，即式（2）：

（2）

P（λ）为给定波长的光辐射功率，单位是W。V（λ）为给定波长的相对视敏函数。最大流明效率K_m为683lm/W（当λ_p=555nm时）。

流明效率

人眼受能见度限制，因此对于不同的λ_p，光有不同的最高流明效率：

·λ_p=555nm时：最大流明效率（K_m）为683lm/W；

·λ_p=470nm时：V（λ）=0.0913，最大流明效率为683×0.0913=62.40lm/W；

·λ_p=460nm时：V（λ）=0.06，最大流明效率为683×0.06=41.00lm/W；

·λ_p=450nm时：V（λ）=0.038，最大流明效率为683×0.038=26.01lm/W；

·λ_p=660nm时：V（λ）=0.0608，最大流明效率为683×0.0608=41.5lm/W；

·λ_p=650nm时：V（λ）=0.107，最大流明效率为683×0.107=73.081lm/W；

·λ_p=620nm时：V（λ）=0.381，最大流明效率为683×0.381=260.223lm/W；

不同光源组成的白光，其最大流明效率因人眼能见度不同的原因而不同。中色温区的最大流明效率会比较高，而高色温区和低色温区的最大流明效率会比较低。所以对于不同的色温，其流明效率会不一样。

提高白光LED的光效，应考虑选用LED辐射的光波长和YAG荧光粉的光谱，当前YAG荧光粉有λ_p =530nm、540nm、550nm、560nm、570nm，并且带宽也不一样。

蓝光LED激发黄色YAG荧光粉形成白光时，虽然辐射出的蓝光能量有损失，但激发出黄光的最大流明比蓝光要高好几倍，所以人眼感觉的流明效率提高了。

发光强度I

光源在指定方向上的立体角dΩ之内所发出的光通量或所得到光源传输的光通量dφ，这二者的商即为发光强度I（单位为坎德拉，cd）：

I=dφ/dΩ （3）

1 cd=1 lm/sr（流明/立体弧度）=1 烛光

若光源向空间发射的总光通量为φ，因光源总立体角度为4π，则平均光强I_θ=φ/4π。实际光强在空间各个方向的分布是不均匀的，空间光强分布的曲线称为配光曲线。

亮度L

光源发光面上某点的亮度L（单位为cd/m²），等于垂直于给定方向的平面上所得到的发光强度与该正投影面积之商，即

L=dI/dScosθ （4）

单位为尼特（nt），1nt=1 烛光/m²=1 cd/m² 。

若光源射来的光线与测量面垂直，则cosθ=1。对于理想平面漫反射光源，若光源面积为S，向上空发射的光通量为φ，则有光强I=φ/2π（因为向上发射，所以只有2π）：

L=I/S=φ/2π·S （5）

照度E

光源的照度E（单位为勒克斯，1x；1 1x=1 1m/m²）即光源照到某一物体表面上的光通量dφ与该表面积dS之商，表示为

E=φ/S （6）

对于点光源，若在某一方向上光强为I，则距离r处的照度为

E=I/r² (7)

照度与光源距离的平方成反比。

半强角度

半强角度即以前所说的半值角，就是光源中心法线方向向四周张开，中心光强I到周围的I/2之间的夹角，即为半强角度，如图4所示。当光源的光强均匀时，向法线偏转的周围光强是原来一半时所夹的角应当都相等。当光强不均匀时，夹角就不相等了。半强角度与视角是有区别的，视角一般比较大。LED光源的发光角度也是一个指标。

图4 光源的半强度角