LED光电的相关定义和转换

LED光电的相关定义和转换

一 光的辐射度学体系和光度学体系

1、光是一种电磁波辐射能量，我们简称：光辐射能量。由电光源将电能转换而成。衡量电光源转换效率高低的物理概念是：光效。

评价光效的体系有两种，即：辐射度学体系和光度学体系。

辐射度学体系：是以纯客观的物理概念为理论基础，以纯客观的物理能量为测量对象的评价体系。它适应于光辐射能量的全波段，仅从能量的角度对光辐射能量进行评价。

光度学体系：是以辐射度学体系的基本理论为指导，以人眼睛的生理视觉特性为基础。是以在人眼睛上，能够产生明暗与颜色真实视觉感的光辐射物理能量，为对象的评价体系。光度学体系适应于光辐射能量的可见光波段，是从光辐射能量与人眼睛真实视觉感的相互作用的对应关系的角度，对光辐射能量进行评价。

现阶段，用于照明领域的对光辐射能量的测量和评价体系。在理论上和指导思想上，确立的是光度学体系。但是，由于现实的测量技术和仪表，不能区分可见光、不可见光。对可见光和不可见光仍然是一并接收，再按照一定的数显函数关系显示一个数字。其本质仍然是辐射度学的测量和评价体系。

2、光辐射能量，人眼并不是都能看的见。光辐射能量包括可见光和不可见光两部分。电光源将电能转换成光辐射能量用于照明时，产生的光辐射能量，并不全是可见光辐射能量。包含可见光辐射能量与不可看见光辐射能量两部分。

电光源将电能转换成光辐射能量用于照明时，人眼睛能感觉到的可见光辐射能量，才是真正有效用的辐射能量。电光源的技术性能与品质不同，光辐射能量的光谱能量分布结构不同。其可见光与不可见光辐射能量的比例也是不同的。

惟有可见光辐射能量比例高的光源，有效视觉光效才能高。

3、电光源产生的可见光辐射能量，具有一定的波长区间范围和光谱能量分布结构。在可见光的波长区间范围内，可见光辐射能量中包括：高灵敏可见光和低灵敏可见光两部分。

电光源的技术性能与品质不同，可见光辐射能量的光谱能量分布结构也不同。在其可见光辐射能量中，高灵敏可见光和低灵敏可见光，辐射能量的比例也是不同的。

惟有高灵敏可见光辐射能量比例高的光源，有效视觉光效才能高。

4、电光源产生的可见光辐射能量，具有一定的波长范围，可以细分成若干个单光谱的光辐射能量。人眼视网膜上的感光细胞，对每一个单光谱的光辐射能量，一对一地对应一个响应灵敏度。

在平面坐标图上，以波长为横轴，以响应灵敏度为纵轴。将每个单光谱的光辐射能量与响应灵敏度一对一地对应点进行描绘，就会得到一条类似于正弦抛物线的曲线，我们称其为：人眼的视觉特性函数曲线。

人眼的视觉特性函数曲线的物理意义：表征的是人眼的视觉灵敏度与光频谱之间的关

系。表明人眼的视觉感对光具有选择性。同等能量的可见光辐射，其波长不同，在人眼中产生的真实视觉感，是不同的。

研究表明，人眼对λD＝555nm（绿光）的光的视觉灵敏度最大，随光的λ的增大或减小，人眼的视觉灵敏度会随之下降。

同样光功率的蓝光和绿光管在相同条件下测得的光通量是不同的，说明光通量并不等同与光功率，这其中与光学窗口，也就是人眼睛对颜色的灵敏度有关。人的眼睛对555nm(绿光)灵敏度最强，所以同样条件下绿光相比蓝光而言具有更高的光通量。

由试验得到，在同一光功率输出时，既在可见光范围内，当λD＝555nm光源的光功率等于1W时（注意不是电功率），其辐射光通量为683 lm；当λD＝460nm光源的光功率等于1W时，蓝光的辐射光通量为41 lm；而当λD＝660nm光源的光功率等于1W时，红光的光通量为42 lm；当λD<380nm或λD>700nm时，1W光功率的对应辐射光通量仅不到1 lm，也就是进入不可见的紫外或红外范围，这就是说在不同波长的发光光源的发射光功率相同时，人眼感觉到光的辐射的“强度”时不同的，也就是有敏感和不敏感的区分。但如果辐射光通量相同，人眼的感觉就会觉的相同。

因此对照明光源而言，用光通量φ或流明效率来衡量LED电光特性比用光输出功率或其它参数要直观和实用。这就是对于用于照明的大功率LED，通常用辐射光通量这一参数或流明效率来表征其优劣的原因。

二 LED光电的相关定义

光通量（φ）的定义是：点光源或非点光源在单位时间内所发出的能量,其中可产生视觉者（人能感觉出来的辐射通量）即称为光通量。光通量的单位为流明（简写lm），1流明（lumen或lm）定义为一国际标准烛光的光源在单位立体弧角内所通过的光通量，由于整个球面面积为4πR2，所以一流明光通量等于一烛光所发出光通量的1/4π，或者说球面有4π,因此按照流明的定义可知一个国际标准烛光的点光源会辐射4π流明，即φ（流明）=4πI（光强），假定△Ω为很小的立体弧角，在△Ω立体角内光通量△φ，则有△φ=△ΩI

国际标准烛光的定义：发光强度常用单位为烛光（cd，坎德拉），国际标准烛光（lcd）的定义为理想黑体在铂凝固点温度（1769℃）时，垂直于黑体（其表面积为1m2）方向上的60万分之一的光度。国际标准烛光（candela）与旧标准烛光（candle）的互换关系为 1candela=0.981candle

光强的定义：光在给定方向上，单位立体角内发出1流明的光为1烛光，其单位用坎德拉（cd）表示。其关系可用下式表示：

Iv=dφ/dΩ

式中φ单位为流明，Iv的单位为cd。一个超亮LED芯片的法向光强一般在30～120mcd 之间，封装成器件后，其法向光强通常要大于1cd。

光效是判别LED发光效率的关键参数，指每单位电功率下的光通量，单位为lm/W。通常白炽灯与荧光灯的光效分别为15 lm/W和60 lm/W，灯泡的功率越大，光通量越大。

对于一个性能较好的大功率白光LED器件，现在一般为70、80 lm/W。为了使LED器件更好的应用于照明，还需进一步提高LED器件的发光效率。

色温：当连续光谱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，用绝对温度K表示。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接近时，黑体的温度就称为该光源的相关色温。由于一些光源为非连续光谱，与黑体辐射的连续光谱不能完全吻合，所以采用相关色温来近似描述其颜色特性。

不同光源的不同光色组成最佳环境如下表：

色温（K） 光色 气氛效果

>5000 清凉（偏蓝的白色） 冷的气氛

3300~5000 中间（白色） 爽快的气氛

<3300 温暖（偏红的白色） 稳重的气氛

不同光源环境的相关色温见下表：

光源 色温（K） 光源 色温（K） 北方晴空 8000～8500高压汞灯 3450～3750

阴天 6500～7500暖色荧光灯 2500～3000 夏日正午阳光 5500 卤素灯 3000

金属卤化物灯 4000～4600钨丝灯 2700

下午日光 4000 高压钠灯 1950～2250

冷色荧光灯 4000～5000蜡烛光 2000

显色指数：太阳光和白炽灯均辐射连续光谱，物体在太阳光和白炽灯的照射下，能显示出它的真实颜色，但物体在非连续光谱的气体放电灯的照射下，颜色就会有不同程度的失真。我们把光源对物体真实颜色的呈现程度称为光源的显色性。显色指数为对象在某光源照射下显示的颜色与其在参照光源照射下显示的颜色两者的相对差异，差异性越小，即代表待测光源的显色性越好。显色指数越低，颜色越失真；显色指数越高，越接近真实颜色。

常用照明光源的显色指数如下：

灯的种类 显色指数 灯的种类 显色指数

白炽灯 100 金卤灯 65～93

卤钨灯 100 荧光灯 51～95

高压钠灯 42～52 高压汞灯 25～60

节能灯 85 低压钠灯 25

三 LED光电的相关转换

LED的光电转换效率：假设施加到LED上的电功率为Pe＝V F×I F ，此时LED产生的光功率为P light，则用下式定义它的光电转换效率：

η＝（P light / P e）×100％

显然η≤100％，它会遵循能量守恒，当η≤100％时，说明有相当部分复合载流子并没有产生光子而损耗，成为PN结中的热能。LED光电转换效率越高，PN结上因加置电功率后引起的热量也越低，但实事上LED目前的光电转换效率并不是很高，因此仍遇到LED 的PN结发热和由这一热量引起的种种问题。对于功率型LED，这一问题尤为突出，如何将PN结上的热量引导出来与环境温度实现热平衡，是设计功率型LED必须考虑的问题。

mcd和mW的相互转换：

从上图可以看出，在光功率mW数不变的情况下，波长越长（<555nm），在视觉函数的影响下，光强mcd越大，对应的光子数越多。（推断：当波长超过555nm后，由于视觉函数的影响，光强mcd应越来越小，尽管对应的光子数越来越多）

当然在波长一定的情况下，光功率mW和光强mcd是成正比例关系的。

由于人眼视觉函数实际上是人对不同颜色的光得到照明感觉的差异，它的作用在于对于LED而言，我们可以知道某一波长色光的LED其极限流明效率是多少，从而不会因此产生对LED的光电参数作“无限止”要求。

例如，对于λD＝460nm的蓝光LED，即使其光电转换效率达到100%,也就是说，施加在LED PN结上的1W电功率，及时产生1W的光功率，此时从视觉敏感曲线上可以查到其辐射光通量也只有41 lm，其流明效率仅41 lm/W，这是460nm蓝光LED的理论极限流明效率，不可能比这个数值再高。利用这一特点就能提供一个估评LED光电转换效率的参考依据。同样对于一个λD＝620nm的红光LED,其极限流明效率为100lm/W；对于λD＝525nm的纯绿光LED，其极限流明效率可高达140 lm/W。

其次，利用人眼视觉敏感曲线，我们在知道了一个LED的输出光功率后，可以换算出其对应条件下的辐射光通量。例如一个460nm的蓝光LED,当其施加1W电功率时，能输出80mW 的光功率，那么通过下式可约略求出它的流明效率：

φ＝41 lm/W × (80 mW /1000 mW) =3.28 lm/W

故此LED的光通量为3.28 lm/W×1W = 3.28 lm