|
人眼對自然界光的感知有兩個(gè)方面：一是光的顏色，二是光的輻射強(qiáng)度。我們將從這兩方面展開討論，進(jìn)而分析led的各種光學(xué)指標(biāo)。 1、 光的顏色的三種表示法 ·國際照明委員會色品圖表示法 ·光的顏色鮮艷度 ·色溫或相關(guān)色溫 下面將逐一對其進(jìn)行介紹。 國際照明委員會色品圖表示法 國際照明委員會（CIE）于1931年研究提出了XYZ色品圖，1960年又在XYZ色品圖的基礎(chǔ)上提出了UCS色品圖。 顏色感覺是光輻射源或被物體反射的光輻射作用于人眼的結(jié)果。因此，顏色不僅取決于光刺激，而且取決于人眼的視覺特性。 關(guān)于顏色的測理和標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該符合人眼的觀測結(jié)果。但是，人眼的顏色特性對于不同的觀測者或多或少會有一些差異，因此要求根據(jù)大量觀測者的顏色視覺實(shí)驗(yàn)，確定一組為匹配等能光譜色的三原色數(shù)據(jù)，即“標(biāo)準(zhǔn)色度觀測者光譜三刺激值”，以此來代表人眼的平均顏色視覺特性，用于色度學(xué)的測量和計(jì)算。 CIE于1931年在RGB系統(tǒng)的基礎(chǔ)上采用設(shè)想的三原色X、Y、Z（分別代表紅色、綠色和藍(lán)色），建立了CIE1931色品圖，如圖1所示。該圖是歸一化圖，只要標(biāo)示X、Y值，就可以知道Z的值（Z=1-（X+Y）），因而三變量的色品圖就變成X、Y二變量的平面圖。 光的顏色鮮艷度 光的顏色鮮艷度必須用光的主波長λd和色純度來表示。目前，LED芯片供應(yīng)商都是用主波長λd來表示鮮艷度，而不用峰值波長λp來表示。 ·主波長λd：如圖2所示為色品圖，圖中AB為黑體軌跡。設(shè)F點(diǎn)為某一光源在色品圖中的坐標(biāo)，E點(diǎn)為理想等能量白光的參考光源點(diǎn)，在色品圖標(biāo)中為(0.3，0.3)。由E點(diǎn)連接F點(diǎn)并延伸交于G點(diǎn)，則G點(diǎn)對應(yīng)的單色波長即稱為F點(diǎn)光源的主波長λd。 ·峰值波長λp：光譜發(fā)光強(qiáng)度或輻射功率最大處的對應(yīng)的波長。它是一種純粹的物理量，一般應(yīng)用于波形比較對稱的單色光的檢測。 ·中心波長：光譜發(fā)光強(qiáng)度或輻射功率出現(xiàn)主峰和次峰時(shí)，主峰半寬度的中心點(diǎn)所對應(yīng)的波長。一般應(yīng)用于配光曲線法向方向附近凹進(jìn)去的、質(zhì)量不好的單色管的檢測。 ·色純度Pe：如圖2所示，Pe=EF/EG。如果某一光源在色品圖中F點(diǎn)的坐標(biāo)越靠近G點(diǎn)，那么EF和EG的長度就越接近相等，Pe越接近1，色純度就越高。色純度通俗地說是指出射光的色坐標(biāo)靠近CIE1931色品圖上光譜軌跡的程度，靠得越近則純度越高。所以，若色坐標(biāo)位于光譜軌道上，則色純度為100%；反之，等能的白光純度則為0%。色純度也是一種生理-心理物理量。 ·半寬度：光譜發(fā)光強(qiáng)度或輻射功率最大處的一半的寬度（FWHM），簡稱“帶寬”。帶寬越小則顏色越純，顯然它也是純粹的物理量。 色溫或相關(guān)色溫 白光在照明領(lǐng)域的使用，一般用色溫或相關(guān)色溫表示（有時(shí)也用色坐標(biāo)表示）。光源的顏色有兩方面的意思，即色表和顯色性。色表就是人眼直接觀察光源時(shí)所看到的顏色感覺；光源的光照射到物體上所產(chǎn)生的客觀效果，即光源使被照有色物體的顏色再次顯現(xiàn)出來的能力，稱為光源的顯色性。 光源發(fā)光的顏色可用色溫Tc表示。當(dāng)光源所發(fā)射的光的顏色與黑體在某一溫度下輻射的顏色相同時(shí)，黑體的這個(gè)溫度就稱為光源的顏色溫度，簡稱色溫。 光譜的能量分布和黑體在某一溫度下輻射的相對光譜能量分布相似時(shí)，其顏色必定相同。因此分布溫度一定是色溫，如白熾燈、鹵鎢燈發(fā)出光的顏色可用色溫表示；但對于氣體放電光源，其光譜能量分布很少與黑體的相似，所以這些光源的分布溫度僅能稱為相關(guān)色溫。如黑體鎢絲在2000°F（華氏度1°F=0.555556K）以上時(shí)輻射出的顏色與蠟燭點(diǎn)亮?xí)r發(fā)射光的顏色相同，那么鎢絲2000°F以上的溫度就稱為蠟燭光的色溫。 某一光源的相關(guān)色溫的求法是：在CIE1960UCS色品圖中，代表該光源顏色的坐標(biāo)點(diǎn)向黑體白軌做垂線，與白軌相交點(diǎn)的黑體的色溫即為該光源的相關(guān)色溫。 一般情況下，人們把高色溫稱為冷色調(diào)，把低色溫叫做暖色調(diào)。 2、 與光輻射強(qiáng)度有關(guān)的指標(biāo) 相對視敏函數(shù)V（λ）曲線 對于有不同λp的光線，即使光功率一樣，人眼感到的光強(qiáng)度仍是不一樣。人眼對于λp=555nm的綠光的靈敏度最高，對該值兩邊波長的靈敏度越來越低。當(dāng)λp<380nm或λp>780nm時(shí)，即使光源的光能量輻射再強(qiáng)，人眼也對它沒有任何光的感覺。例如在圖3的相對視敏函數(shù)曲線中，對于850nm、880nm、940nm處的線外線，人眼根本看不到。 國際照明委員會研究推薦了V（λ）曲線。當(dāng)λp=555nm時(shí)，V（λ）為最大值1.0；而當(dāng)λp=460nm時(shí)，V（λ）=0.06；當(dāng)λp=660nm時(shí)，V（λ）=0.0608。 光通量φ 光通量是按人眼的光感覺來度量光的輻射功率，即輻射光功率能夠被人眼視覺系統(tǒng)所感受到的那部分有效當(dāng)量。表征的符號為φ，國際通用的光通量單位為流明（lm）。 假設(shè)單色光的波長為λi，則該波長的光通量F（λi）就等于它的輻射功率P（λi）與相對視敏函數(shù)V（λi）的乘積，可參見式（1）： F（λi）=P（λi）×V（λi） （1） 如果光源的輻射功率波譜為Px(λ)，則總的光通量F（λ）應(yīng)為各個(gè)波長分量光通量的總和，即式（2）： （2） P（λ）為給定波長的光輻射功率，單位是W。V（λ）為給定波長的相對視敏函數(shù)。最大流明效率Km為683lm/W（當(dāng)λp=555nm時(shí)）。 流明效率 人眼受能見度限制，因此對于不同的λp，光有不同的最高流明效率： ·λp=555nm時(shí)：最大流明效率（Km）為683lm/W； ·λp=470nm時(shí)：V（λ）=0.0913，最大流明效率為683×0.0913=62.40lm/W； ·λp=460nm時(shí)：V（λ）=0.06，最大流明效率為683×0.06=41.00lm/W； ·λp=450nm時(shí)：V（λ）=0.038，最大流明效率為683×0.038=26.01lm/W； ·λp=660nm時(shí)：V（λ）=0.0608，最大流明效率為683×0.0608=41.5lm/W； ·λp=650nm時(shí)：V（λ）=0.107，最大流明效率為683×0.107=73.081lm/W； ·λp=620nm時(shí)：V（λ）=0.381，最大流明效率為683×0.381=260.223lm/W； 不同光源組成的白光，其最大流明效率因人眼能見度不同的原因而不同。中色溫區(qū)的最大流明效率會比較高，而高色溫區(qū)和低色溫區(qū)的最大流明效率會比較低。所以對于不同的色溫，其流明效率會不一樣。 提高白光LED的光效，應(yīng)考慮選用LED輻射的光波長和YAG熒光粉的光譜，當(dāng)前YAG熒光粉有λp=530nm、540nm、550nm、560nm、570nm，并且?guī)捯膊灰粯印?/span> 藍(lán)光LED激發(fā)黃色YAG熒光粉形成白光時(shí)，雖然輻射出的藍(lán)光能量有損失，但激發(fā)出黃光的最大流明比藍(lán)光要高好幾倍，所以人眼感覺的流明效率提高了。 發(fā)光強(qiáng)度I 光源在指定方向上的立體角dΩ之內(nèi)所發(fā)出的光通量或所得到光源傳輸?shù)墓馔縟φ，這二者的商即為發(fā)光強(qiáng)度I（單位為坎德拉，cd）： I=dφ/dΩ （3） 1 cd=1 lm/sr（流明/立體弧度）=1 燭光 若光源向空間發(fā)射的總光通量為φ，因光源總立體角度為4π，則平均光強(qiáng)Iθ=φ/4π。實(shí)際光強(qiáng)在空間各個(gè)方向的分布是不均勻的，空間光強(qiáng)分布的曲線稱為配光曲線。 亮度L 光源發(fā)光面上某點(diǎn)的亮度L（單位為cd/m2），等于垂直于給定方向的平面上所得到的發(fā)光強(qiáng)度與該正投影面積之商，即 L=dI/dScosθ （4） 單位為尼特（nt），1nt=1 燭光/m2=1 cd/m2。 若光源射來的光線與測量面垂直，則cosθ=1。對于理想平面漫反射光源，若光源面積為S，向上空發(fā)射的光通量為φ，則有光強(qiáng)I=φ/2π（因?yàn)橄蛏习l(fā)射，所以只有2π）： L=I/S=φ/2π·S （5） 照度E 光源的照度E（單位為勒克斯，1x；1 1x=1 1m/m2）即光源照到某一物體表面上的光通量dφ與該表面積dS之商，表示為 E=φ/S （6） 對于點(diǎn)光源，若在某一方向上光強(qiáng)為I，則距離r處的照度為 E=I/r2 (7) 照度與光源距離的平方成反比。 半強(qiáng)角度 半強(qiáng)角度即以前所說的半值角，就是光源中心法線方向向四周張開，中心光強(qiáng)I到周圍的I/2之間的夾角，即為半強(qiáng)角度，如圖4所示。當(dāng)光源的光強(qiáng)均勻時(shí)，向法線偏轉(zhuǎn)的周圍光強(qiáng)是原來一半時(shí)所夾的角應(yīng)當(dāng)都相等。當(dāng)光強(qiáng)不均勻時(shí)，夾角就不相等了。半強(qiáng)角度與視角是有區(qū)別的，視角一般比較大。LED光源的發(fā)光角度也是一個(gè)指標(biāo)。
|
|
|
