Transcript LED光的知识
第一章 光的基本知识 第一节 光的概念 光的本质是什么 可见光（Visible light） 不可见光 什么是光谱（Spectrum） 光与颜色 什么是颜色（Color） 光的本质是电磁波。广义上，光是指所有的电磁波谱。狭 义上的光是人类眼睛可以看见的一种电磁波，也称可见光。 一般人的眼睛所能接受的光的波长在400-700纳米之间。 像红外线，紫外线，伦琴射线等都属于不可见光。红外线 频率比红光低，波长更长。紫外线，伦琴射线等频率比紫 光高，波长更短。 不可见光是个比较笼统的概念，是指除可见光外其他所有 人眼所不能感知的波长的电磁波，包括无线电波，微波， 红外光，紫外光，x射线，γ射线、远红外线等。一般人的 眼睛可以感知的电磁波的波长在400到700纳米之间，但还 有一些人能够感知到波长大约在380到780纳米之间的电磁 波。 光谱（spectrum） 光谱是复色光经过色散系统（如棱 镜、光栅）分光后，被色散开的单色光按波长（或频 率）大小而依次排列的图案，全称为光学频谱。光谱 中最大的一部分可见光谱是电磁波谱中人眼可见的一 部分，在这个波长范围内的电磁辐射被称作可见光。 自然光（日光）光谱 在1666年，牛顿把太阳光经过三棱镜折射，然后投射 到白色屏幕上，发现原来光谱色分成了红、橙、黄、 绿、青、蓝、紫七种颜色。然而光谱并没有包含人类 大脑视觉所能区别的所有颜色，譬如褐色和粉红色。 颜色与光的混合 什么是光的三基色？ 红，绿和蓝混合成白色 白光的其它组合： 蓝色和黄色混合成白色 （目前LED白光最主流的做法） 绿色和紫红色混合成白色 红和青绿色混合成白色 第二节 光的计量 光亮度（Lightness）— 发光强度（Intensity） 光通量（Flux）— 流明（Lumen） 光照度（Illuminance）— 勒克斯（Lux） 光亮度与发光强度 发光强度简称光强，国际单位是candela（坎德拉） 简写cd。坎德拉是指 (Candela) I = F/Ω 光源在指定方 向的单位立体角内发出的光通量。 光源辐射是均匀时， 则光强为I=F/Ω，Ω为立体角，单位为球面度（sr）,F 为光通量，单位是流明。 亮度是指发光体（反光体）表面发光（反光）强弱的 物理量。人眼从一个方向观察光源，在这个方向上的 光强与人眼所“见到”的光源面积之比，定义为该光 源单位的亮度，即单位投影面积上的发光强度。亮度 的单位是坎德拉/平方米（cd/m2） 亮度是人对光的 强度的感受。它是一个主观的量。光亮度表示的是发 光面明亮程度。对于一个漫散射面，尽管各个方向的 光强和光通量不同，但各个方向的亮度都是相等的。 电视机的荧光屏就是近似于这样的漫散射面，所以从 各个方向上观看图像，都有相同的亮度感。 以下是部分光源的亮度值：单位cd/m2 太阳：1.5*10 ； 日光灯：（5—10）*103； 月光（满月）：2.5*103； 黑白电视机荧光屏：120左右； 彩色电视机荧光屏：80左右。 光通量与流明 流明(Lumen)是光通量的单位。是英文lumen的音译， 简写为lm。 光通量指单位时间里通过某一面积的光能，称为通过 这一面积的辐射能通量。 绝对黑体在铂的凝固温度下， 从5.305*103cm2面积上辐射出来的光通量为1lm。 为表 明光强和光通量的关系，发光强度为1cd的点光源在单 位立体角（1球面度）内发出的光通量为1lm。 各色光的频率不同，眼睛对各色光的敏感度也有所不 同，即使各色光的辐射能通量相等，在视觉上并不能 产生相同的明亮程度，在各色光中，黄、绿色光能激 起最大的明亮感觉。如果用绿色光作水准，令它的光 通量等于辐射能通量，则对其它色光来说，激起明亮 感觉的本领比绿色光为小，光通量也小于辐射能通量。 一只40W的日光灯输出的光通量大约是2100流明。 光照度与勒克斯 勒克斯(Lux)是光照度的单位。被光均匀照射的物体， 距离该光源1米处，在1m2面积上得到的光通量是1lm时， 它的照度是1lux。 光照度可用照度计直接测量。光照度的单位是勒克斯， 是英文lux的音译，也可写为lx。有时为了充分利用光 源，常在光源上附加一个反射装置，使得某些方向能 够得到比较多的光通量，以增加这一被照面上的照度。 例如汽车前灯、手电筒、摄影灯等。 以下是各种环境照度值：单位lux 黑夜：0.001—0.02； 月夜：0.02—0.3； 阴天室内：5—50； 阴天室外：50—500； 晴天室内：100—1000； 夏季中午太阳光下的照度：约为10*9次方； 阅读书刊时所需的照度：50—60； 家用摄像机标准照度：1400 第二章 光的照明知识 什么是眩光 什么是频闪 色温（Color temperature） 显色性（Color rendering） 光效 眩光 眩光（glare）是指视野中由于不适宜亮度分布，或在 空间或时间上存在极端的亮度对比，以致引起视觉不 舒适和降低物体可见度的视觉条件。视野内产生人眼 无法适应之光亮感觉，可能引起厌恶、不舒服甚或丧 失明视度。在视野中某—局部地方出现过高的亮度或 前后发生过大的亮度变化。眩光是引起视觉疲劳的重 要原因之一。 频闪 人们发现，长期在日光灯下看书会感到不舒服，虽然 其光亮度与白天无异。这是为什么呢？经过研究，原 来这是因为日光灯的光强是随时间变化所致。也就是 光源的闪烁所致。 那什么是光源频闪呢？ 光源频闪就是光源发出的光随时间快速、重复的变化， 使得光源跳动且不稳定。一般在闪烁频率50Hz以下， 人眼都能觉察到光源的闪烁。当频率达到一定程度时， 比如100Hz，人们就分辨不出光源的闪烁了，此时的 光源就发出稳定、连续的光。由于无极灯的原理是采 用频率发生器的电磁感应，其频率远远大于100Hz， 因此对比传统光源是真正做到无频闪的人造光源。 那为什么无频闪好呢？ 有时我们会发现这样一种现象，当一个物体快速运动 或转动时，它们看起来好像运动得比他们实际的速率 要慢，或者出现跳跃式的运动。甚至当物体转动频率 跟光源闪烁频率相同时，物体好像静止不动。这就是 频闪光造成的，它是一种我们在日常的照明中不希望 发生的现象。事实上，由于频闪效应，人们产生错觉， 而把一些快速运转的设备看成是缓慢运转着甚至是静 止的是非常危险的。因此我们说电光源的频闪效应， 给人类生产、日常生活、身心健康造成了严重危害。 可以主要归纳为以下几个方面： 错觉引发工伤事故：由于频闪产生静止、倒转、旋转 缓慢，以及上述三种状态周期性重复的错误视觉引发 工伤事故。 例如，机加工行业机床操作工。 危害身体健康，影响工作：频闪效应会引发视觉疲劳、 偏头痛。特别是普遍采用直管型日光灯的照明场合尤 为明显。例如，流水线上的插件操作工，容易因视觉 疲劳、眼花，引起偏头痛。从而生产效率低下。 伤害青少年的眼睛，造成近视。在我国80年代以后， 由于直管型日光灯的普遍应用，造成青少年视力下降 明显，近视眼显著增多。 色温（Tc） 科学定义是：通过发射体发射谱形状与最佳拟合的黑 体发射谱形状比较确定的温度。它是表示光源光色的 尺度，单位为K（开尔文）。色温是在摄影、录象、 出版等领域具有重要应用。光源的色温是通过对比它 的色彩和理论的热黑体辐射体来确定的。热黑体辐射 体（“黑体”即能够吸收全部外来光线而毫无反射的 理想物体）与光源的色彩相匹配时的开尔文温度就是 那个光源的色温，它直接和普朗克黑体辐射定律相联 系。 简单来说，色温反映的就是光的色调，其温度的概念 不是冷热意义上的温度，而是给人的感觉，偏向红光 的成为暖色调，偏向蓝光的称谓冷色调。 不同色温下的颜色表现 显色性 光源对物体颜色呈现的程度称为显色性，也就是颜色 的逼真程度，显色性高的光源对颜色的再现较好，我 们所看到的颜色也就较接近自然原色，显色性低的光 源对颜色的再现较差，我们所看到的颜色偏差也较大。 显色性是评价光源颜色好坏的一个重要指标。通常用 “显色指数（Ra）”来评价。 Ra值的确定，是将DIN6169标准中定义的8种测试颜色 在标准光源和被测试光源下做比较，色差越小则表明 被测光源颜色的显色性越好。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color shift.色差程度越大，光源对该色的显色 性越差。演色指数系数（Kau fman）仍为目前定义光 源显色性评价的普遍方法。 白炽灯的显色指数定义为100，视为理想的基准光源。 此系统以8种彩度中等的标准色样来检验，比较在测试 光源下与在同色温的基准下此8色的偏离（Deviation ）程度，以测量该光源的显色指数，取平均偏差值 Ra20-100，以100为最高，平均色差越大，Ra值越低。 低于20的光源通常不适于一般用途。 各常见光源显色指数Ra： 白炽灯 95-100 荧光灯 75-90 卤钨灯 95-99 高压汞灯 22-51 高压钠灯 20-30 金属卤化物灯 65-90 不同显色指数下的颜色表现 连续光谱下的显色性 黄光下的显色性（如高压钠灯） 不同光源下的显色性 Incandescent / Halogen 白炽灯／卤素灯 Mercury 汞灯 Induction Lamp 无极灯 Fluorescent 直管型荧光灯 Metal Halide 金卤灯 HPS 高压钠灯 Ceramic Metal Halide 陶瓷金卤灯 Low Pressure Sodium 低压钠灯 CIE颜色坐标图 图中的黑色线条就是黑 体辐射的轨迹曲线，而 和他比较确定的就是相 关色温。一般来说，越 靠近黑体曲线和图的中 心，显色指数越高。打 个比方来说，色温和显 色指数这两个指标就相 当于确定光色质量的横 坐标与纵坐标。 光效 光源所发出的总光通量（流明）与该光源所消耗的电 功率（瓦）的比值，称为该光源的光效。因此光效的 单位为流明每瓦（lm/W）。 光效是描述光源技术性能优劣的物理概念。发光效率 值越高，表明照明器材将电能转化为光能的能力越强， 即在提供同等亮度的情况下，该照明器材的节能性越 强；在同等功率下，该照明器材的照明性越强，即亮 度越大。因此对于光源来说，通常光效越高越好。 不同光源的光效对比 第三章 光的照明应用 第一节 天然光源与人工光源 光的天然用途可以概括为两个字：照明 光用来照明需要有光源。 自身能够发光的物体叫光源，光源分为天然光源和人 造光源。 天然光源：比如日光。 人工照明就是相对于自然光的灯光照明。 第二节 人工光源的发展 传统照明光源： 第一代：以白炽灯、卤钨灯为代表的热辐射光源 第二代：以低压钠灯、荧光灯为代表的低压气体放电灯 第三代：以高压钠灯、金卤灯为代表的高强度气体放电灯 低碳照明光源： 新一代：LED半导体光源、低频无极灯电磁感应光源、等 离子灯（原子硫化灯）高能电离光源 第三节 传统光源 热辐射光源。电流流经导电物体，使之在高温下辐射 光能的光源。 气体放电光源。电流流经气体或金属蒸气，使之产生 气体放电而发光的光源。 热辐射光源 白炽灯是将灯丝通电加热到白炽状态，利用热辐射发 出可见光的电光源。白炽灯的光效虽低，但光色和集 光性能好，是产量最大，应用最广泛的电光源。白炽 灯具有很多的优点：简单、成本低廉、亮度容易调整 和控制、显色性好（Ra=100）等等，但同时也存在着 许多致命的缺点：如使用寿命短、发光效率低（仅有 12％－18％可转化为光能，而其余部分都以热能的形 式散失）、色温低（2700-3100K）。 气体放电光源 气体放电有弧光放电和辉光放电两种，放电电压有低 气压、高气压和超高气压3种。弧光放电光源包括：荧 光灯、低压钠灯等低气压气体放电灯，高压汞灯、高 压钠灯、金属卤化物灯等高强度气体放电灯，超高压 汞灯等超高压气体放电灯，以及碳弧灯、氙灯、某些 光谱光源等放电气压跨度较大的气体放电灯。辉光放 电光源包括利用负辉区辉光放电的辉光指示光源和利 用正柱区辉光放电的霓虹灯，二者均为低气压放电灯； 此外还包括某些光谱光源。 高压汞灯：充有汞和惰性气体，工作时灯内汞蒸气处 于高压状态的气体放电灯。 高压汞灯是紫外固化的标 准灯，发热大，要用空气或水冷却，但功率高，适用 于要求固化速率快的光固化涂料、油墨涂覆流水线。 缺点是要求冷启动，就是说关灯后马上在开灯，是开 不了的，必须等几分钟灯管冷却下来以后才能重新开 启，这是和白炽灯是不同的。 高压钠灯 高压钠灯的光谱 由于高压钠灯发出的是黄光，因此其有效光效很低，并不 能产生相应的视觉亮度，相当于大部分光都不能被眼镜接 受，因此能量就被浪费了。不但如此，钠灯的显色指数和 色温都过低，不适合作理想光源。作为路灯也不利于道路 的合理照明。 除此以外，高压钠灯也存在启动慢的缺点。高压钠灯启动 后，在初始阶段是汞蒸气和氙气的低气压放电。这时候， 灯泡工作电压很低，电流很大；随着放电过程的继续进行， 电弧温度渐渐上升，汞、钠蒸气压由放电管最冷端温度所 决定，当放电管冷端温度达到稳定，放电便趋向稳定，灯 泡的光通量、工作电压、工作电流和功率也处于正常工作 状态。在正常工作条件下，整个启动过程约需10分钟左右。 金卤灯 金卤灯是在汞和稀有金属的卤化物混合蒸气中产生电 弧放电发光的放电灯。它的主要特性和优点有： 光效可达100流明/瓦，日光色色温可达6000K，显色 指数可以达到80，可调光。 缺点：金卤灯的光衰很大，造成使用寿命短，通常只 有5000-10000小时。同时由于其光线中的紫外含量高， 紫外辐射易造成灯具老化，进一步缩短其整灯的寿命。 传统荧光灯 荧光灯是利用低压汞蒸气放电产生的紫外线激发涂在 灯管内壁的荧光粉而发光的电光源。传统型荧光灯即 低压汞灯，是利用低气压的汞蒸气在放电过程中辐射 紫外线，从而使荧光粉发出可见光的原理发光，因此 它属于低气压弧光放电光源。 荧光灯在气体放电中消耗的电能主要（大约63%）转 化为紫外范围的电磁辐射，紫外辐射照射到灯管内壁 的荧光粉涂层上，紫外线的能量被荧光材料所吸收， 其中一部分转化为可见光并释放出来。一个典型的荧 光灯中发出的可见光大约相当于输入灯内能量的28%。 LED LED 是英文 light emitting diode （发光二极管）的缩 写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置 于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封， 起到保护内部芯线的作用，所以 LED 的抗震性能好。 LED是商业照明、家居室内照明节能专家。 LED的光谱 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。 效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少 80% 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 稳定性：5万小时，光衰为初始的 50% 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 对环境无污染：无有害金属汞 颜色：可实现红黄绿兰橙多色发光。改变电流可以变 色，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 价格： LED 的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只白 炽灯的价格就可以与一只LED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。 驱动：LED使用低压直流电即可驱动，具有负载小、 干扰弱的优点，对使用环境要求较低 显色性高：LED的显色性较高，通常能接近80。 第四章 新的照明理论 光视效率 视觉状态 — 明暗视觉、中间视觉 瞳孔流明（Pupil lumen）— 有效光通量 有效视觉光效（VEL） 新概念的提出 人怎么能看见和光对心理上的影响是学者研究的课题， 也是许多学者在讨论与深入研究多年了。把光描述成 “流明的输出”，已经是描述和定义完成各类人物所 需光数量的传统方法。可是，这并不能反映实际的人 眼视觉感知，而通孔流明就是建立在光的视觉效果和 对心理影响的结果基础上的。 由于光源技术的发展产生出很多类型和颜色的光源， 因此简单测量流明的方法不能够完全预测人类视觉 （看得见）的好坏程度。 一个最有说服力的例子就是，低压钠灯虽然能够产生 很多流明，但是它只能表现两种颜色（也即黄和灰）， 在这种光源下，只能显现物体的形状，而显现物体细 节及真实性的能力却丧失了。而无极灯则具有宽范围 的光谱输出，因此具有优秀的细节分辨能力。 光谱光视效率——人眼的视见效率 光谱中只有处于380-780nm之间的电磁辐射是能被人 眼所见的，即可见光。人眼之所以能看见光，主要是 由于视网膜上的大量感光细胞的作用。 感光细胞分为杆状细胞和锥状细胞两种。 杆状细胞——分布在视觉区域的周边、灵敏度高，在 低照度下，能感光，但不能感色。 锥状细胞——分布在视觉区域的中间、灵敏度较低， 在高照度条件下起作用，能感色。 尽管在可见光谱区域内，能区别出不同波长的光有不 同的颜色，但是人眼睛对不同颜色的光的敏感程度不 同，就是说，人眼对能量相同的，而波长不同的光所 感觉到的明亮程度也不同。例如一个红光和一个绿光， 当它们辐射通量相同时，人们会感觉到绿的比红的亮 得多。 国际照明协会CIE将各种情况下人眼视觉的反应取平 均水平，得出人眼对整个可见光波段的灵敏度函数， 即光谱光视效率函数V(λ)。 光视效率曲线V(λ) 视觉状态 明视觉——亮度超过3个cd/m2的环境，此时视觉主要 由视锥细胞起作用，最大的视觉响应在光谱蓝绿区间 的555nm处。 暗视觉——环境亮度低于10-3 cd/m2时的视觉，此时 视杆细胞是主要作用的感光细胞，光谱光视效率的峰 值约在507nm。 中间视觉——介于明视觉和暗视觉亮度之间，此时人 眼的视锥和视杆细胞同时响应，并且随着亮度的变化， 两种细胞的活跃程度也发生了变化。一般从白天晴朗 的太阳到晚上台灯的照明，都是在明视觉范围内的； 而道路照明和明朗的月夜下，为中间视觉照明；昏暗 的星空下就是暗视觉了。 在中间视觉状态下,人眼视网膜上的两种光感受器细胞 同时发生作用,当适应亮度逐渐由明到暗时,光谱灵敏度 曲线逐步向短波方向移动,由于这种偏移,对于夜间照明 的设计、测量和计算仍沿用明视觉光谱光视效率V (λ) 的基础将产生不恰当的甚至是错误的结果。 明、暗视觉光视效率曲线 中间视觉光视效率曲线 瞳孔流明 — 有效光通量 基于人眼瞳孔能感知的光通量的多少，用瞳孔流明 （Plm）来计量。照明术语是有效光通量。 之前提过视锥细胞用来识别光亮条件下的颜色和细节， 视杆细胞承担在昏暗条件下识别物体颜色和细节的责 任。在亮光情况下，人类的瞳孔收缩使得物体更多的 细节被察觉到，同时被察觉到的光亮度也相应地增加； 而在暗光情况下，人类的瞳孔放大使得更多的光线进 入眼睛。 目前的光测量仪器和推荐的工作照明标准传统上采用 白天的视觉状况（即处于亮视觉状态）来标定和校准。 然而，众多研究证明暗视觉理论比人们的想象还要广 泛地应用于室内照明，并且极大地影响着瞳孔的尺寸。 在最近的许多学术研讨会中，相关的研究人员鼓励照 明设计师在选择光源的时候采用光源的亮视觉与暗视 觉之比（即P/S值，见下表）来进行设计，这样做可以 为用户提供更好的照明设计、照明效果及良好的视觉 感受。 不同光源对应的P/S值 有效光效 有效视觉光效（VEL）——每瓦电流产生发出的有效 光通量即为有效光效，以每瓦瞳孔流明数(Plm/W)来 计量。具体值可以通过传统光效乘以对应的光源校正 系数得到。 照明是为眼睛服务的，眼睛感觉到的光能量，才是真 正有用的光能量。在实际照明应用设计中，具有现实 直观物理意义的概念应该是有效视觉光效。 校正系数——用于将传统的每瓦流明数值转换成每瓦 瞳孔流明数值，是通过计算中间视觉适中亮度下的瞳 孔流明与明视觉下的传统流明数的比值得到的。它是 用于衡量眼睛看到光源发出的光的有效性的一种方法。 人类的瞳孔更加容易接受光谱末端的蓝光部分。 下表即各光源的校正系数和有效光效。