光度學單位的基礎(chǔ)led2010-12-28

1、LED光度學的基礎(chǔ),上海市照明學會章海驄,光是輻射的一種形態(tài),是有能量的 ---光能夠做功,燒飯和燒水,轉(zhuǎn)變成熱能; ---轉(zhuǎn)變成電的例子,可儲存和輸送.,光是電磁輻射,是電磁波的一種,光一定要度量和一定可以度量的. 能量---功率其中:與輻射掛鉤: 輻射能量----輻射功率與眼睛掛鉤: 光能量---光功率一定是視覺細胞在起作用. 眼睛感覺到

2、的光功率.,視網(wǎng)膜上的視覺細胞:眼睛感覺到的光功率---要經(jīng)過“過濾”“過濾系數(shù)”見右.,一.光度學的單位 度量光的強弱(大小)和方向的一門科學.基本單位: 光通量--------發(fā)光體的 發(fā)光強度-----發(fā)光體的 亮度------發(fā)光體 反射體----受照體照明后的反

3、 射光 照度-----------受照體的,四個單位的圖示:,1.光通量 光通量:看得見的 光輻射功率 單位:瓦,光通量的單位:流明(lm)眼睛視網(wǎng)膜上的視覺細胞明視覺:錐體細胞 >3cd/m2.暗視覺:桿體細胞<0.003cd/m2.,明視覺,中間視覺和暗視覺說明,兩種視覺細胞的光譜光視效率是不同的.分別是光譜光視效率V(λ)和V’(λ)曲線 目前的光通量由V(

4、λ)計算得到的,可將兩個圖合并來認識光通量,1W功率555nm的黃綠光發(fā)出的光通量是:683 lm. 說明: 對人的眼睛555nm的黃綠光最敏感. 其它顏色的光線的敏感度低于555nm的值.有V(λ)曲線.,光源的光通計算,相同的功率(W),不同的光源得到的光通量(Φ)是不同的: 400W高壓鈉燈54000lm----138lm/w 400W高壓汞燈21600lm---

5、--54lm/w 400W金鹵燈38000lm------95lm/w發(fā)光效率就能說明這個問題. 發(fā)光效率(luminous efficiency): 光源發(fā)出的光通量/光源的輸入功率. 發(fā)光效能(luminous efficacy): 系統(tǒng)(光源+電器)發(fā)出的光通量/系統(tǒng)的輸入功率.,常見光源的光效: 白熾燈

6、 10-12lm/w 鹵鎢燈 15-20lm/w 熒光燈---鹵磷酸鈣粉 50-70lm/w ---三基色粉 80—104lm/w 高壓汞燈 54lm/w 高壓鈉燈

7、 70-120lm/w 金鹵燈 60-90lm/w 陶瓷金鹵燈 85-100lm/w LED(白) 60-90lm/w,任何一個光源的光通量的大小取決于: 自身的功率; 光譜組成;任何

8、一個光源的效率的大小取決于: 電轉(zhuǎn)換成光的效率; 光譜組成.,LED的最高光效,2.發(fā)光強度 一個電珠,光通量一樣,但裝于手電后效果不同了. 還需要發(fā)光強度的概念.,發(fā)光強度I的定義: 單位立體角中的光通量.單位(cd):1cd(坎特拉) = 1lm/1sr立體角ω: 包圍空間一點的空間角度:,常用光強的介紹: 探照燈:~106cd

9、 一般功率的投光燈:幾萬---幾十萬cd 路燈(400W):~5000cd 礦燈:1200cd 燭光:1cd. LED(白光):XX-XXXmcd(毫cd),從光源光通量Φ球光源亮度L: 對直線狀光源,光通量Φ的熒光燈管: 光通量 Φ與燈管軸向光強Io的關(guān)系: Φ= ∫ I(θ)dω= ∫ ∫ Iosinθsin

10、θdθdφ對直線狀光源: Φ=π2Io舉例:三基色32W燈管, Φ=3200lm, Io=324.6cd..,3.亮度(發(fā)光體)和出光度 (反光體) 亮度概念的引入:,亮度L的定義: 單位投影面積上發(fā)出的光強 L=I/S單位：cd/m2.讀作每平方米坎特拉.,亮度定義應(yīng)用之一: 兩個發(fā)光體間的投影面積之比.,亮度定義的應(yīng)用之二: 探照燈

11、的出射光強I: I=ρ·L·SS:探照燈反射器的投影面積.,亮度定義的應(yīng)用之三: 出光度M與亮度L 表面反射的光通量構(gòu)成了出光度.反射量的多少與反射率有關(guān).出光度M: M=ρ?E,出光度和亮度的計算(從照度算亮度),發(fā)光體的亮度舉例: 鎢絲燈?HID燈: ~106 cd/m2. 熒光燈:T12:3-400

12、0 cd/m2. T8鹵粉:>8000 cd/m2. 三基色粉:>10000 cd/m2. T5:16000 cd/m2. CFL:40000 cd/m2. 人眼適應(yīng)的最好亮度:100 cd/m2. 白云:8000cd/m

13、2. 道路:0.5-2.0 cd/m2.,三基色32W燈管, Φ=3200lm, Io=324.6cd.燈管長1.2m,直徑26mm,平均燈管亮度L Io /1.2m?0.026m=10402cd/m2.,我們周圍環(huán)境中看到的發(fā)亮物體的亮度和人眼長期適應(yīng)的亮度:,4.照度E 被照面上單位面積S上接受的光通量. E= Φ/S單位:勒克司(lx).

14、即 1lx=1lm/1m2. 舉例: 夏天的太陽下:80000-100000lx 滿月下:2lx 辦公室:500lx 車間一般照明:150-300lx 體育場(國際):垂直1200lx 居住小區(qū)最佳半柱面照度Esc:3~10lx,有多種照度的定義:,照度的計算 E=I/r

15、2舉例: 10000cd的光強在10m遠處的照度? E=10000/10X10=100lx.,二.LED的發(fā)光特點及在光度學中的情況 1.基本特點 從光度學內(nèi)容來說,LED并無不同.僅根據(jù)LED的發(fā)光特點,決定了有以下差異: 1) LED的光通量僅射向2π空間; 2) LED的光強很小,Φ5的僅mcd數(shù)量級; 3) LED的亮度很高,達106cd

16、/m2數(shù)量級; 4) LED的發(fā)光情況與熱管理有關(guān)。,2. LED的光通量僅分布在2π空間(半空間)的問題 1)LED的燈具做在芯片中去了,2)與傳統(tǒng)燈具的效率比較,特別節(jié)能的幾種燈具: (1)下射筒燈 (2)線槽燈?櫥柜燈 (3)球泡燈,3)光通量測量上的問題 積分球測量法: 應(yīng)該使用的測量形式,積分球測量光通原則:1.積分球內(nèi)面積與被測物的面積

17、2.使用標準光通量燈做校正,較正內(nèi)容視測試方法而異: 1)光通直接比對:需要發(fā)光形式相同配光近似的標準燈(積分法測量),用兩者光通量和接收的信號之比值求得; 2)從光通標準燈的光譜和光通量確定被測光譜的絕對分布后計算得到光通量(分光法測量).,積分球原理 達到平衡后,光源光通Φ,積分球上照度E,積分球面積S和表面吸收系數(shù)α有下關(guān)系: Φ=(E0+E1+E2+E

18、3…)?S ?α即: Φ=E?4πr2?(1-ρ) E= Φ/ 4πr2?(1-ρ)在點光源時, Φ=4πI0.代入有: E= I0 / r2 (1-ρ)而第一次照度E0= I0 / r2 ,最后的照度比第一次增大了:1/(1-ρ)倍.在ρ=0.9,1/(1- ρ)=10. ρ=0.98時,E=50 E0.,看LED在積分球內(nèi)測量的問題 1.內(nèi)壁骯上下半球骯

19、臟帶來的問題 2.燈具配光形式不同帶來的問題,積分球內(nèi)臟的分析: 設(shè)定半球反射率ρ1,另半球ρ2,最后的Φ有: Φ=(E0+E1+E2+E3…)[S?α1/2+ S ?α2/2] =E’S(2-ρ1- ρ2)/2 E’=2Φ/S(2-ρ1- ρ2)=2?4π?Io/4πr2(2-ρ1- ρ2) =2Io/r2(2-ρ1- ρ2)

20、與原來都是ρ1的相比: E’/E=2Io/ r2(2-ρ1- ρ2) / I0 / r2 (1-ρ1) =2 (1-ρ1)/(2-ρ1- ρ2) 若ρ1=0.98, ρ2=0.95 , E’/E=4/7=0.57;若ρ1=0.98, ρ2=0.90 , E’/E=1/3=0.33. 影響很大.,準確測量需要的形式: 考慮球內(nèi)的不均勻性后:

21、 1)基準與被測配光?光譜相同 2)基準與被測置于球側(cè).,LED基準器的說明: ?相同配光, ?相同光譜, ?光強最好在相似的數(shù)量級, ?熱穩(wěn)定性好(Peltier效應(yīng),半導體致冷).,半導體致冷(帕而貼效應(yīng))的說明,3. LED的光強很小 一般的LED光強僅幾百mcd,或大功率的也僅幾個cd. 100 mcd在0.5m測量也僅0.4lx.

22、 一般照度計述的范圍:0.01-3X105lx. 計量范圍(受標準燈的限制):40-3000lx. 需要在小數(shù)值和大數(shù)值之間的線性和準確度.注意!! 例如上述照度計在1.5X10-1- 3X105lx之間的不確定度Urel=1.4%(K=3).,LED太小,所以CIE規(guī)定了測量光強的辦法:測量標準條件: 光度計有效接受面積:100mm2; 直徑11.28

23、3mm,近似11.3mm.原因: 1) LED太小,配光變化多,必須規(guī)范; 2) 規(guī)定元件的比較條件,利于比較和表述;,遠場條件(CIE標準條件A):L=316mm,接受面對LED頂?shù)膹埥?.001sr,相應(yīng)平面角2º.測得的平均光強符號:ILEDA.近場條件(CIE標準條件B) :L=100mm,接受面對LED頂?shù)膹埥?.01sr,相應(yīng)平面角6.5º.測得的平均光強符號:I

24、LEDB.,LED都裝在透鏡內(nèi).看光路: 必須規(guī)定接受器的大小和它離接受器的距離.,近場和遠場的圖示: 聚光光束(光強大):A (遠場)條件; 散光光束(光強變小):B(近場)條件.,4. LED的亮度很高 請看CREE的數(shù)據(jù)：,利用光通量Φ和光強分布求得I0的數(shù)值： Φ=∑I0?f(θ)?Δω I0= Φ/∑f(θ)?2π(cos θi-cos θi+1