LED光度学的基础,上海市照明学会 章海骢,光是辐射的一种形态,是有能量的 -光能够做功,烧饭和烧水,转变成热能; -转变成电的例子,可储存和输送 .,光是电磁辐射,是电磁波的一种,光一定要度量和一定可以度量的. 能量-功率 其中: 与辐射挂钩: 辐射能量-辐射功率 与眼睛挂钩: 光能量-光功率 一定是视觉细胞在起作用. 眼睛感觉到的光功率.,视网膜上的视觉细胞: 眼睛感觉到 的光功率 -要经过“过滤” “过滤系数”见右.,一.光度学的单位 度量光的强弱(大小)和方向的一门科学. 基本单位: 光通量-发光体的 发光强度-发光体的 亮度-发光体 反射体-受照体照明后的反 射光 照度-受照体的,四个单位的图示:,1.光通量 光通量:看得见的 光辐射功率 单位:瓦,光通量的单位:流明(lm) 眼睛视网膜上的视觉细胞 明视觉:锥体细胞 3cd/m2. 暗视觉:杆体细胞0.003cd/m2.,明视觉,中间视觉和暗视觉说明,两种视觉细胞的光谱光视效率是不同的. 分别是光谱光视效率V()和V()曲线 目前的光通量由V()计算得到的,可将两个图合并来认识光通量,1W功率555nm的黄绿光发出的光通量是: 683 lm. 说明: 对人的眼睛555nm的黄绿光最敏感. 其它颜色的 光线的敏感度 低于555nm的 值. 有V()曲线.,光源 的 光通 计算,相同的功率(W),不同的光源得到的光通量 ()是不同的: 400W高压钠灯54000lm-138lm/w 400W高压汞灯21600lm-54lm/w 400W金卤灯38000lm-95lm/w 发光效率就能说明这个问题. 发光效率(luminous efficiency): 光源发出的光通量/光源的输入功率. 发光效能(luminous efficacy): 系统(光源+电器)发出的光通量/系统的 输入功率.,常见光源的光效: 白炽灯 10-12lm/w 卤钨灯 15-20lm/w 荧光灯-卤磷酸钙粉 50-70lm/w -三基色粉 80104lm/w 高压汞灯 54lm/w 高压钠灯 70-120lm/w 金卤灯 60-90lm/w 陶瓷金卤灯 85-100lm/w LED(白) 60-90lm/w,任何一个光源的光通量的大小取决于: 自身的功率; 光谱组成; 任何一个光源的效率的大小取决于: 电转换成光的效率; 光谱组成.,LED的最高光效,光源: 发光效率和发光效能 发光效率=光源光通量(lm)/光源耗损功率(W); 发光效能=光源光通量(lm)/系统耗损功率(W), 系统耗损功率=光源功率+配件功率 灯具效率和灯具能效 灯具效率=灯具光通量(lm)/光源光通量(lm); 灯具能效=灯具光通量(lm)/系统耗损功率(W), 系统耗损功率=光源功率+配件功率.,对有待机功耗的灯具的效能计算:,有待机功耗的灯具的能效计算: 1)不计入待机功耗时的灯具能效: 灯具能效=灯具光通量(lm)/系统耗损功率(W), 灯具能效=213lm/8W=28lm/W; 2)计入待机功耗时的灯具能效: 计算24h内的灯具能效: 灯具能效=24h内的光通量/ 24h内的功率: 3h213lm/ (3h8W+21h0.5W) =18.5lm/W.,2.发光强度 一个电珠,光通量一样,但装于手电后效 果不同了. 还需要发光 强度的概念.,发光强度I的定义: 单位立体角中的光通量.单位(cd): 1cd(坎特拉) = 1lm/1sr d=I()d, = I()d 立体角: 包围空间一点的空 间角度:,常用光强的介绍: 探照灯:106cd 一般功率的投光灯:几万-几十万cd 路灯(400W):5000cd 矿灯:1200cd 烛光:1cd. LED(白光):XX-XXXmcd(毫cd),从光源光通量球光源亮度L: 对直线状光源,光通量的荧光灯管: 光通量 与灯管轴向光强Io的关系: = I()d= Iosinsindd 对直线状光源: =2Io 举例: 三基色32W灯管, =3200lm, Io=324.6cd.,3.亮度(发光体)和出光度 (反光体) 亮度概念的引入:,亮度L的定义: 单位投影面积上发出的光强 L=I/S 单位：cd/m2.读作 每平方米坎特拉.,亮度定义应用之一: 两个发光体间的投影面积之比.,亮度定义的应用之二: 探照灯的出射光强I: I=LS S:探照灯反射器的投影面积.,亮度定义的应用之三: 出光度M与亮度L 表面反射的光通量构成了出光度. 反射量的多少与反射率有关.出光度M: M=E,出光度和亮度的计算(从照度算亮度),发光体的亮度举例: 钨丝灯HID灯: 106 cd/m2. 荧光灯:T12:3-4000 cd/m2. T8卤粉:8000 cd/m2. 三基色粉:10000 cd/m2. T5:16000 cd/m2. CFL:40000 cd/m2. 人眼适应的最好亮度:100 cd/m2. 白云:8000cd/m2. 道路:0.5-2.0 cd/m2.,三基色32W灯管, =2Io =3200lm, Io=324.6cd. 灯管长1.2m,直径26mm, 平均灯管亮度L Io /1.2m0.026m=10402cd/m2.,我们周围环境中看到的发亮物体的亮度和 人眼长期适应的亮度:,4.照度E 被照面上单位面积S上接受的光通量. E= /S 单位:勒克司(lx).即 1lx=1lm/1m2. 举例: 夏天的太阳下:80000-100000lx 满月下:2lx 办公室:500lx 车间一般照明:150-300lx 体育场(国际):垂直1200lx 居住小区最佳半柱面照度Esc:310lx,有多种照度的定义:,：,照度的计算 E=I/r2 举例: 10000cd的光强在10m远处的照度? E=10000/10X10=100lx.,二.LED的发光特点及在光度学中的情况 1.基本特点 从光度学内容来说,LED并无不同.仅根据 LED的发光特点,决定了有以下差异: 1) LED的光通量仅射向2空间; 2) LED的光强很小,5的仅mcd数量级; 3) LED的亮度很高,达106cd/m2数量级; 4) LED的发光情况与热管理有关。,2. LED的光通量仅分布在2空间(半空间)的问题 1)LED的灯具做在芯片中去了,2)与传统灯具的效率比较,特别节能的几种灯具: (1)下射筒灯 (2)线槽灯橱柜灯 (3)球泡灯,3)光通量测量上的问题 积分球测量法: 应该使用的测量形式,积分球测量光通原则: 1.积分球内面积与被测物的面积 2.使用标准光通量灯做校正,较正内容视测 试方法而异: 1)光通直接比对:需要发光形式相同配光 近似的标准灯(积分法测量),用两者光通量 和接收的信号之比值求得; 2)从光通标准灯的光谱和光通量确定被测 光谱的绝对分布后计算得到光通量(分光法 测量).,积分法测量 用标准光源替代一次测量,分光法测量-计算过程 第一步:用标准光通灯定标; 第二步:测量被测光源.,积分球原理 达到平衡后,光源光通,积分球上照度E,积 分球面积S和表面吸收系数有下关系: =(E0+E1+E2+E3)S 即: =E4r2(1-) E= / 4r2(1-) 在点光源时, =4I0.代入有: E= I0 / r2 (1-) 而第一次照度E0= I0 / r2 , 最后的照度比第一次增大了:1/(1-)倍.在=0.9, 1/(1- )=10. =0.98时,E=50 E0.,看LED在积分球内测量的问题 1.内壁肮上下半球肮脏带来的问题 2.灯具配光形式不同带来的问题,积分球内脏的分析: 设定半球反射率1,另半球2,最后的有: =(E0+E1+E2+E3)S1/2+ S 2/2 =ES(2-1- 2)/2 E=2/S(2-1- 2)=24Io/4r2(2-1- 2) =2Io/r2(2-1- 2) 与原来都是1的相比: E/E=2Io/ r2(2-1- 2) / I0 / r2 (1-1) =2 (1-1)/(2-1- 2) 若1=0.98, 2=0.95 , E/E=4/7=0.57; 若1=0.98, 2=0.90 , E/E=1/3=0.33. 影响很大.,准确测量需要的形式: 考虑球内的不均匀性后: 1)基准与被测配光光谱相同 2)基准与被测置于球侧.,LED基准器的说明: 相同配光, 相同光谱, 光强最好在相似的数量级, 热稳定性好(Peltier效应,半导体致冷).,半导体致冷(帕而贴效应)的说明,3. LED的光强很小 一般的LED光强仅几百mcd,或大功率的 也仅几个cd. 100 mcd在0.5m测量也仅0.4lx. 一般照度计述的范围:0.01-3X105lx. 计量范围(受标准灯的限制):40-3000lx. 需要在小数值和大数值之间的线性和准 确度.注意! 例如上述照度计在1.5X10-1- 3X105lx之 间的不确定度Urel=1.4%(K=3).,LED太小,所以CIE规定了测量光强的办法: 测量标准条件: 光度计有效接受面积:100mm2; 直径11.283mm,近似11.3mm. 原因: 1) LED太小,配光变化多,必须规范; 2) 规定元件的比较条件,利于比较和表述;,远场条件(CIE标准条件A): L=316mm, 接受面对LED顶的张角0.001sr, 相应平面角2. 测得的平均光强符号:ILEDA. 近场条件(CIE标准条件B) : L=100mm, 接受面对LED顶的张角0.01sr, 相应平面角6.5. 测得的平均光强符号:ILEDB.,LED都装在透镜内.看光路: 必须规定接受器的大小和它离接受器的距离.,近场和远场的图示: 聚光光束(光强大):A (远场)条件; 散光光束(光强变小):B(近场)条件.,4. LED的亮度很高 请看CREE的数据：,利用光通量和光强分布求得I0的数值： =I0f() I0= /f()2(cos i-cos i+1) LED的芯片的面积 S见下： S=1.71.7=2.9mm2. L=I0/2.9mm2 106cd/m2.,三.绝对光度法与相对光度法的比较 1.绝对光度法,2.相对光度法,3.两者的差异 往往绝对光度法测量的数据可能低: 对光输出与环境温度敏感的光源特别 明显. 荧光灯管放入灯具内后的光通输出低于/高于 样本上的标称光通值,谢 谢 ! !,