1.3 LED光電參數(shù)定義及其詳解

1．可見光譜

光是一定波長范圍內(nèi)的一種電磁輻射。電磁輻射的波長范圍很廣，最短的如宇宙射線，其波長只有10?14～10?15m；最長的如無線電波，其波長可達(dá)數(shù)千公里。在電磁輻射范圍內(nèi)，只有波長為380～780nm的電磁輻射能夠引起人的視覺，這段波長叫做可見光譜，如圖1-8所示。電磁波譜波長區(qū)域如表1-2所示。

圖1-8中所標(biāo)數(shù)值均以基本單位表示，即頻率為赫茲（Hz），波長為米（m）。由于使用上述單位時(shí)，波長的數(shù)值太大，有必要使用更小的單位來度量可見光譜的波長，因此采用了標(biāo)準(zhǔn)毫微米（又稱納米，符號為nm），1nm=10?9m。人眼能起視覺反映的最長和最短波長分別為780nm和380nm，它們分別處在光譜的紅色端與紫色端。

表1-2 電磁波譜波長區(qū)域

在光度學(xué)中對于“光”的定義，是相對于可見光而言的，它所具有的波長范圍為380～780nm。但是，此區(qū)間中，不同波長的輻射進(jìn)入人眼的顏色感受不同，例如，波長為700nm的LED輻射引起的感覺是紅色，波長為580nm的LED輻射引起的感覺是黃色，波長為510nm的LED輻射引起的感覺是綠色，波長為450nm的LED輻射引起的感覺是藍(lán)色，等等。表1-3列出了不同色覺的波長范圍。所以，LED光的顏色與進(jìn)入人眼的光輻射的相對光譜能量分布有關(guān)，當(dāng)進(jìn)入到眼睛的光譜輻射波長發(fā)生改變或者相對光譜能量分布發(fā)生改變時(shí)，人眼對光的顏色感受也隨著發(fā)生變化。

表1-3 不同色覺的波長范圍

2．LED的光學(xué)參數(shù)

LED的光學(xué)參數(shù)中重要的幾個(gè)是光通量、發(fā)光效率、發(fā)光強(qiáng)度、光強(qiáng)分布和波長。

（1）發(fā)光效率和光通量：發(fā)光效率是光通量與電功率之比。發(fā)光效率表征了光源的節(jié)能特性，是衡量現(xiàn)代光源性能的一個(gè)重要指標(biāo)。

（2）發(fā)光強(qiáng)度和光強(qiáng)分布：LED的發(fā)光強(qiáng)度表征它在某個(gè)方向上的發(fā)光強(qiáng)弱。LED在不同的空間角度光強(qiáng)相差很多，光強(qiáng)分布的實(shí)際意義很大，直接影響到LED顯示裝置的最小觀察角度。例如，體育場館的LED大型彩色顯示屏，如果選用的LED單管分布范圍很窄，那么面對顯示屏處于較大角度位置的觀眾看到的將是失真的圖像。

（3）波長：對于LED的光譜特性，主要看其單色性是否優(yōu)良，而且要注意紅、黃、藍(lán)、綠、白色LED等主要的顏色是否純正。因?yàn)樵谠S多場合下，如交通信號燈對顏色的要求就比較嚴(yán)格，不過現(xiàn)在的一些LED信號燈中綠色的往往發(fā)藍(lán)、紅色的往往為深紅，所以對LED的光譜特性進(jìn)行專門研究是非常必要而且很有意義的。

3．LED光通量

光通量指人眼所能感覺到的輻射功率，它等于單位時(shí)間內(nèi)某一波段的輻射通量和該波段的相對視見率的乘積。由于人眼對不同波長光的相對視見率不同，所以不同波長光的輻射功率相等時(shí)，其光通量并不相等。

LED輻射通量ΦE用來衡量發(fā)光二極管在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的總的電磁功率，單位是W（瓦）。它通常表示LED在空間4π范圍內(nèi)，每秒鐘所發(fā)出的功率。LED光源發(fā)射的輻射通量中能引起人眼視覺的那部分，稱為光通量Φv，單位是流明（lm）。與輻射通量的概念類似，光通量是LED光源向整個(gè)空間在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的能引起人眼視覺的輻射通量。但要考慮人眼對不同波長的可見光的光感覺是不同的，國際照明委員會（CIE）為人眼對不同波長單色光的靈敏度做了總結(jié)，在明視覺條件（亮度為3cd/m2以上）時(shí)，人眼標(biāo)準(zhǔn)光度觀測者光譜光效率函數(shù)V(λ)在555nm上有最大值，此時(shí)1W輻射通量等于683lm，如圖1-9所示，其中V′(λ)為暗視覺條件（亮度為0.001cd/m2以下）下的光譜光效率函數(shù)。

明視覺條件下，輻射通量向光通量的轉(zhuǎn)化表達(dá)式可以表示為

暗視覺條件下，輻射通量向光通量的轉(zhuǎn)化表達(dá)式可以表示為

通常的測量以明視覺作為測量條件，并且為了得到準(zhǔn)確的測量結(jié)果，必須把LED發(fā)射的光輻射功率收集起來，并用合適的探測器將其線性地轉(zhuǎn)換成光電流，再確定被測量的大小。

4．LED發(fā)光強(qiáng)度

發(fā)光強(qiáng)度簡稱光強(qiáng)，國際單位是candela（坎德拉），簡寫為cd，其他單位有燭光、支光。1cd是指單色光源（頻率540×1012Hz，波長0.550μm）的光，在給定方向上（該方向上的輻射強(qiáng)度為（1/683）瓦特/球面度）的單位立體角內(nèi)發(fā)出的發(fā)光強(qiáng)度（球面度是一個(gè)立體角，其定點(diǎn)位于球心，而在球面上所截取的面積等于以球的半徑為邊長的正方形面積）。光源輻射均勻時(shí)，光強(qiáng)為I=F/Ω，其中Ω為立體角，單位為球面度（sr）；F為光通量，單位是流明。對于點(diǎn)光源，I=F/4。

發(fā)光強(qiáng)度表明發(fā)光體在空間發(fā)射的會聚能力。可以說，發(fā)光強(qiáng)度描述了光源到底有多亮。

發(fā)光強(qiáng)度的概念中要求光源是一個(gè)點(diǎn)光源，或者要求光源的尺寸和探測器的面積與離光探測器的距離相比足夠小，表示為Iv=dΦv/dΩ，其中dΩ是點(diǎn)光源在某一方向上所張的立體角元，如圖1-10所示。

但是在LED測量的許多實(shí)際應(yīng)用場合中，測量距離往往不夠長，光源的尺寸相對太大或者LED與探測器表面構(gòu)成的立體角太大。在這種近場條件下，并不能很好地保證距離平方反比定律，實(shí)際發(fā)光強(qiáng)度的測量值隨上述幾個(gè)因素的不同而不同，從而嚴(yán)格地說并不能測量到真正的LED的發(fā)光強(qiáng)度。

為了解決這個(gè)問題，CIE推薦使用“平均發(fā)光強(qiáng)度”的概念：照射在離LED一定距離處的光探測器上的光通量Φv與由探測器構(gòu)成的立體角的比值。其中立體角可由探測器的面積S除以測量距離d的平方值計(jì)算得到，因而有如下表達(dá)式：

從物理上看，平均發(fā)光強(qiáng)度的概念，不再與發(fā)光強(qiáng)度的概念關(guān)聯(lián)得那么緊密，而更多地與光通量的測量和測量機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)有關(guān)。CIE關(guān)于近場條件下的LED測量，有兩個(gè)推薦的標(biāo)準(zhǔn)條件：CIE標(biāo)準(zhǔn)條件A和CIE標(biāo)準(zhǔn)條件B，見表1-4。這兩個(gè)條件都要求所用的探測器有一個(gè)面積為1cm2（相應(yīng)直徑為11.3mm）的圓入射孔徑。

表1-4 CIE推薦的近場標(biāo)準(zhǔn)條件

5．LED相對光譜能量分布

LED的相對光譜能量分布P(λ)表示在LED的光輻射波長范圍內(nèi)，各個(gè)波長的輻射能量的分布情況，通常在實(shí)際場合中用相對光譜能量分布來表示。

一般而言，LED發(fā)出的光輻射，往往由許多不同波長的光所組成，而且不同波長的光在其中所占的比例也不同。LED輻射能量隨著波長變化而不同，因此可繪成一條分布曲線——相對光譜能量分布曲線。當(dāng)此曲線確定之后，器件的有關(guān)主波長、純度等相關(guān)色度參數(shù)亦隨之而定。LED的光譜分布與半導(dǎo)體種類、性質(zhì)及PN結(jié)結(jié)構(gòu)（外延層厚度、摻雜雜質(zhì)）等有關(guān)，而與器件的幾何形狀、封裝方式無關(guān)。如圖1-11所示為幾種由不同化合物半導(dǎo)體及摻雜制得的LED光譜響應(yīng)曲線。

6．LED的峰值波長和光譜半波寬

LED相對光譜能量分布曲線的重要參數(shù)用峰值波長λp和光譜半波寬Δλ表示。無論什么材料制成的LED，都有一個(gè)相對光輻射最強(qiáng)處，與之相對應(yīng)的波長稱為峰值波長，它由半導(dǎo)體材料的帶隙寬度或發(fā)光中心的能級位置決定。光譜半波寬Δλ定義為相對光譜能量分布曲線上，兩個(gè)半極大值強(qiáng)度處對應(yīng)的波長差，如圖1-12所示。光譜半波寬在標(biāo)志光譜純度的同時(shí)，也可以用來衡量半導(dǎo)體材料中的能量狀態(tài)離散度。LED的發(fā)光光譜半波寬一般為30～100nm，光譜半波寬窄意味著單色性好，發(fā)光顏色鮮明，清晰可見。