人眼對(duì)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(guó)際照明委員會(huì)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(duì)其進(jìn)行介紹。

    國(guó)際照明委員會(huì)色品圖表示法

    國(guó)際照明委員會(huì)（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(cè)理和標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該符合人眼的觀測(cè)結(jié)果。但是，人眼的顏色特性對(duì)于不同的觀測(cè)者或多或少會(huì)有一些差異，因此要求根據(jù)大量觀測(cè)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(cè)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(cè)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。

圖1 CIE1931色品圖

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    光的顏色鮮艷度

    光的顏色鮮艷度必須用光的主波長(zhǎng)λd和色純度來表示。目前，LED芯片供應(yīng)商都是用主波長(zhǎng)λd來表示鮮艷度，而不用峰值波長(zhǎng)λp來表示。

    ·主波長(zhǎng)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(duì)應(yīng)的單色波長(zhǎng)即稱為F點(diǎn)光源的主波長(zhǎng)λd。

    ·峰值波長(zhǎng)λp：光譜發(fā)光強(qiáng)度或輻射功率最大處的對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。它是一種純粹的物理量，一般應(yīng)用于波形比較對(duì)稱的單色光的檢測(cè)。

    ·中心波長(zhǎng)：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(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。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(cè)。

    ·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(zhǎng)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(jiǎn)稱“帶寬”。帶寬越小則顏色越純，顯然它也是純粹的物理量。

圖2 主波長(zhǎng)示意圖

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    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(jiǎn)稱色溫。

    光譜的能量分布和黑體在某一溫度下輻射的相對(duì)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(duì)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(duì)視敏函數(shù)V（λ）曲線

    對(duì)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(duì)于λp=555nm的綠光的靈敏度最高，對(duì)該值兩邊波長(zhǎng)的靈敏度越來越低。當(dāng)λplt;380nm或λpgt;780nm時(shí)，即使光源的光能量輻射再?gòu)?qiáng)，人眼也對(duì)它沒有任何光的感覺。例如在圖3的相對(duì)視敏函數(shù)曲線中，對(duì)于850nm、880nm、940nm處的線外線，人眼根本看不到。

圖3 相對(duì)視敏函數(shù)曲線

    國(guó)際照明委員會(huì)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。

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    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(hào)為φ，國(guó)際通用的光通量單位為流明（lm）。

    假設(shè)單色光的波長(zhǎng)為λi，則該波長(zhǎng)的光通量F（λi）就等于它的輻射功率P（λi）與相對(duì)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(zhǎng)分量光通量的總和，即式（2）：

    （2）

    P（λ）為給定波長(zhǎng)的光輻射功率，單位是W。V（λ）為給定波長(zhǎng)的相對(duì)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(duì)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(huì)比較高，而高色溫區(qū)和低色溫區(qū)的最大流明效率會(huì)比較低。所以對(duì)于不同的色溫，其流明效率會(huì)不一樣。

    提高白光LED的光效，應(yīng)考慮選用LED輻射的光波長(zhǎng)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?/P>

    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。

 

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    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(cè)量面垂直，則cosθ=1。對(duì)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(duì)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)。

圖4 光源的半強(qiáng)度角