1.3.2 LED的光学参数

1.LED的光波长（λ）

LED的光波长决定了LED的发光颜色，是一个很重要的一项指标。此参数在LED生产和设计过程中相当重要，因为颜色不同，相关的参数也有很大的变化。目前，LED的颜色主要有红色、绿色、蓝色、青色、黄色、白色、暖白、琥珀色等颜色。

全球第一颗LED采用的材料是砷（As）化鎵（Ga），工作电压为1.424V，其发出的光线为红外光谱。之后，业界发展出以磷（P）化鎵（Ga）作为LED的材料，工作电压为2.261V，发出的光为绿光。业界早期就透过这2种形态LED所需的材料，调配出从红外线到绿色光范围内所有波长的LED产品，发展出常见的红光LED、黄光LED、橙光LED等等，这3大类LED因为使用了鎵、砷、磷3种元素，故被称为3元素LED，而蓝光LED、绿光LED与红外光LED则被称为2元素LED。业界后来发展出采用混合铝（Al）、钙（Ca）、銦（In）和氮（N）共4种元素的4元素LED，就能够发出所有可见光范围与部分紫外线光谱的光线。

由于随着LED的制造材料不同，产生出来的光子拥有的能量也不同，故业界透过制造材料来控制LED发光的波长，进而产生拥有不同光谱与顏色的各种LED。

2.光通量（F）

光源在单位时间内发射出的光量称为光源的光通量，单位为流明，即lm。

这个量是对光源而言的，是描述光源发光总量的大小的，与光功率等价。光源的光通量越大，则发出的光线越多。

光通量是人为量。因为这种定义完全是根据人眼对光的响应而来的。人眼对不同颜色的光的感觉是不同的，此感觉决定了光通量与光功率的换算关系（图1-7所示的人眼光谱光效率函数描述了人眼对不同波长光的感觉）。对于人眼最敏感的555nm的黄绿光，1W = 683lm，也就是说，1W的电功率全部转换成波长为555nm的光，为683 流明。这个是最大的光转换效率，也是定标值，因为人眼对555nm的光最敏感。对于其他颜色的光，如650nm的红色， 1W的光仅相当于73 流明，这是因为人眼对红光不敏感的原因。对于白色光，则和其组成的光谱结构有关。例如，一般白光LED是采用蓝光芯片结合黄光荧光粉的形式，其光谱主要集中在蓝光和黄光附近，所以它的“光功率—光通量”转化，主要看人眼对黄光与蓝光的感觉。

现在将常用白光LED 的“功率—流明”对应关系列举出来，供大家参考：0.06W→3～5lm，0.2W→13～15lm，1W→60～80lm。一个l00W的灯泡可产生l750lm，而一支40W冷白日光灯管则可产生3150lm的光通量。

3.发光强度（I）

发光强度简称光度强，指光源的明亮程度。是说从光源一个立体角（单位为Sr）所放射出来的光通量，即光源或照明灯具所发出的光通量在空间选定方向上分布密度，也表示光源在一定方向和范围内发出的可见光辐射强弱的物理量。单位是坎德拉，即 cd；1000μcd（微坎德拉）=1mcd（毫坎德拉），1000mcd=1cd（也称烛光）。

发光强度是针对点光源而言的，或者发光体的大小与照射距离相比很小的场合。这个量是表明发光体在空间发射的会聚能力的。可以说，发光强度就是描述了光源到底有多“亮”，因为它是光功率与会聚能力的一个共同的描述。发光强度越大，光源看起来就越亮，同时在相同条件下被该光源照射后的物体也就越亮。因此，描述手电筒的光照都用这个参数。

对于各向同性的光（即光源的光线向四面八方以相同的密度发射），则F=4πI。也就是说，若光源的I为1cd，则总光通量为4πI=12.56lm。与力学的单位比较，光通量相当于压力，而发光强度相当于压强。要想被照射点看起来更亮，我们不仅要提高光通量，而且要增大会聚的手段，实际上就是减少面积，这样才能得到更大的强度。

现在LED也用这个单位来描述，如某LED是15000的，单位是mcd，1000mcd=1cd，因此15000mcd就是15cd。LED之所以用毫cd（mcd）而不直接用cd来表示，是因为最早的LED都比较暗，如1984 年标准5mm的LED的发光强度只有0.005cd，因此用mcd表示。现在LED的亮度很比较大，但还是沿用原来的说法。

室内用单只 LED 的光强一般为 500ucd～50mcd，而户外用单只 LED 的光强一般应为100mcd～1000mcd，甚至在1000mcd以上。

发光强度为1cd的光源可放射出l2.57lm的光通量。

用发光强度来表示“亮度”的缺点是如果管芯完全一样的两个LED，会聚程度好的发光强度就高。因此，购买LED时不要一味追求高I值，还要看照射角度。很多高I值的LED并非提高自身的发射效率来达到，而是把镜头加长照射角度变窄来实现的。另外，同样的管芯LED，直径5mm的I值就比3mm的大一倍多，但只有直径10mm的1/4，因为透镜越大会聚特性就越好。

4.LED光照度（E）

光照度是受照平面上接受光通量的密度，可用每一单位面积的光通量来测量。单位：勒克斯，即lx。1流明的光通量均匀分布在1平方米表面上所产生的光照度，即1勒克斯。

桌面、工作面的照度不应少于 150lx。起居室的照明采用光线柔合的半直接型照明灯具较理想，其平均照度应达到l00lx左右。阅读和书写用的灯具功率可大些，照度应达到200lx。

表1-2是各种环境的光照度值。

5.发光亮度（L）

亮度是指物体明暗的程度，定义是单位面积的发光强度。单位：cd/m2，也称尼特。

光通量、光强、照度和亮度的关系图如图1-8所示。

6.光效

光效是光源效率的简称，是指光源发出的光通量除以光源的功率，即光源效率（Lm/W）= 流明（Lm）/ 耗电量（W）。它是衡量光源节能的重要指标，其数值越高表示光源的效率越高，也越节能。LED之所以节能是因为其光效较高。

7.光谱

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。

高温物体发出的白光（其中包含连续分布的一切波长的光）通过物质时，某些波长的光被物质吸收后产生的光谱，称为吸收光谱。例如，让弧光灯发出的白光通过温度较低的钠气（在酒精灯的灯心上放一些食盐，食盐受热分解就会产生钠气），然后用分光镜来观察，就会看到在连续光谱的背景中有两条挨得很近的暗线。这就是钠原子的吸收光谱。值得注意的是，各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该种原子的发射光谱中的一条明线相对应。这表明，低温气体原子吸收的光，恰好就是这种原子在高温时发出的光。因此，吸收光谱中的谱线（暗线），也是原子的特征谱线，只是通常在吸收光谱中看到的特征谱线比明线光谱中的少。

在我们眼里，大部分光源所发出的光通称为白光，实际上肉眼看上去的不同光源所发出的白光会因色温的高低而呈现不同的颜色。光色越偏蓝，色温越高；偏红则色温越低。人的眼睛有时会被自己的感觉所愚弄，感到差异不大，但在我们拍摄照片上，可以看到最直接的效果，如在睛空下拍摄的照片，可能会发蓝发冷；而在灯光下拍摄的照片（不打开闪光灯），会呈现明显暖调的橙红色。