半導(dǎo)體照明技術(shù)：第一章光視覺顏色

1、推薦書目1. E. Fred Schubert, Light-Emitting Diodes, New York: Cambridge, 20032.色度學(xué)，荊其誠，焦書蘭等，科學(xué)出版社，1979第第1章章 光光 視覺視覺 顏色顏色第一章內(nèi)容 1.1 光 1.2視覺 （不講） 1.3顏色1.1.1 光的本質(zhì) 本質(zhì)：波粒二重性(同時具有粒子性和波動性) 光速、光波長與頻率關(guān)系： c= 光子具有的能量： E=h=hc/ 可見光波段：380nm780nm 波長：nm(10-9m)1.1.2.1 光的產(chǎn)生光的產(chǎn)生：溫度輻射和發(fā)光（激發(fā)發(fā)光）光的產(chǎn)生：溫度輻射和發(fā)光（激發(fā)發(fā)光）溫度輻射：物質(zhì)在高溫下輻射

2、出熱能；溫度輻射：物質(zhì)在高溫下輻射出熱能；黑體輻射：能量分布由普朗克公式描述黑體輻射：能量分布由普朗克公式描述：)/() 1/(2)(352mWkTehcEhc 激發(fā)發(fā)光：除溫度以外的原因產(chǎn)生可見光激發(fā)發(fā)光：除溫度以外的原因產(chǎn)生可見光 生物發(fā)光：螢火蟲 化學(xué)發(fā)光：化學(xué)反應(yīng)直接引起發(fā)光 光致發(fā)光：光、X射線、紫外等激發(fā)而引起發(fā)光 陰極射線發(fā)光：電子束激發(fā)熒光物質(zhì)發(fā)光（顯像管） 燃燒發(fā)光：堿金屬和堿土金屬及其鹽類的燃燒 電致發(fā)光：氣體放電、場致發(fā)光、電致載流子復(fù)合發(fā)光1.1.2.2 光的傳播 反射與折射 斯涅耳（斯涅耳（snall）定律）定律 n1sin1=n2sin2 全反射:光線從高折射率媒質(zhì)

3、進(jìn)入低折射率媒質(zhì)，如入射角大于臨界角，入射光的能量都被反射，沒有折射。 全反射角：全反射角： 2 =sin-1(n1/n2)211折射率n1折射率n2媒質(zhì)1媒質(zhì)2入射光線反射光線折射光線*422sairsourceescapennPP可由半導(dǎo)體材可由半導(dǎo)體材料進(jìn)入到空氣料進(jìn)入到空氣中的光功率：中的光功率：* E. Fred Schubert, “LED basics: optical properties,” in Light-Emitting Diodes, New York: Cambridge, 2003, pp. 91 1.1.2.2 光的傳播 吸收吸收：光能轉(zhuǎn)變成其他形式的能量 為吸

4、收系數(shù) LED中光吸收機(jī)制中光吸收機(jī)制： 芯片自吸收，芯片表面電極吸收，封裝膠吸收，反射吸收，熒光粉吸收 散射散射：光在不均勻媒質(zhì)中傳播 由于無數(shù)雜亂無章的界面的多次 反射和折射)exp(0axIIaI0)exp(xII0舉例：熒光粉的顆粒散射 1.1.3 人眼的光譜靈敏度 人眼的光譜靈敏度隨環(huán)境亮度的改變而變化 明視覺：亮度超過10cd（坎德拉）.m-2. 暗視覺：環(huán)境亮度低于10-2cd/m2. 1.1.4 光度學(xué)及測量輻通量（輻射功率）：輻通量（輻射功率）：以輻射形式發(fā)射、傳輸或接收的功率。 單位：W； 總的輻射功率總的輻射功率為：0dPP光通量：光通量：按照CIE規(guī)定的人眼的視覺特性（

5、CIE標(biāo)準(zhǔn)光度觀察者）來評價的輻通量，即用光譜靈敏度為V()函數(shù)的物理探測器所評價的輻通量。 符號F，單位：流明（lm）1975年，流明的定義為：頻率為5401012赫茲，輻 通 量 為 1 / 6 8 3 W 的 單 色 輻 射 的 光 通 量 。 5401012赫茲的波長是555nm 1.1.4 光度學(xué)及測量輻通量和光通量的關(guān)系式： 對于明視覺： Km=683 lm/W對于暗視覺： Km1725 lm/WdVPKFm780380)(dVPKFm780380)( 1.1.4 光度學(xué)及測量光強(qiáng)度：點光源在給定的方向上，單位立體角內(nèi)發(fā)射的光通量。單位：坎德拉（cd）光照度：投射在單位面積上的光通

6、量。單位：勒克斯（lx），1 lx1 lm/m2 ddFI 1.1.4 光度學(xué)及測量朗伯發(fā)光：某些面輻射源或理想的漫射面，輻射強(qiáng)度與表面法線和給定方向間夾角的余弦成正比LED、OLED等發(fā)光器件在光學(xué)模擬中，常常當(dāng)作朗伯發(fā)光體來處理cos0II 練習(xí) 如圖所示為一LED所測的光強(qiáng)分布圖，法向的光強(qiáng)為6.48cd。如果此LED是一朗伯發(fā)光體，在LED法線45度方向的強(qiáng)度是多少？此方向上2米處放置一探測器，其測到的照度是多少？cdIIoo58. 445cos)45(0解：222/15. 14/58. 4/ )45()/()45(/mlmRIRIdIdddFEoo1.3.1 顏色的性質(zhì) 三原色原理認(rèn)

7、為：人眼的視網(wǎng)膜是三種不同感色物質(zhì)鑲嵌而成。其分別對應(yīng)于藍(lán)(B)、綠(G)、紅（R)光的特定波長。 顏色疊加原理：任何顏色都是由三原色合成的: C=XR+YG+ZBRed + Green =YellowRed + Blue =MagentaGreen + Blue =Cyan Red + Green + Blue =White1.3.1 顏色的性質(zhì)采用歸一化x=X/(X+Y+Z)y=Y/(X+Y+Z)z=Z/(X+Y+Z)x+y+z=1顏色可以使用坐標(biāo)（x,y）來確定1.3.2 國際照明委員會色度學(xué)系統(tǒng) 國際照明委員會規(guī)定三原色標(biāo)準(zhǔn)為 , , 如表1-3所示XYZdZPZdYPYdXPX780

8、380780380780380)()()(色度坐標(biāo)計算示例 考慮一簡化的發(fā)光光譜，在460nm處的功率為0.4W，580nm處的功率為0.5W，其它波長功率為0，試計算該光譜的色度坐標(biāo)6682. 00011. 05 . 06692. 14 . 0)(459. 087. 05 . 006. 04 . 0)(5745. 09163. 05 . 02908. 04 . 0)(780380780380780380dZPZdYPYdXPX270. 0Z)YY/(Xy0.338Z)YX/(Xx1.3.2.3 均勻色度標(biāo)尺 CIE 1931色度圖X，Y坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為CIE 1960 均勻色度標(biāo)尺(UCS)圖u,

9、 v坐標(biāo)，用公式 轉(zhuǎn)換為CIE 1976 均勻色度標(biāo)尺(UCS)圖u, v坐標(biāo)，用公式ZYXXu3154ZYXYv3156ZYXXu3154ZYXYv3159 1.3.3.1 色溫和相關(guān)色溫 光源的光輻射所呈現(xiàn)的顏色與在某一溫度下黑體輻射的顏色相同時，稱黑體的溫度Tc為光源的色溫，用絕對溫度K表示。 當(dāng)光源發(fā)出的光的顏色與黑體在某一溫度下輻射的顏色接近時，黑體溫度就稱為該光源的相關(guān)色溫。 當(dāng)（u,v）色度圖上，等溫線和色溫曲線通常是垂直的 1.3.3.1 色溫和相關(guān)色溫色溫色溫光源光源1700 K火柴光1850 K蠟燭2800 K鎢燈 (白熾燈)3350 K演播室CP燈3400 K演播室臺燈,

10、 照相泛光燈（不是閃光燈）, 等.4100 K月光5000 K日光5500 K平均日光, 電子閃光5770 K有效太陽溫度6420 K氙弧燈6500 K日光9300 K電視屏幕（模擬） 1.3.3.2 顯色指數(shù) 顯色指數(shù)：表明光源發(fā)射的光對被照物顏色正確反映的量稱為顯色指數(shù) 顯指（CRI）是白光光源質(zhì)量的重要參量。光源顯色指數(shù)白熾燈97日光色熒光燈80-94白色熒光燈75-85暖白色熒光燈80-90鹵鎢燈95-99白光LED（兩色混合）6080白光LED（三色混合）8595高壓汞燈22-51高壓鈉燈20-30金屬鹵化物燈60-65 1.3.3.2 顯色指數(shù)黃色香蕉在紅光下觀察綠色香蕉在黃光下觀察高顯指光源下觀察低顯指光源下觀察作業(yè)1. 假設(shè)InGaN藍(lán)光LED芯片是一折射率為2.5的薄層，放置在