征服LED之不得不看的重要概念

光譜

　　表示相對于光的波長，光的強(qiáng)度的分布。led的光譜一般為單色LED，例如藍(lán)色LED以波長470nm時為峰值呈山峰分布，以峰值波長較短的紫外領(lǐng)域和峰值波長較長的綠色領(lǐng)域?yàn)楣獾膹?qiáng)度的測定極限。而白熾燈的光譜，其發(fā)光強(qiáng)度廣泛分布于400nm多的藍(lán)色領(lǐng)域至700nm多的近紅外領(lǐng)域，在紫外領(lǐng)域和紅外領(lǐng)域也能觀測到發(fā)光強(qiáng)度。熒光燈方面，組合使用的熒光體的發(fā)光波長部分為光譜的峰值。

　　與普通紅色、綠色和藍(lán)色LED的光譜峰值只有一個相比，白色LED的光譜則有很大不同。例如藍(lán)色領(lǐng)域和黃色領(lǐng)域會有兩個發(fā)光強(qiáng)度的峰值，或者在藍(lán)色領(lǐng)域、黃色領(lǐng)域和紅色領(lǐng)域有三個峰值，甚至還會出現(xiàn)更多的峰值。這是因?yàn)?，白色LED的白色光是組合了多個波長的光獲得的。例如，組合藍(lán)色LED和黃色熒光體時，峰值在藍(lán)色領(lǐng)域和黃色領(lǐng)域出現(xiàn)。另外，基于藍(lán)色LED的發(fā)光強(qiáng)度的峰值較尖，而基于熒光體的峰值較為平緩。

　　將LED用于液晶面板背照燈時，最理想的情況是LED的光譜在紅色、綠色和藍(lán)色三個領(lǐng)域出現(xiàn)發(fā)光強(qiáng)度的峰值。這是因?yàn)長ED的光最終將經(jīng)由液晶面板的彩色濾光片（紅色、綠色、藍(lán)色）輸出到外部。

　　獲得三個發(fā)光強(qiáng)度的峰值時，有使用紅色、綠色和藍(lán)色三種LED的方法，以及通過改進(jìn)熒光體材料、使用可獲得三個峰值的白色LED的方法。

發(fā)光光譜有很大不同

　　藍(lán)色LED和YAG類熒光體、藍(lán)色LED和ZnSe單結(jié)晶底板的發(fā)光、紫外LED和RGB熒光體等白色LED的發(fā)光光譜與熒光燈和自然光的比較。雖然都是白色，但發(fā)光光譜大為不同。

　　另一方面，LED用于普通的照明器具時，光譜廣泛分布在可視光領(lǐng)域的白色LED較受歡迎。原因是接近自然光，即太陽光的光譜的光線照射物體時，物體的顏色與照射自然光時接近的緣故。

光通量、光強(qiáng)、亮度和照度

　　光通量是表示光源整體亮度的指標(biāo)。單位為lm（流明）。在表示照明光源的明亮程度時經(jīng)常使用。是參考人眼的靈敏度（視覺靈敏度）來表示光源放射光亮度的物理量。具體數(shù)值為各向同性的發(fā)光強(qiáng)度為1cd（堪德拉）的光源在1sr（立體弧度）的立體角內(nèi)放射的光通量為1lm。此處的sr為立體角的單位，表示從球面向球心截取的面積為半徑（r）的2次方（r2）的圓錐體的頂角。

　　光強(qiáng)是表示光通量立體角密度的指標(biāo)。單位為cd。多在表示顯示用LED等的眩光時使用。其定義為：發(fā)射540×1012Hz（波長555nm）頻率單色光，在指定方向的光線發(fā)射強(qiáng)度為1/683W/sr的光源，在該方向的光強(qiáng)就定義為1cd。

　　亮度是表示從光源及反射面和透射面等二次光源向觀測者發(fā)出的光的強(qiáng)度指標(biāo)。單位為cd/m2。與光通量一樣，是結(jié)合人眼的靈敏度表示的物理量。大多在表示液晶面板和PDP等顯示器畫面的亮度時使用。

　　照度是表示照射到平面上的光的亮度指標(biāo)。單位為lx（勒克司），有時也標(biāo)記為lm/m2。是指光源射向平面狀物體的光通量中，每單位面積的光通量。用于比較照明器具照射到平面上的明亮程度。

光通量與照度和光強(qiáng)的關(guān)系

　　光通量、光強(qiáng)、亮度和照度的關(guān)系簡單歸納如下：光通量除以單位立體角等于光強(qiáng)；光通量除以單位面積等于照度，光強(qiáng)除以單位面積等于亮度。

發(fā)光效率（luminous efficacy）

　　評測光源效率的指標(biāo)，用光源發(fā)出的光通量（lm）與向光源輸入的電力（W）之比表示。單位為lm/W。

　　發(fā)光效率只表示光源的效率，與將光源安裝到照明器具上后器具的整體效率（綜合效率）是不同的概念。

　　發(fā)光效率是將外部量子效率用視覺靈敏度（人眼對光的靈敏度）來表示的數(shù)值。外部量子效率是發(fā)射到LED芯片和封裝外的光子個數(shù)相對于流經(jīng)LED的電子個數(shù)（電流）所占的比例。組合使用藍(lán)色LED芯片和熒光體的白色LED的外部量子效率，是相對于內(nèi)部量子效率（在LED芯片發(fā)光層內(nèi)發(fā)生的光子個數(shù)占流經(jīng)LED芯片的電子個數(shù)（電流）的比例）、芯片的光取出效率（將所發(fā)的光取出到LED芯片之外的比例）、熒光體的轉(zhuǎn)換效率（芯片發(fā)出的光照到熒光體上轉(zhuǎn)換為不同波長的比例）以及封裝的光取出效率（由LED和熒光體發(fā)射到封裝外的光線比例）的乘積決定。

　　在發(fā)光層產(chǎn)生的光子的一部分或在LED芯片內(nèi)被吸收，或在LED芯片內(nèi)不停地反射，出不了LED芯片。因此，外部量子效率比內(nèi)部量子效率要低。發(fā)光效率為100lm/W的白色LED，其輸入電力只有32％作為光能輸出到了外部。剩余的68％轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?BR>

　　今后3年將提高100lm/W

　　發(fā)光效率在2003年之前一直以每年數(shù)lm/W的速度緩慢提高。在提高發(fā)光效率時，最初未改變熒光體和封裝，而是致力于改進(jìn)芯片技術(shù)。具體而言，進(jìn)行了諸如改善藍(lán)色LED芯片所使用的GaN類半導(dǎo)體結(jié)晶的MOCVD結(jié)晶成長技術(shù)等。

　　從2004年開始，發(fā)光效率以每年10～20lm/W的速度提高。由此，從2004年的50lm/W到2008年的100lm/W，4年間提高了50lm/W。這種速度的實(shí)現(xiàn)，借助了將原來聚集于成膜技術(shù)的芯片技術(shù)改進(jìn)擴(kuò)展至了整個LED制造工藝那樣的重大調(diào)整。另外，除了改進(jìn)芯片技術(shù)外，還開始對熒光體進(jìn)行改善。

68％為熱損失

　　對發(fā)光效率為100lm/W的白色LED的能源轉(zhuǎn)換進(jìn)行模擬的結(jié)果。白色LED實(shí)現(xiàn)了與熒光燈同等以上的發(fā)光效率，但只有輸入電力的32％能作為光能輸出到外部。剩余的68％轉(zhuǎn)變?yōu)榱藷崮?。該模擬為向直徑5mm的炮彈型白色LED輸入62mW電力時的結(jié)果。白色LED是通過組合使用藍(lán)色LED芯片和黃色熒光體獲得的。

　　今后，各LED廠商擬將把2008年實(shí)現(xiàn)的100lm/W發(fā)光效率，提高至2010年的140～170lm，2011年提高至150～200lm/W。也就是說，在發(fā)光效率上領(lǐng)先于新加入進(jìn)來的廠商的LED廠的目標(biāo)是，平均每年提高30lm/W以上，3年提高100lm/W。LED的發(fā)光效率的上限被認(rèn)為是250lm/W左右，各LED廠商正在挑戰(zhàn)能以何種程度逼近上限。

　　為挑戰(zhàn)該上限，LED廠商正在全面導(dǎo)入最新的芯片技術(shù)、熒光體技術(shù)以及封裝技術(shù)。芯片技術(shù)方面，將繼續(xù)提高內(nèi)部量子效率和光取出效率。熒光體方面，除了提高變換效率外，還要采取措施降低因熒光體散射造成的衰減。封裝技術(shù)方面，要改善材料和構(gòu)造，以提高光取出效率。

色溫（color temperature）

　　指用黑體（理論上可完全吸收外來光的虛擬物體）的溫度表示光的顏色的數(shù)值。單位為K（開爾文）。黑體發(fā)出光的波長分布（色調(diào)）因溫度而異。色溫常用于表示熒光燈和白色LED的光色，及顯示器可顯示的白色的程度。一般來說，色溫低時看上去發(fā)紅，色溫高時發(fā)青……

　　指用黑體（理論上可完全吸收外來光的虛擬物體）的溫度表示光的顏色的數(shù)值。單位為K（開爾文）。黑體發(fā)出光的波長分布（色調(diào)）因溫度而異。色溫常用于表示熒光燈和白色LED的光色，及顯示器可顯示的白色的程度。一般來說，色溫低時看上去發(fā)紅，色溫高時發(fā)青。

　　以白色LED為例，結(jié)合使用藍(lán)色LED芯片和黃色熒光體的一般品種（平均演色性指數(shù)Ra為70以上）多為色溫在6000K以上的晝光色，而追加紅色