光度學的理論研究

張嘉寧

【摘要】過去的一個世紀，白熾燈一直是主流光源。但白熾燈的缺點是能耗高、光效率低、壽命短，這就要人們不得不去尋找一種新型光源來代替白熾燈光源。用光度學的理論去研究一個能耗低、壽命長、低熱量的光源來代替它是有很大的實際意義的。

【關(guān)鍵詞】光強漸變，光源迭加

1.1光度學的基本概念

在電磁輻射中可見光只占有很窄的波段。光度學是來討論可見輻射的測量和傳播。光度學里所用單位是以人眼的響應(yīng)為基礎(chǔ)的。本文將介紹光度學的一些相應(yīng)的單位【1】【2】，和常用單位。

1.1.1光通量

通常用光的功率來表示光源在單位時間內(nèi)發(fā)射的光能量的大小，單位為（W/nm）。

輻射通量這個概念可用于所有光譜段的光與輻射。但人眼對不同波長的光的視覺靈敏度V（入）是不同的，對波長小于380納米和大于780納米之間的這部分不可見光，V（入）=0。因此將光源發(fā)射的輻射通量能夠引起人眼視覺的這部分能量稱為光通量。

通常用積分球法來測量LED的光通量，被測的LED器件發(fā)射出的光輻射經(jīng)積分球壁的多次反射后，產(chǎn)生了和光通量成比例的均勻面出光度，被球壁上的探測器測量到；同時在球內(nèi)的漫射屏擋住了光線，不讓探測器去直接接收被測器件的光輻射。

1.1.2發(fā)光強度

由于輻射的發(fā)光體在空間發(fā)出的光通量是不均勻的，大小也是不同的，所以為了表示輻射體在不同方向上光通量的分布特性，需要引入光通量角密度這個概念：光源在特定方向上很小的立體角元內(nèi)所包含的光通量dΦ與立體角dΩ的比值，稱為這個方向上的光強，單位為坎德拉。

LED光強的檢測可以分為近場與遠場兩種情況，在遠場的條件下，并且LED光源的尺寸與光探測器的面積到離光探測器距離相比足夠小，LED光源可看做點光源。此時，光探測器表面光照度E遵循距離平方反比的定理。在近場的條件下，測量LED時所需要的距離d相對就較短，光源相對尺寸太大，或是探測器表面和光源構(gòu)成的角度太大了，此時，光探測器測量的光強取決于測量的條件。照射在離LED有一定距離的光探測器的光通量Φ與探測器所構(gòu)成的立體角Ω的比值，就是平均發(fā)光強度。

發(fā)光強度空間分布圖僅規(guī)定了一個平面，半角強度常定義為發(fā)光強度等于最大發(fā)光強度一半位置構(gòu)成的角度，讓被測發(fā)光二極管繞頂點旋轉(zhuǎn)，也可以讓探測器以d為半徑旋轉(zhuǎn)，此測量法不僅適用于LED，同樣也適用于對稱的LED燈具的檢測。

1.1.3照度

被照面上光的強弱用照度用來表示，它以被照場所的光通量面密度來表示的。就是表面上一點的照度E被定義為入射光通量dΦ跟該單元面積dA的比，照度單位為勒克斯。

而對于任意大小表面積A，若入射的光通量為Φ，則表面積上平均的照度表示為：E=Φ/A

1.1.4光效

光源的發(fā)光效率，也就是光源所發(fā)生光通量與所消耗的電功率之比，簡稱為光效。單位為流明/瓦。

1.2二次聚光研究【3】【4】【5】

因為LED的封裝結(jié)構(gòu)中有起透鏡和反光碗的環(huán)氧樹脂這些光學單元，所以絕大多數(shù)的出射光線都分布在它的半強度角之內(nèi)。雖然如此，在半強度角之外，仍有不少的光線，在能源如此緊張的年代，如果可以把這部分光能很好的收集并利用，就能迅速提高光能的利用率，這是很意義的。以前是用菲涅耳透鏡將燈具來進行光線收集，并校正成平行光線輸出。但制造菲涅耳透鏡的工藝是復(fù)雜的，而且價格也不很貴，所以是有很大局限性的。

對配光和亮度要求較高的車燈，比如前照燈，是需要幾十或者上百個普通的LED的，發(fā)光面積太大了。而且國標上對光型分布的要求也比較高，要按照一定的角度分布的，發(fā)光面太大的話，后面的反射體就不好設(shè)計。這就是為什么LED有如此多的優(yōu)點，但卻只能應(yīng)用在汽車信號燈上的原因了。就連市面上的奧迪A8，這款車號稱全世界首次采用LED車頭日間照明燈，之所以是“日間”，是因為LED的能耗遠低于傳統(tǒng)的普通燈泡，壽命則長了很多，所以即使是白天開車也可以放心的一直亮燈，用來提高安全度。但它也僅僅就是前照燈的輔燈而已，還是無法替代前照燈的。

現(xiàn)如今一般的LED汽車用燈，都是直接用LED排成陣列的。這樣做的優(yōu)點是制造與安裝方便了很多，但也有缺點，因為光能沒有得到充分的利用，所以使用了大量的LED。所以要將光能盡量會聚到中心光強的附近，提高光能的利用率是勢在必行的一件事情。

1.3總結(jié)

LED是環(huán)保、節(jié)能的光源，具有低功耗、低工作電壓、體積小、固體化、無閃頻、壽命長、響應(yīng)時間快、可在各種惡劣環(huán)境下使用和易于IC電路匹配等優(yōu)點。所以它的出現(xiàn)讓人類生活息息相關(guān)的傳統(tǒng)照明面臨了巨大的挑戰(zhàn)，LED在國計民生等領(lǐng)域的作用也是日益明顯的。

LED作為交通指示的光源已經(jīng)有了較為廣泛的應(yīng)用，但在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用還不是很多，雖然在國外的高級轎車中已經(jīng)有所應(yīng)用，但還是相對處于初步階段，在國內(nèi)汽車行業(yè)中的應(yīng)用還是基本處于空白的。作為一種新型光源的LED，正在逐漸成為熱門研究課題。誰能在這一領(lǐng)域提出新的研究方向并研制出相應(yīng)的實用產(chǎn)品，就能在該領(lǐng)域中站得先機，創(chuàng)造出巨大的經(jīng)濟效益。

但我們也必須看到，將LED作為新的光源應(yīng)用于實際還需要一個漫長的過程，這是因為LED自身發(fā)展水平?jīng)Q定的，這其中最大的因素就是發(fā)光強度小造成的。根據(jù)現(xiàn)在LED的發(fā)光水平，想要把它應(yīng)用于汽車的車燈，必須對LED進行二次光學的設(shè)計，提高光能的利用率，降低生產(chǎn)的成本，更利于推廣。二次光學的設(shè)計是由于LED的發(fā)光強度相對較低，直接應(yīng)用于汽車車燈的實際意義并不是很大。但是對LED進行二次設(shè)計后，中心位置的光強大大的提高了，光能利用率也得到了大大的改善，效果非?？扇?。

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