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1、光學基礎概念一光學基本概念 1光通量定義人眼所感受的光能量的大小稱為光通量通常用字母表示光通量的單位流明 lm 2發光強度. Iv定義點光源向各方向發出的可見光在某一方向在單位立体角. d內發出的光通量為. d則點光源在該方向上的發光強度. Iv為Ivd/d發光強度. Iv的單位坎德拉 cd 1000mcd1cd 3光出射度. M定義光源單位發光面積所發出的光通量大小 Md/dA光出射度的單位勒克斯 lx（1lm/ m2） 4光照度. E定義單位受照射面積接受的光通量大小 Ed/dA光照度的單位勒克斯 lx（1lm/ m2） 5光亮度. L描述具有有限尺寸的發光体發出的可見光在空間的分布情況定
2、義單位發光面積. dA在方向的發光強度. Iv与該單位面積在垂直于該方向平面上的投影. cosdA之比 LIv/cosdA光亮度的單位坎德拉平方米 cd/m2 6發光效率定義光源所發出的光通量和該光源所消耗的電功率的比值/發光效率的單位流明瓦 lm/w白熾燈發光效率. 15 lm/w LED可達到. 100 lm/w(實驗室值)白光的效率25lm/w 7色溫黑体是指這樣一种物体它能在任何溫度下將輻射到它表面的任何波長的能量全部吸收黑体的光出射度隨溫度上升而極快的上升黑=T4上式為著名的斯蒂芬玻爾滋曼定律其中為斯蒂芬玻爾滋曼常數當光源所發出的光的顏色與黑体在某一溫度下輻射的顏色相同時黑体的這個溫
3、度就稱為該光源的顏色溫度簡稱色溫. 8顯色指數描述光源照射到物体上所產生的客觀效果如果各色物体受照射時效果和標准光源照射時一樣則認為該光源的顯色性好即顯色指數高反之如果物体在受照射后顏色失真則該光源的顯色性就差即顯色指數低二顏色的基本知識 1顏色及其分類顏色是不同波長可見光輻射作用于人的視覺器官所產生的心理感受顏色是一种物理生理及心理學有關的複雜現象顏色可分為非彩色和彩色兩大類根据顏色形成的物理机制的不同顏色又可分為光源色物体色及熒光色自發光形成的顏色一般稱為光源色自身不發光憑借其它光源照明通過反射或透射而形成的顏色稱為物体色物体受光照射激發所產生的熒光与反射或透射光共同形成的顏色稱之為熒光色
4、. 2顏色的表觀特征顏色有三種表觀特征明度色調和飽和度明度表示顏色的明亮程度對于光源色明度值與發光体的光亮度有關對于物体色此值與物体的透射比或反射比有關色調是區分不同彩色的特征可見光譜范圍內不同波長的輻射在視覺上呈現不同的色調如紅黃綠藍紫等等光源色的色調取決于輻射的光譜組成而物体色則既與照明光的光譜組成有關還同物体對光的選擇性吸收有關例如物体反射波長為. 480nm560nm的輻射吸收其它波長的輻射在白光照明下呈綠色飽和度表示顏色接近光譜色的程度人們在觀察顏色時通常是在白天日光下進行的一种顏色可以看成是某種光譜色與白色混合的結果其中光譜色的白光所占的比例越大顏色接近光譜色的程度就越高飽和度高顏
5、色則深而艷光譜色的白光成分為飽和度達到最高非彩色只有明度的差別沒有色調區分飽和度為顏色的三原色為紅（）綠（）藍（）這三种顏色可匹配所有顏色发光二极管的工作原理图解分析发光二极管,通常称为LED,是在电子学世界里面的真正无名英雄。它们做了许多不同工作和在各种各样的设备都可以看见它的存在。基本上,发光二极管只是一个微小的电灯泡。但不像常见的白炽灯泡，发光二极管没有灯丝，而且又不会特别热。它单单是由半导体材料里的电子移动而使它发光。什么是二极管二极管是半导体设备中的一种最常见的器件,大多数半导体最是由搀杂半导体材料制成(原子和其它物质)发光二极管导体材料通常都是铝砷化稼,在纯铝砷化稼中,所有的原子都
6、完美的与它们的邻居结合,没有留下自由电子连接电流。在搀杂物质中，额外的原子改变电平衡，不是增加自由电子就是创造电子可以通过的空穴。这两样额外的条件都使得材料更具传导性。带额外电子的半导体叫做N型半导体，由于它带有额外负电粒子，所以在N型半导体材料中，自由电子是从负电区域向正电区域流动。带额外“电子空穴”的半导体叫做P型半导体，由于带有正电粒子。电子可以从另一个电子空穴跳向另一个电子空穴，从从负电区域向正电区域流动。因此，电子空穴本身就显示出是从正电区域流向负电区域。二极管是由N型半导体物质与P型半导体物质结合，每端都带电子。这样排列使电流只能从一个方向流动。当没有电压通过二极管时，电子就沿着过
7、渡层之间的汇合处从N型半导体流向P型半导体，从而形成一个损耗区。在损耗区中，半导体物质会回复到它原来的绝缘状态-所有的这些“电子空穴”都会被填满，所有就没有自由电子或电子真空区和电流不能流动。为了除掉损耗区就必须使N型向P型移动和空穴应反向移动。为了达到目的，连接二极管N型一方到电流的负极和P型就连接到电流的正极。这时在N型物质的自由电子会被负极电子排斥和吸引到正极电子。在P型物质中的电子空穴就移向另一方向。当电压在电子之间足够高的时候，在损耗区的电子将会在它的电子空穴中和再次开始自由移动。损耗区消失，电流流通过二极管。如果尝试使电流向其它方向流动，P型端就边接到电流负极和N型连接到正极，这时
8、电流将不会流动。N型物质的负极电子被吸引到正极电子。P型物质的正极电子空穴被吸引到负极电子。因为电子空穴和电子都向错误的方向移动所以就没有电流流通过汇合处，损耗区增加。为什么二极管会发光光是能量的一种形式，一种可以被原子释放出来。是由许多有能量和动力但没质量的微小粒子似的小捆组成的。这些粒子被叫做光子，是光的最基本单位。光子是因为电子移动才释放出来。在原子中，电子在原子的四周围以轨道形式移动。电子在不同的轨函数有着不同等的能量。通常来说，有着更大能量的电子以轨道移动远离了核子。当电子从一个更低的轨道跳到一个更高的轨道，能量水平就增高，反过来，当从更高轨函数跌落到更低的轨函数里时电子就会释放能量
9、。能量是以光子形式释放出来的。更高能量下降释放更高能量的光子，它的特点在于它的高频率。自由电子从P型层通过二极管落入空的电子空穴。这包含从传导带跌落到一个更低的轨函数，所以电子就是以光子形式释放能量。这在任何二极管里都会发生的，当二极管是由某种物质组成的时候，你只是可以看见光子。在标准硅二极管的原子，比如说，当电子跌落到相对短距离原子是以这样的方式排列。结果，由于电子频率这么低的情况下人的眼睛是无法看得到的。可见光发光二极管，比如用在数字显示式时钟的，间隙的大小决定了光子的频率，换句话说就是决定了光的色彩。当所有二极管都发出光时，大多数都不是很有效的。在普通二极管里，半导体材料本身吸引大量的光
10、能而结束。发光二极管是由一个塑性灯泡覆盖集中灯光在一个特定方向。发光二极管比传统的白炽灯有几个优点。第一个是发光二极管没有灯丝会烧坏，所以寿命就更长。此外，发光二极管的小小塑性灯泡使得发光二极管更持久耐用。还可以更加容易适合现在的电子电路。传统白炽灯的发光过程包含了产生大量热量。这是完全是浪费能源。除非你把灯当做发热器用，因为绝大部分有效电流并不是直接产生可见光的。发光二极管所发出的热非常少，相对来说，越多电能直接发光就是越大程度上减少对电能的需求。直到现在，因为是用先进半导体材料制造所以发光二极管在大多数照明应用上还过于昂贵。半导体器件的价格在过去10年里大幅度地降低，然而，使得发光二极管在
11、更广的应用下的一个更划算照明选择，在不远的将来，发光二极管将会在世界技术上扮演更加大的角色。LED发光二极管工作原理及检测方法发光二极管LED（Light-EmittingDiode）是能将电信号转换成光信号的结型电致发光半导体器件。1、发光二极管LED主要特点（1）在低电压（1.52.5V）、小电流(530mA)的条件下工作，即可获得足够高的亮度。（2）发光响应速度快（10-710-9 s），高频特性好，能显示脉冲信息。（3）单色性好，常见颜色有红、绿、黄、橙等。（4）体积小。发光面形状分圆形、长方形、异形（三角形等）。其中圆形管子的外径有1、2、3、4、5、8、10、12、15、20（mm
12、）等规格，直径1mm的属于超微型LED。（5）防震动及抗冲击穿性能好，功耗低，寿命长。由于LED的PN结工作在正向导通状态，本射功耗低，只要加必要的限流措施，即可长期使用，寿命在10万小时以上，甚至可达100万小时。（6）使用灵活，根据需要可制成数码管、字符管、电平显示器、点阵显示器、固体发光板、LED平极型电视屏等。（7）容易与数字集成电路匹配。2发光二极管的原理发光二极管内部是具有发光特性的PN结。当PN结导通时，依靠少数载流子的注入以及随后的复合而辐射发光。普通发光二极管的外形、符号及伏安特性如图1 所示。LED正向伏安特性曲线比较陡，在正向导通之前几乎有电流。当电压超过开启电压时，电流
13、就急剧上升。因此，LED属于电流控制型半导体器件，其发光亮度L（单位cd/m2，读作坎德拉每平方米）与正向电流IF近似成正双，有公式L =K IFm式中，K为比例系数，在小电流范围内（IF=110mA），m=1.31.5。当IF10mA时，m=1，式（）简化成L =K IF即亮度与正向电流成正比。以磷砷化镓黄色LED为例，相对发光强度与正向电流的关系如图2所示。LED的正向电压则与正向电流以及管芯的半导体材料有关。使用时应根据所要求的显示亮度来选取合适的IF值（一般选10mA左右，对于高亮度LED可选12mA），既保证亮度适中，也不会损坏LED。若电流过大，会烧毁LED的PN结。此外，LED的
14、使用寿命将缩短。由于发光二极管的功耗低、体积小，色彩鲜艳、响应速度快、寿命长，所以常用作收录机、收音机和电子仪器的电平指示器、调谐指示器、电源指示器等。发光二极管在正向导通时有一定稳压作用，还可作直流稳压器中的稳压二极管，提供基准电压，兼作电源指示灯。目前市场上还有一种带反射腔及固定装置的发光二要管（例如BT104-B2、BT102-F），很容易固定在仪器面板上。LED的输出光谱决定其发光颜色及光辐射纯度，也反映出半导体材料的特性。常见管芯材料有磷化镓（GaP）、砷化镓（GaAsP）、磷砷化镓（GaAlAs）、砷铝化镓（GaN）氮化镓可发蓝光。3使用注意事项（1）管子极性不得接反，一般讲引线较长的为正极，引线较短的是负极。（2）使用中各项参数不得超过规定极限值。正向电流IF不允许超过极限工作电流IFM值，并且随着环境温度的升高，必须作降额使用。长期使用温度不宜超过75。（3）焊接时间应尽量短，焊点不能在管脚根部。焊接时应使用镊子夹住管脚根部散热，宜用中性助焊剂（松香）或选用松香焊锡丝。（4）严禁用有机溶液浸泡或清洗。（5）LED的驱动电路必须加限流电阻，一般可取一百欧至几百欧，视电源电压而定。（6）在发光亮度基本不变的情况下，采用脉冲电压驱动可以节省耗电。对于LED点阵显示器，采用扫描显示方式能大大降低整机功耗
