發光二極管光照度的研究

王 莉，王慶祿

（1. 唐山師范學院 物理系，河北 唐山 063000；2. 唐山師范學院 現代教育技術中心，河北 唐山 063000）

物理與應用物理

發光二極管光照度的研究

王 莉1，王慶祿2

（1. 唐山師范學院 物理系，河北 唐山 063000；2. 唐山師范學院 現代教育技術中心，河北 唐山 063000）

研究了白光LED、紅光LED、綠光LED和藍光LED的光照度與工作電流、工作電壓和輸入功率的關系。結果表明，當工作電流或工作電壓增大時，白光LED、紅光LED、綠光LED和藍光LED中的任何一種光源的光照度均隨之增大；在工作電流或者輸入電壓相同的情況下，白光LED的光照度最大，紅光LED的光照度最小；曲線擬合結果表明，白光LED的光照度隨工作電流或輸入電壓基本呈現線性增長的趨勢。此外，還分析了LED光照度隨工作電流或者輸入電壓或輸入功率的線性變化的原因。

LED；光照度；工作電流；工作電壓；輸入功率

1 引言

作為固體發光元件，發光二極管（Light Emitted Diode，簡稱LED）除了應用于平面顯示以外，還可用于照明[1-3]、醫療器械[4-6]、農業生產[7,8]等許多領域。

光照度是物體單位面積上所得到的光的量，用來表示物體被照亮的程度。被光均勻照射的物體，在1 m2面積上得到的光通量是1流明時，它的光照度是1勒克斯（Lx）。有時為了充分利用光源，常在光源上附加一個反射裝置，使得某些方向能夠得到比較多的光通量，以增加這一被照面上的光照度。光照度可以被照度計直接測量。雖然光照度不像光強度、光亮度那樣直接代表光源的發光能力，但是它代表了光源發出的光的實際效果，比較直觀地反映了光源的發光能力。

在器件設計與實際應用中，發光二極管的光照度是必須要考慮的一個技術參數。譚家杰和鄒常青[9]設計了以單片機為基礎的LED光照度測量系統，研究了LED的光照度與電壓之間的關系，他們發現，采用二次曲線擬合，測量值與擬合值能很好地符合。侯明月等人[2]研究了1 W級大功率白光LED光源的伏安特性、光照度和發光效率與輸入電流的變化關系，分析了1 W級白光LED光源在實際應用中需要注意的幾個方面。他們發現，LED光源的光照度隨著工作電流的增加基本上按照線性的趨勢增長，并指出，為了使LED光源真正實現高效照明，要綜合考慮電流、發光效率、溫度等主要因素。可見，工作電流與電壓都是影響發光二極管光照度的重要因素。單管LED光源光照度不均勻，當它到所照射的目標物距離比自身尺寸大很多時，往往可將它視為點光源[5]。所以在實際應用中，為了得到光照度比較均勻的LED光源，要對單管LED光源進行二次均勻配光[10,11]，或者將多個單管LED光源做成陣列[12-15]。因此，研究發光二極管光照度的影響因素有著非常重要的實際意義。

2 實驗測量

實驗數據的采集在GDS-IV型綜合實驗平臺上完成，實驗用LED光源是深圳創想光電有限公司生產的F5mm直插LED，工作電壓3.0 V-5.0 V，工作電流20 mA，可發白、藍、綠、紅等色光。所使用的驅動電路圖如圖1所示，利用Origin Lab軟件進行曲線擬合。

圖1 測量LED光照度的驅動電路圖

3 實驗結果及討論

對白光LED、紅光LED、綠光LED和藍光LED的工作電流和電壓分別進行了測試，圖2給出了光照度隨著工作電流的變化關系。可以看出，隨著工作電流的增大，白色、紅色、綠色或者藍色LED的光照度也相應增大。在相同的工作電流下，白光LED光照度最大，紅光LED的最小。

圖2 LED光照度隨工作電流的變化關系

圖3給出了白光LED、紅光LED、綠光LED和藍光LED光照度隨著工作電壓的變化關系。由圖可見，隨著工作電壓的增大，白色、紅色、綠色或者藍色LED的光照度也相應增大。在工作電壓相同的情況下，白光LED、綠光LED、紅光LED的光照度順次減小。

圖3 LED光照度隨工作電壓的變化關系

圖4給出了LED光照度隨輸入功率P的變化關系。由圖可見，隨著功率的增大，白光、紅光、綠光或者藍光LED的光照度基本上按照線性關系相應增大。當輸入功率P在20 mW~80 mW的區間取某一固定值時，白光、藍光、綠光和紅光LED光照度順次減小。

圖4 LED光照度隨功率P的變化關系

圖5和圖6分別給出了白光LED光照度隨工作電流I和輸入電壓V的擬合結果，它們基本滿足線性擬合關系。LED光照度隨著工作電流和輸入電壓的變化呈線性關系。實驗中LED到照度計受光面的距離遠大于LED自身的線度（5 mm），因而可以將其視為點光源[5]。點光源在面元dS上產生的光通量為dφ，它在距離該點光源r處的光照度E為[5]：

其中I光源為點光源的光強，θ為點光源發出的原光束的光軸與面元的法線之間的夾角。整個實驗中r和θ均保持不變，故E與I光源成正比。考慮到LED光源的光能全部由輸入它的電能轉換而來，故I光源與輸入電功率P成正比，則有：

其中η為比例常數，I、V和P分別為工作電流、輸入電壓和輸入功率。由(2)式可知，LED光照度隨工作電流或者輸入電壓或者輸入功率的增長而線性增大。

圖5 白光LED光照度隨工作電流變化的線性擬合

圖6 白光LED光照度隨輸入電壓V變化的線性擬合

4 結語

通過比較所得實驗數據，我們發現：

（1）當工作電流、工作電壓增大時，白光LED、紅光LED、綠光LED和藍光LED中的任何一種光源的光照度均隨之增大。

（2）在工作電流或者輸入電壓相同的情況下，白光LED的光照度最大，紅光LED的光照度最小。

（3）對比白光LED的光照度隨工作電流或輸入電壓的實驗曲線和擬合曲線，發現白光LED的光照度隨工作電流或輸入電壓基本上呈現線性增長的趨勢。

在發光二極管的實際應用中，發光二極管的光照度強度是一個非常重要的技術參數。因此，在實際應用中可以根據需要，通過改變工作電流或工作電壓的方式來調整LED光源的光照度。

[1] 孫英杰,卜文斌.LED照明的照度均勻性研究[J].哈爾濱師范大學自然科學學報,2008,24(3):49-52.

[2] 侯明月,齊文濤,齊家,等.1W級白光LED光源相關問題探討[J].中國照明電器,2010(10):21-24.

[3] 闞子雄,王巧彬,任豪,等.LED燈具道路照明效果模擬與分析,應用光學,2012,33(2):374-378.

[4] 周文光,孔悅.一種新型發光二極管手術無影燈的研制[J].中國醫療設備,2009,24(11):17-19.

[5] 朱根娣,劉敏娟.新型LED手術無影燈的光照度特性的研究[J].中國醫療器械雜志,2009,33(3):138-187.

[6] 盛衛鋒,姜薇艷.新型LED手術無影燈[J].微型機與應用, 2010,29(19):19-21.

[7] 楊雅婷,程瑞峰,楊其長.LED光源不同R/B處理對甘薯組培苗品質及節能效果的影響[J].中國農業氣象,2010,29(19): 546-550.

[8] 張顯斌,袁軻.原棉異纖維檢測系統照明光源光照度分布研究[J].光學技術,2012,38(2):136-140.

[9] 譚家杰,鄒常青.光照度測量系統設計及實現[J].衡陽師范學院學報,2012,33(6):25-28.

[10] 李棟,賀葉美,梁雪,等.基于橢流線法的LED射燈菲涅耳反射器設計[J].光學儀器,2012,34(3):38-42.

[11] 劉青,張云翠,劉龍.新型LED礦燈光學系統的設計[J].大連工業大學學報,2013,32(1):75-78.

[12] 胡瑢華,余明,劉國平.帶鋼表面劃痕缺陷視覺檢測照明系統分析[J].光電工程,2010,37(12):55-58.

[13] 陳新睿,韓敬華,李洪儒,等.基于近場均勻照明的LED陣列的優化設計[J].應用光學,2014,35(1):122-127.

[14] 趙芝璞,季凌燕,沈艷霞,等.基于PSO粒子群算法的LED照明系統光照均勻性研究[J].發光學報,2013,34(12):1677-1682.

[15] 肖壽仁,李軍,劉朝暉,等.道路燈具大功率LED陣列光照度分布研究[J].廣東技術師范學院學報(自然科學),2013(7): 30-32.

（責任編輯、校對：孫海祥）

Investigation on Intensity of Illumination of Light Emitted Diode

WANG Li1, WANG Qinglu2

(1. Physics Department, Tangshan Normal University, Tangshan 063000, China; 2. Modern Education Technology Center, Tangshan Normal University, Tangshan 063000, China)

The intensity of illumination of white light, red light, green light or blue light LED varies with working current, working voltage, or input power is investigated. It shows that: The intensity of illumination of white light, red light, green light or blue light LED increases with the increasement of working current, working voltage or input power. The intensity of illumination of white light LED is the largest while the intensity of illumination of red light LED is the smallest for the same working current or working voltage. Besides, the intensity of illumination of the above LEDs varied with either working current or input voltage is fitted by the linear fix, and the linear variation of the intensity of illumination of the above LEDs with either working current or input voltage is analyzed.

LED; intensity of illumination; working current; working voltage; input power

TN312+.8

A

1009-9115(2015)02-0026-03

10.3969/j.issn.1009-9115.2015.02.008

唐山師范學院博士基金項目（07A04），唐山市科學技術研究與發展計劃項目（11140202 A）

2014-11-19

王莉（1972-），女，河北唐山人，博士，副教授，研究方向為低維半導體物理。