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為基礎的。本文將介紹光度學的一些相應的單位【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發射的光能量的大小，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器件發射出的光輻射經積分球壁的多次反射后，產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發光強度

由于輻射的發光體在空間發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與探測器所構成的立體角Ω的比值，就是平均發光強度。

發光強度空間分布圖僅規定了一個平面，半角強度常定義為發光強度等于最大發光強度一半位置構成的角度，讓被測發光二極管繞頂點旋轉，也可以讓探測器以d為半徑旋轉，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

光源的發光效率，也就是光源所發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的封裝結構中有起透鏡和反光碗的環氧樹脂這些光學單元，所以絕大多數的出射光線都分布在它的半強度角之內。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，發光面太大的話，后面的反射體就不好設計。這就是為什么LED有如此多的優點，但卻只能應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

LED是環保、節能的光源，具有低功耗、低工作電壓、體積小、固體化、無閃頻、壽命長、響應時間快、可在各種惡劣環境下使用和易于IC電路匹配等優點。所以它的出現讓人類生活息息相關的傳統照明面臨了巨大的挑戰，LED在國計民生等領域的作用也是日益明顯的。

LED作為交通指示的光源已經有了較為廣泛的應用，但在汽車領域的應用還不是很多，雖然在國外的高級轎車中已經有所應用，但還是相對處于初步階段，在國內汽車行業中的應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。誰能在這一領域提出新的研究方向并研制出相應的實用產品，就能在該領域中站得先機，創造出巨大的經濟效益。

但我們也必須看到，將LED作為新的光源應用于實際還需要一個漫長的過程，這是因為LED自身發展水平決定的，這其中最大的因素就是發光強度小造成的。根據現在LED的發光水平，想要把它應用于汽車的車燈，必須對LED進行二次光學的設計，提高光能的利用率，降低生產的成本，更利于推廣。二次光學的設計是由于LED的發光強度相對較低，直接應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，效果非常可人。

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