光度学的理论研究

张嘉宁

【摘要】过去的一个世纪，白炽灯一直是主流光源。但白炽灯的缺点是能耗高、光效率低、寿命短，这就要人们不得不去寻找一种新型光源来代替白炽灯光源。用光度学的理论去研究一个能耗低、寿命长、低热量的光源来代替它是有很大的实际意义的。

【关键词】光强渐变，光源迭加

1.1光度学的基本概念

在电磁辐射中可见光只占有很窄的波段。光度学是来讨论可见辐射的测量和传播。光度学里所用单位是以人眼的响应为基础的。本文將介绍光度学的一些相应的单位【1】【2】，和常用单位。

1.1.1光通量

通常用光的功率来表示光源在单位时间内发射的光能量的大小，单位为（W/nm）。

辐射通量这个概念可用于所有光谱段的光与辐射。但人眼对不同波长的光的视觉灵敏度V（入）是不同的，对波长小于380纳米和大于780纳米之间的这部分不可见光，V（入）=0。因此将光源发射的辐射通量能够引起人眼视觉的这部分能量称为光通量。

通常用积分球法来测量LED的光通量，被测的LED器件发射出的光辐射经积分球壁的多次反射后，产生了和光通量成比例的均匀面出光度，被球壁上的探测器测量到；同时在球内的漫射屏挡住了光线，不让探测器去直接接收被测器件的光辐射。

1.1.2发光强度

由于辐射的发光体在空间发出的光通量是不均匀的，大小也是不同的，所以为了表示辐射体在不同方向上光通量的分布特性，需要引入光通量角密度这个概念：光源在特定方向上很小的立体角元内所包含的光通量dΦ与立体角dΩ的比值，称为这个方向上的光强，单位为坎德拉。

LED光强的检测可以分为近场与远场两种情况，在远场的条件下，并且LED光源的尺寸与光探测器的面积到离光探测器距离相比足够小，LED光源可看做点光源。此时，光探测器表面光照度E遵循距离平方反比的定理。在近场的条件下，测量LED时所需要的距离d相对就较短，光源相对尺寸太大，或是探测器表面和光源构成的角度太大了，此时，光探测器测量的光强取决于测量的条件。照射在离LED有一定距离的光探测器的光通量Φ与探测器所构成的立体角Ω的比值，就是平均发光强度。

发光强度空间分布图仅规定了一个平面，半角强度常定义为发光强度等于最大发光强度一半位置构成的角度，让被测发光二极管绕顶点旋转，也可以让探测器以d为半径旋转，此测量法不仅适用于LED，同样也适用于对称的LED灯具的检测。

1.1.3照度

被照面上光的强弱用照度用来表示，它以被照场所的光通量面密度来表示的。就是表面上一点的照度E被定义为入射光通量dΦ跟该单元面积dA的比，照度单位为勒克斯。

而对于任意大小表面积A，若入射的光通量为Φ，则表面积上平均的照度表示为：E=Φ/A

1.1.4光效

光源的发光效率，也就是光源所发生光通量与所消耗的电功率之比，简称为光效。单位为流明/瓦。

1.2二次聚光研究【3】【4】【5】

因为LED的封装结构中有起透镜和反光碗的环氧树脂这些光学单元，所以绝大多数的出射光线都分布在它的半强度角之内。虽然如此，在半强度角之外，仍有不少的光线，在能源如此紧张的年代，如果可以把这部分光能很好的收集并利用，就能迅速提高光能的利用率，这是很意义的。以前是用菲涅耳透镜将灯具来进行光线收集，并校正成平行光线输出。但制造菲涅耳透镜的工艺是复杂的，而且价格也不很贵，所以是有很大局限性的。

对配光和亮度要求较高的车灯，比如前照灯，是需要几十或者上百个普通的LED的，发光面积太大了。而且国标上对光型分布的要求也比较高，要按照一定的角度分布的，发光面太大的话，后面的反射体就不好设计。这就是为什么LED有如此多的优点，但却只能应用在汽车信号灯上的原因了。就连市面上的奥迪A8，这款车号称全世界首次采用LED车头日间照明灯，之所以是“日间”，是因为LED的能耗远低于传统的普通灯泡，寿命则长了很多，所以即使是白天开车也可以放心的一直亮灯，用来提高安全度。但它也仅仅就是前照灯的辅灯而已，还是无法替代前照灯的。

现如今一般的LED汽车用灯，都是直接用LED排成阵列的。这样做的优点是制造与安装方便了很多，但也有缺点，因为光能没有得到充分的利用，所以使用了大量的LED。所以要将光能尽量会聚到中心光强的附近，提高光能的利用率是势在必行的一件事情。

1.3总结

LED是环保、节能的光源，具有低功耗、低工作电压、体积小、固体化、无闪频、寿命长、响应时间快、可在各种恶劣环境下使用和易于IC电路匹配等优点。所以它的出现让人类生活息息相关的传统照明面临了巨大的挑战，LED在国计民生等领域的作用也是日益明显的。

LED作为交通指示的光源已经有了较为广泛的应用，但在汽车领域的应用还不是很多，虽然在国外的高级轿车中已经有所应用，但还是相对处于初步阶段，在国内汽车行业中的应用还是基本处于空白的。作为一种新型光源的LED，正在逐渐成为热门研究课题。谁能在这一领域提出新的研究方向并研制出相应的实用产品，就能在该领域中站得先机，创造出巨大的经济效益。

但我们也必须看到，将LED作为新的光源应用于实际还需要一个漫长的过程，这是因为LED自身发展水平决定的，这其中最大的因素就是发光强度小造成的。根据现在LED的发光水平，想要把它应用于汽车的车灯，必须对LED进行二次光学的设计，提高光能的利用率，降低生产的成本，更利于推广。二次光学的设计是由于LED的发光强度相对较低，直接应用于汽车车灯的实际意义并不是很大。但是对LED进行二次设计后，中心位置的光强大大的提高了，光能利用率也得到了大大的改善，效果非常可人。

参考文献：

[1]鲍超.发光二极管测试技术和标准.物理，2003，V01.32，No.5，321

[2]中国光协光电子行业协会光电器件分会.发光二极管测试方法.2002.3-28

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[5]李国栋.照明光学CAD系统.硕士论文，北京理工大学光电工程系，1999.6.65