1.3 LED光电参数定义及其详解

1．可见光谱

光是一定波长范围内的一种电磁辐射。电磁辐射的波长范围很广，最短的如宇宙射线，其波长只有10−14～10−15m；最长的如无线电波，其波长可达数千公里。在电磁辐射范围内，只有波长为380～780nm的电磁辐射能够引起人的视觉，这段波长叫做可见光谱，如图1-8所示。电磁波谱波长区域如表1-2所示。

图1-8中所标数值均以基本单位表示，即频率为赫兹（Hz），波长为米（m）。由于使用上述单位时，波长的数值太大，有必要使用更小的单位来度量可见光谱的波长，因此采用了标准毫微米（又称纳米，符号为nm），1nm=10−9m。人眼能起视觉反映的最长和最短波长分别为780nm和380nm，它们分别处在光谱的红色端与紫色端。

表1-2 电磁波谱波长区域

在光度学中对于“光”的定义，是相对于可见光而言的，它所具有的波长范围为380～780nm。但是，此区间中，不同波长的辐射进入人眼的颜色感受不同，例如，波长为700nm的LED辐射引起的感觉是红色，波长为580nm的LED辐射引起的感觉是黄色，波长为510nm的LED辐射引起的感觉是绿色，波长为450nm的LED辐射引起的感觉是蓝色，等等。表1-3列出了不同色觉的波长范围。所以，LED光的颜色与进入人眼的光辐射的相对光谱能量分布有关，当进入到眼睛的光谱辐射波长发生改变或者相对光谱能量分布发生改变时，人眼对光的颜色感受也随着发生变化。

表1-3 不同色觉的波长范围

2．LED的光学参数

LED的光学参数中重要的几个是光通量、发光效率、发光强度、光强分布和波长。

（1）发光效率和光通量：发光效率是光通量与电功率之比。发光效率表征了光源的节能特性，是衡量现代光源性能的一个重要指标。

（2）发光强度和光强分布：LED的发光强度表征它在某个方向上的发光强弱。LED在不同的空间角度光强相差很多，光强分布的实际意义很大，直接影响到LED显示装置的最小观察角度。例如，体育场馆的LED大型彩色显示屏，如果选用的LED单管分布范围很窄，那么面对显示屏处于较大角度位置的观众看到的将是失真的图像。

（3）波长：对于LED的光谱特性，主要看其单色性是否优良，而且要注意红、黄、蓝、绿、白色LED等主要的颜色是否纯正。因为在许多场合下，如交通信号灯对颜色的要求就比较严格，不过现在的一些LED信号灯中绿色的往往发蓝、红色的往往为深红，所以对LED的光谱特性进行专门研究是非常必要而且很有意义的。

3．LED光通量

光通量指人眼所能感觉到的辐射功率，它等于单位时间内某一波段的辐射通量和该波段的相对视见率的乘积。由于人眼对不同波长光的相对视见率不同，所以不同波长光的辐射功率相等时，其光通量并不相等。

LED辐射通量ΦE用来衡量发光二极管在单位时间内发射的总的电磁功率，单位是W（瓦）。它通常表示LED在空间4π范围内，每秒钟所发出的功率。LED光源发射的辐射通量中能引起人眼视觉的那部分，称为光通量Φv，单位是流明（lm）。与辐射通量的概念类似，光通量是LED光源向整个空间在单位时间内发射的能引起人眼视觉的辐射通量。但要考虑人眼对不同波长的可见光的光感觉是不同的，国际照明委员会（CIE）为人眼对不同波长单色光的灵敏度做了总结，在明视觉条件（亮度为3cd/m2以上）时，人眼标准光度观测者光谱光效率函数V(λ)在555nm上有最大值，此时1W辐射通量等于683lm，如图1-9所示，其中V′(λ)为暗视觉条件（亮度为0.001cd/m2以下）下的光谱光效率函数。

明视觉条件下，辐射通量向光通量的转化表达式可以表示为

暗视觉条件下，辐射通量向光通量的转化表达式可以表示为

通常的测量以明视觉作为测量条件，并且为了得到准确的测量结果，必须把LED发射的光辐射功率收集起来，并用合适的探测器将其线性地转换成光电流，再确定被测量的大小。

4．LED发光强度

发光强度简称光强，国际单位是candela（坎德拉），简写为cd，其他单位有烛光、支光。1cd是指单色光源（频率540×1012Hz，波长0.550μm）的光，在给定方向上（该方向上的辐射强度为（1/683）瓦特/球面度）的单位立体角内发出的发光强度（球面度是一个立体角，其定点位于球心，而在球面上所截取的面积等于以球的半径为边长的正方形面积）。光源辐射均匀时，光强为I=F/Ω，其中Ω为立体角，单位为球面度（sr）；F为光通量，单位是流明。对于点光源，I=F/4。

发光强度表明发光体在空间发射的会聚能力。可以说，发光强度描述了光源到底有多亮。

发光强度的概念中要求光源是一个点光源，或者要求光源的尺寸和探测器的面积与离光探测器的距离相比足够小，表示为Iv=dΦv/dΩ，其中dΩ是点光源在某一方向上所张的立体角元，如图1-10所示。

但是在LED测量的许多实际应用场合中，测量距离往往不够长，光源的尺寸相对太大或者LED与探测器表面构成的立体角太大。在这种近场条件下，并不能很好地保证距离平方反比定律，实际发光强度的测量值随上述几个因素的不同而不同，从而严格地说并不能测量到真正的LED的发光强度。

为了解决这个问题，CIE推荐使用“平均发光强度”的概念：照射在离LED一定距离处的光探测器上的光通量Φv与由探测器构成的立体角的比值。其中立体角可由探测器的面积S除以测量距离d的平方值计算得到，因而有如下表达式：

从物理上看，平均发光强度的概念，不再与发光强度的概念关联得那么紧密，而更多地与光通量的测量和测量机构的设计有关。CIE关于近场条件下的LED测量，有两个推荐的标准条件：CIE标准条件A和CIE标准条件B，见表1-4。这两个条件都要求所用的探测器有一个面积为1cm2（相应直径为11.3mm）的圆入射孔径。

表1-4 CIE推荐的近场标准条件

5．LED相对光谱能量分布

LED的相对光谱能量分布P(λ)表示在LED的光辐射波长范围内，各个波长的辐射能量的分布情况，通常在实际场合中用相对光谱能量分布来表示。

一般而言，LED发出的光辐射，往往由许多不同波长的光所组成，而且不同波长的光在其中所占的比例也不同。LED辐射能量随着波长变化而不同，因此可绘成一条分布曲线——相对光谱能量分布曲线。当此曲线确定之后，器件的有关主波长、纯度等相关色度参数亦随之而定。LED的光谱分布与半导体种类、性质及PN结结构（外延层厚度、掺杂杂质）等有关，而与器件的几何形状、封装方式无关。如图1-11所示为几种由不同化合物半导体及掺杂制得的LED光谱响应曲线。

6．LED的峰值波长和光谱半波宽

LED相对光谱能量分布曲线的重要参数用峰值波长λp和光谱半波宽Δλ表示。无论什么材料制成的LED，都有一个相对光辐射最强处，与之相对应的波长称为峰值波长，它由半导体材料的带隙宽度或发光中心的能级位置决定。光谱半波宽Δλ定义为相对光谱能量分布曲线上，两个半极大值强度处对应的波长差，如图1-12所示。光谱半波宽在标志光谱纯度的同时，也可以用来衡量半导体材料中的能量状态离散度。LED的发光光谱半波宽一般为30～100nm，光谱半波宽窄意味着单色性好，发光颜色鲜明，清晰可见。