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LED照明显示基础知识
LED照明/显示基础知识
第一章LED照明基础知识
1、半导体照明的概念
又名LED照明。
LED（LightingEmittingDiode）即发光二极管，是一种半导体固体发光器件。
它是利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。
LED照明产品就是利用LED作为光源制造出来的照明器具。
2、LED基本发光原理
LED是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，这些半导体材料会预先透过注入或搀杂等工艺以产生P、N架构。
因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。
此外，在一定条件下，它还具有发光特性。
两种不同的载流子：
空穴和电子在不同的电极电压作用下从电极流向p、n架构。
当空穴和电子相遇而产生复合，电子会跌落到较低的能阶，同时以光子的模式释放出能量。
假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。
除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。
发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。
由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数µm以内产生。
理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关，即
λ≈1240/Eg（mm）
式中Eg的单位为电子伏特（eV）。
若能产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV之间。
比红光波长长的光为红外光。
现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管，但其中蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍。
它所发出的光的波长（决定颜色），是由组成p、n架构的半导体物料的禁带能量决定。
由于硅和锗是间接带隙材料，在这些材料在常温下电子与空穴的复合是非辐射跃迁，此类跃迁没有释出光子，所以硅和锗二极管不能发光。
但在极低温的特定温度下则会发光，必须在特殊角度下才可发现，而该发光的亮度不明显。
发光二极管所用的材料都是直接带隙型的，这些禁带能量对应着近红外线、可见光、或近紫外线波段的光能量。
发展初期，采用砷化镓（GaAs）的发光二极管只能发出红外线或红光。
随着材料科学的进步，各种颜色的发光二极管，现今皆可制造。
电流从LED阳极流向阴极时，调节电流，便可调节光的强度。
如右图所示。
图1：
LED发光原理图
不同颜色的LED,所使用的不同的元素
图2：
LED颜色和元素对应图
3、LED光源的特点
1）电压：
led使用低压电源，供电电压在6-24v之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。
2）效能：
消耗能量较同光效的白炽灯减少80%
3）适用性：
很小，每个单元led小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境
4）稳定性：
10万小时，光衰为初始的50%
5）响应时间：
其白炽灯的响应时间为毫秒级，led灯的响应时间为纳秒级
6）对环境污染：
无有害金属汞
7）颜色：
改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。
如小电流时为红色的led，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色
8）价格：
led的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只led的价格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由上300～500只二极管构成
4、LED的优点
1）高节能
节能能源无污染即为环保。
直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.06瓦）电光功率转换接近100%，相同照明效果比传统光源节能80%以上。
2）寿命长
LED光源有人称它为长寿灯，意为永不熄灭的灯。
固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，使用寿命可达6万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。
3）多变幻
LED光源可利用红、绿、篮三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合，即可产生256×256×256＝16777216种颜色，形成不同光色的组合变化多端，实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。
4）利环保
环保效益更佳，光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，而且废弃物可回收，没有污染不含汞元素，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。
红光LED含有大量的As（砷），剧毒。
5）高新尖
与传统光源单调的发光效果相比，LED光源是低压微电子产品，成功融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术、嵌入式控制技术等，所以亦是数字信息化产品，是半导体光电器件“高新尖”技术，具有在线编程，无限升级，灵活多变的特点。
6）体积小
LED基本上是一块很小的芯片被封装在环氧树脂里面，所以它非常的小，非常的轻。
7）高亮度、低热量
比HID或白炽灯更少的热辐射。
5、LED发展历史
1）1965年，全球第一款商用化发光二极管诞生，效率0.1lm/W,比白炽灯低100倍，售价45$/只。
2）1968年，LED的研发取得了突破性进展，利用氮掺杂工艺使GaAsP器件的效率达到了1流明/瓦，并且能够发出红光、橙光和黄色光。
3）1971年，GaP绿色芯片LED。
用途：
指示用，长寿命10万小时，可靠
4）80年代AlGaAs技术使得LED效率达到10流明/瓦，90年代的AlGaInP技术使得LED效率达到100流明/瓦。
用途：
显示，信号用。
用于室外的运动信息发布以及汽车的高位刹车灯。
5）1994年，中村修二研制出了第一只GaN基高亮度蓝色发光二极管。
用途：
由于蓝光LED的出现，人们首次实现红黄蓝LED的全色显示，从90年代中期开始，许多广告、体育和娱乐场所开始应用LED大屏幕显示。
6.1997年，中村修二和美国人修博特先后研制出了GaN蓝色发光二极管激发黄光荧光粉得到白光LED，效率不足10lm/W。
6）2000年，日亚报道了15lm/W白光LED。
7）2003年，日亚报道的光效达到60lm/W，2006年3月，其光效达到100lm/W。
8）2006年7月，Cree公司报道了130lm/W白光LED。
9）2006年11月，日亚报道的光效达到150lm/W，其效率已经超过节能灯，实现了真正意义上的照明。
10）2007年3月，美国CREE公司光效达到157lm/W，目前LED的效率向200Lm/W前进。
6、LED显示屏常用术语解释
1）LED的颜色
LED的颜色是一个很重要的一项指标,是每一个LED相关灯具产品必须标明,目前LED的颜色主要有红色,绿色,蓝色,青色,黄色,白色,暖白,琥珀色等其它的颜色。
全球第一颗LED采用的材料是砷（As）化镓（Ga），工作电压为1.424V，其发出的光线为红外光谱。
之后，业界发展出以磷（P）化镓（Ga）作为LED的材料，工作电压为2.261V，发出的光为绿光。
业界早期就透过这2种型态LED所需的材料，调配出从红外线到绿色光范围内所有波长的LED产品，发展出常见的红光LED、黄光LED、橙光LED等等，这3大类LED因为使用了镓、砷、磷3种元素，故被称为3元素LED，而蓝光LED、绿光LED与红外光LED则被称为2元素LED。
业界后来发展出采用混合铝（Al）、钙（Ca）、铟（In）和氮（N）共4种元素的4元素LED，就能够发出所有可见光范围与部份紫外线光谱的光线。
2）LED的电流
LED的正向极限（IF）电流多在20mA,而且LED的光衰电流不能大于IF/3,大约15mA和18mA..LED的发光强度仅在一定范围内与IF成正比,当IF>20mA时,亮度的增强已经无法用内眼分出来.因此LED的工作电流一般选在17-19MA左右比较合理.前面所针对是普通小功率LED（0.04-0.08W）之间的LED而言,但大功率的LED就必须查其规格。
3）LED的电压
我们通常所说的是LED的正向电压,就是说LED的正极接电源正极,负极接电源负极.电压与颜色有关系，红、黄、黄绿的电压是1.8-2.4v之间。
白、蓝、翠绿的电压是3.0-3.6v之间,可能同样一批LED的电压会有一些差异,,要根据厂家提供的为准.在外界温度升高时，VF将下降。
LED的反向电压VR:
所允许加的最大反向电压。
超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。
4）LE发光强度（I、Intensity）
简称光度，指光源的明亮程度。
是说从光源一个立体角（单位为Sr）所放射出来的光通量，也就是光源或照明灯具所发出的光通量在空间选定方向上分布密度，也即表示光源在一定方向和范围内发出的可见光辐射强弱的物理量。
单位是坎德拉cd；1000ucd（微坎德拉）=1mcd（毫坎德拉）,1000mcd=1cd（也称烛光）.
发光强度是针对点光源而言的，或者发光体的大小与照射距离相比比较小的场合。
这个量是表明发光体在空间发射的会聚能力的。
可以说，发光强度就是描述了光源到底有多“亮”，因为它是光功率与会聚能力的一个共同的描述。
发光强度越大，光源看起来就越亮，同时在相同条件下被该光源照射后的物体也就越亮，因此，早些时候描述手电都用这个参数。
现在LED也用这个单位来描述，比如某LED是15000的，单位是mcd，1000mcd=1cd，因此15000mcd就是15cd。
之所以LED用毫cd（mcd）而不直接用cd来表示，是因为以前最早LED比较暗，比如1984年标准5mm的LED其发光强度才0.005cd，因此才用mcd表示，用发光强度来表示“亮度”的缺点是如果管芯完全一样的两个LED，会聚程度好的发光强度就高。
因此，还要看照射角度。
很多高I值的LED并非提高自身的发射效率来达到，而是把镜头加长照射角度变窄来实现。
室内用单只LED的光强一般为500ucd-50mcd，而户外用单只LED的光强一般应为100mcd-1000mcd，甚至1000mcd以上。
发光强度为1cd的光源可放射出l2.57lm光通量。
5）光通量（F，Flux）
为一光源所放射出光能量的速率或光的流动速率，为说明光源发光的能力的基本量，即光源每秒钟所发出的可见光量之总和。
单位：
流明（Lm：
Lumen）。
这个量是对光源而言，是描述光源发光总量的大小的，与光功率等价。
光源的光通量越大，则发出的光线越多对于各向同性的光（即光源的光线向四面八方以相同的密度发射），则F=4πI（π为发光角度）。
也就是说，若光源的I为1cd，则总光通量为4π=12.56lm。
人眼对不同颜色的光的感觉是不同的，此感觉决定了光通量与光功率的换算关系。
对于人眼最敏感的555nm的黄绿光，1W=683lm，也就是说，1W的功率全部转换成波长为555nm的光，为683流明。
这个是最大的光转换效率，也是定标值，因为人眼对555nm的光最敏感。
对于其它颜色的光，比如650nm的红色，1W的光仅相当于73流明，这是因为人眼对红光不敏感的原因。
对于白色光，要看情况了，因为很多不同的光谱结构的光都是白色的。
例如LED的白光、电视上的白光以及日光就差别很大，光谱不同。
常用白光LED流明举例：
0.06W→3-5LM,0.2W→13-15LM,1W→60-80LM。
一个l00瓦（w）的灯泡可产生l750lm，而一支40w冷白日光灯管则可产生3l50lm的光通量。
6）照度（E，Iluminance）单位勒克斯即lx（以前叫lux）
即受照平面上接受光通量的密度，可用每一单位面积的光通量来测量。
1lm的光通量均匀分布在l平方公尺（m2）的表面，即产生1勒克新（LUX，lX）的照度1lm的光通量落在l平方英尺（ft2）的表面，其照度值为l尺烛光（Footcandle，fC）。
桌面、工作面的照度不应少于150lX。
起居室的照明采用光线柔合的半直接型照明灯具较理想，其平均照度应达到l00lX左右。
阅读和书写用的灯具功率可大些，照度应达到200lX。
7）亮度
亮度是指物体明暗的程度，定义是单位面积的发光强度。
单位：
尼特（nit）
8）光效
光源发出的光通量除以光源的功率。
它是衡量光源节能的重要指标，是以其所发出光的流明除以其耗电量所得之值。
单位：
每瓦流明（Lm/w）。
光源效率（Lm/w）=流明（Lm）/耗电量（W）也就是每一瓦电力所发出光的量，其数值越高表示光源的效率越高，也越为节能。
所以效率通常是我们经常要考虑的一个重要的因素。
9）波长
光的色彩强弱变化，是可以通过数据来描述，这种数据叫波长。
我们能见到的光的波长，范围在380至780nm之间。
单位：
纳米（nm）
波长分类：
图3：
波长分类图
Wavelength（nm）
RELATIVEINTENSITYVsWAVELENGTH（
）
1
430nm/Blue,470nm/Blue
2
568nm/YellowGreen
3
585nm/Yellow
4
610nm/Amper
5
635nm/Orange
6
655nm/Red
7
660nm/superRed
8
700nm/BrightRed
9
GaAlAs880nm
10
GaAs/GaAs&GaAlAs/GaAs940nm
10）显色性
光源对物体本身颜色呈现的程度称为显色性，也就是颜色逼真的程度；通常叫做"显色指数"，单位：
Ra。
光源的显色性是由显色指数来表明，它表示物体在光下颜色比基准光（太阳光）照明时颜色的偏离，能较全面反映光源的颜色特性。
显色性高的光源对颜色表现较好，我们所见到的颜色也就接近自然色，显色性低的光源对颜色表现较差，我们所见到的颜色偏差也较大。
国际照明委员会CIE把太阳的显色指数定为100，各类光源的显色指数各不相同，如：
高压钠灯显色指数Ra=23，荧光灯管显色指数Ra=60~90。
显色分两种：
忠实显色：
能正确表现物质本来的颜色需使用显色指数（Ra）高的光源，其数值接近100，显色性最好。
色坐标（CIE）：
图4：
色坐标图
11）色温
光源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光色相同时，黑体的温度称为该光源的色温。
单位：
开尔文（k）。
色温究竞是指什么?
我们知道，通常人眼所见到的光线，是由光的三原色（红绿蓝）组成的7种色光的光谱所组成。
色温就是专门用来量度光线的颜色成分的。
用以计算光线颜色成分的方法，是19世纪末由英国物理学家洛德•凯尔文所创立的，他制定出了一整套色温计算法，而其具体界定的标准是基于以一黑体辐射器所发出来的波长。
凯尔文认为，假定某一纯黑物体，能够将落在其上的所有热量吸收，而没有损失，同时又能够将热量生成的能量全部以“光”的形式释放出来的话，它便会因受到热力的高低而变成不同的颜色。
例如，当黑体受到的热力相当于500—550℃时，就会变成暗红色，达到1050一1150℃时，就变成黄色……因而，光源的颜色成分是与该黑体所受的热力温度相对应的。
只不过色温是用凯尔文（°K、也就是绝对温度）的色温单位来表示，而不是用摄氏温度（℃）单位表示的。
在加热铁块的过程中，黑色的铁在炉温中逐渐变成红色，这便是黑体理论的最好例子。
当黑体受到的热力使它能够放出光谱中的全部可见光波时，它就由红转变橙黄色、黄色最后变成白色，通常我们所用灯泡内的钨丝就相当于这个黑体。
色温计算法就是根据以上原理，用°K来表示受热钨丝所放射出光线的色温。
根据这一原理，任何光线的色温是相当于上述黑体散发出同样颜色时所受到的“温度”。
颜色实际上是一种心理物理上的作用。
所有颜色印象的产生，是由于时断时续的光谱在眼睛上的反应，所以色温只是用来表示颜色的视觉印象。
摄影人都知道：
有光才有色，没有光就没有色。
彩色胶片的设计，一般是根据能够真实地记录出某一特定色温的光源照明来进行的，分为5500°K日光型、3200°K灯光型等多种。
因而，摄影家必须懂得采用与光源色温相同的彩色胶卷，才会得到准确的色彩再现。
如果光源的色温与胶卷的色温互相不平衡，就不会对色彩进行准确的还原。
这时，我们就要靠滤光镜来提升或降低光源的色温，使曝光条件与胶卷拟定的色温相匹配，才会有准确的色彩再现。
而数码照相机、摄像机等要求进行白平衡调整，实际上也就是对数码机器进行拍摄环境的基础色温定位。
目的是同样的：
为了色彩的准确再现。
如何准确地进行色温定位？
这就需要使用到“色温计”啦。
一般情况下，正午10点至下午2点，晴朗无云的天空，在没有太阳直射光的情况下，标准日光大约在5200~5500°K。
新闻摄影灯的色温在3200°K；一般钨丝灯、照相馆拍摄黑白照片使用的钨丝灯以及一般的普通灯泡光的色温大约在2800°K；由于色温偏低，所以在这种情况下拍摄的照片扩印出来以后会感到色彩偏黄色。
而一般日光灯的色温在7200~8500°K左右，所以在日光灯下拍摄的相片会偏青色。
这都是因为拍摄环境的色温与拍摄机器设定的色温不对造成的。
一般在扩印机上可以进行调整。
但如果拍摄现场有日光灯也有钨丝灯的情况，我们成为混合光源，这种片子很难进行调整。
不同光源环境的相关色温度。
光源
色温
北方晴空
8000-8500k
阴天
6500-7500k
夏日正午阳光
5500k
金属卤化物灯
4000-4600k
下午日光
4000k
冷色莹光灯
4000-5000k
高压汞灯
3450-3750k
暖色营光灯
2500-3000k
卤素灯
3000k
钨丝灯
2700k
高压钠灯
1950-2250k
蜡烛光
2000k
光源色温不同，光色也不同，色温在3000k以下有温暖的感觉，达到稳重的气氛；色温在3000k-5000k为中间色温，有爽快的感觉；色温在5000k以上有冷的感觉。
12）眩光
视野内有亮度极高的物体或强烈的亮度对比，所造成的视觉不舒适称为眩光，眩光是影响照明质量的重要因素。
13）发光角度
二极管发光角度也就是其光线散射角度，主要靠二极管生产时加散射剂来控制，有三大类：
A指向性。
一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。
发光角度5°~20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。
B准型。
通常作指示灯用，其发光角度为20°~45°。
C散射型。
这是视角较大的指示灯，发光角度为45°~90°或更大，散射剂的量较大。
LED的发光角度是LED应用产品的重要参数。
14、同步性
两个或两个以上LED灯在不规定时间内能正常按程序设定的方式运行，一般指内控方式的LED灯，同步性是LED灯实现协调变化的基本要求。
15）防护等级
IP防护等级是将灯具依其防尘、防湿气之特性加以分级，由两个数字所组成，第一个数字代表灯具防尘、防止外物侵人的等级（分0-6级），第二个数字代表灯具防湿气、防水侵人的密封程度（分0-8级），数字越大表示其防护等级越高。
16）光谱
光谱是复色光经过色散系统（如棱镜、光栅）分光后，被色散开的单色光按波长（或频率）大小而依次排列的图案。
光波是由原子内部运动的电子产生的．各种物质的原子内部电子的运动情况不同，所以它们发射的光波也不同．研究不同物质的发光和吸收光的情况，有重要的理论和实际意义，已成为一门专门的学科——光谱学．
吸收光谱高温物体发出的白光（其中包含连续分布的一切波长的光）通过物质时，某些波长的光被物质吸收后产生的光谱，叫做吸收光谱。
例如，让弧光灯发出的白光通过温度较低的钠气（在酒精灯的灯心上放一些食盐，食盐受热分解就会产生钠气），然后用分光镜来观察，就会看到在连续光谱的背景中有两条挨得很近的暗线。
这就是钠原子的吸收光谱．值得注意的是，各种原子的吸收光谱中的每一条暗线都跟该种原子的发射光谱中的一条明线相对应．这表明，低温气体原子吸收的光，恰好就是这种原子在高温时发出的光．因此，吸收光谱中的谱线（暗线），也是原子的特征谱线，只是通常在吸收光谱中看到的特征谱线比明线光谱中的少．
在我们眼里大部分光源所发出的光皆通称为白光，实际上肉眼看上去的不同光源所发出的白光会因色温的高低而呈现不同的颜色。
光色愈偏蓝，色温愈高偏红则色温愈低。
人的眼睛有时会被自己的感觉所愚弄，感到差异不大，但在我们拍摄照片上，可以看到最直接的效果，比如在睛空下拍摄的照片，可能会发蓝发冷，而在灯光下拍摄的照片（不打开闪光灯），会呈现明显暖调的橙红色。
17）色表
是指人眼直接观察光源时所看到的颜色。
街道高压钠灯发出的光既亮且白，但当看到被照射的人的面孔时显表灰色，这说明高压钠灯的色表并不差，但显色性不好。
18）平均寿命
指一批灯至50%的数量损坏时的小时数。
单位：
小时（h）。
19）经济寿命
在同时考虑灯泡的损坏以及光束输出衰减的状况下，其综合光束输出减至特定的小时数。
室外的光源为70%，室内的光源为80%。
20）LED象素模块
LED排列成矩阵或笔段，预制成标准大小的模块。
室内显示屏常用的有8*8象素模块、8字7段数码模块。
户外显示屏象素模块有4*4、8*8、8*16象素等规格。
户外显示屏用的象素模块因为其每一象素由两只以上LED管束组成，固又称其为集管束模块。
21）象素（Pixel）与象素直径
LED显示屏中每一个可被单独控制的LED发光单元（点）称为象素（或象元）。
象素直径∮是指每一象素的直径，单位是毫米。
对于室内显示屏，一般一个为单个LED，外形为圆形。
室内显示屏象素直径校常见的有∮3.0、∮3.75、∮5.0、∮8.0等，其中以∮3.75和∮5.0最多。
在户外环境，为提高亮度，增加视距，一个象素含有两只以上集束LED；由于两只以上集束LED一般不为圆形，固户外显示屏象素直径一般用两两象素平均间距表示：
□10、□11.5、□16、□22、□25。
22）点间距、象素密度与信息容量
LED显示屏的两两象素的中心距或点间距（DotPitch）；单位面积内象素的数量称为象素密度；单位面积内所含显示内容的数量称为信息容量。
这三者本质是描述同一概念：
点间距是从两两象素间的距离来反映象素密度，点间距和象素密度是显示屏的物理属性；信息容量则是象素密度的信息承载能力的数量单位。
点间距越小，象素密度越高，信息容量越多，适合观看的距离越近。
点间距越大，象素密度越低，信息容量越少，适合观看的距离越远。
23）分辨率
LED显示屏象素的行列数称为LED显示屏的分辨率。
分辨率是显示屏的象素总量，它决定了一台显示屏的信息容量。
24）灰度
灰度是指象素发光明暗变化的程度，一种基色的灰度一般有8级至1024级。
例如，若每种基色的灰度为256级，对于双基色彩色屏，其显示颜色为256×256=64K色，亦称该屏为256色显示屏。
25）双基色
现今大多数彩色LED显示屏是双基色彩色屏，即每一个象素有两个LED管芯：
一为红光管芯，一为绿光管芯。
红光管芯亮时该象素为红色，绿光管芯亮时该象素为绿色，红绿两管芯同时亮时则该象素为黄色。
其中红，绿称为基色。
26）全彩色
红绿双基色再加上蓝基色，三种基色就构成全彩色。
由于构成全彩色的蓝色管和纯绿色管芯较贵，故目前全彩色屏相对较少。
下面为主要的LED照明需要的性能指标：
名称
符号
单位
说明
光通量
Φ
流明
Lm
发光体每秒种所发出的光量之总和，即光通量
光强
I
坎德拉
cd
发光体在特定方向单位立体角内所发射的光通量
照度
E
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