LED 光電特性簡介

電機系 張耀德

LED 光電特性簡介摘要一、發光原理二、元件操作特性三、元件光電特性量測四、光色量測五、白光照明混光原理六、照明元件光色量測七、照明元件之演色性

一、發光原理

1. 熱放射2.放電發光

二、元件操作特性1. 驅動電壓 (Vf-Forward Voltage)2. 操作電流 (I-Forward Current)3. 操作電流 &發光強度

三、元件光電特性量測 (1)

1. 光源的種類2.電磁輻射 (radiation)3. 電磁輻射能 (mW)4. 可見光 (Light)5. 視效函數6.光通量 (lm)7. 光強度 (cd)

三、元件光電特性量測 (2)

8. 照度 (lm/㎡ )9. 輝度 (cd/㎡ )10. 發光效率 (lm/W)11. 現行光源發光效率比較表12.LED與其他光源之效率比較13.LED發光效率與電流的關係14. 重要之測光公式

四、光色量測 (Light color)

1. 光譜 (Spectrum)2. 波峰波長 (p)

3. 色度座標 (C.I.E.)4. 色飽和度5. 主波長 (d)

五、白光照明混光原理1. 色光的混合 -加法混色2.顏料的混色 -減法混色3.照明光源之光譜分佈圖4.LED白光之光譜分佈圖5.RGB LED之 blue shift6.PHOSPHOR WHITE LED之 發光效率7.PHOSPHOR WHITE LED之光損失8.LED光源之發展預測

六、照明元件光色量測1. 光色 (Light color)2. 黑體輻射 (Black body radiator)

3. 色溫 (Color Temperature)4. 普朗克軌跡（ Planckian curve）5. 黑體溫度與發出光色變化6.不同光色的色溫表

七、照明元件之演色性1. 演色性 (Color rendering)2.全光譜圖 3. 演色指數系統 (CRI) 4. 演色指數量測與演色性評價5. 演色指數 Ra的量測6. 演色向量系統 (CRV)

一、發光的原理 1. 熱放射

白熱燈：愛迪生於 1878 年首度發明碳絲燈泡，德國 Siemens(1882)、英國 AdiSwan (1883)(GE)、荷蘭 Philips(1891)接連進行生產，目前常用的有鎢絲燈泡、鹵素燈等。

於原子、分子、離子等物質內，由於熱震動放射出能源的現象稱為熱放射。

把物質維持高溫就成白熱狀態，相對的短波長的放射能增多，可視光就增加。

一、發光的原理2.放電發光 1908年西屋首度發表高壓水銀放電燈、 1931

年 Philips及 Osram發表低壓納氣燈、1936年 GE及 Osram首度發表螢光燈。

物質吸收光、電、放射、熱、陰極線、化學反應等的能源，變成激發狀態，而成為光能放出的現象。

放電燈：日光燈、水銀燈、高壓鈉氣燈、複金屬燈…

固態光源： LED， EL，固體雷射…

二 . 元件操作特性 1.操作電流 &驅動電壓

100

80

60

40

20

0

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

驅動電壓(V)

操作電流(mA)

二 . 元件操作特性 3. 操作電流 &發光強度

5000

4000

3000

2000

1000

0

0 20 40 60 80 100 120

(mA)操作電流

發光強度

(mcd)

三、元件光電特性量測 1. 光源的種類

光源：能放射出波長為 100nm至 3000nm之電磁波之物體。

可見光：光是一種電磁波，人的眼睛看得見的光稱為可見光，波長範圍在380nm~760nm 。

自然光：太陽、月亮 。

三、元件光電特性量測 2.電磁輻射 (radiation)

光學元件所放出之電磁輻射，可包含 x 射線、 r 射線、宇宙射線、紫外光、可見光、紅外光及無線電波等不同波段；電磁輻射可使用儀器量測並以能量單位表示。

三、元件光電特性量測 4. 可見光 (Light)

光是指人眼可以感知為明亮之電磁輻射，也可以說是整個電磁輻射光譜中人眼可以看見之部份；這部份之波長分佈在 360到 830 nm，只佔已知之電磁輻射光譜中之非常微小之部份。

三、元件光電特性量測 10. 發光效率 (lm/W)

發光效率 (Luminous efficacy,η)： 代表光源將所消耗之電能轉換成光之效率，消耗單位電力（ WATT）所輸出光的能量（ lm），稱為發光效率（ lm/W）。

單位：流明每瓦 [lm/W] 實例：白光 LAMP用3.5V/20mA驅動，每顆之光通量約 1流明，則： 發光效率 =1 （ lm）/(3.5V*0.02A)=15[lm/W]

三、元件光電特性量測12.LED與其他光源之效率比較

四、光色量測 (Light color) 1. 光譜 (Spectrum)

光線依波長大小順序之分佈稱為光譜。每種光源都可以依其波長組成而在光譜圖上顯示出其光譜能量分佈圖 (Power Spectrum Distribution)。太陽光及白熾燈泡之光譜能量分佈為連續曲線，而一般放電燈為非連續曲線。

四、光色量測 (Light color)

3. 色度座標 (C.I.E.)

E

A

B

E ：中心白之參考點 色度座標 (0.31,0.31)A：藍光 A 點座標 p=470nm 色度座標 (0.09,0.12)B：藍光 B 點座標p=470nm 色度座標 (0.11,0.18)

五、白光照明混光原理 3. 照明光源之光譜分佈圖 OSRAM BIOLUX TM燈管之光譜分佈圖。可看出在可見光範圍內其強度分佈非常均勻。

五、白光照明混光原理8.LED光源之發展預測

六、照明元件光色量測 1. 光色 (Light color)

一個燈的光色可以簡單的以色溫來表示。光色主要可分成三大類： 1.暖色 ： < 3300K 2.中間色： 3300 至 5000K 3.晝光色： > 5000K

即使光色相同，燈種間也可能因為其發出光線光譜組成不同而有很大的演色性表現差異。

六、照明元件光色量測2. 黑體輻射 (Black body radiator)

黑體輻射：根據 Max Planck理論，將一具完全吸收與放射能力之標準黑體加熱，溫度逐漸升高，光色亦隨之改變，曲線顯示黑體由紅 -橙紅 -黃 - 白 -藍白的過程。

黑體加溫到出現與光源相同或接近光色時的溫度，定義為該光源的色溫度，簡稱色溫，以絕對溫度 K （ Kelvin，或稱開氏溫度）為單位。

六、照明元件光色量測3. 色溫 (Color Temperature)

色溫：係指光源光色的程度。以溫度單位量化光源的光色表現。

單位：絕對溫度 (Kelvin,K) 色溫定義：一個光源之色溫被定義為與其具有相同光色之 "標準黑體 " 本身之絕對溫度值，此溫度可以在色度圖上之普朗克軌跡上找到其對應點。標準黑體之溫度越高，其輻射出之光線光譜中藍色成份越多，紅色成份也就相對的越少。

七、照明元件之演色性1. 演色性 (Color rendering) 演色性是物體在光源下的感受與在太陽光下的感受的真實度百分比。演色性高的光源對顏色的表現較逼真，眼睛所呈現的物體愈接近自然原味。也就是說人類使用人工光源來表現色彩的自然程度，這種逼真的效果稱為演色性。

測量標準是以自然光 Ra-100為100%真實色彩。如使用人工光源，在選擇適用的色溫時，與通色的自然光比較色彩真實感為90%就以Ra-90來表示。

七、照明元件之演色性 3. 演色指數系統 (CRI)

演色指數系統 Color Rendering Index(CRI) ： Kaufmanm於 1981 年提出，目前為定義演色性之普遍方法。

平均演色性指數 general color rendering index(Ra)：平均演色性指數為物件在某光源照射下顯示之顏色與其在參照光源照射下之顏色兩者之相對差異。其數值之評定法為分別以參照光源及待測光源照在DIN6169所規定之八個色樣上逐一作比較並量化其差異性；差異性越小，即代表待測光源之演色性越好，平均演色性指數 Ra為100之光源可以讓各種顏色呈現出如同被參照光源所照射之顏色。 Ra值越低，所呈現之顏色越失真。

七、照明元件之演色性 6. 演色向量系統 (CRV)

演色向量系統 Color Rendering Vector(CRV)：飛利浦照明 (Philips Lighting)於1993年提出。

選擇 215點在全光譜光源與待測光源下，比較其顏色偏差度。

可了解色差方向、色差大小、及飽和度。

演色性之比較，色溫須相差在300K 以內。

DIN 5033 色度圖（ Chromatic diagram ）