半導體照明技術(shù)(第一章)

半導體照明技術(shù)參考書目：1、謝秀穎.郭宏祥，《電氣照明技術(shù)》第二版，中國電力出版社，2007年11月2、王曉東，《電氣照明技術(shù)》，機械工業(yè)出版社，2004年1月3、陳元燈.李元密，《LED制造技術(shù)與應(yīng)用》，電子工業(yè)出版社，2007年7月4、劉木清.周小麗，《照明自動控制技術(shù)》，機械工業(yè)出版社，2007年8月半導體照明概述一、半導體照明

半導體照明是指用全固態(tài)發(fā)光器件（發(fā)光二極管，即LED，是由半導體材料制成的光電器件，可將電能直接轉(zhuǎn)換為光能）作為光源的照明，具有高效、節(jié)能、環(huán)保、壽命長、易維護等顯著特點，是近年來全球最具發(fā)展前景的高新技術(shù)領(lǐng)域之一，是人類照明史上繼白熾燈、熒光燈之后的又一場照明光源的革命。半導體照明(LED)二、LED（LightEmittingDiode）

LED，是一種固態(tài)的半導體器件,它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。

LED的心臟是一個半導體的晶片，晶片的一端附在一個支架上，整個晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導體，空穴占主導地位，另一端是N型半導體，主要是電子。這兩種半導體相連就形成一個“P-N結(jié)”。當電流通過導線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復合，然后就會以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。LED構(gòu)造圖

三、LED產(chǎn)業(yè)鏈

LED產(chǎn)業(yè)鏈大致可分為五部分：原材料，LED上游產(chǎn)業(yè)，LED中游產(chǎn)業(yè)，LED下游產(chǎn)業(yè)，測試儀器和生產(chǎn)設(shè)備。1、原材料LED的原材料包括襯底材料砷化鎵、氮化鋁、磷化鎵、磷砷化鎵、銦鎵鋁磷、銦鎵氮等。它們大部分是III—V族化合物半導體單晶，生產(chǎn)工藝比較成熟。原材料的純度一般都要在6N以上。（6N就是6個NICE，99%9999）2、LED上游產(chǎn)業(yè)

主要是指LED發(fā)光材料外延制造和芯片制造。由于外延工藝的高度發(fā)展，器件的主要結(jié)構(gòu)如發(fā)光層、限制層、緩沖層、反射層等均已在外延工序中完成，芯片制造主要是做正、負電極和完成分割檢測。

3、LED中游產(chǎn)業(yè)

4、LED下游產(chǎn)業(yè)

水立方景觀照明

是指LED器件封裝產(chǎn)業(yè)。根據(jù)用于現(xiàn)實、照明、通信等不同場合，封裝出不同顏色、不同形狀的品種繁多的LED發(fā)光器件。是指應(yīng)用LED作為顯示或照明器件后形成的產(chǎn)業(yè)。主要的應(yīng)用產(chǎn)業(yè)有LED顯示屏、LED交通信號燈、LED航標燈、LED景觀燈飾、液晶背光源、LED車燈、LED特殊照明等。鳥巢景觀照明篔筜湖畔的LED照明中山路商業(yè)街的LED照明位于湖濱北路的中閩大廈5、測試儀器和生產(chǎn)設(shè)備

測試儀器主要有：外延材料方面的X射線雙晶衍射儀、熒光譜儀、盧瑟福背散射溝道譜儀等；芯片、器件測試儀器方面的LED光電特性測試儀、光譜分析儀等。

生產(chǎn)設(shè)備包括金屬有機化合物化學氣相淀積儀(Metal-organicChemicalVaporDePosition

，縮寫MOCVD)、液相外鍍爐、光刻機、劃片機、全自動固晶機、金絲球焊機、硅鋁絲超聲壓焊機、灌膠機、真空烘箱、芯片計數(shù)儀、芯片檢測儀、倒膜機、光色點全自動分選機等。MOCVD系統(tǒng)目前國際上MOCVD的價格在每臺440萬美元左右，按人民幣計算接近3000萬元。生產(chǎn)企業(yè)主要有：德國的Aixtron公司、美國的Emcore公司、英國的ThomasSwan公司等。

廈門為中國七大LED產(chǎn)業(yè)基地之一，首批4個半導體照明工程產(chǎn)業(yè)化基地之一（大連、上海、南昌和廈門

），已經(jīng)成為中國大陸地區(qū)光電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的重要城市。廈門生產(chǎn)LED外延片、芯片的企業(yè)有四家，即廈門三安光電、聯(lián)廈光電、明達光電、乾照光電，芯片總產(chǎn)量約占祖國大陸自產(chǎn)芯片的25%。封裝企業(yè)有十幾家，下游應(yīng)用企業(yè)有50多家，還有與之配套的熒光粉、環(huán)氧樹脂、塑料鏡頭、藍寶石外延材料、各種輔助材料和模具等生產(chǎn)廠，形成了較完整的產(chǎn)業(yè)鏈。2014年廈門光電產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)總產(chǎn)值1218億元，占廈門工業(yè)總產(chǎn)值20%左右，占全省光電總產(chǎn)值的一半以上，廈門已成為海西光電產(chǎn)業(yè)最大、最重要的集聚地和輻射地。目前，全市光電企業(yè)數(shù)量300多家。其中光電高新技術(shù)企業(yè)120家，實現(xiàn)產(chǎn)值657.6億元，占光電產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值的54%，成為推動我市光電產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的中堅力量。

四、廈門市LED產(chǎn)業(yè)簡介

第一章光視覺顏色

本章主要介紹光、視覺、顏色等與照明技術(shù)有關(guān)的基礎(chǔ)知識。第一節(jié)光照明技術(shù)的實質(zhì)主要是光的控制與分配技術(shù)。

一、光的本質(zhì)

1、

“什么是光，光的本質(zhì)是什么？”這個問題很早就引起了許多學者的關(guān)注，直到17世紀，基本上形成了兩種學說：

一種是荷蘭物理學家惠更斯提出的波動說，認為光是某種振動，在彈性介質(zhì)中以波的形式向周圍傳播。

另一種牛頓支持的微粒說，認為光是從光源發(fā)出的一種物質(zhì)微粒，在均勻介質(zhì)中以一定的速度傳播。

光的波動說與微粒說之爭從十七世紀初開始，至二十世紀初以光的波粒二象性告終，前后共經(jīng)歷了三百多年的時間。

歷史上許多著名科學家都加入這一論戰(zhàn)，包括牛頓、胡克、惠更斯、托馬斯．楊、菲涅耳等。直到1905年3月，愛因斯坦在德國《物理年報》上發(fā)表了題為《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個推測性觀點》的論文：

他認為對于時間的平均值，光表現(xiàn)為波動性；對于時間的瞬間值，光表現(xiàn)為粒子性。這是歷史上第一次揭示光的波動性和粒子性的統(tǒng)一，即波粒二象性。這一科學理論最終得到了學術(shù)界的廣泛接受。

1921年，愛因斯坦因光電效應(yīng)研究而獲得獎諾貝爾物理學獎。

2、光的波動性，是指光是一種電磁波。

電磁波包括微波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、Y射線、宇宙射線等，如圖1-1所示。電磁波能量的傳播稱為輻射，輻射在通過物質(zhì)時一般不改變頻率，速度則隨物質(zhì)而改變。在真空中，光速是一常數(shù)c=2.9979×108m/s，光的速度、頻率與波長之間的關(guān)系為：

c=λν圖1-1電磁波譜和可見光譜

在電磁波譜中，波長為380~780nm(1nm＝10-9m)的電磁波，作用于人眼能產(chǎn)生視覺，這部分電磁波叫可見光。可見光只占電磁波譜極小的一部分。

單色光:由單一波長組成的光?？梢姽獍床ㄩL依次排列可以得到可見光譜。不同波長的可見光，在視覺上會形成不同的顏色。通常將可見光分為：

紅(780~630nm)、橙(630~600nm)、黃(600~570nm)、

綠(570~490nm)、青(490~450nm)、藍(450~430nm)和

紫(430~380nm)等七種單色光。

將可見光按波長從380~780nm依次展開，光將分別呈現(xiàn)紫、藍、青、綠、黃、橙、紅色。

3、光的微粒性是指光束是微粒流。微粒的運動速度就是光速,這些粒子就是光子。不同波長的光,具有不同的能量，即由不同能量的光子組成。光子具有的能量E正比于光的頻率：E=hνh=6.62×10-34J.S，為普朗克常數(shù)。光子所具有的能量hν是頻率為ν的光所具有的能量的最小單位，不能再分割了，故光子又稱光量子。在光和其他物質(zhì)相互作用是，能量的交換是以hν的形式一份一份地進行的，即能量是不連續(xù)的。二、光的產(chǎn)生和傳播1、光的產(chǎn)生通常，光按兩種方式產(chǎn)生，即熱輻射和發(fā)光。（1）熱輻射

熱輻射是指物質(zhì)在高溫下輻射出熱能。當物體被加熱到高溫時，組成它的原子或分子將產(chǎn)生熱運動，并互相碰撞使電子獲得能量而被激發(fā)，從而產(chǎn)生輻射。

黑體輻射是熱輻射的一種。黑體又稱為完全輻射體．其特點是入射到黑體上的光輻射將完全被吸收，而沒有反射和透射，即它的反射比和透射比為0，吸收比為1。

著名的普朗克定律所描述的就是不同溫度下的黑體的光譜輻射功率與波長的函數(shù)關(guān)系，普朗克的黑體輻射公式是：其中λ為輻射波長；T為黑體的絕對溫度，h為普朗克常量，c為真空中的光速，k=1.38×10﹣23為玻爾茲曼常量。（W/m3）圖1-2不同溫度黑體輻射的能量分布（2）發(fā)光

發(fā)光就是其他任何種類能量變換成光能的過程，通常通過激發(fā)過程來完成。激發(fā)是一個能量轉(zhuǎn)移過程。一個系統(tǒng)得到激發(fā)，得到到能量由低能態(tài)E1躍遷到高能態(tài)E2，當它由高能態(tài)回到低能態(tài)時，根據(jù)能量守恒定律，多余的能量就可能以光的形式釋放出來，這就是激發(fā)發(fā)光。發(fā)光波長的長短取決于能量差△E=E2-E1,△E正是發(fā)射的光子所具有的能量。按激發(fā)的方式不同，可把發(fā)光分為以下幾種：1）生物發(fā)光：螢火蟲、發(fā)光細菌等的生物發(fā)光。

2）化學反應(yīng)：由化學反應(yīng)直接引起的發(fā)光。物質(zhì)的燃燒屬于化學反應(yīng)。3）光致發(fā)光：由光、紫外線、X射線等激發(fā)而引起的發(fā)光。如熒光燈是由汞蒸氣產(chǎn)生的紫外線激發(fā)熒光粉而發(fā)光的。4）陰極射線發(fā)光：由電子束激發(fā)熒光物質(zhì)發(fā)光：如電視機的顯像管。

5）電致發(fā)光：直接由電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽堋?/p>

a、氣體或伴隨氣體放電而發(fā)光：如霓虹燈和各種放電燈。b、加交流或直流電場于硫化鋅等粉末材料而發(fā)光：如場致發(fā)光板。c、在磷化鎵、磷砷化鎵、銦鎵鋁磷、銦鎵氮等一類半導體PN結(jié)處注入載流子時的發(fā)光：如通常的發(fā)光二極管。2、光的傳播（1）光的反射

光從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時，有一部分或全部從分界面射回原來的介質(zhì)，這種現(xiàn)象叫做光的反射。

在光的反射中，光的傳播方向和能量可能發(fā)生變化，但光的頻率是不會改變的。（2）光的折射。

光從一種介質(zhì)射入另一種介質(zhì)時，若光的入射方向不是垂直于上述兩種介質(zhì)分界面，則在分界面將有一部分光被反射回原來的介質(zhì)，另一部分將射人另一種介質(zhì)中，但傳播方向改變了，這種現(xiàn)象稱為光的折射。圖1-3光的發(fā)射和折射

光在其介質(zhì)中傳播速度較高(折射率小)的媒質(zhì)被稱為光疏媒質(zhì)，而傳播速度較低(折射率大)的稱為光密媒質(zhì)。當光從光疏媒質(zhì)射入光密媒質(zhì)時(n1＜n2)，折射角θ2將小于入射角θ1,反之，則折射角θ2將大于入射角θ1。同時，入射角發(fā)生變化時，折射角隨之發(fā)生變化，但兩角之間的關(guān)系符合折射定律：折射定律也叫斯涅耳（snall）定律。圖1-4光的折射；(a)n1﹤n2，(b)n1﹥n2（3）光的全反射

光由光密媒質(zhì)（折射率大）入射到光疏媒質(zhì)（折射率小）的界面時，全部被反射回原媒質(zhì)內(nèi)的現(xiàn)象稱為全反射。全反射的臨界角為：應(yīng)用：光纖通信等。高錕，

“光纖之父”，2009年獲諾貝爾物理學獎圖1-5光的全反射（4）光的透射。

光從一種介質(zhì)射入另一種介質(zhì)，并從這種介質(zhì)穿透出來的現(xiàn)象叫光的透射。圖1-6光的透射（5）光的吸收和散射

光在介質(zhì)中傳播時其強度將越來越弱，在這個過程中有一部分光的能量轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?例如熱能)。這就是介質(zhì)對光的吸收。

光在不均勻媒質(zhì)中傳播會產(chǎn)生散射，這是由于無數(shù)雜亂無章的界面對光進行多次的反射和折射引起的。（6）光的漫反射和漫透射

當光線遇到某種表面，該表面的不平整度與光的波長差不多或大于光的波長時，就不再存在單一的反射或折射光線，而向光的散射一樣，光線在入射點上向四面八方散開。這種光回到入射光所在媒質(zhì)的現(xiàn)象稱為漫反射，而透射入第二種媒質(zhì)的現(xiàn)象稱為漫透射。圖1-7光的漫反射圖1-8光的漫透射（7）光的偏振

振動方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚ΨQ性叫做偏振，它是橫波區(qū)別于其他縱波的一個最明顯的標志。光波電矢量振動的空間分布對于光的傳播方向失去對稱性的現(xiàn)象叫做光的偏振。（8）光的干涉和衍射

1）光的干涉：滿足一定條件的兩列相干光相遇疊加，在疊加區(qū)域內(nèi)光強按空間周期性變化的現(xiàn)象稱為干涉。等厚干涉等傾干涉牛頓環(huán)圖1-9各種干涉條紋楊氏干涉2)光的衍射

光在傳播路徑中，遇到不透明或透明的障礙物，繞過障礙物，產(chǎn)生偏離直線傳播的現(xiàn)象稱為光的衍射。

只有當小孔、單縫或小屏的尺寸小于波長或和波長差不多時，才能觀察到明顯的衍射現(xiàn)象．圖1-10光的衍射條紋作業(yè)：1、光的本質(zhì)是什么？可見光的波長范圍是多少？2、光的產(chǎn)生有哪幾種方式及其原理？3、試述光的全反射的條件及原理，臨界角的表達式。光入射到折射率為n1=1.33的玻璃和折射率為n2=1的空氣的界面時，產(chǎn)生全反射的臨界角θ為多少度？二、光度學及其測量照明光源和燈具的主要性能指標是光學參數(shù)。1、能量的輻射分布光源的總輻射能量是各種波長能量的總和，波長不同，能量也不同。我們稱發(fā)光器件的輻射能量隨波長而變化的情況為發(fā)光器件輻射能量的光譜分布，以PA表示。發(fā)光器件在λ1-λ2波長范圍內(nèi)的輻射功率可表示為：如果是全部波長范圍內(nèi)的輻射功率，則為：P

λ是一個相對的分布函數(shù)。光譜分布的兩個主要參數(shù)是它的峰值波長和帶寬。2、輻射度量及單位（1）輻射能U度量輻射能的物理量成為輻射度，單位是：焦耳（J）。輻射能是一種傳播著電磁波的能量。（2）輻射通量或輻射功率P

單位時間內(nèi)流過面積元dσ的能量，稱為流過的輻射通量，單位是：瓦（W）。

（3）輻射強度J

單位時間在單位立體角內(nèi)所輻射的能量，單位為：W/sr。對于點輻射源，在整個空間的輻射通量P為：如果輻射通量在空間分布均勻，即J

φθ不隨φ和θ而改變，則：（4）面輻射度M

對于實際的輻射體，由于占有一定的面積，常用面輻射度來度量物體的輻射能力，定義為單位面積所輻射的通量，單位為W/m2。注：立體角其定義為任意一個封閉的圓錐面所圍的空間。立體角是以錐的頂點為球心，半徑為r的球面被錐面所截得的面積來度量的。當錐面在球面上截得的面積為dA時，則該立體角即為一個單位立體角dω,表達式為：立體角由上式可知，閉合球面的立體角都是4π。（5）輻射照度H落在單位面積上輻射通量的數(shù)值，單位為：W/m2。（6）輻射亮度R給定方向上單位有效面積在單位立體角內(nèi)的輻射通量值，單位為W/m2.srRθ的數(shù)值與輻射面的性質(zhì)有關(guān)，并且隨給定方向而改變。2、朗伯定律對于某些面輻射源或理想的漫射面，輻射亮度Rθ不隨給定方向θ變化，就稱這些面輻射源是遵守朗伯定律的輻射源。這種源又稱為余弦輻射體或朗伯光源，對于這些表面，所有方向亮度都相等，而且元表面dσ的輻射強度dJθ與表面法線和給定方向間夾角θ的余弦成正比，即也可以寫成式中，J0是垂直方向的輻射強度；Jθ是與J0成θ角方向的輻射強度。

光是能量的一種存在形式，光對物質(zhì)的作用是與光能量的轉(zhuǎn)化相關(guān)的。在照明技術(shù)中，由于光作用于人的眼睛所產(chǎn)生的視覺強度，不僅與光能量的大小有關(guān)，還與光的波長有關(guān)，所以在照明技術(shù)中，為了更好地研究光在照明工程中的應(yīng)用，通常采用的是以視覺效果來評價光輻射的量——光度量。在照明工程中，常用的光度量有光通量、發(fā)光強度、照度和亮度等。3、光度量（1）光能Q

光能是指輻射能落于人眼而引起視覺的這部分能量的大小，單位是lm·s。光通量是說明光源發(fā)光能力的基本量。具有均勻光強度1cd的點光源在單位立體角1sr(球面度)內(nèi)發(fā)出的光通量為1lm—物理意義。（2）光通量F

光通量是根據(jù)人眼對光的感覺來評價光源在單位時間內(nèi)光輻射能量的大小，單位是流明，符號lm。當輻射體發(fā)出的輻射通量按V(λ)曲線的效率被人眼所接受時，其表達式為:40W白熾燈光通量為350Lm，36W熒光燈光通量為2500Lm（3）發(fā)光強度(光強)I一個光源在單位立體角dω內(nèi)所發(fā)出的光通量稱為該光源的光強Ⅰ，單位是坎德拉，符號：cd。若光源發(fā)射的光通量比較均勻時．各個方向的光強相等，其值為發(fā)光強度是用來描述光源發(fā)出的光通量在空間給定方向上的分布情況的，1單位立體角內(nèi)發(fā)出1流明的光稱為1坎德拉。（4）面發(fā)光度L對于一定面積的發(fā)光體來說，在單位面積上所發(fā)出的光通量被稱為面發(fā)光度。即面積為1m2的均勻發(fā)光面發(fā)出1流明的光通量，它與方向無關(guān)。4．亮度B

亮度是描述發(fā)光面或反光面上光的明亮程度的光度量。并且,亮度考慮了光的輻射方向，所以它是表征發(fā)光面在不同方向上的光學特性的物理量。發(fā)光體的表面dσ在與其法線成θ角的方向上的亮度Bθ為：亮度的單位是尼特(nt)，1尼特(nt)=1坎德拉／平方米(cd／m2)。即1m2發(fā)光面沿其法線方間發(fā)出1cd光強時，該發(fā)光面在其法線方向上呈現(xiàn)的亮度為1nt。注意：一般當亮度超過1.6×105cd／m2時，人眼就感到難以忍受了。照度是描述被照面被照射的程度的光度量。照度的單位是勒克斯(lx)。1lx表示在1m2面積上均勻分布1lm光通量的照度值，即1lx＝1lm/m2。（6）照度E照度表示被照明物體的單位面積所接受的總光通量，即一般情況下，1lx的照度僅能辨別物體的輪廓；照度為5-10lx時，看一般書籍比較困難；短時閱讀的照度不應(yīng)低于50lx。常見照度（勒克斯）：陽光直射(正午)下:110000陰天室外:1000商場內(nèi):500陰天有窗室內(nèi):100普通房間燈光下:100滿月照射下:0.2照度計各光度量之間的關(guān)系圖4、光度學參數(shù)的測量

光度學參數(shù)包括法向光強、光強分布、半值角、總光通量、亮度、面發(fā)光度和照度等（1）法向光強I

v光強I的測定非常重要，如總光通量、亮度等都可以從I導出。有了標準光源和校正好視見度的接收器即可進行法向光強的測定。強度為I的標準光源在接收器上產(chǎn)生的照度σ為：接收器處于光源正前方，θ=0，故：如此定標后，將待測光源置于同樣距離的位置，可測出該光源的法向光強。（2）總光通量F

光源的總光通量是描述光源總的光輸出的重要參數(shù)。測量總光通量的常用方法是積分球法。積分球積分球是由兩個半球體組成的一個空心球體，球體上開有出射窗口，此處安裝視見度校正過的接收器。球的內(nèi)表面涂有白色的氧化鎂或硫酸鋇涂料，使其反射符合朗伯定律的漫反射，以使在積分球的內(nèi)表面各處產(chǎn)生均勻的照度。待測光源置于球中，并以一屏擋住光源向出射窗口的直射光。接收器上的照度正比于光源的總光通量F。實際測定時只要將標準光源標定儀器，然后將標準光源換成待測光源即可測出。（3）發(fā)光強度的角分布發(fā)光強度的角分布Iθ是描述器件在空間各個方向上的發(fā)光強度分布。Iθ主要取決于光源封裝形式、封裝透鏡的幾何參數(shù)。（4）亮度測量用測得的光強除以在給定方向上表面的投影面積就可以得到亮度。（5）照度測量照度可以用照度計測量。照度計通常由進行過視見度曲線校正的硅光電池和數(shù)字式電表組成。第二節(jié)視覺視覺是指光射入眼睛后產(chǎn)生的一種知覺，即視覺依賴于光。視覺的功用：人們通過視覺可以察覺某些物體的存在，鑒別并確定它在空間中的位置，闡明它與其它事物的關(guān)系，辨認它的運動、顏色、明亮程度或形狀等等。一、眼睛眼睛人眼的工作狀態(tài)很像一架簡單的照相機，把倒立的實像投射到視網(wǎng)膜上，它的焦距由晶狀體控制。透鏡的孔徑即瞳孔的大小由虹膜控制，在低照度下瞳孔變大，而在高照度下瞳孔孔徑縮小。近視的原因：近視眼是由于晶狀體變厚，焦距變短，使成像落在視網(wǎng)膜之前，因此看物體模糊。矯正近視眼采用凹透鏡。遠視則剛好相反。二、視網(wǎng)膜

視網(wǎng)膜是視覺的光學過程和電生理過程的接口，是人眼感受光的部分。其邊緣部位主要分布著桿狀細胞，中央部位主要分布著錐狀細胞。當光落在視網(wǎng)膜上時，視細胞吸收了光能，使視細胞中含有的視紫質(zhì)分解、并刺激神經(jīng)末梢，形成生物脈沖(生物電流)，通過視神經(jīng)把信息傳導到大腦后部的視覺皮層，經(jīng)大腦綜合處理而形成視知覺。三、視覺過程光線→角膜→瞳孔→晶狀體（折射光線）→玻璃體（固定眼球）→視網(wǎng)膜（形成物像）→視神經(jīng)（傳導視覺信息）→大腦視覺中樞（形成視覺）產(chǎn)生視覺的首要條件就是要有光的存在，并射入眼睛中。四、視覺特性由于視網(wǎng)膜上的錐狀細胞和桿狀細胞對光的感受性不同，因而當視野(是指當頭和眼睛不動時．眼睛所能觀察到的空間)亮度發(fā)生變化時，人眼就會產(chǎn)個不同的視覺特性。（一）人眼的光譜靈敏度人眼在可見光范圍內(nèi)的視覺靈敏度是不均勻的，它隨波長而變化。另外，人眼的光譜靈敏度，隨環(huán)境亮度的改變而變化。

（二）明視覺、暗視覺和中間視覺1、明視覺。視場亮度超過10cd/m2時．錐狀細胞的工作起著主要作用，這種視覺狀態(tài)稱為明視覺(或稱錐狀視覺)。錐狀細胞的最大的視覺靈敏度在555nm處。所以，明視覺錐狀細胞工作時，波長較長的光譜如紅色光顯得特別明亮。特征：錐狀細胞具有較高的視覺靈敏度，能分辨物體的細節(jié)，且在感受波長范圍為380-780nm的光刺激時，對各種色光感覺不同。因此，在明視覺狀態(tài)下，正常人的眼睛都能有良好的顏色感覺。

2、暗視覺。在微弱的照度(視場亮度在10-6-10-2cd/m2)下，只有桿狀細胞工作，錐狀細胞不工作的視覺狀態(tài)稱為暗視覺(或稱桿狀視覺)。

桿狀細胞的最大的視覺靈敏度在507nm處。所以，暗視覺桿狀細胞工作時，綠光和藍光顯得特別明亮。特征：對物體細節(jié)的分辨能力很差，且對顏色也無法分辨。因此，暗視覺條件下，只有當目標足夠大，才能被看到；并且世界是無色的，各種顏色的物體都給人以藍、灰色感。3、中間視覺。視場亮度在10-2-10cd/m2時，桿狀細胞和錐狀細胞同時起作用，這種視覺狀態(tài)稱為中間視覺。（三）視覺閾限

能引起視覺的最低限度的光量稱為視覺的閾限，一般用亮度來度量，故又稱為亮度閾限。視覺的亮度閾限與目標物的大小有關(guān)。目標物的大小一般用目標物對眼睛所張的角度表示，稱為視角。視角越小，則亮度閾限越高；視角越大，亮度閾限就越低。但當視角超過300時，亮度閾限不再降低。

視覺的亮度朗限與目標物發(fā)出的光的顏色有關(guān)。在相同的視角下．對波長較長的光，例如紅光、黃光，其亮度閾限就高；對于波長較短的光，例如藍光，則亮度閾限值要低一些。這是因為在暗視覺條件下，光譜光效率向短波方向偏移的緣故。視覺的亮度閾限與觀察目標物的時間有關(guān)。目標物呈現(xiàn)的時間越長，亮度閾限值就越低；呈現(xiàn)時間越短，亮度閾限值就越高。一般來說，亮度越高，越有利于視覺。但當視野亮度值超過106cd/m2時，視網(wǎng)膜可能被灼傷，所以人們只能忍受不超過106cd／m2的亮度。（四）明適應(yīng)、暗適應(yīng)和眩光明適應(yīng)和暗適應(yīng)是指視覺對現(xiàn)場亮度變化的適應(yīng)過程。1、明適應(yīng)眼睛由暗(視野亮度低于10-3cd/m2)到亮(高于幾個cd／m2)的視覺適應(yīng)過程。在明適應(yīng)過程中，桿狀細胞和錐狀細胞的替換工作大約需要經(jīng)過1min多的時間才能完成。2、暗適應(yīng)眼睛由明(高于幾個cd／m2)到暗(視野亮度低于10-3cd/m2)的視覺適應(yīng)過程。暗適應(yīng)過程的長短與適應(yīng)前后的光環(huán)境有關(guān)。適應(yīng)前后兩種光環(huán)境的亮度之差越大，則適應(yīng)的時間也就越長。同時還與一些生理因素有關(guān)，例如維生素A是否缺乏、有無夜盲癥、年齡大小、營養(yǎng)狀況及是否缺氧等。當視場內(nèi)明暗急劇變化時，人們會因眼睛不能很快適應(yīng)而視力下降。所以在照明工程中，有些場合要考慮明暗適應(yīng)的過渡照明，以滿足眼睛適應(yīng)性的要求。

3．眩光當視野內(nèi)由于亮度分布或亮度不適宜，或存在著極端的亮度對比，以致引起不舒適感覺和降低目標可見度的視覺現(xiàn)象，統(tǒng)稱為眩光。

可見度是指人眼辨認物體存在或物體形狀的難易程度。

通常將眩光分為不舒適眩光和失能眩光：

(1)不舒適眩光：產(chǎn)生不舒適感覺，但并不一定是降低視覺功效或可見度的眩光。

(2)失能眩光：降低視覺功效和可見度的眩光。五、視覺功效人們完成視覺工作的效率稱為視覺功效。用來定量評價視覺器官完成給定視覺作業(yè)的能力。其主要的評價指標有以下幾個方面：（一）對比敏感度和可見度眼睛要辨認目標物，目標物與背景之間要有一定的顏色對比和亮度對比。1、亮度差臨界亮度差：人眼開始能識別目標物與背景的最小亮度差。

2、亮度對比被觀察目標與背景亮度之差和背景亮度之比稱為亮度對比。臨界亮度對比：臨界亮度差與背景亮度之比。一般情況下，以面積較大的部分為背景，以面積較小的部分為目標。當目標亮度大于背景亮度時，目標物的亮度對比C值在0～∞范圍內(nèi)。當目標物亮度小于背景亮度時，它們的亮度差應(yīng)取絕對值，而亮度對比的C值在0～1范圍內(nèi)。3、對比敏感度在給定的眼睛適應(yīng)狀態(tài)下，視覺的臨界亮度對比的倒數(shù)稱為對比敏感度。

4、可見度人眼辨認物體存在或確定物體形狀的難易程度稱為可見度。在室外是以人眼恰好可以看到標準目標的距離來定義。在室內(nèi)是以目標與背景的實際亮度對比與臨界對比的比值來描述。用V表示，即可見度取決于視角、背景亮度和亮度對比三個因素。5、視覺敏銳度視覺敏銳度：眼睛能辨認的兩個相鄰物體(點或線)的最小視角的倒數(shù)。臨床醫(yī)學上稱為視力。意義：表明人眼辨別物體輪廓和細節(jié)的能力。影響視力的因素：首先取決于生理因素，其次還與背景亮度Lb和亮度對比C密切相關(guān)。注意：在亮度對比值較小時或背景亮度較小時，它們的增大對提高視力是很有益的；隨著亮度對比值或背景亮度值的提高，它們對視力的影響逐漸減小。當亮度對比過大或背景亮度過大時，不僅不會再對提高視力起積極作用，反而會影響視力，其至損傷眼睛。

6.視覺感受速度（υ）

從物體出現(xiàn)到形成視覺所需要的時間的倒數(shù)稱為視覺感受速度，簡稱視覺速度。視覺感受速度與背景亮度、背景與日標的亮度對比以及目標物的尺寸(視角)有關(guān)，即視覺感受速度與照明有直接的關(guān)系，良好的照明條件可以縮短形成視覺的時間，提高視覺感受速度，從而提高工作效率。作業(yè)：1、試述下列常用光度量的定義及其單位：（1）光通量（2）光強（3）亮度（4）照度2、試簡述明視覺、暗視覺和中間視覺。色彩是喚起人的第一視覺作用的重要媒質(zhì)，因為人眼只有通過光作用在物體上造成的色彩才能獲得深刻印象。因此對照明質(zhì)量的評價不僅要考慮光的強度，還要考慮光源和環(huán)境的顏色。一、顏色的形成

顏色起源于光，波長不同的單色光，具有不同的顏色。顏色是不同波長的可見光作用于人的視覺器官后所產(chǎn)生的心理感受。顏色是一種和物理、生理及心理學都有關(guān)的復雜現(xiàn)象。第三節(jié)顏色二、顏色的分類

2、彩色

是指黑白系列以外的各種顏色。根據(jù)波長不同，彩色可以依次排成一個系列，稱為彩色系列。波長由長到短依次為：紅、橙、黃、綠、青、籃、紫。

1、非彩色

是指黑色、白色和介于兩者之間的深淺不同的灰色。非彩色可以排成一個系列，稱作黑白系列或無色系列，從黑色開始，依次逐漸地到深灰色、中灰色、淺灰色、直到白色。三、物體的顏色1、物體的光源色2、物體的固有色3、物體的環(huán)境色

1、色調(diào)

可見光譜不同波長的光在視覺上的表現(xiàn)稱為色調(diào)。色調(diào)是區(qū)分不同顏色的特征。因為可見光的波長有無數(shù)種，即光譜色有無數(shù)種，但實際上，相近波長的單色光用肉眼是很難區(qū)分它們的顏色。為了能用文字描述不同的顏色，通常把各種光譜色歸納成有限種色調(diào),以表示色刺激的主觀屬性，以紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等區(qū)分。四、顏色的基本特征：色調(diào)、彩度和明度。

2、彩度（又稱飽和度）彩度是指顏色的深淺程度。某種顏色的彩度高，則表示這種顏色深；反之，則顏色淺。實際上，彩度是色調(diào)的表現(xiàn)程度，它可以反映光線波長范圍的大小。波長范圍越窄明顏色越純、彩度越高。

3、明度指顏色的明暗程度。

物體表面色的明度主要取決于物體表面的反射比?！锶粑矬w表面為彩色，反射比越高則顏色越明亮，反射比越低則顏色發(fā)暗，反射比中等則顏色發(fā)灰。

各種顏色都可以用上述三個基本特征來表示，但只有彩色系列具有完整的三個特征；而黑白系列只有明度；彩度為零，沒有色調(diào)?！锶粑矬w表面為黑白色，當物體表面的反射比在0~0.05之間時，物體呈黑色；當反射比高于0.8時，物體就呈白色；而反射比處于0.05~0.8時，物體呈灰色，且反射比越低，灰色越暗，即反射比增加時，灰色就會由深到淺變化。五、表色系統(tǒng)用日常語言描述顏色，會因人的感受差異產(chǎn)生多樣性結(jié)論，而且不能說明相近顏色之間的細小差別。表色系統(tǒng)就是為了能精確地標定顏色的一種規(guī)定體系。

常用的表色系統(tǒng)有孟塞爾表色系統(tǒng)和CIE表色系統(tǒng)(國際照明委員會),而CIE表色系統(tǒng)是應(yīng)用最廣泛的表色系統(tǒng)。(一)孟塞爾表色系統(tǒng)孟塞爾表色系統(tǒng)把顏色看作是一個三維量，以顏色的三個基本特征為依據(jù)，將顏色的三個基本特征量化后，通過一個顏色立體圖來形象地表征物體表面的顏色,如圖1-19所示。顏色立體圖的中央軸表示的是黑白系列的中性色，它的刻度表示明度等級。每一明度值都對應(yīng)于在標準光源照射下顏色樣品的反射比，明度越高，樣品就越亮，其反射比也越大。顏色立體圖中包含中央軸線的垂直面則表示顏色的彩度和色調(diào)(如圖1-20所示)。每一個垂直面從中央軸向外可分成若干等分，表征顏色的彩度等級。色調(diào)則是圍繞中央軸依次按紅(5R)、黃紅(5YR)、黃(5Y)、黃綠(5GY)、綠(5G)、藍綠(5BG))、藍(5B)、藍紫(5PB)、紫(5P)、紅紫(5RP)分成10個主色調(diào)。每一主色調(diào)又等分成10個相近色調(diào)。共有40個不同的色調(diào)。孟塞爾表色系統(tǒng)按顏色的三個基本特性的組合來表征顏色。彩色系列的表達式為：其中H表示色調(diào)，V表示明度，C表示彩度。HV/C黑白系列的表達式為：

其中N表示中性色，V為明度。NV（二）CIE表色系統(tǒng)

CIE表色系統(tǒng)是以三原色學說為依據(jù)，由色刺激表示的系統(tǒng)。它能夠定量地分析光源色的相加混合，也可以用于表示物體固有色，是比較完善和精確的系統(tǒng)。CIE表色系統(tǒng)有多種，其中1931CIE—RGB系統(tǒng)較為直觀，1931CIE—XYZ系統(tǒng)是應(yīng)用最廣泛的系統(tǒng)。例如：1、某顏色樣品的孟塞爾表示式為5YR8/4，則表示該顏色的色調(diào)是黃紅色H=5YR，明度V=8，彩度C=4。2、N5即表示明度為5的中灰色。1、三原色原理（也稱三基色原理）

1）任一給定顏色可以用三種原色(紅、綠、藍)按一定比例混合而成，或者說各種顏色的光都可以分解成紅、綠、藍三種原色。2）三原色理論認為，人眼視網(wǎng)膜上的錐狀細胞包含著紅、綠、藍三種反映色素，它們分別對不同波長的光發(fā)生反應(yīng)，視覺神經(jīng)中樞綜合這三種刺激的相對強度而產(chǎn)生一種顏色感覺，三種刺激的相對強度不同時，就產(chǎn)生不同的顏色視覺。所以，當眼睛受到單一波長的光刺激時產(chǎn)生一種顏色視覺，而當受到—束包含不同波長的復合光刺激時也只產(chǎn)生一種顏色視覺。三原色的選取原則：其一是三原色中任意一種原色不能由另外兩種原色混合而成；其二是應(yīng)該使三原色按不同比例混合時能產(chǎn)生盡量多的顏色。

為此，CIE規(guī)定的三原色為700nm的紅色、546.1nm的綠色和435.8nm的藍色。根據(jù)三原色原理，任意顏色可以用下式表示：式中[C]為某一特定的混合色，即被匹配的顏色；[R]、[G]、[B]為紅、綠、藍的單位三原色；R、G、B為混合色中所含紅、綠、藍三原色的量值，稱為色的三刺激值。三原色雖然能混合成所有不同色調(diào)的顏色，但當要求混合成高彩度的顏色時就很難實現(xiàn)。這時需將三原色之一加到被匹配的顏色一方。假設(shè)將紅原色R[R]加到被匹配的顏色一方，則其顏色方程可表示為：或

2、混色方法

把三原色按照不同的比例混合獲得彩色的方法稱為混色法?；焐ㄓ邢嗉踊焐拖鄿p混色之分?？筛鶕?jù)需要相加或相減調(diào)配顏色。由右圖可見:紅色+綠色=黃色紅色+藍色=紫色(品紅)綠色+藍色=青色紅色+綠色+藍色=白色相加混色圖黃色、青色、品紅都是由兩種原色相混合而成，所以它們又稱相加二次色。另外：紅色+青色=白色綠色+品紅=白色藍色+黃色=白色

所以青色、黃色、品紅分別又是紅色、藍色、綠色的補色。以上各色即均是按照基色光等量相加的結(jié)果；若改變它們之間的混合比例，經(jīng)相加可獲得各種顏色的彩色。1853年格拉斯曼（H.Grasman）教授總結(jié)了下列相加混色定律：1、補色律：自然界任一顏色都有其補色，它與它的補色按一定比例混合，可以得到白色或灰色。2、中間律：兩個非補色相混合，便產(chǎn)生中間色。其色調(diào)決定于兩個顏色的相對數(shù)量，其彩度決定于二者在顏色順序上的遠近。3、代替律：相似色混合，混合色仍相似。可用公式表示如下：顏色A=顏色B，顏色C=顏色D，顏色(A+C)=顏色(B+D)代替律表明，在混色中，某種顏色用外貌相同的另外顏色代替，最后效果不變。4、亮度相加律：混合色的亮度等于各分色的亮度之和。3、光譜三刺激值若用、、表示波長為λ的光譜色用三原色混合時各原色的量值，則稱、、是波長為λ的光譜色的三刺激值,簡稱光譜三刺激值。193lCIE—RGB標準色度系統(tǒng)的標準色度觀察者光譜三刺激值曲線如圖1-21所示。

4、1931CIE—RGB表色系統(tǒng)的色度圖。色度圖是指在色度直角坐標上畫出的光譜軌跡。

CIE色度圖將顏色看作是三原色的三維量，用三原色的空間直角坐標來表示顏色，其中R、G、B是顏色的色坐標值，即顏色的三刺激值；r、g、b是顏色的色度坐標值，則任意被匹配的顏色[C]就為RGB三維坐標上的一個點。由于

三個色度坐標中，只要已知r和g的值，就能得到b的值，于是把原來的三維空間坐標問題簡化為二維平面問題，即可把研究顏色的三維空間直角坐標，改用二維直角坐標、1931CIE—RGB系統(tǒng)色度圖如圖1-22所示。

1931CIE—RGB系統(tǒng)色度圖是在色度直角坐標是求得的光譜色的色度軌跡，由于其形狀呈馬蹄形，故又稱之為馬蹄形軌跡。

★凡在馬蹄形軌跡上的點都表示光譜色的色度坐標。或者說，各種不同波長可見單色光的顏色色度坐標都落在該軌跡上；因此，軌跡上的每一點代表的顏色必然是高彩度的單一波長的可見光顏色，色度點不同，表示光譜色的波長也不同,也就是色調(diào)不同。

★馬蹄形軌跡兩端的連線稱為底線,它是380nm和780nm色度坐標的連接線。底線代表的是紫與紅的混合色。凡是在底線上的點所代表的顏色也是高彩度，但它們的色調(diào)無法用波長來表示，僅說明它們不是光譜色，而是混合色?！镌隈R蹄形軌跡和底線包圍內(nèi)，任意點都有相應(yīng)的顏色與之對應(yīng)，但均屬于混合色，而該范圍之外的各點將不再有任何彩色與之對應(yīng)?！飯D中以435.8、546.1、700nm光譜色的色度坐標為頂點的三角形，稱為顏色三角形。凡在三角形內(nèi)(包括三條邊)的各點所對應(yīng)的顏色均可用三原色直接混合而成；而在三角形之外與光譜軌跡和底線包圍范圍之內(nèi)的各點所對應(yīng)的顏色，將無法用三原色直接混合而成，必須將其中的一種原色加到被匹配的顏色中，才能與其它兩種顏色混合而成。

5、1931CIE—XYZ表色系統(tǒng)的色度圖。由于RGB系統(tǒng)的光譜三刺激值和色度坐標都會出現(xiàn)負值，這會給計算、分析帶來諸多不便。故選用XYZ表色系統(tǒng)，該系統(tǒng)的三基色單位量分別為(X)、(Y)、(Z)，它們并不代表實際顏色，也不能通過三原色相混合而得到，只能由計算得到。因此常稱(X)、(Y)、

(Z)為計算三原色。計算三原色具有如下特點:①可根據(jù)C=X(X)+Y(Y