[科普中国]-发光效率

发光效率是一个光源的参数，它是光通量与功率的比值。根据情况不同，此功率可以指光源输出的辐射通量，或者是提供光源的能（可以是电能，化学能等）。发光效率中的功率通常要根据情境而定，但在很多情况下都指代不明。

因人眼的结构，并非所有波长的光能见度都一样。红外光和紫外光的光谱对于发光效率不造成影响。光源的发光效率与光源把能量转化为电磁辐射的能力以及人眼感知所发出的辐射的能力有关。

简介发光效率是一个光源的参数，它是光通量与功率的比值。根据情况不同，此功率可以指光源输出的辐射通量，或者是提供光源的能（可以是电能，化学能等）。1

发光效率中的功率通常要根据情境而定，但在很多情况下都指代不明。前者的定义有时叫辐射发光效率，后者称电源发光效率。 电源发光效率为一种：测量电能提供光源发出可见光的效率，也就是辐射通量对输入电功率的比值。辐射发光效率描述：光源提供可见光的效率，也就是光通量对辐射通量的比值。因人眼的结构，并非所有波长的光能见度都一样。红外光和紫外光的光谱对于发光效率不造成影响。光源的发光效率与光源把能量转化为电磁辐射的能力以及人眼感知所发出的辐射的能力有关。

光通量光通量（luminous flux）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能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。2

光通量是指按照国际规定的标准人眼视觉特性评价的辐射通量的导出量，以符号Φ(或Φr)表示。光通量的单位是lm(流明)。1lm等于由一个具有1cd (坎德拉)均匀的发光强度的点光源在1sr(球面度)单位立体角内发射的光通量，即1 lm=1 cd·sr。一只40W的普通白炽灯的标称光通量为360lm，40 W日光色荧光灯的标称光通量为2100 lm，而400 W标准型高压钠灯的光通量可达48000 lm。

亮度亮度是指发光体（反光体）表面发光（反光）强弱的物理量。人眼从一个方向观察光源，在这个方向上的光强与人眼所“见到”的光源面积之比，定义为该光源单位的亮度，即单位投影面积上的发光强度。亮度用符号L表示，亮度的单位是坎德拉/平方米（cd/m2） 。

光源的明亮程度与发光体表面积有关系，同样的光强的情况下，发光面积大，则暗，反之则亮。

亮度与发光面的方向也有关系，同一发光面在不同的方向上其亮度值也是不同的，通常是按垂直于视线的方向进行计量的。

如在常用照明中，如果要降低被摄物的亮度，尤其是人物脸部，正常的做法是把灯的距离拉远一些，或者在灯前加上柔光纸，以减轻光线的强度。

发光二极管发光二极管简称为LED。由含镓（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）等的化合物制成。

当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光，氮化镓二极管发蓝光。因化学性质又分有机发光二极管OLED和无机发光二极管LED。3

它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。发光二极管的反向击穿电压大于5伏。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过二极管的电流。限流电阻R可用下式计算：

式中E为电源电压，UF为LED的正向压降，IF为LED的正常工作电流。发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。 当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。

效率功率效率ηP是指发光体输出的发射功率P0与输入的激发功率Pi（光功率、电子束功率、电注入功率等）之比:ηP=P0/Pi，是一个无量纲的小于1的常数。因为多数发光体用于显示和照明，其功能是用人眼衡量的，但人眼只感觉可见光，且对不同波长的灵敏度也很不相同。因此，发射光谱不同的发光体，即使它们有相同的功率效率，人眼所见的亮度也不同。要反映这样的差别可用光度效率η1，它是发光体的发光通量Ф(以流明为单位)和激发功率Pi之比，η1=Ф/Pi，单位为流明/瓦。4

显然，如已知发光体的发射光谱，则功率效率与光度效率可以相互换算。

在对发光体的基础研究中，尤其对于光致发光及注入式电致发光体，常用量子效率ηq表征发光效率。量子效率是指发光体发射的光子数N0与激发时吸收的光子数或注入的电子（空穴）数Ni之比:ηq=N0/Ni，是一个无量纲的数值。

对于光致发光材料，当激发与发射均为单色光或接近单色光时，量子效率与功率效率可以通过表式。

换算λ0、λi各为发射及激发光的波长。由于斯托克斯位移，常有ηq≥ηp的关系。

发光效率还可分为外部效率及内部效率；外部效率只考虑输出的光能与投向发光体的光能或电能之比，而且是吸收的能量转化为光能的纯转化效率。输入光由于反射和再吸收受到损失，因此，外部效率总是小于（或接近于）内部效率，后者才是反映能量转换过程的真实参数。

发光效率的大小反映发光体内部能量激发、能量传递、复合发光以及无辐射复合过程的总效果，它与发光体的成分、发光中心的种类及浓度、共激活剂的选择、有害杂质(猝灭中心)的控制以及发光晶体的完整性，甚至与具体的工艺过程有关。

下表列出几类实用发光体光度效率的参考值：

本词条内容贡献者为:

李勇 - 副教授 - 西南大学