發光效率

發光效率是一個光源的參數，它是光通量與功率的比值。根據情況不同，此功率可以指光源輸出的輻射通量，或者是提供光源的能（可以是電能，化學能等）。 ^[1] 

發光效率中的功率通常要根據情境而定，但在很多情況下都指代不明。前者的定義有時叫輻射發光效率，後者稱電源發光效率。 電源發光效率為一種：測量電能提供光源發出可見光的效率，也就是輻射通量對輸入電功率的比值。輻射發光效率描述：光源提供可見光的效率，也就是光通量對輻射通量的比值。因人眼的結構，並非所有波長的光能見度都一樣。紅外光和紫外光的光譜對於發光效率不造成影響。光源的發光效率與光源把能量轉化為電磁輻射的能力以及人眼感知所發出的輻射的能力有關。

光通量（luminous flux）指人眼所能感覺到的輻射功率，它等於單位時間內某一波段的輻射能量和該波段的相對視見率的乘積。由於人眼對不同波長光的相對視見率不同，所以不同波長光的輻射功率相等時，其光通量並不相等。 ^[2] 

光通量是指按照國際規定的標準人眼視覺特性評價的輻射通量的導出量，以符號Φ(或Φr)表示。光通量的單位是lm(流明)。1lm等於由一個具有1cd (坎德拉)均勻的發光強度的點光源在1sr(球面度)單位立體角內發射的光通量，即1 lm=1 cd·sr。一隻40W的普通白熾燈的標稱光通量為360lm，40 W日光色熒光燈的標稱光通量為2100 lm，而400 W標準型高壓鈉燈的光通量可達48000 lm。

亮度是指發光體（反光體）表面發光（反光）強弱的物理量。人眼從一個方向觀察光源，在這個方向上的光強與人眼所“見到”的光源面積之比，定義為該光源單位的亮度，即單位投影面積上的發光強度。亮度用符號L表示，亮度的單位是坎德拉/平方米（cd/m2） 。

光源的明亮程度與發光體表面積有關係，同樣的光強的情況下，發光面積大，則暗，反之則亮。

亮度與發光面的方向也有關係，同一發光面在不同的方向上其亮度值也是不同的，通常是按垂直於視線的方向進行計量的。

如在常用照明中，如果要降低被攝物的亮度，尤其是人物臉部，正常的做法是把燈的距離拉遠一些，或者在燈前加上柔光紙，以減輕光線的強度。

發光二極管簡稱為LED。由含鎵（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）等的化合物製成。

當電子與空穴複合時能輻射出可見光，因而可以用來製成發光二極管。在電路及儀器中作為指示燈，或者組成文字或數字顯示。砷化鎵二極管發紅光，磷化鎵二極管發綠光，碳化硅二極管發黃光，氮化鎵二極管發藍光。因化學性質又分有機發光二極管OLED和無機發光二極管LED。 ^[3] 

它是半導體二極管的一種，可以把電能轉化成光能。發光二極管與普通二極管一樣是由一個PN結組成，也具有單向導電性。當給發光二極管加上正向電壓後，從P區注入到N區的空穴和由N區注入到P區的電子，在PN結附近數微米內分別與N區的電子和P區的空穴複合，產生自發輻射的熒光。不同的半導體材料中電子和空穴所處的能量狀態不同。當電子和空穴複合時釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發出的光的波長越短。常用的是發紅光、綠光或黃光的二極管。發光二極管的反向擊穿電壓大於5伏。它的正向伏安特性曲線很陡，使用時必須串聯限流電阻以控制通過二極管的電流。限流電阻R可用下式計算：

式中E為電源電壓，UF為LED的正向壓降，IF為LED的正常工作電流。發光二極管的核心部分是由P型半導體和N型半導體組成的晶片，在P型半導體和N型半導體之間有一個過渡層，稱為PN結。在某些半導體材料的PN結中，注入的少數載流子與多數載流子複合時會把多餘的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉換為光能。PN結加反向電壓，少數載流子難以注入，故不發光。這種利用注入式電致發光原理製作的二極管叫發光二極管，通稱LED。 當它處於正向工作狀態時（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽極流向陰極時，半導體晶體就發出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強弱與電流有關。

功率效率ηP是指發光體輸出的發射功率P0與輸入的激發功率Pi（光功率、電子束功率、電注入功率等）之比:ηP=P0/Pi，是一個無量綱的小於1的常數。因為多數發光體用於顯示和照明，其功能是用人眼衡量的，但人眼只感覺可見光，且對不同波長的靈敏度也很不相同。因此，發射光譜不同的發光體，即使它們有相同的功率效率，人眼所見的亮度也不同。要反映這樣的差別可用光度效率η1，它是發光體的發光通量Ф(以流明為單位)和激發功率Pi之比，η1=Ф/Pi，單位為流明/瓦。 ^[4] 

顯然，如已知發光體的發射光譜，則功率效率與光度效率可以相互換算。

在對發光體的基礎研究中，尤其對於光致發光及注入式電致發光體，常用量子效率ηq表徵發光效率。量子效率是指發光體發射的光子數N0與激發時吸收的光子數或注入的電子（空穴）數Ni之比:ηq=N0/Ni，是一個無量綱的數值。

對於光致發光材料，當激發與發射均為單色光或接近單色光時，量子效率與功率效率可以通過表式。

λ0、λi各為發射及激發光的波長。由於斯托克斯位移，常有ηq≥ηp的關係。

發光效率還可分為外部效率及內部效率；外部效率只考慮輸出的光能與投向發光體的光能或電能之比，而且是吸收的能量轉化為光能的純轉化效率。輸入光由於反射和再吸收受到損失，因此，外部效率總是小於（或接近於）內部效率，後者才是反映能量轉換過程的真實參數。

發光效率的大小反映發光體內部能量激發、能量傳遞、複合發光以及無輻射覆合過程的總效果，它與發光體的成分、發光中心的種類及濃度、共激活劑的選擇、有害雜質(猝滅中心)的控制以及發光晶體的完整性，甚至與具體的工藝過程有關。

下表列出幾類實用發光體光度效率的參考值：