机器视觉检测系统

一、视觉检测系统概述

1、系统组成

1.1光源

• 光源的功能是为目标照明， 便于相机成像。
• 光源可以是日光和人造光源。
• 日光只有在白天日光能够辐射的地方存在， 并且在辐射的强度、 角度方面具有随机性， 通常不能满足相机成像对于目标照明的需求。
• 人造光源包括白炽灯、 日光灯、 卤素灯等， 但是， 用在机器视觉检测系统照明用的光源几乎都是LED光源。
• 根据目标成像的不同需求， LED光源有不同的结构、 尺寸、 颜色等。

1.2镜头

• 镜头的功能是将目标景物汇聚到相机的图像传感器靶面。
• 根据目标成像的不同需求， 镜头有工业镜头、 远心镜头、 内窥镜等类。
• 每一种镜头有不同的规格， 包括焦距、 最小工作距离、 成像圆尺寸、光圈范围等。

1.3相机

• 相机的功能是将镜头汇聚的影像转换成数字图像。
• 根据目标成像的不同需求， 相机有线阵相机、 面阵相机、 3D相机、 接触式图像传感器等种类。
• 每一种相机有不同的规格， 包括图像传感器靶面尺寸、 像元尺寸、 帧率、 行频、 曝光时间、光谱范围、 图像尺寸、 颜色、 数据传输接口种类等。

1.4图像抓拍

图像抓拍的功能主要包括以下两部分：

1. 在目标到来的时候， 启动光源照明， 触发相机拍摄目标图像。
2. 在相机拍摄结束的时候， 关闭光源照明。

1.5图像处理

图像处理的功能包括以下三个部分：

1. 针对相机采集的目标图像，标记目标的轮廓。
2. 根据标记的目标轮廓， 计算目标的特征参数， 主要包括形状、 尺寸、 纹理、 颜色等。
3. 根据目标的特征参数， 确定目标的属性， 主要包括表面划痕、 凹坑、 凸起、 麻点、 污渍、 气泡、 裂纹等 。

图像处理系统主要包括以下四个部分：

1. 图像处理硬件， 主要指的是计算机系统， 包括CPU、 GPU、 内存、 主板等。
2. 图像处理软件， 主要指的是图像采集软件、 图像处理软件、 人机交互界面、 控制软件（光源控制、 相机抓拍控制、 物料分选控制等） 。
3. 图像处理语言， 主要采用C++、 C#等。
4. 图像处理算法， 主要指的是实现图像处理功能的方法。 例如： Halcon机器视觉算法库。

1.6执行机构

执行机构的功能是，根据图像处理的输出结果，在生产线上完成如下任务：

1. 筛选不合格产品， 不需要区分缺陷的类型 。
2. 分选不合格产品， 需要区分缺陷的类型。 例如： 划伤， 压痕等。
3. 分选产品等级。 例如： 优品， 良品， 合格品， 不合格品。

2、机器视觉与人类视觉的比较

2.1观察速度

高速运动图像，例如：

1. 生产线的传输速度可以达到每秒1-2米， 产品质量监测。
2. 运动员百米赛跑的速度可以达到每秒10米， 成绩排名。

低速运动图像， 例如：

1. 植物生长过程监测。

间歇运动图像， 例如 ：

1. 水坝决口监测、 山体滑坡监测。

2.2空间分辨能力

这里展示出电子显微镜、光学显微镜、人眼的空间分辨率：

1. 电子显微镜的空间分辨力为0.2nm。
2. 光学显微镜的空间分辨力为0.2um， 血细胞尺寸6-9.5um。
3. 人眼的空间分辨力为0.1mm。

思考：是不是分辨率越高越好？

答：并不是，分辨率越高，意味着对硬件的要求更高，比如处理器的处理速度，镜头的畸变参数和制造工艺、信号调理电路的可靠性（会不会丢数据） 等，选择相机分辨能力的标准主要的原则是在能满足对象检测要求的条件下留一定的裕量即可，而不是一味的追求高参数。

2.3 亮度分辨能力（色深）

1. 如果将亮度转化为图像中的256个灰度级的话， 人类视觉通常只能够分辨十几个灰度级。
2. 而机器视觉目前至少可以将亮度转化为4096个灰度级， 并能够清楚地分辨每一个灰度级 。

2.4光谱范围

机器视觉除了在可见光环境下观测景物， 还可以在非可见光环境下观测景物， 并实现自动检测， 主要应用如下：

1. 利用红外成像技术， 在医学方面实现人体成像， 获取人体体表温度分布， 用于疾病诊断。 在军事上用于夜间观察敌人的行踪。 在工业上用于观测钢水温度分布等。 例如： 热成像仪。
2. 利用X光成像技术， 在医学方面实现人体内脏器官、 骨骼成像， 用于疾病诊断。 在安检方面， 用于包括危险品的检查。 在产品质量检测方面， 用于轮胎内部帘线的缺陷检测。
3. 利用超声波成像技术， 在医学方面实现人体内脏器官成像， 用于疾病诊断。 在工业应用方面， 用于工件内部缺陷检测。
4. 利用微波成像技术， 在遥感方面， 通过卫星上安装的微波成像仪实现地球表面和云层的成像， 用于农作物受灾面积评估、 洪水受灾面积评估、 军事设施侦查、 测绘制图、 天气预报等。

• 人类视觉只能在可见光条件下观测景物 。

2.5 观测距离

• 今天的技术已经能够将相机发送到包括月球在内的任何可以到达的星球， 并将相机拍摄的图像传回到月球。 这意味着， 机器视觉的工作距离没有限制。
• 而人类视觉只能够观测有限距离的目标。

2.6 观测环境

• 机器视觉可以工作在对人体有害的环境。
• 主要包括毒气环境， 易爆环境， 粉尘环境， 有害辐射环境， 高温或者低温环境， 火灾环境等。
• 在上述环境下， 可以利用机器视觉代替人类视觉。
• 典型应用于机器人视觉。

2.7 观测结果量化

• 人类视觉只能定性描述所观察目标的属性， 例如： 形状、 大小等。
• 机器视觉能够定量描述所观测目标的属性。

2.8 观测结果可靠性

​ 正常情况下， 人类视觉能够定性描述所观测目标的属性。但是， 由于情绪、 疲劳、 责任心等因素， 可能导致描述结果错误， 将不合格产品判别为合格产品， 这通常称为漏检。 例如： 将手机外壳上的划痕当做合格品。

​ 机器视觉按照规则处理图像， 可以避免人为因素的影响， 检测结果的可靠性远远高于人类视觉。

3、机器视觉与非电量电测系统的比较

机器视觉检测系统可以理解为是非电量电测系统的一种。 例如：

1. 相机的核心是图像传感器。 对于可见光相机， 图像传感器的核心是光电传感器， 而光电传感器则是非电量电测系统中众多传感器中的一种。
2. 超声波图像传感器的核心是压电晶体传感器， 而压电晶体传感器也是非电量电测系统中的一种传感器。

与非电量电测系统比较， 机器视觉系统具有如下一些特点：

1. 关于数据类型， 如果非电量电测系统描述的对象为一维数据的话， 机器视觉检测系统描述的对象为二维数据， 或者三维数据。
2. 关于数据量， 图像传感器实际上是光电传感器阵列， 可以由数千万个光电传感器所组成。 例如： 大恒图像MER-2000-19U3M/C-L面阵相机， 分辨率为2千万像素， 或用字节表示为20Mb。 每个像素为一个字节， 每个字节为8位或者12位二级制数。
3. 关于数据传输速率， 工业生产线的在线检测需要实时性。例如： 大恒图像MER-2000-19U3M/C-L面阵相机， 分辨率为2千万个像素， 帧率为19.6帧/秒，则相机传输速率为20Mb× 19.6fps=392Mb/s， 即每秒传输大约4亿个字节的数据。这需要特殊的数据传输方式， 例如千兆网、 USB3.0、 cameralink等。
4. 关于器件的工作频率：以内存为例， DDR4型内存的主流主频2400MHz， 最高可达4000MHz。以CPU为例， 最高主频可达3.0GHz。
5. 一体化 （集成化）：指的是相机、 镜头、 光源、 图像处理器封装在一个壳体内， 输出的是图像处理结果。

4、关于机器视觉编程语言

• 在图像处理方面， 有图像处理算法库， 或者机器视觉算法库。
• 开源软件主要是Intel公司的Open CV。
• 商用软件主要是德国MVtec公司的HALCON， 美国COGNEX公司的Vision Pro等。 图像处理算法库的应用大大缩减的开发周期， 这是绝大多数机器视觉公司采用的方案。
• 特别是这些商用软件可以直接驱动目前国际上流行的工业相机用来采集图像， 并且自带人机交互界面。 对于一些简单的应用场合， 不需要自己编写人机交互界面。

二、LED光源

1、能级与能带

学习目的： 掌握半导体的概念， LED的材料是半导体。

学习内容：

1. 原子的能级；
2. 固体的能带；

1.1原子的能级（基本概念）

• 原子核外电子只能在特定的、 分立的轨道上运动， 各个轨道上的电子具有分立的能量， 这些能量值即为能级。
• 在离原子核最近的地方旋转的电子的能级最低， 如图E1的能级最低。

原子结构图

原子能级图

1.1.1 原子的定态、 基态、 激发态

• 在量子力学中， 定态是微观粒子所处状态中的一种类型的状态。 处于定态的微观粒子在空间各处出现的几率不随时间变化， 而且具有确定的能量。
• 在正常状态下， 电子处于最低能级， 电子在离核最近的轨道上运动的定态称为基态。 处于基态的电子称为基态电子。
• 电子吸收能量后从基态跃迁到较高能级， 电子在较远的轨道上运动的定态称为激发态。 高于基态的状态依次称为第一、 第二激发态， 处于激发态的电子称为激发电子。

1.1.2 原子的能级跃迁

1. 低能级的电子获取两个能级差的能量（电场、 热或光） 后可以跃迁至高能级。
2. 高能级的电子短暂停留之后， 再次回落到低能级并释放两个能级差的能量（热或光） 。
3. 两个能级间的能量差随着远离原子核而减小， 因此， 激发电子跃迁的能量随之减小。
4. 当电子被激发至最高能级时， 即能量E=0eV， 将不受原子核引力的束缚。

1.2 固体的能带

1.2.1 能带的形成

能带图

• 能带理论是用量子力学的方法研究固体内部电子运动的理论。
• 在孤立原子中， 每个轨道上的电子都有一定的能级。
• 固体是由原子排列组成， 原子之间的电子受邻近原子核的作用， 每个原子轨道上的电子能级被分裂成能级相近的轨道能带。
• 能级越高， 能带越宽。
• 能带之间的空间称为带隙或能隙。
• 电子不能存在于带隙中。

1.2.2 能带的类型

价带：

原子模型图

• 价电子， 原子最外层轨道上的电子。
• 价带由价电子组成， 为原子最外层电子轨道， 也是电子的最高能带。
• 价带电子数为1到8个之间。
• 当价带电子为8个时， 表示原子达到稳定状态。

导带 ：

价带导带能隙的相对位置图

• 导带， 不受原子核引力的电子组成的能带， 也是电子的最高能带。
• 价带能量低于导带。
• 价带中的电子被热或者光激发时， 可以跃入导带。

1.2.3 能带的重要性

• 如果价带与导带之间存在较多的重叠， 意味着材料中存在大量的自由电子， 因此，该材料为良好的==导电体==。
• 如果价带与导带之间存在较多的间隙， 意味着导带缺乏电子， 从而使材料无法导电， 因此，该材料为==绝缘体==。
• 如果价带与导带之间存在轻微的分离， 通过提供少量的能量就可以使价带中的电子占据导带。 这意味着， 尽管这些材料通常是绝缘体， 但通过外部激励， 它们可以转化为导体。 因此这些材料被称为==半导体==。

1.2.4 不同材料的能带

导体：

• 导体的价带和导带之间无带隙， 存在重叠。
• 室温下可用的自由电子数量很大。
• 特点： 导电性能好， 具有很高的导电率。
• 实例： 导体主要指金属， 例如金、 铝、 银、 铜等。

半导体：

• 半导体的价带与导带之间存在较小的带隙。
• 锗的带隙为 0.72eV ；硅的带隙为 1.1eV ；
• 价带电子在较小的外部激发下可以跃迁到导带。

绝缘体：

• 绝缘体的价带与导带之间存在很大的带隙。
• 金刚石的带隙为 6-7eV。
• 难以通过外部激发使价带中的电子跃迁到导带。
• 特点： 不导电， 具有极低的导电率。
• 实例： 玻璃、 橡胶等。

1.2.5 固体能带小结

1. 导电体， 价带与导带之间无带隙；
2. 半导体， 价带与导带之间存在较小的带隙； ==LED为半导体器件。==
3. 绝缘体， 价带与导带之间存在较大的带隙。

2、 辐射吸收、 自发辐射、 受激辐射

• 学习目的： 掌握半导体自发辐射的概念， LED的发光机理是自发辐射。

• 学习内容：

  1. ​ 光子的概念
  2. ​ 辐射或光的吸收
  3. ​ 自发辐射
  4. ​ 受激辐射

2.1光子

• 光子（photon）,组成光束的基本粒子，光子的能量为 E =hv ;其中h为普朗克常量，v为光的频率
• 光子的概念由爱因斯坦提出。
• 光子静止质量为零。
• 光子以光速运动，具有能量、动量、质量。

2.2辐射或光的吸收

​

​

• 吸收光子能量的过程称为辐射吸收。
• 电子吸收足够的光子能量， 从较低的能级跳到较高的能级。
• 当电子吸收的能量等于两个能级的能量之差时， 电子从较低能级跃迁到较高能级。
• 处于较高能级的电子称为激发电子。

2.3 自发辐射

概念：被激发的电子在短时间停留之后， 以光的形式释放能量， 回到较低能级或基态， 这个过程称为自发辐射。

特性：自发辐射发射的光子并不完全沿着入射光子的方向流动， 具有随机性。自发辐射发射的光子能量与材料的能隙成正比。

分类：

1. 初始能量由光子提供， 称为光致发光， 例如黑暗中发光的材料。
2. 初始能量由化学反应提供， 称为化学发光， 例如发光棒。
3. 初始能量由电压提供， 称为电致发光， 例如LED。
4. 初始能量由声波引起， 称为声致发光。
5. 初始能量由加速电子击中目标， 称为阴极发光。
6. 初始能量由活的有机体引入， 如萤火虫， 称为生物发光。

2.4 受激辐射

概念：处于激发态的电子被激发而发射光子， 同时下降到基态或较低能态的过程称为受激发射。

特性：

• 受激辐射不是一个自然过程， 而是一个人工过程。
• 入射光子迫使受激电子发射光子， 并落入较低能态或基态。
• 入射光子的能量必须等于两个电子壳层之间的能量差。
• 在受激发射过程中， 每个入射光子产生两个光子。
• 在受激发射过程中发射的光子将沿着入射光子的相同方向传播。
• 产生光的方法很多， 但受激发射是已知的唯一产生相干光（具有相同频率的光子束） 的方法。

3、PN结的发光原理

学习目的：掌握PN结的发光原理。

学习内容：本征半导体、N型半导体、P型半导体、半导体的PN结、半导体的带隙、PN结的发光原理。

3.1 本征半导体

概念：本征半导体指的是完全不含杂质且无晶格缺陷的纯净半导体。

特性：

• 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质， 可使半导体的导电性发生显著变化。 掺入的杂质主要是三价或五价元素。
• 掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体 。
• 最常用的半导体基础材料是硅， 硅原子的最外层有四个价电子。
• 原子最外层电子数为8的时候， 性能最稳定， 这也是电子饱和状态。
• 硅原子的最外层价电子与邻近的硅原子共享， 形成了八个电子的完整轨道， 称为共价键。

硅原子的结构

3.2 N型半导体

构成：在本征半导体硅中掺入五价原子， 与四个硅原子形成共价键， 留下一个自由电子， 因此，五价原子称为施主（Donor）。

特性：

• 在室温下，原子中的外层电子在热激发下也会脱离壳层，成为自由电子，从而形成空穴，但是很快被其它自由电子填充。
• 由于掺杂半导体中的自由电子数量远远大于空穴的数量， 称这种掺杂半导体为N型半导体（Negative, N）。
• 五价原子主要包括： 砷( As )、 锑（Sb） 或磷（P） 等。
• 以锑原子作为掺杂原子为例，最外电子层有5个电子。
• 在硅原子中掺杂锑原子之后， 1个锑原子与4个硅原子形成共价键，并贡献1个电子进入导带成为自由电子。

硅原子Si中掺杂锑原子Sb

3.3 P型半导体

构成：在本征半导体硅中掺入三价原子， 与四个硅原子形成共价键， 留下一个空穴， 需要电子填充才能够保持共价键稳定，因此，三价原子称为受主（Acceptor）。

特性：

• 在硅半导体中掺入三价原子后， 存在许多空穴， 其空穴的数量与掺杂三价原子数量有关。
• 由于掺入三价原子之后， 空穴称为半导体中的多数载流子， 空穴呈现正电子特征， 因此称这种掺杂半导体为P型半导体（Positive, P）。
• 三价原子主要包括：铝（Al）、硼（B）或镓（Ga）等。
• 以硼原子作为掺杂原子为例，最外电子层有3个电子。
• 在硅原子中掺杂硼原子之后， 1个硼原子与4个硅原子形成共价键， 并留下1个空穴。

硅原子Si中掺杂硼原子B

3.4 半导体的PN结

N区| PN结 | P区

构成：在硅材料中掺入三价原子形成P型区域， 掺入五价原子形成N型区域。在P型区域和N型区域的交界面，称为PN结。

特性：

• N区中的多数载流子电子向P区扩散， 在PN结的P区一侧形成较高浓度的电子， 在PN结的N区一侧失去电子形成较高浓度的空穴， 形成内部电场。
• 内部电场阻止电子从N区域向P区域进一步的扩散。
• 当扩散终止， 在PN结形成势垒区， 或称耗尽层。

内部电场的电位差（零偏结电压 ）:

• VT为室温下26mV的热电压
• ND为N区域掺杂五价原子的浓度
• NA为P区域掺杂三价原子的浓度
• nj为半导体中本征原子的浓度

通常在室温下：硅耗尽层的结电压约为 0.6-0.7 伏 ;锗耗尽层的结电压约为0.3-0.35 伏。

3.5 半导体的带隙

导带中的最小能量态和价带中的最大能量态在布里渊区分别用一定的晶体动量（k矢量）来表征。

半导体的直接带隙 :

• 导带最小值与价带最大值在波矢k空间中处于同一位置，如图k=0。
• 被激发的价带电子垂直跃迁到导带，只需要吸收能量， 动量不变。
• 导带电子瞬间停留后回落到价带，动量也不变，并直接发出光子。
• 直接带隙半导体的最佳例子是砷化镓GaAs、 砷化铟InAs、 锑化铟InSb、 氮化镓GaN、氮化铟InN、 氧化锌ZnO、 硒化镉CdSe、 硫化锌ZnS。

​ 结论： 直接带隙半导体可以作为发光器件的材料。

半导体的间接带隙:

• 导带最小值和价带最大值在波矢k空间中处于不同位置。
• 被激发的价带电子在跃迁过程中将能量释放给晶格，转化为声子，变成热能释放掉。
• 间接带隙半导体的最佳例子是硅Si， 锗Ge， 碳C（金刚石），磷化镓GaP。

​ 结论： 间接带隙半导体不能作为发光器件的材料。

3.6 PN结的发光原理

PN结发光原理图

• 如果在PN结外施加一个电压，使得在PN结内所形成的电场与PN结势垒电场方向相反， 从而使内部电子扩散平衡被打破，电子将继续扩散。
• 电子从导带回落到价带，必须要耗散一部分能量，这种能量以光和热的形式散发。
• 基于硅衬底的PN结， 属于间接带隙半导体， 回落电子通过发热来耗散能量。
• 基于磷砷化镓(GaAsP)或磷化镓(GaP)衬底的PN结，属于直接带隙半导体，回落电子通过发射光子来耗散能量。

​ 结论：直接带隙半导体材料是PN结发光的必要条件。

4、 LED发光二极管

学习目的：了解LED芯片结构和LED结构，掌握LED的指向性和颜色。

学习内容：GaN基材料；LED芯片结构；LED结构；LED的指向性； LED的颜色； 白色LED；LED的供电。

4.1 GaN基材料

氮化镓GaN基材料，属第三代半导体材料，具有禁带宽度大、热导率高、耐高温、 抗辐射、耐酸碱、 高强度和高硬度等特性，是现在世界上人们最感兴趣的半导体材料之一。GaN基材料在高亮度蓝、绿、紫和白光二极管，蓝、紫色激光器以及抗辐射、高温大功率微波器件等领域有着广泛的应用潜力和良好的市场前景。

GaN基材料的衍生主要包括GaN 及其与氮化铟InN、氮化铝AlN 的合金，其禁带宽度覆盖整个可见光及紫外光谱范围，使得基于GaN基材料的LED 成为主流。

4.2 LED芯片结构

蓝光LED芯片结构示意图， 1993年

蓝光LED芯片基本组成：p-氮化镓GaN层、有源层、 n-氮化镓GaN层、成核层、衬底

4.2.1 衬底功能

LED芯片是在衬底的基础上，通过外延生长形成的。

• 衬底是外延层生长的基板。
• 衬底起到支撑和固定外延层的作用。
• 衬底与外延层的特性配合要求严格， 直接影响外延层的生长乃至芯片的品质。
• 衬底材料主要有蓝宝石α-Al2O3、硅Si、碳化硅SiC，较常用的是蓝宝石。
• 蓝宝石衬底 Sapphire Substrate

4.2.2 衬底材料

蓝宝石Al2O3，最早用于GaN外延的衬底材料、工艺最成熟。缺点是晶格失配导致位错密度高，大功率LED存在散热问题。蓝宝石占据了*90%*以上的衬底市场份额， 是目前市场上的主流技术路线。

碳化硅SiC衬底，导热性良好，且其与GaN间的晶格失配和热失配也较小，非常适合于制造高温、高频、大功率电子器。SiC衬底的价格昂贵， 因其性能优异，占据着高端市场。

硅Si衬底，生长工艺成熟、导致成本低，导电性和导热性好。缺点：在Si衬底上制备GaN单晶薄膜质量不如蓝宝石，以此制造高质量LED面临许多难题。剑桥大学C. J. Humphreys教授是国际上Si基LED器件研究的先驱之一。

4.2.3 成核层

成核层是用来阻断来自衬底的缺陷沿着生长方向向上传播，从而提高后续生长的结晶质量。因此，成核层也称缓冲层Buffer Layer。

成核层生长过程金属有机化学气相沉积法MOCVD

成核层是在衬底表面生长而成，材料是氮化镓GaN；厚度在100nm左右；温度约为550° C。

4.2.4 n-GaN层

n-GaN 层有如下作用：

• 与p-GaN组成PN结外层，并以此形成引出线；
• 起到缓冲层的作用，提高后续生长质量；
• 向有源区提供充足的电子；
• n-GaN层掺入的杂质为Si ，厚度约为1-2 um ，生长温度约为1050° C

4.2.5有源层

• 有源层是辐射光子的区域。是氮化铟镓InGaN/氮化铝镓AlGaN双异质结。
• 较窄的带隙材料InGaN被两个较宽的带隙材料AlGaN所夹，形成量子阱。
• 双异质结构设计有助于最大限度地提高LED器件的发光效率。
• 异质结由两层以上不同的半导体材料薄膜依次沉积在同一基座上形成
• 这些材料具有不同的能带隙。异质结构的二极管特性非常接近理想二极管。调节各个材料层的厚度和能带隙， 能够改善LED性能。

4.2.6 p-GaN层

p-GaN层有如下作用：

• 与n-GaN层组成PN结外层， 并以此形成引出线；
• 向有源层提供空穴。

n-GaN层掺杂技术比较简单，主要掺杂Si，由于存在氮空位, 使得N型本底载流子浓度范围较高。p-GaN层要实现对应于n-GaN层的高浓度掺杂非常困难。

4.3 LED结构

4.3.1 圆顶型LED

圆顶型LED结构示意图

LED芯片固定在LED阴极的一个小反射腔（Reflective cavity）中。LED芯片的阳极通过连接线（Bond wire）连接到LED的阳极。圆顶形壳体由塑料或环氧树脂制成，将所有部件固定在一起。LED芯片发出的光通过反射腔， 反射到LED的上半部分，通过圆顶内腔聚焦， 并通过壳体辐射到LED的前方。

圆顶型LED出光分布图

如上图所示，左上结构图；右上光照图片；左下亮度径向分布；右下亮度三维分布。

结论：在中心出光区域之外还有一个环形出光区域， 其亮度较弱。

4.3.2 贴片型

贴片型LED结构示意图

贴片式（surface mounted device， SMD）该结构直接粘贴在印刷线路板上。外壳可以作为散热片。结构紧凑。荧光层 Phosphor layer。

4.3.3 COB型

板上芯片型LED结构示意图

板上芯片（chip on board， COB）用热粘接剂直接连接LED芯片到印刷电路板上。由于半导体和电路板之间直接接触， 因此比使用贴片式LED的电路板可以更好地耗散功耗。

4.3.4 三种类型比较

如上图所示，在10×10mm线路板上可以布置LED的数量比较。圆顶型LED： 9个贴片型LED：40个板上芯片型LED：342个 。

4.4 LED的指向性

下图表示普通LED光出射强度分布。指向性指的是LED光出射角度。𝒑𝒆表示光出射强度峰值对应的角度；

下图给出了日本日亚化学工业株式会社（NiChia） 生产的NF2W757HT-F1型贴片式LED光出射强度分布与指向角的关系， 可以看出

4.5 LED的颜色

• LED发出光的颜色是由波长决定的。
• 光的波长取决于PN结处半导体材料的带隙宽度。
• 带隙的宽度与复合材料的化合物有关。
• 光的强度取决于通过二极管施加的功率。

4.6 白色LED

LED不能直接发出白光， 而是通过某些技术产生白光， 主要技术有以下三种：波长转换、颜色混合、同质外延硒化锌。

4.6.1 波长转换

（1）蓝色LED和黄色荧光粉：

LED发出蓝色辐射激发黄色荧光粉。蓝光和黄光的混合呈现出近似的白光。这种方法是产生白光最便宜的方法。

（a） 传统的球冠型涂层结构 （b） 平面保形荧光粉层结构
（c） 悬空荧光粉涂层结构 （d） 自适应荧光粉涂层结构

（2）蓝色LED和多色荧光粉：

LED发出蓝色辐射激发多种颜色荧光粉。蓝光和多种颜色的光混合呈现出近似的白光， 效果优于前一种。成本偏高。

（3）紫外LED和RGB荧光粉：

LED发出紫外光。紫外光激发红色、 绿色、 蓝色荧光粉发出红光、 绿光和蓝光。红光、 绿光和蓝光的混合呈现近似白光， 效果优于前两种。

（3）蓝色LED和量子点 ：

LED发出蓝光。蓝光激发LED顶部的量子点产生白光。 量子点的材料为镉或硒。其光谱与紫光激发RGB荧光粉的光谱近似。

4.6.2 彩色LED混合

将发出红光、绿光和蓝光的LED装在一个壳体内，通过调节每个LED发出光的强度， 来获得混合色。也可以采用红光、绿光、蓝光和黄光进行混合。

4.6.3同质外延硒化锌

通过在硒化锌（ZnSe） 衬底上生长蓝色LED外延层而产生。在有源区发出483nm的蓝光。在衬底发出595nm的黄光。蓝光和黄光合成为白光。

4.7 LED的供电

普通硅或锗二极管的管压降差异性不大， 而LED的管压降差异很大； LED的工作电流差异性很大。 LED正向压降VF取决于半导体化合物和正向偏压LED电流。 准确的电压降当然取决于制造商， 因为使用了不同的掺杂材料和波长。

LED不可以直接与电源连接， 必须通过串联一个电阻， 以免因过流而烧坏。串联的LED必须统一规格，以确保发光亮度一致。通过LED的电流不允许超过额定电流。

如上图所示PWM驱动是目前调整LED光源亮度的主要方式。调整光源亮度的设备称为光源控制器。

5 、光源相关术语

5.1 黑体

概念：黑体是一个理想化的物体， 能够吸收全部电磁辐射， 没有反射和透射。 黑体对于任何波长的电磁波的吸收系数为1， 透射系数为0。

普朗克黑体电磁波辐射定律， 黑体辐射率与波长的关系为：

k： 波尔茨曼常数， 焦耳/开尔文（J/K）

T： 黑体温度， 开尔文（K）

h： 普朗克常数， 焦耳∙秒（J∙s）

c： 光速， 米/秒（m/s）

辐射率是指衡量物体表面以辐射的形式释放能量相对强弱的能力。物体的辐射率等于物体在一定温度下辐射的能量与同一温度下黑体辐射能量之比。黑体的辐射率等于1， 其他物体的辐射率介于0和1之间。

不同温度下黑体辐射率与波长的关系

5.2 色温

色温是以温度的数值来表示光源的颜色特征。加热标准黑体， 其表面颜色变化顺序为深红、浅红、橙色、白色、蓝色。 当某种光源的色度与某一温度下黑体的色度相同时，将该色度下黑体的绝对温度作为该光源的色温。色温的单位为开尔文（K）

5.3 显色指数

显色指数（CRI 或Ra） 表示物体或其周围环境的颜色在特定光源下呈现的自然程度。借助于显色指数， 可以比较不同光源的光质。显色指数的值介于1和100之间， 没有单位。显色指数与光谱有关， 光谱越宽， 颜色越真实。自然光的CRI为100。 白炽灯和卤素灯的最大显色指数也为100。 LED的CRI为60-98节能灯为80-89， 荧光灯为60-90， 汞蒸气灯45-50， 钠蒸汽灯30-40。

不同显色指数的成像效果比较

不同光源的光谱分布

5.4 色度

色度（chromaticity） 反映的是色调和饱和度， 与亮度无关。人眼锥细胞由三个细胞组成， 分别感受波长为420-440nm、 530-540nm、 560-580nm的可见光。三个波段的可见光近似对应于蓝光、 绿光和红光，其合成反映了色度。国际照明委员会 CIE 建立了与人眼对应的标准观察者颜色匹配函数， 用来描述色度。

色度图包含了一般人眼可见的所有颜色。舌形图的外边界线被称为光谱轨迹， 是用纳米波长度量的单色光， 这些光是饱和度最大的颜色。饱和度最小的颜色位于舌形图的中心， 表现为白色。如果在色度图上选择任何两个颜色点， 则可以通过混合这两个颜色来形成两点之间直线上的所有颜色。色度图中的任何一点颜色可以用坐标（x， y） 来表示。

CIE 1931颜色空间色度图

不同显色指数的白色LED色度坐标与电流的关系（色温5000-6500K）

5.5 光谱发光效率

光谱发光效率（Spectral luminous efficiency）是指人眼对不同频率光的反应灵敏度。实验表明： 正常视力的观察者， 明视觉时对频率550nm绿色光最敏感， 其发光效率定义为1，其它可见光的光谱发光效率小于1； 暗视觉时对490nm青蓝光最为敏感。 相对光谱发光效率， 某频率光的光谱发光效率与550nm绿光的光谱发光效率的比值。

5.6 光谱密度

光谱密度（spectral concentration），表示单位波长区间内辐射能的大小。

5.7 辐射通量

辐射通量（Radiant flux），单位时间内通过某一截面的辐射能。辐射形式包括发射、传播，或接收。 辐射功率的单位是瓦特(W)

5.8 光通量

光通量（luminous flux） 指人眼所能感觉到的辐射通量， 单位为流明

5.9 发光强度

发光强度（Luminous Intensity） 是光在某个方向上传播的量， 以坎德拉（cd）为单位。例如， 太阳发出的光遍布整个星系， 但我们可能只对照射在我们周围的光感兴趣。

5.10 照度、亮度

照度（Illuminance） 是光线照射到物体上的程度， 以勒克斯（lux）为单位。亮（Luminance）是指物体或场景反射或发射的光的量，单位为坎德拉每平方米（cd/m²）。亮度可以测量被拍摄对象或场景的亮度， 也可以测量最终打印照片的亮度。

5.11 发光效率

发光效率指的是光源的光通量与功率的比值。此功率可以指光源输出的辐射通量， 因此称为辐射发光效率； 也可以指提供光源的能， 因此称为电源发光效率。60W的白炽灯可以发出900流明的光， 其发光效率为 15 lm/W。LED发出900流明的光， 其功耗远低于10W， 其发光效率为 90 lm/W。LED的发光效率高于白炽灯。

5.12 小结

• 黑体对于任何波长的电磁波的吸收系数为1， 透射系数为0
• 显色指数是评价光源光质的技术指标。
• 色度图是显示光源颜色的标准图。
• 光通量指人眼所能感觉到的光源辐射通量。
• 发光效率指的是光源的光通量与功率的比值。