Цель разработок светодиодов — добиться максимального ви­зуального воздействия при заданных входной мощности и пло-; щади перехода. В связи с этим наиболее важным параметром; является световая отдача по мощности, т. е. способность к пре-і образованию электрической энергии в световую. Однако, коль* скоро излучение получено, необходимо обеспечить желаемое^ воздействие света на человеческий глаз. Этого можно достичь путем соответствующего учета характеристик зрения. Зрение является предметом изучения обширной и сложной области нау­ки, ему посвящено большое количество работ в научно-техниче­ской литературе. Ссылки на ранние исследования можно найти в работе [3], а на некоторые из последних — в работах [4, 5]. Тем не менее в этой литературе содержатся лишь качественные рекомендации относительно большей части практических при­менений светодиодов. Зрительное в'осприятие характеризуется таким большим числом переменных и влияющие на него субъек­тивные факторы настолько сложны, что количественных теорий расчета светодиодов для большинства применений не сущест­вует. (Авторы считают, однако, что для максимальной практи­ческой реализации возможностей светодиодов необходимо, что­бы более широкое развитие работ в этом направлении допол­нило быстро расширяющиеся исследования в области физики и проектирования светодиодов.) В данном разделе кратко рас­смотрены характеристики зрительного восприятия. Прежде все­

го перечислены конкретные понятия колориметрии, а затем обсуждены некоторые трудности, с которыми встречаются раз­работчики различных излучателей и индикаторов. Эти трудно­сти возникают по двум следующим причинам:

1. Большинство понятий колориметрии, таких, как яркость и цвет, совпадают с понятиями, которые употребляются при опи­сании психологического восприятия человека. В то время как научные понятия четко определены и соответствующие величи­ны можно измерить при любых условиях, субъективные оценки существенно зависят от окружающих условий во время наблю­дения и от условий, в которых находился глаз наблюдателя в предшествовавшие моменты времени.

2. Хотя реакцию «нормального» человеческого глаза можно предсказать с достаточной вероятностью, значительная часть людей обладает «аномальным» зрением, т. е. обнаруживает раз­личные нарушения цветового восприятия.

Поэтому мы рассмотрим здесь только кратко и качественно вопросы проектирования светодиодов, дополнив их в гл. 6 и 7 описанием конструкции светодиодных структур и нескольких из существующих излучателей и индикаторов.

Цвет

Как уже отмечалось, глаз человека содержит два вида ре­цепторов: колбочки и палочки. При дневном цветочувствитель­ном зрении работают только колбочки. Кривая спектральной чувствительности «нормального» человеческого глаза, опреде­ленная для угла зрения 2°, приведена на рис. 1.2. Область нау­ки, занимающаяся измерением цвета — колориметрия, — основа­на на двух давно открытых явлениях. 300 лет назад Ньютон обнаружил, что, смешивая три основных цвета, можно получить всевозможные цвета. Позднее Гельмгольц и Максвелл показали, что два цвета, которые человеческому глазу кажутся одинако­выми, могут иметь различное спектральное распределение. Эти наблюдения положили начало колориметрии, в ходе развития которой появились количественные критерии, позволяющие пред­сказывать совпадение двух цветов или их различие при задан­ном освещении. Цвет любого источника света можно определить с помощью трех феноменологических кривых чувствительности рецепторов глаза Vx, Vy, Vz, описывающих восприятие трех основных цветов — красного, зеленого и синего (рис. 1.4). Сле­дует обратить внимание на полное совпадение Vy с относитель­ной функцией видности V на1 рис. 1.2, характеризующей общую яркостную реакцию глаза. Для определения полного светового потока источника света достаточно знать а для цветового

Длина Волны, нм Рис. 1.4. Феноменологические кривые чувствительности рецепторов глаза Ух,

Vг, определенные Международной комиссией по освещению основных цветов при угле наблюдения 2°.

для трех

анализа необходимо вычислить три следующих интеграла:

Г dP_ J d% Г dP

(1.7) (1.7) (1.9)

X Y Z

VxdX,

dl Vvdk’ Ж

Результаты интегрирования можно пронормировать и число пе­ременных уменьшить путем введения двух новых переменных:

-x^X/(X + Y + Z), (1.10)

y^Y/(X + Y + Z). (1.11)

Благодаря исключению третьей зависимой переменной 2 = = 1 — (х + у) цвет источника света обычно задается с помощью трех основных цветов на двумерном цветовом графике МКО [1], приведенном на рис. 1.5. На этом графике геометрическое место

х Рис. 1.5. Цветовой график МКО (W — белый цвет, S( и S2 — дополнительные цвета, определяемые доминирующими длинами волн и Лг и чистотой цвета).

спектрально чистых цветов представлено подковообразной кри­вой. Равноэнергетический белый цвет (полученный путем сме­шения равных по яркости трех основных цветов) расположен в центре цветового графика в точке W с координатами ('/з, '/з)- В точках пересечения прямой линии, проходящей через точку W, с геометрическим местом спектрально чистых тонов находятся пары дополнительных цветов Ai и кг. После нанесения координат цветности источника света х, у на цветовой график можно опре­делить численные значения цветовой тональности и насыщенно­сти. Цветовая тональность, насыщенность и яркость являются тремя характерными параметрами зрительного ощущения от источника света или отдельного цвета. Для определения этих параметров необходимо перейти от двумерного цветового гра­фика к трехмерному цветовому конусу (рис. 1.6).

Цветовая тональность. Цветовую тональность можно выра­зить через доминирующую длину волны. Доминирующая длина волны определяется точкой пересечения геометрического места спектрально чистых тонов с прямой линией, проведенной на

Белый Рис. 1.6. Цветовой конус с тремя параметрами, необходимыми для описания цвета (тональность, насыщенность, яркость).

А

цветовом графике из точки W через точку, соответствующую данному источнику. Так, для точек Si и 52 на рис. 1.5 домини­рующими длинами ВОЛН будут соответственно И %2- Домини - I рующую длину волны,’ называемую иногда спектральной ценг роидой, можно также задать следующим выражением:

®v%VdX.

С точки зрения физиологического восприятия цветовая то­нальность отражает изменения доминирующей длины волны, воспринимаемые глазом человека. По оценкам общее число различных цветовых тонов достигает 300—500. Из всех тонов четыре тона, указанные на окружности сечения цветового ко­нуса на рис. 1.6, являются особыми. Люди с различным цвето­вым зрением отличаются друг от друга выбором таких четырех особых тонов. Это те цветовые тона, которые находятся между двумя соседними цветами; например, красный, который лежит

между оранжево-красным и пурпурным, и т. д. (Когда особые тона рассматривают отдельно от других, многим наблюдателям красный кажется пурпурным, а зеленый — желтоватым [6].) Все другие цветовые тона можно получить, смешивая два из этих четырех цветов. Исключение составляют пары синий — желтый и красный — зеленый, которые при смешивании не дают дру­гих тонов, кроме спектрально чистых. Исключив эти пары, оставшиеся можно расположить на замкнутой окружности, пред­ставляющей все возможные цветовые тона. Число различимых тонов излучения светодиодов, по-видимому, ограничено крас­ным, янтарным, желтым, зеленым, голубым и, возможно, белым. Способность различать эти цвета очень сильно зависит от усло­вий окружающего освещения и от ограничений, накладываемых аномальным цветовым зрением.

Цветовая насыщенность. Другим отличием между двумя цве­тами как одинаковой, так и различной цветовой тональности является количество составляющих тонов. Эта переменная на­зывается цветовой насыщенностью, и ее можно выразить через чистоту цвета. Чисто белый цвет (точки W на рис. 1.5) имеет нулевую чистоту, а любой точке на геометрическом месте спек­трально чистых цветов соответствует чистота цвета 100%. Для заданной точки S (рис. 1.5) чистота цвета определяется отноше­нием расстояний от точки W до S(x, у) и от точки W до точки пересечения с геометрическим местом спектрально чистых цветов (х%, Ух):

Чистота цвета =| [(і, у) — ('/3, 7з)Ш*ъ Ух) — (7з> 7з)] I - (1.13)

Цветовая слепота. Определения, приведенные выше, имеют смысл только для людей с нормальным цветовым зрением. Встречаются, однако, различные аномалии цветового зрения, или различные степени цветовой слепоты, которые могут ока­зать двоякое воздействие на зрительные ощущения наблюдате­ля, вызванные излучением светодиода. Во-первых, неспособ­ность отличить цветовую тональность излучателя от цветовой тональности фона приводит к уменьшению цветового контраста. Во-вторых, отклонение от нормальной чувствительности глаза в различных областях видимого спектра проявляется как ча­стичная слепота по отношению к определенным цветам [4].

У людей с нормальным цветовым зрением (нормальных три - хроматов) при смешении двух из трех монохроматических •основных цветов можно добиться такого же ощущения, как от смешения любого спектрально чистого цвета с третьим основ­ным цветом. Люди, страдающие цветовой слепотой, делятся на три категории:

а. Аномальные трихроматы обладают почти таким же цвето­вым зрением, как нормальные трихром. аты; отличие состоит

1,6 rj f, e 1,э г, о 2,1 г, г г, з г,-1 2,5 2,6 г,7 2,8 Энергия, з В Красный Зеленый Синий

750 700 Є50 Є00 550 500 4S0

Длина Волны, нм

Рис. 1.7. Относительная функция видности для нормального цветового зрения и двух типов цветовой слепоты.

лишь в другом, количественном соотношении основных цветов в смеси, вызывающей требуемое цветовое ощущение. На людей этой категории светодиоды будут оказывать примерно такое же визуальное воздействие, как и на нормальных трихроматов.

б. Дихроматы — это люди, у которых ощущение любого спек­трального цвета можно получить соответствующей комбинацией двух основных цветов. Наиболее часто встречающиеся формы дихроматизма — протанопия и девтеранопия. Гельмгольц назы­вал эти формы дихроматизма слепотой к красному и зеленому цвету.

На рис. 1.7 приводятся относительные функции видности для нормального зрения и двух типов цветовой слепоты; здесь же показана полуширина спектра излучения для красных и зеле­ных светодиодов из GaP и красных из GaAs^P*. Как видно из рис. 1.7, протанопия приводит к существенному уменьшению чувствительности глаза к излучению красных светодиодов, а девтеранопия не оказывает значительного влияния на чувстви­тельность глаза к зеленому излучению, хотя сказывается на вос­приятии голубых светодиодов. Среди мужчин насчитывается 4,9% протанопов, среди женщин — 0,38%. Девтеранопия труд­нее поддается анализу, и без дальнейших исследований нельзя

Красный ЕаР Плотность потока излучения

Плотность .сВетоВого потока I для нормального днеоиого зрения плотность (сВетоВого потока для протанопа

1,8 1,9 2,0 , 2,1 Энергия, э&

_L 2,3 Z4

750 700 В50 600 Длина Волны, нм

550

ч

Рис. 1.8. Сравнение плотности светового потока, вычисленной иа основании спектра излучения красных светодиодов из GaP, и соответствующих кривых видности (рис. 1.7) для нормального дневного зрения и протанопии [7].

сказать, до какой степени недостатки восприятия зеленого цве­та у некоторых людей ограничат использование светодиодов. Для того чтобы отразить изменение чувствительности глаза по отношению к различным цветам, спектральное распределение мощности излучения светодиода необходимо преобразовать с помощью относительных функций видности, приведенных на рис. 1.7. Из кривых спектральных плотностей светового потока красных светодиодов из GaP и GaAsi_*P*, вычисленных для на­блюдателя с нормальным зрением и протанопа (рис. 1.8, 1.9), следует, что для лиц с аномальным цветовым зрением чувстви­тельность глаза к свету ниже. Площадь под каждой из кривых, представляет среднюю величину видности. С учетом того, что видность при длине волны, соответствующей максимальной чув­ствительности глаза (555 нм), составляет 680 лм/Вт, были вы­числены средние значения видности для перечисленных вы­ше светодиодов [7J. Они приводятся в табл. 1.2. Поскольку

	0,10 0,09	I I К	... 1.... ............ 1 _ J Плотность
1	0,08	С |’	'т-—, потока ^излучения | GaAshxPx
1	0,07	I I	1 1 1 | Плотность
«в		I	1_ светового
	0,06	I	j j потока для
	I	1 |нормального
		I	л | дневного ■
1?	0,05	I	Ч | зрения і 1
1	0,04	I I	Ч 1 ] > S3 1 ■
§		I 1	^ 1
	0,03	1	N4 1 Плотность
%	1	м cSemoSoso
<1		1	Хд ' /лотока
	0,02	1 - 1	\N1 у для
	0,01	1 1 /	Щ^лГпротанопа nXn '
	/ £
	0	/ /N — 'Х1	MLj.

і, в 1,7 i, s f, s гр г,1 г, г

Энергия, зВ

750 700 650 600 -■

Длина болны, нм

Рис. 1.9. Сравнение плотиоств светового потока, вычисленной на основании спектра излучения красных светодиодов из GaAsi ~ХРХ, и соответствующих кривых вндностн (рис. 1.7) для нормального дневного зрения и протано-

вди [7].

примерно 5% мужчин являются протанопами, указанное умень­шение чувствительности к излучению красных светодиодов мо­жет оказаться существенным для некоторых применений.

Таблица 1.2 Среднее значение видности выпускаемых промышленностью светодиодов для нормального зрения и протанопии Тип светодиода Видность, лм/Вт нормальное зрение протанопия Красный GaP 18 1,5 Красный GaAs^P^ 45 4,6 Зеленый GaP 610 660 .

Следует отметить, что доминирующая1 длина волны для ОаАзі-.їРя-светодиодов, использовавшихся в работе [7], состав­ляет примерно 650 нм — величина, типичная для выпускаемых промышленностью приборов. Как показано в разд. 6.4.1, доми­нирующую длину волны можно сместить в область оранжевого цвета путем большей добавки фосфора в сплав. Это может су­щественно увеличить видность светодиодов для наблюдателей, страдающих протанопией, за счет изменения цвета, В результате указанного сдвига будут, по-видимому, получены светодиоды с оранжево-красным цветом излучения. • -

в. Третью группу людей, страдающих цветовой слепотой, со­ставляют монохроматы. Хотя они не воспринимают различий цветовой тональности, функция видности у них аналогична функции видности девтеранопа, в результате чего значительная потеря чувствительности наблюдается только в голубой обла­сти спектра.

Цвет светодиодов. Отметим, что часть цветового графика (от красного до зеленого цвета) очень близка к прямой линии (рис. 1.5). Это означает, что спектрально чистые оранжевый, желтый и желто-зеленый цвета можно весьма точно подобрать путем смешения монохроматических красного и зеленого цветов. Однако это также означает, что на этом участке спектра резуль­тирующий цвет, даже имеющий широкую спектральную полосу или полученный путем смешения нескольких спектральных по­лос, будет сильно насыщенным. Все указанные на рис. 1.3 све­тодиоды, за исключением люминофоров, преобразующих излу­чение в область более коротких длин волн, характеризуются чистотой цвета, превышающей 98%. В отличие от красно-зеле­ной части спектра геометрическое место спектрально чистых цветов в сине-зеленой области уже нельзя представить прямой линией. Поэтому смесь спектрально чистых синего и зеленого цветов будет гораздо менее насыщенной, чем смесь красного и зеленого цветов. Отсюда также следует, что насыщенность цвета излучения эффективных светодиодов можно снизить лишь пу­тем добавления к излучению синей компоненты. Это является одной из причин поисков материала для светодиодов среди, по­лупроводников с более широкой запрещенной зоной.

Требуемые цветовые тональность и насыщенность в значи­тельной мере определяются областью применения светодиода. В условиях слабого фонового освещения желто-зеленый свет вызывает, как известно, наиболее сильное ощущение при задан­ной мощности излучения. Высокая цветовая насыщенность способствует повышению цветового контраста и визуальной рез­кости, что существенно для световых индикаторов и буквенно­цифровых устройств отображения информации. С другой сторо­ны, для устройств, воспроизводящих движущиеся цветные изображения, нужны все три основных цвета (красный, зеленый и синий), причем для передачи различных оттенков кожи чело­века предпочтительны малонасыщенные цвета.

Цвет излучаемого данным полупроводниковым материалом света определяется шириной запрещенной зоны полупроводника и типом излучательной рекомбинации. Так, например, излуче­ние фосфида галлия ограничено длинами волн, лежащими выше —■ 550 нм (Eg « 2,26 эВ). В зависимости от механизма реком­бинации излучение различных светодиодов из фосфида галлия может иметь следующие основные длины волн: 555 нм (зеленые светодиоды, изготовленные диффузией цинка), 565 нм (диоды, изготовленные методом жидкостной эпитаксии и легированные азотом) и 698 нм (эпитаксиальные диоды, легированные цин­ком и кислородом). Излучение желтого и оранжевого цветов получается при одновременном действии нескольких механиз­мов рекомбинации или с помощью диффузионных переходов, созданных в сильнолегированных слоях GaAsi-^P* я-типа. Вы­бор цвета излучения должен определяться областью применения. Так, красный — традиционный цвет для сигналов опасности. Однако продолжительное воздействие красного света может привести к усталости. Кроме того, разрешение глаза (особенно у пожилых людей) и чувствительность у людей, страдающих некоторыми формами цветовой слепоты, в красной части спект­ра ниже, чем в желтой или зеленой. С другой стороны, достоин­ством красных светодиодов является их высокий квантовый вы­ход и простота получения яркостного контраста.

При заданном цвете излучения светодиода зрительное воз­действие его определяется совокупностью остальных факторов, влияющих на зрительное восприятие, таких, как размер, яркость, контраст наблюдаемых объектов и продолжительность воздей­ствия. Все эти параметры оказывают влияние на восприятие изображения и удобство наблюдения наряду с целым рядом физических и физиологических факторов, таких, как усталость, мускульное напряжение-, ритм сердца, адаптация и др. Посколь­ку число переменных достаточно велико, то не удивительно, что для большинства задач, связанных со зрительным воздействием, многие их комбинации могут давать удовлетворительные резуль­таты. Обычно некоторые параметры известны заранее. Так, например, цвет излучения определяется выбранным материа­лом, размер полупроводникового прибора задается исходя из экономических требований, общий световой поток определяется достижимой величиной квантового выхода и к. п. д. С учетом этих ограничений разработчик имеет определенную свободу вы­бора значений других параметров; например, он может компен­сировать размеры яркостью, яркость контрастом или временем воздействия. Оптимальное соотношение параметров различно для каждой конкретной задачи. Некоторые ценные сведения можно получить, исследуя пределы, в которых изменение одного параметра при фиксированных (на некотором среднем уровне) значениях других дает значительное улучшение требуемых ха­рактеристик.

Размеры индикаторов

Среди различных зрительных тестов, вероятно, наиболее ча­сто используется тест на разрешающую способность зрения. Эта характеристика обычно определяется как величина, обратная углу зрения в угловых минутах, под которым определенная часть наблюдателей (обычно 50%) способна различить мель­чайшие детали изображения. Величина, обратная углу зрения, равному Г, используется как стандарт при расчетах. Для мно­гих применений критерий, при котором только 50% наблюдате­лей способны прочитать символ, оказывается неприемлемым. Необходимо, чтобы индикатор обеспечивал удобство наблюде­ния для большего числа наблюдателей. Этого добиваются за счет увеличения в некоторых пределах размеров символов. Укрупнение размеров выше определенной величины оказывает незначительное влияние на восприятие изображения, и дальней­шее улучшение возможно только за счет повышения яркости или контраста. На рис. 1.10 представлены результаты серии ла­бораторных экспериментов [8]. Соотношения между яркостью, контрастом и размером объекта приводятся для разрешающей

Рис. 1.10, Соотношение, между яркостью и контрастом для 50%-го порога зрительного восприятия при времени воздействия I с в зависимости от раз­мера объекта [8].

способности зрения 50% наблюдателей. Когда размеры мишени превышают А', четкость изображения возрастает медленно, особенно при высокой яркости фона. Чтобы наблюдение было максимально удобным, нужно увеличить размер знаков.

В работе [9] получена следующая формула для определения размеров символов на этикетках и маркировках:

Я = 0,0220 + 6,+ fe2, (1.14)

где Н — высота знака, D — расстояние до наблюдателя, йі — по­правка на освещение и условия наблюдения, — поправка на значимость. Предлагаемый размер знаков для благоприятных условий чтения составляет 7,56', что соответствует размеру сим­вола 2 мм при расстоянии до наблюдателя 91 см. Для важных надписей рекомендуется увеличить этот размер до 4 мм (fe2 =

= 0,075)—до размера цифр на кнопочном телефонном аппа­рате. Общепринятый размер знаков на светодиодных индикато­рах миниатюрных приборов составляет примерно 3 мм, однако есть предположение, что кажущиеся размеры активных инди­каторов несколько больше, чем размеры эквивалентных пас­сивных.