照明技术的变迁

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1、照明技术的变迁人类在大约50万年前就以燃烧树木产生的火焰及光作为光源使用,这就是最早的光源。随着人类文明的进步，之后烧植物油及矿物油来产生光。1876年爱迪生发明了白炽灯(Incandescent Lamp)，它以碳棒作为灯丝，是照明技术的巨大改进，1938年发明的日光灯（或称为荧光灯，Fluorescent Lamp）可以减少热的损失，节省能源的消耗，这又是一大进步，后来紧凑型日光灯(Compact Florescent Lamp)的开发使其应用更为普遍，同时高压气体放电（HID：High Intensity Discharge）灯如水银灯（Mercury Lamp）、金属卤素灯（Metal

2、 Halide Lamp）及钠灯（Sodium Lamp）等的发明可在室外实现照明，满足了各方面的需要。目前约有21%的电源用于照明，如果能在固体照明领域节省一半的能源，则会对人类的节约能源作出巨大的贡献。采用半导体材料(Semiconducting Meterial)做成红光、黄光及绿光发光二极管(LED：Light Emitting Diode)已在约十年前研制成功，这些LED大都用AlInGaP材料做成，但直到数年前，用AlGaInN材料成功制成蓝光LED，这才使白光LED的梦终成现实。用半导体材料制作白光LED被称为固体照明（Solid State Lighting），下面将介绍以前的

3、光源的性能。1、 白炽灯白炽灯是用黑体（BB：Black Body）发热，主要以钨(Tungsten)丝作灯丝（Filament），因为钨有高熔点（3683K）及低蒸发率。只是白炽灯的大部分的光是红外线（Infrared），钨丝放热比黑体稍微蓝移（Blue Shift）即向短波长方向移，如图1所示，所以发光效率(Luminous Efficiency)比较高，而蓝移也不影响演色性（CRI：Color Rending Index）。一般钨丝都卷成螺旋形放在球形玻璃壳中，并充入不起反应的惰性气体，例如氩气（Ar）及少数氮气(Nitrogen)，而40W以下的白炽灯则多数是抽真空。因为白炽灯的大部分

4、辐射光是红外线，所以120V白炽灯的照明效率在2400K时约为81m/W，一般100W白炽灯只有7%的电功率转变为可见光。白炽灯寿命衰减的主要原因是钨丝蒸发，白炽灯的一般寿命约7501000h，但是因为白炽灯价廉，所以被大量应用在住宅。2、 钨丝卤素灯为减少钨丝蒸发率以增加其寿命及工作温度，在灯泡中添加卤素气体做成的钨丝卤素灯（Tungsten Halogen Lamp）也颇为流行。钨丝卤素灯的原理是在化学反应时，钨产生卤化物从高温灯丝扩散到冷玻璃壳壁上，由于这是一个可逆反应，所以同时钨的卤化物分解成钨而反方向扩散在钨丝上，结果钨丝的分量没有改变，因此温度可以高达3450K。一般钨丝卤素灯均在

5、高温工作，灯泡也较小，用的是比较硬的玻璃壳，其寿命比钨丝白炽灯要高两倍。以上介绍的两种灯均是热辐射发光，下面将介绍气体放电发光。3、 日光灯当高压电通过气体时，气体会分离而离子化，产生由电子、离子及中性粒子等组成的等离子（Plasma）气体，限制电流使其不致产生雪崩（Avalanche）而逐渐稳定。一般日光灯用低压放电可以产生1100013000K的高温，目前日光灯可用的材料有汞即水银和钠，但是钠灯光是黄色多用在街道上，而汞灯则释放紫外线（UV：Ultraviolet）故多用于一般日光灯，灯管涂上荧光粉（Phosphor）以产生白光。日光灯的荧光粉可以由UV激发产生白光，卤化磷酸盐(Halop

6、hosphate)Ca5(PO4)3(CL3F)：（Sb3+，Mn2+）是最早使用的荧光粉，其中锑（Sb）的作用是增感（Sensitizer）及发光中心(Activator)，锑受UV激发产生近480nm宽带，而锰（Mn）则产生580nm宽带，其光谱如图2(a)所示，改变Sb及Mn的掺杂量可以得到不同的色温（Color Temperature）27006500K，但是因为缺少红光，所以其演色性值Ra只有5076左右。如果要得到高的演色性，可以使用混合物，例如Sr5(PO4)3(CL，F)(Sb3+，Mn2+)及Sr3(PO4)Sn2+，但是其发光效率较差。在1970年，三色荧光粉研发成功，得到

7、如图2（b）所示的光谱，其中有600nm、550nm及450nm波长的波峰。三色荧光粉中的红色多用Y2O3：Eu2+；绿色用CeMgAL11O12：Tb3+，LaPO4：Ce3+，Tb3+及CeMgB5O10：Ce3+；Tb3+；蓝色则用BaMg2AL16O37：Eu2+及Sr5-x-yBaxCay(PO4)3CL：Eu2+。用稀土族Eu、Tb等材料可以得到高量子效率，但稀土族元素较昂贵。用三色荧光粉Ra值可达8085。若要得到Ra90，则需要具有如图2（c）所示宽带光谱的五种荧光粉，包括卤化磷酸盐、三色荧光粉以及宽带红色（620nm）Mn2+活性化的五硼（Pentaborate）酸盐等材料。

8、目前日光灯正朝着小管径紧凑型发展，这种灯被称为紧凑型荧光灯（CFL：Compact Fluorescent Lamp），小直径（1016mm）管可以直接用在灯座上，转换效率可达28%，比100W白炽灯要高四倍。这种灯因为省电、寿命长，并可与普通灯互换，已逐渐被普遍采用。日光灯比白炽灯效率高、寿命长并且可选择光色，是室内照明光源中发展最快的光源，目前发光效率可达100lm/W，寿命可达24000h，Ra值大于83。日光灯的最大缺点是光输出与温度有关，在室温下具有最高输出功率，增加或减少温度均会使光输出功率减少，其他缺点是演色性不够高、受无线电波长影响较大以及有噪声，同时因为含汞对环境有影响，但是

9、已在公共场所被大量使用。4、 低压钠灯低压钠灯（Low Pressure Sodium Lamp）用钠代替汞可得到含有589nm及589.6nm（D线）的黄光，但钠熔点比汞高，也比汞活泼，要用抗钠玻璃。因为D线的发光效率约为530lm/W，所以低压钠灯的发光效率可达100200lm/W，只是其演色性很低，Ra=-44，另外要长时间才能暖起来，所以大部分应用在街道及公路上。5、 高压汞灯高压汞（HPMV：High Pressure Mercury Vapor）灯在210 atm（1 atm=1.01325105 Pa）下工作，光谱移到宽的长波长波段（405nm、436nm、546nm及578nm

10、），如图3(a)所示，主要是蓝绿光，所以演色性低，Ra约为16，因为缺少红光，为了使Ra值提高到50，管内涂上一层荧光粉，一般用YV：Eu或Y（P，V，B）O4：Eu经UV光激发后变成红光，如图3(b)所示。高压汞灯的一半功率变成热，所以效率不高，但是温度稳定性极佳，一般寿命约800010000h，大部分应用在道路照明及商用建筑的照明。6、 高压钠灯高压钠灯主要是D线，如图3(c)所示，可以产生501000W功率，发光效率60120lm/W，寿命可达24000h，演色性较差，Ra约为2025，不适合用于室内照明。增加压力可以增加演色性，但会减少发光效率。最高演色性Ra可达85，色温2500K，

11、但发光效率只有58lm/W。7、 金属卤化物灯金属卤化物（MH：Metal Halide）灯是在高压汞灯中加入了其他金属，这样可以改进发光效率及演色性。金属卤化物的特性与钨丝卤化物相同。金属卤化物分解产生金属原子辐射出光，而当金属扩散至灯管的冷区时，又与卤化物合成金属卤化物。一般压力在10100Torr(1Torr=1.33322102 Pa)，虽然其压力比汞灯的120atm要小，但是其他金属产生一部分而其激发能量（约为4eV）比汞（约为7.8eV）要低，一般使用Na、Sc、Ta、In、Ce及稀土族碘化物，在连续光谱时使用Sn及Sn-Na卤化物、碘化物加硼化物及氯化物。图3(d)示出了金属卤化

12、物加上稀土族（Dy/Ho/Tm）-Na-Tl后所得的光谱。MH灯与HPMV灯结构相似，功率可以达到20018000W，发光效率70110lm/W，色温30008000K，Ra为6095，寿命200030000h，可以用于办公室、超级市场、大型店以及工业照明，也可以用在室外照明。目前金属卤化物灯仍处在技术成长阶段，新技术仍在发展中，尤其是投影用金属卤化灯正向高演色性、高发光效率、高色温、小型化、超高亮度及长寿命方向发展，逐渐取代高压汞灯及钨丝卤素灯。目前HID(High Intensity Discharge)灯包括高压汞灯、高压钠灯及金属卤化物灯，其中以金属卤化灯最具市场潜力及前瞻性。A.Zu

13、kaskus 等人比较了各种照明光源的特性，其结果列在表1中，以供参考。表2比较了白炽灯、日光灯、金属卤化灯与发光二极管等光源的功率转换效率，由表可知白炽灯有极高的红外线损失，金属卤化灯的可见光转换效率最高，而LED虽无红外线的损失，但是有很多功率转变成热。总之，照明光源已逐渐由白炽灯发展为日光灯，而未来的希望则是白光LED。白炽灯的色温在25003000K，而日光灯及白光LED的色温均可达300010000K。白炽灯是热发光，日光灯是气体发光，而白光LED是冷发光。白炽灯的寿命只有1000h，日光灯可达10000h，白光LED则可达100000h。白炽灯的反应时间慢，约为100ms，而且耗电

14、、易碎；而日光灯反应较快但是含有汞会产生污染且易碎；白光LED则省电，固体元件特性强，耐震动、反应时间极快，只是价格高，技术尚未成熟。色温与亮度色温 ( Co1or Temperature )单位：绝对温度 ( Kelvin, K ) 色温度以绝对温度 K 来表示，是将一标准黑体（例如铂）加热，温度升高至某一程度时颜色开始由红、橙、黄、绿、蓝、靛（蓝紫）、紫，逐渐改变，利用这种光色变化的特性，其光源的光色与黑体的光色相同时，我们将黑体当时的温度称之为该光源的色温度。色温度在 3000K 左右时，光色偏黄。色温度在 5000K 以上时，光色偏蓝。不同色温度的光，具有不同的照明和视觉效果。不同色温

15、对应不同颜色的光如下图。不同的波长给人眼造成不同的颜色感觉，从红、橙、黄、绿、蓝、靛（蓝紫）、紫。眼睛的敏感度随波长的变化而强烈变化。例如，在很好的照明条件下，眼睛对 550nm 波长的光（黄光）的敏感程度是红光或蓝光的 20 倍。这也是为什么大部分车的雾灯和马路的路灯采用黄光的一个重要原因。色温是度量颜色温度的标准，并不是度量灯的亮度。卤素灯的色温可以由2300K到7000K；HID灯的色温由4200K到超过8000K；灯的色温越高，它对雾和雨的穿透力越差（越不亮）。大厂如飞利浦至今只生产色温最高6000K的氙气灯。以下是不同色温的表现：光色温 光效果3000K黄色光，强穿透力 4200K白

16、中带黄，原车配氙气灯 5000K光全白，欧规最高色温 6000K光全白，略带蓝色 6500K阳光下的白天 70008000K白中明显带蓝 8000K以上蓝光，穿透力极差推荐6000K左右的色温正好是最白略微开始转蓝的色温，人眼容易接受，不易疲劳，提高安全性，而卤素灯则较差。色温与光效色温与光效是两个不同的概念,也是两个互不相关的光源指标.色温是指被测光发出的波,色温一般为2700K-6500K,2700K就是我们常说的黄光,6500K是白光,4100K一般称为中性色.光效是指光源的光通量输出与它取用的电功率的比称,质量越好的灯,他的光效也越高,不同种类的光源,它的光效也不同,如:白织灯的光效为10LM/W,一般节能灯的光效为40LM/W,螺旋型节能灯的光效为50LM/W.同种光源,质量越好,它的光效就越高.光效越高,功率越大,灯就越亮!