照明技術(shù)的變遷

1、照明技術(shù)的變遷2007年7月16日人類在大約50萬年前就以燃燒樹木產(chǎn)生的火焰及光作為光源使用，這就是最早的光源。隨著人類文明的 進(jìn)步，之后燒植物油及礦物油來產(chǎn)生光。1876年愛迪生發(fā)明了白熾燈(Incandescent Lamp)，它以碳棒作為 燈絲，是照明技術(shù)的巨大改進(jìn)，1938年發(fā)明的日光燈(或稱為熒光燈，F(xiàn)luorescent Lamp)可以減少熱的損 失，節(jié)省能源的消耗，這又是一大進(jìn)步，后來緊湊型日光燈(Compact Florescent Lamp)的開發(fā)使其應(yīng)用更為 普遍，同時(shí)高壓氣體放電(HID： High Intensity Discharge)燈如水銀燈(Mercury La

2、mp)、金屬鹵素?zé)?Metal Halide Lamp)及鈉燈(Sodium Lamp)等的發(fā)明可在室外實(shí)現(xiàn)照明，滿足了各方面的需要。目前約有21% 的電源用于照明，如果能在固體照明領(lǐng)域節(jié)省一半的能源，則會(huì)對(duì)人類的節(jié)約能源作出巨大的貢獻(xiàn)。采用半導(dǎo)體材料(Semiconducting Meterial)做成紅光、黃光及綠光發(fā)光二極管(LED： Light Emitting Diode) 已在約十年前研制成功，這些LED大都用AllnGaP材料做成，但直到數(shù)年前，用AlGaInN材料成功制成 藍(lán)光LED，這才使白光LED的夢(mèng)終成現(xiàn)實(shí)。用半導(dǎo)體材料制作白光LED被稱為固體照明(Solid State

3、 Lighting)，下面將介紹以前的光源的性能。1、白熾燈白熾燈是用黑體(BB： Black Body)發(fā)熱，主要以鎢(Tungsten)絲作燈絲(Filament)，因?yàn)殒u有高熔點(diǎn) (3683K)及低蒸發(fā)率。只是白熾燈的大部分的光是紅外線(Infrared)，鎢絲放熱比黑體稍微藍(lán)移(Blue Shift) 即向短波長方向移，如圖1所示，所以發(fā)光效率(Luminous Efficiency)比較高，而藍(lán)移也不影響演色性(CRI： Color Rending Index)。一般鎢絲都卷成螺旋形放在球形玻璃殼中，并充入不起反應(yīng)的惰性氣體，例如氬氣 (Ar)及少數(shù)氮?dú)?Nitrogen)，而40W

4、以下的白熾燈則多數(shù)是抽真空。因?yàn)榘谉霟舻拇蟛糠州椛涔馐羌t外 線，所以120V白熾燈的照明效率在2400K時(shí)約為81m/W，一般100W白熾燈只有7%的電功率轉(zhuǎn)變?yōu)榭?見光。白熾燈壽命衰減的主要原因是鎢絲蒸發(fā)，白熾燈的一般壽命約7501000h，但是因?yàn)榘谉霟魞r(jià)廉， 所以被大量應(yīng)用在住宅。0500100050&200025003000波跚un圖I黑體。點(diǎn)虛線成胃絲發(fā)熱體(短虛線)在MWK時(shí)的光譜.圖中實(shí)是人眼的感光強(qiáng)度曲線舛|自A. Zuk&uskas等人的著作2、鎢絲鹵素?zé)魹闇p少鎢絲蒸發(fā)率以增加其壽命及工作溫度，在燈泡中添加鹵素氣體做成的鎢絲鹵素?zé)?Tungsten Halogen Lamp)

5、也頗為流行。鎢絲鹵素?zé)舻脑硎窃诨瘜W(xué)反應(yīng)時(shí)，鎢產(chǎn)生鹵化物從高溫?zé)艚z擴(kuò)散到冷玻璃 殼壁上，由于這是一個(gè)可逆反應(yīng)，所以同時(shí)鎢的鹵化物分解成鎢而反方向擴(kuò)散在鎢絲上，結(jié)果鎢絲的分量 沒有改變，因此溫度可以高達(dá)3450K。一般鎢絲鹵素?zé)艟诟邷毓ぷ?，燈泡也較小，用的是比較硬的玻璃 殼，其壽命比鎢絲白熾燈要高兩倍。以上介紹的兩種燈均是熱輻射發(fā)光，下面將介紹氣體放電發(fā)光。3、日光燈當(dāng)高壓電通過氣體時(shí)，氣體會(huì)分離而離子化，產(chǎn)生由電子、離子及中性粒子等組成的等離子(Plasma) 氣體，限制電流使其不致產(chǎn)生雪崩(Avalanche)而逐漸穩(wěn)定。一般日光燈用低壓放電可以產(chǎn)生11000-13000K 的高溫，目前日

6、光燈可用的材料有汞即水銀和鈉，但是鈉燈光是黃色多用在街道上，而汞燈則釋放紫外線 (UV： Ultraviolet)故多用于一般日光燈，燈管涂上熒光粉(Phosphor)以產(chǎn)生白光。日光燈的熒光粉可以由UV激發(fā)產(chǎn)生白光，鹵化磷酸鹽(Halophosphate)Ca5(PO4)3(CL3F)：(Sb3+，Mn2+) 是最早使用的熒光粉，其中銻(Sb)的作用是增感(Sensitizer)及發(fā)光中心(Activator)，銻受UV激發(fā)產(chǎn)生 近480nm寬帶，而錳(Mn)則產(chǎn)生580nm寬帶，其光譜如圖2(a)所示，改變Sb及Mn的摻雜量可以得到 不同的色溫(Color Temperature)2700

7、6500K，但是因?yàn)槿鄙偌t光，所以其演色性值R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+，但是其發(fā)光 效率較差。在1970年，三色熒光粉研發(fā)成功，得到如圖2(b)所示的光譜，其中有600nm、550nm及450nm 波長的波峰。三色熒光粉中的紅色多用Y2O3: Eu2+ ；綠色用CeMgALO12： Tb3+，LaPO4： Ce3+，Tb3+及 CeMgB O n： Ce3+； Tb3+ ；藍(lán)色則用 BaMgAL: Eu2+及 S匚 Ba Ca (PO,)CL： Eu2+。用稀土族 Eu、Tb5

8、 10216 375-x-y x y 4 3等材料可以得到高量子效率，但稀土族元素較昂貴。用三色熒光粉Ra值可達(dá)8085。若要得到Ra90，則 需要具有如圖2 (c)所示寬帶光譜的五種熒光粉，包括鹵化磷酸鹽、三色熒光粉以及寬帶紅色(620nm) Mn2+活性化的五硼(Pentaborate)酸鹽等材料。目前日光燈正朝著小管徑緊湊型發(fā)展，這種燈被稱為緊湊型熒光燈(CFL： Compact Fluorescent Lamp)， 小直徑(1016mm)管可以直接用在燈座上，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)28%，比100W白熾燈要高四倍。這種燈因?yàn)?省電、壽命長，并可與普通燈互換，已逐漸被普遍采用。日光燈比白熾燈效率高

9、、壽命長并且可選擇光色，是室內(nèi)照明光源中發(fā)展最快的光源，目前發(fā)光效率可 達(dá)100lm/W，壽命可達(dá)24000h，Ra值大于83。日光燈的最大缺點(diǎn)是光輸出與溫度有關(guān)，在室溫下具有最 高輸出功率，增加或減少溫度均會(huì)使光輸出功率減少，其他缺點(diǎn)是演色性不夠高、受無線電波長影響較大 以及有噪聲，同時(shí)因?yàn)楹瘜?duì)環(huán)境有影響，但是已在公共場(chǎng)所被大量使用。4、低壓鈉燈低壓鈉燈(Low Pressure Sodium Lamp)用鈉代替汞可得到含有589nm及589.6nm (D線)的黃光，但 鈉熔點(diǎn)比汞高，也比汞活潑，要用抗鈉玻璃。因?yàn)镈線的發(fā)光效率約為530lm/W，所以低壓鈉燈的發(fā)光效 率可達(dá)100200l

10、m/W，只是其演色性很低，Ra=-44，另外要長時(shí)間才能暖起來，所以大部分應(yīng)用在街道及 公路上。5、高壓汞燈高壓汞(HPMV： High Pressure Mercury Vapor)燈在 210 atm(1 atm=1.01325x105 Pa)下工作，光譜移 到寬的長波長波段(405nm、436nm、546nm及578nm)，如圖3(a)所示，主要是藍(lán)綠光，所以演色性低， Ra約為16，因?yàn)槿鄙偌t光，為了使Ra值提高到50，管內(nèi)涂上一層熒光粉，一般用YV： Eu或Y(P，V， B)04： Eu經(jīng)UV光激發(fā)后變成紅光，如圖3(b)所示。高壓汞燈的一半功率變成熱，所以效率不高，但是 溫度穩(wěn)定性

11、極佳，一般壽命約800010000h，大部分應(yīng)用在道路照明及商用建筑的照明。6、高壓鈉燈高壓鈉燈主要是D線，如圖3(c)所示，可以產(chǎn)生501000W功率，發(fā)光效率60120lm/W，壽命可達(dá)24000h， 演色性較差，Ra約為2025，不適合用于室內(nèi)照明。增加壓力可以增加演色性，但會(huì)減少發(fā)光效率。最高 演色性Ra可達(dá)85，色溫2500K，但發(fā)光效率只有58lm/W。7、金屬鹵化物燈金屬鹵化物(MH： Metal Halide)燈是在高壓汞燈中加入了其他金屬，這樣可以改進(jìn)發(fā)光效率及演色性。 金屬鹵化物的特性與鎢絲鹵化物相同。金屬鹵化物分解產(chǎn)生金屬原子輻射出光，而當(dāng)金屬擴(kuò)散至燈管的冷 區(qū)時(shí)，又與鹵

12、化物合成金屬鹵化物。一般壓力在10100Torr(1Torr=1.333 22x102 Pa)，雖然其壓力比汞燈的 120atm要小，但是其他金屬產(chǎn)生一部分而其激發(fā)能量(約為4eV)比汞(約為7.8eV)要低，一般使用 Na、Sc、Ta、In、Ce及稀土族碘化物，在連續(xù)光譜時(shí)使用Sn及Sn-Na鹵化物、碘化物加硼化物及氯化物。 圖3(d)示出了金屬鹵化物加上稀土族(Dy/Ho/Tm)-Na-Tl后所得的光譜。MH燈與HPMV燈結(jié)構(gòu)相似，功率可以達(dá)到20018000W，發(fā)光效率70110lm/W，色溫30008000K,Ra為6095，壽命200030000h，可以用于辦公室、超級(jí)市場(chǎng)、大型店以

13、及工業(yè)照明，也可以用在室外照 明。目前金屬鹵化物燈仍處在技術(shù)成長階段，新技術(shù)仍在發(fā)展中，尤其是投影用金屬鹵化燈正向高演色性、 高發(fā)光效率、高色溫、小型化、超高亮度及長壽命方向發(fā)展，逐漸取代高壓汞燈及鎢絲鹵素?zé)簟Ｄ壳癏ID(High Intensity Discharge)燈包括高壓汞燈、高壓鈉燈及金屬鹵化物燈，其中以金屬鹵化燈最具 市場(chǎng)潛力及前瞻性。A.Zukaskus等人比較了各種照明光源的特性，其結(jié)果列在表1中，以供參考。表2比較了白熾燈、日光 燈、金屬鹵化燈與發(fā)光二極管等光源的功率轉(zhuǎn)換效率，由表可知白熾燈有極高的紅外線損失，金屬鹵化燈 的可見光轉(zhuǎn)換效率最高，而LED雖無紅外線的損失，但是

14、有很多功率轉(zhuǎn)變成熱。璉I 比較各種曲明光2的特性釜里-:功率-0世通址t平制心心效率崖C7(CCT)/K硬用壽寄/h1 Mini + h wzs60瞄U- i10027S01000禮1由炒 1 苛 i#r（i20v）5Q59。11. 8100Z7&0zono2一:色英延粉門光燈322850C271&)84景(4100124做lL fi15900 口物59(2700110 OD03. 9此垢鈉外90fll Oftfi)12344睥m16 000I.s25011麗ca ino)345。(3900)趴NO3,8高屋鈉燈25028 00010$22諾1礎(chǔ)&4 WOI. 3命同閡化物燈40036 ooa654JQ0.)20 WO2曹莊燈5535tK (2ftD0)翱tafloo)100 1002諼波波化物燈1435135 000957。(570010 000?詞|自鳧.出知小g等人的*作12 不同浦明光源的功率轉(zhuǎn)換效率籀人功率轉(zhuǎn)換為：發(fā)光二撒管白貌燈日光燈金同由化物燈可見光割射能統(tǒng)1朔1泌!23%g冗外我射能城0%90%3鍬7%景斗物射能M0%砌0%19%第射能枇段和E%技湘59%53%然能舞70%5%37%總和100100%W0%100%、：引白Ferfiijjson 的|文）總之，照明光源已