光源的发展史

光源的发展史光源的发展史 一 概论 光源的发展史 照明的最佳光源是太阳光 太阳以可见的光谱提供光线 千百年来 人们的眼睛 已经熟悉了这种光谱 现在人类已经开始重视对日光源的应用 一些创新的技术 如侧窗 天窗 光栅板和光线管道等 可将日光引入大楼内部 作为主要的照明 光源 人工光源分物理光源与电光源 物理光源主要是从人工取火开始 人工取火是一件意义十分重大的发明 恩格斯 说 就世界性的解放作用而言 摩擦生火还是超过了蒸汽机 因为摩擦生火第 一次使人支配了一种自然力 从而最终把人同动物界分开 马恩选集 第3卷 154页 从这儿可以看出照明对人类的文明的意义有多么重大 钻木取火是最古老的取火方法 据说是在上古时期 西方荒远的地方有一个遂明 国 终年暗无天日 唯一靠一棵大树闪闪发光照明全国 后来一个聪明的人发现 是一些形状象鹗的长脚爪 黑脊背 白肚子的大鸟在啄树干 一啄的顷间便放射 出灿烂的火光 这人反复思绪 就用树支试钻 不一会就发热冒烟而后起火 从 此 真正的火就产生了 遂明国也变成了光明的国度 人们为了感谢这位钻木取 火的发明者 就称他为 燧人 标准白炽灯 1879年 爱迪生最先成功发明的是白炽灯 现代的白炽灯是将电流通过一小圈钨 丝 使钨丝受热而发亮 白炽灯是照明领域最成功的产品 目前在几乎所有家用 照明应用中占主导地位 然而由于白炽灯只能将约二十分之一的电能转化为光能 它的效率很低 托马斯爱迪生为了设计这种新发明以替代旧有的煤没灯以及汽灯 他和他的同事 们试用了上千种不同质料的灯丝 同时也把原设计做了上千次的个性在1879年的 一次实验中 他们终于获得了成功 他们在一个抽掉了空气的灯光中放入一段碳 化的棉线做灯丝 结蛤洒泡连续发光13小后灯丝才被烧断 现代灯泡使用的是更 为耐久的用钨做的灯 压缩荧光灯的寿命是标准白炽灯的10倍 而且发出同样的亮度所需的能量只是白 炽灯的四分之一 现在的荧光灯也不再是无法安进一般灯座的笨重家伙了 它们 有各种形状 短管 环状 圈状和螺旋状等 且能和大多数灯座配合 荧光灯发光的基本原理 灯丝导电加热 阴极发射出电子 与 灯管内充装的 惰性气体碰撞而电离 汞液化为汞蒸气 在电子撞击和两端电场作用下 汞离子大量电离 正负离子运 动形成气体放电 即弧光放电 同时释放出能量并产生紫外线 玻璃管内壁上的 荧光粉吸收紫外线的能量后 被激发而放出可见光 故荧光灯全称为 低压汞 水银 蒸气荧光放电灯 属于气体放电灯的一种 LED 半导体照明 LED 是英文 light emitting diode 发光二极管 的缩写 它的基本结构是一块 电致发光的半导体材料 置于一个有引线的架子上 然后四周用环氧树脂密封 起到保护内部芯线的作用 所以 LED 的抗震性能好 发光二极管的核心部分是由 p 型半导体和 n 型半导体组成的晶片 在 p 型半导体 和 n 型半导体之间有一个过渡层 称为 p n 结 在某些半导体材料的 PN 结中 注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来 从 而把电能直接转换为光能 PN 结加反向电压 少数载流子难以注入 故不发光 这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管 通称 LED 当它处 于正向工作状态时 即两端加上正向电压 电流从 LED 阳极流向阴极时 半导 体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线 光的强弱与电流有关 人类社会自钻木取火以来 经历了制造和使用动物油灯 植物油灯 煤油灯到白 炽灯 日光灯 LED 的漫长历史过程 可谓 一步一个脚印 照明灯具是一种 历史 是一种独特的文化 她蕴含人类的文明发展史 凝聚着人类深厚的文化积 淀和文化底蕴 照明大事记 1879 爱迪生发明电灯 1959 卤素灯问世 1961 高压钠灯问世 1962 金属卤化物灯 1969 第一盏 LED 灯 红色 1976 绿色 LED 灯 1983 荧光灯问世 1993 蓝色 LED 灯 1999 白色 LED 灯 2000 LED 应用于室内照明 灯具的发展史 远古时代 世人没有灯具 没有火种 而黑夜从来不是人类的朋友 它桎梏着先 民们原本低级的生存活动 也为野兽的肆虐和侵袭制造了可乘之机 这一切 因火的使用而发生了翻天覆地的革命 火 结束了 茹毛饮血 的时代 驱散了 虫豸和野兽 也消减着人们内心深处的恐惧和忧患 同时 人类渐渐地有意识地 固定火源 而这些用来固定火源的辅助设备经过不断改进和演变 也就出现了专 用照明的物事 灯具 人类社会自钻木取火以来 经历了制造和使用动物油灯 植物油灯 煤油灯到白 炽灯 日光灯的漫长历史过程 灯具所要完成的工作是将光源发出的光线经灯具控光器件后按预定的要求分配到 需要的方向中去 一般控光方式后有反射式 透射式和反射 透射式 现代灯 具的三大构件为电光源 灯罩和管架 灯罩的作用是十分明显的 它不仅能够提 高光量的利用率 保护光源和视力 而且作为一种装饰品 创造着现代高度的审 美情趣 灯具造型追求艺术性与科学性的有机结合 灯具造型除了功能合理外 还应有 美化环境 装饰建筑 创造气氛的作用 灯具造型设计既要彩现代科学技术成 果 还要体现文化特色 要把科学性和艺术性有机地结合起来 而不能片面追 求科学性 功能性 或艺术性 特别是当今流行的 建筑化 照明 把发光器件 光源 和建筑构件 顶棚 梁 柱墙和 地面等 及室内设施 写字台 家具 吊扇等 融为一体 有仅使 用权照明灯具的内涵不断深化与扩展 而且形式多种多样 让人耳目一新 照明灯具的设计技术水平正不断提高 灯具设计软件 即 CAD 将逐步推广并普及 化 在理论上 应用场论来设计灯具的 L S X O 方程可望求解 按场论概念 分析 灯具改变光源的光分布 用 S 表示光源的光场 O 为灯具光学系统的 光场 L 为灯具的光分布的光场 未来灯具的 光学设计 热学设计 安全设计 机械与工艺设计的科学化程 度将大大提高 可用正行或逆行光路法和 FIELD 法计算配光技术 温度场分布 热流模型和气流分布等研究成果及技术 特别是灯具系统化设计的理论和技术 将得到推广和应用 当今的灯具不仅要有最 佳的内在质量 而且还要简洁 明快 美观大方和 安全经济 以满足人们生活 生产和文化娱乐的要求 为人们提供一个最佳的 视觉光照环境 以往室内照明灯具的艺术化实例甚多 并给人美的享受和留下了深刻的印 象 而工厂和道路照明功能性很强的灯具 近年来也悄悄地发生变化 国际上 近年来推出的艺术路灯和工矿灯 不仅功能合理 而且具有很高艺术观赏价值 二 基本知识介绍 光是一种电磁辐射 可见光组成了所谓电磁光谱的一部分 电磁光谱存在于收音机和电视信号中 包括红外和紫外辐射 x 射线 核辐射和宇宙辐射 在这些电磁辐射中 只有光 波是动物和人眼可见的 该光谱也包括标准的50赫兹交流电 波长6000千米 和波长380 780纳米 10 9米 的可见光部分 不同的波长给人眼造成不同的颜色感觉 从红 橙 黄 绿 蓝 靛 即蓝紫 到紫 电磁辐射谱 光的传播 当光线到达一表面 其中一部分被反射 一部分被吸收 还有一部分透射过去 反射面可以像镜子一样光滑 或者像涂漆的表面一样将入射光散射 吸收光通常 被转化成热量 没有被反射或吸收的部分则透过表面 光源与灯具的光学设计应用以上光线传播的方式来创造想要得到的效果 反射 吸收和透射 人眼 人眼大致是一个直径25毫米的球体 眼睛的定位肌使其可在任何方向上转动 浅显地说 眼睛就像装有透镜的照相机 它将远处物体的缩小的倒像透射到感光 后表面 称为视网膜 从上面看的右眼截面 在可见范围之内 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 明视觉 眼睛对550nm 波长的光 黄光 的敏感程度是红光或蓝光的 20倍 在低照明水平下 暗视觉 敏感度的峰值下降为50nm 接近于光谱的蓝光 一端 明视觉 V lamda 和暗示觉 V lamda 的标准光谱人眼敏感度曲线 根据国际照 明协会标准 人眼功能与照明标准之间的关系 最终 在光照下舒适工作的要求依赖于以下几点 照明等级 视场内的亮度分布 避免眩光 光在空间内的分布 光色和显色 光学度量的几个基本量 对比度 c 在视觉区域中 亮度对比度可以用相对亮度的差值表示为 K LH LD LH 其中亮度对比的两部分面积大小有所不同 LH 表示诸如被照物体等很小区域的亮度 LD 表示诸如背景等较大面积表面的亮度 光强光强 Iv I 光源在给定方向上的单位立体角中发射的光通量 单位 坎德拉 cd 注 1 灯具的光强通常由光强曲线或者等光强曲线给出 光通量 v 光源每秒钟发出的光的总量 单位 流明 lumen lm 光效 某一光源发出的光通量与其消耗功率的比值 单位 流明 瓦 黑体 普朗克辐射体 对于不同波长 入射方向或偏振的所有入射光线均完全吸收的热辐射体 亮度 L 光源在某一方向上的亮度是光源在该方向上的单位投影面积 单位立体角中发射 的光通量 单位 cd m2 流明 光通量的单位 等于光强为1cd 的均匀光源射入单位立体角中的光通量 平均寿命 h 在质量受控的情况下 点燃批量灯泡 其完好率为50 的小时数为平均寿命 色温 CCT 以绝对温度 K Kelvin 来表示 乃是将一标准黑体加热 温度升高至某一程度时 的颜色 开始由红 浅红 橙黄 白色 蓝白 蓝 逐渐变化 利用这种光色变 化的特性 某光源的光色与黑体在某一温度下呈现的光色相同时 我们将黑体当 时的绝对温度为称为该光源的相关色温 待测灯与黑体的辐射具有相同的色度值时 该黑体所具有的温度 单位 开尔文 K 显色指数 Ra 表征在特定条件下 经某光源照射的物体所产生的心理感官颜色与该物体在标准 光源照射下的心理颜色相符合的程度的参数 眩光 由于亮度分布或范围的不合理分配或空间或时间上的强烈反差 而引起的不舒适 视觉条件或观察能力的下降 眩光的控制 由特定的灯具系数 SLI 决定的灯具属性 以描述眩光控制的等级 灯具被分 为有限控制 适度控制或紧密控制三类 照度 E 照射到表面一点处的面元上的光通量除以该面元的面积 单位 lux lx 勒克斯 注 被照表面的方向需注明 如 表面方向为水平或垂直时 可以分别得到水平照度 或垂直照度 举例 1 7200手电在2米距离 照度是300lux 2 7300手电在2米距离 照度是40lux 对于不同的工作场所 国际照明委员会 CIE 给出了推荐照度值 比如 钢铁工业 1 全自动生产车间 50lux 2 半自动生产车间 200lux 3 人工操作生产车间 300lux 4 控制台 产品检验 500lux 化工 塑料 橡胶工业 1 自动处理 150lux 2 一般的室内工作间 300lux 照明 对屏幕 物体 及其周围环境进行照射 使之可见的过程 光线与视觉 视觉并不是瞬息即逝的过程 它是多步编码与分析的最终产物 这些编码和分析 的过程综合起来给出了环境亮度和色度变化图样的含意 照明设计者们正是利用 这些过程的知识有效的控制光的环境 光线与颜色 对于光和色的关系 牛顿的著作 光学 作了论述 光线是没有颜色的 不过 光线具有能产生色感的性质 牛顿还研究过表面颜色的性质 他说 物体的颜 色不是别的 正是反射某种光线的能力显著的多于其他光线的能力 1860年 麦克斯韦在以不同量的红 蓝 绿色光调配出各种不同波长光谱的颜色 提出了三色混合定律 人们知道 由于具备与光的3种基色 红 绿 蓝 相对 应的3种锥体 因此就能产生色感 作者 大海阿武 发布时间 2004 3 29 11 46 26 配光曲线 配光曲线的单位是 cd k lm 配光曲线是光源或者灯具的本身特性 距高比 距高比 即 L H 值 第四代光源第四代光源 白色白色 LED 作者 叶钟灵 时间 2007 02 03 来源 电子产品世界 浏览评论 推荐给好友 我有问题 个性 化定制 关键词 0701 A 白色 LED 消费电子 杂志 市场纵横 发光二极管 LED 消费电子 人类历史上使用的照明光源 第一代是油灯 蜡烛 第二代是爱迪生发明的 白炽灯 第三代是荧光灯 现在人们充满期待的是第四代光源 LED 白色 LED 这是利用化合物制作而成的世纪固体新光源 自从1962年 GE 公司的 Nick Holonyak Jr 首先开发出第一个实用可见光 LED GaAsP 后 上世纪60年代开发出了红色和绿色的LED 70年代黄色 90年代绿色LED相继登场 出现了绿色LED 再加上黄色荧光材料 从而组 合成了LED 白色LED 这样 LED也从传统的显示应用 迈向了极具市场潜 力的照明领域 取代白炽灯和荧光灯 LED 白色LED具有低功耗 长寿命 响应速度快等特性 应用日广 市场渐大是必然的趋势 市场市场 在圆片上形成的LED器件是不会发光的 必须要加以封装组成炮弹式样后才 能发光 因此市场常由封装和LED两部分组成 据统计 2005年世界封装 产值比上年增长了11 4 达67亿美元 日本是最大的生产国 独占世界 市场的46 中国台湾次之 占17 预计到2008年 世界LED封装市场 将增长到91亿美元 年均增长率10 9 表1 图1 白光LED市场需求量 又据统计预测 2005年世界白光LED的需求约为45亿个 到2008年将增长 到约98亿个 翻了一番还多 年均增长率接近30 可见市场潜力之巨大 其中最大的应用产品是移动电话 2005年占市场的68 由于手机市场已 趋向饱和 增长缓慢 2008年虽仍占有老大地位 但市场份额则将下降到 40 增长较快的是汽车和照明 2008年将分别从10 提高到22 和2 到 15 2008年 LCD TV 和 PC 用LED将分别增长到7 和6 据日本野村综合研究所调研 由于移动电话在经济发达国家的需求已过一轮 今后增长势必趋缓 并且所用白光LED价格江河日下 影响到白光LED以销 售计的市场增长大不如销售量市场 但预计2005 2010年仍会有10 的 年均增长率 图2 将从17 4亿美元 1美元 112日元 提高到28 4亿美元 增长的驱动力来自大尺寸 LCD 屏和车载设备所需的白光LED背光源 图2 世界白光LED市场的发展趋势 白光LED生产主要掌控在日本公司之手 占有整个市场72 的份额 其中日 亚化学公司独占41 2 Citizen 公司占17 8 OSRAM OPTO 公司 13 7 丰田合成公司12 9 由于看好市场 通过科研开发和生产合作 也有不少欧美公司包括 Fairchild Agilent 以及韩台地区公司参与进去 竞 争加剧 不但日亚化的比重会缩小 而且通过各种整合 出现一些新兴制造 公司 应用应用 白光LED近1 2年主要应用于移动电话 数码相机 数字摄像机和便携游戏 机等4类产品的 LCD 背光源 据2004年的统计 应用程度都很高 便携电 话占69 数码相机67 数字摄像机80 便携游戏机更高达100 高端数码相机和数字摄像机的取景器和图像重放显示器都需要高品质的图像 因而要用白光LED作背光源 其次 汽车需要多种多样的照明 白光LED作为取代产品将逐渐渗入这一市 场 首先是车内面板和车内灯的应用 现在的应用率虽还不过 12 24 但预计到2008年可提高到67 车内面板估计目前平均约 用18个LED 2008年可望增加到25个 顺便说一句 移动电话现在使用 3 4个 加上键盘和照相机闪光灯共6个 2008年可望增加到7 8个 汽车的应用今后要考虑的有雾灯 转弯用灯 弱光灯和强光灯等 汽车应用 有特殊的要求 包括高可靠 长寿命 10年以上 等 就白光LED本身讲也需 要在亮度 光通量 发光效率 发热对策等方面作进一步改进 特别是车前 灯 目前使用的卤素灯发光效率为17 20lm w 光通量1500lm 左右 寿 命300 500小时 目前LED还做不到 今年才有望开始用于个别车型上 据预测 世界轿车用LED可望从2005年的50亿个增长到2010年的60亿个 图3 又据传 车前灯使用白光LED的汽车2008年或可达一成 图3 世界轿车用LED市场 再次是作为 PC 和电视的 LCD 屏背