照明技術的變遷

人類在大約50萬年前就以燃燒樹木產生的火焰及光作為光源使用,這就是最早的光源。隨著人類文明的進步，之后燒植物油及礦物油來產生光。1876年愛迪生發(fā)明了白熾燈(Incandescent Lamp)，它以碳棒作為燈絲，是照明技術的巨大改進，1938年發(fā)明的日光燈（或稱為熒光燈，Fluorescent Lamp）可以減少熱的損失，節(jié)省能源的消耗，這又是一大進步，后來緊湊型日光燈(Compact Florescent Lamp)的開發(fā)使其應用更為普遍，同時高壓氣體放電（HID：High Intensity Discharge）燈如水銀燈（Mercury Lamp）、金屬鹵素燈（Metal Halide Lamp）及鈉燈（Sodium Lamp）等的發(fā)明可在室外實現照明，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域節(jié)省一半的能源，則會對人類的節(jié)約能源作出巨大的貢獻。

采用半導體材料(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AlInGaP材料做成，但直到數年前，用AlGaInN材料成功制成藍光LED，這才使白光LED的夢終成現實。用半導體材料制作白光LED被稱為固體照明（Solid State 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），因為鎢有高熔點（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，并充入不起反應的惰性氣體，例如氬氣（Ar）及少數氮氣(Nitrogen)，而40W以下的白熾燈則多數是抽真空。因為白熾燈的大部分輻射光是紅外線，所以120V白熾燈的照明效率在2400K時約為81m/W，一般100W白熾燈只有7%的電功率轉變?yōu)榭梢姽?。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750~1000h，但是因為白熾燈價廉，所以被大量應用在住宅。



2、 鎢絲鹵素燈

為減少鎢絲蒸發(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燈（Tungsten Halogen Lamp）也頗為流行。鎢絲鹵素燈的原理是在化學反應時，鎢產生鹵化物從高溫燈絲擴散到冷玻璃殼壁上，由于這是一個可逆反應，所以同時鎢的鹵化物分解成鎢而反方向擴散在鎢絲上，結果鎢絲的分量沒有改變，因此溫度可以高達3450K。一般鎢絲鹵素燈均在高溫工作，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

當高壓電通過氣體時，氣體會分離而離子化，產生由電子、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生雪崩（Avalanche）而逐漸穩(wěn)定。一般日光燈用低壓放電可以產生11000~13000K的高溫，目前日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）以產生白光。

日光燈的熒光粉可以由UV激發(fā)產生白光，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)產生近480nm寬帶，而錳（Mn）則產生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）2700~6500K，但是因為缺少紅光，所以其演色性值Ra只有50~76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CeMgAL11O12：Tb3+，LaPO4：Ce3+，Tb3+及CeMgB5O10：Ce3+；Tb3+；藍色則用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，但稀土族元素較昂貴。用三色熒光粉Ra值可達80~85。若要得到Ra>90，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（10~16mm）管可以直接用在燈座上，轉換效率可達28%，比100W白熾燈要高四倍。這種燈因為省電、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、壽命長并且可選擇光色，是室內照明光源中發(fā)展最快的光源，目前發(fā)光效率可達100lm/W，壽命可達24000h，Ra值大于83。日光燈的最大缺點是光輸出與溫度有關，在室溫下具有最高輸出功率，增加或減少溫度均會使光輸出功率減少，其他缺點是演色性不夠高、受無線電波長影響較大以及有噪聲，同時因為含汞對環(huán)境有影響，但是已在公共場所被大量使用。

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，但鈉熔點比汞高，也比汞活潑，要用抗鈉玻璃。因為D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100~200lm/W，只是其演色性很低，Ra=-44，另外要長時間才能暖起來，所以大部分應用在街道及公路上。

5、 高壓汞燈

高壓汞（HPMV：High Pressure Mercury Vapor）燈在2~10 atm（1 atm=1.01325×105 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，主要是藍綠光，所以演色性低，Ra約為16，因為缺少紅光，為了使Ra值提高到50，管內涂上一層熒光粉，一般用YV：Eu或Y（P，V，B）O4：Eu經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)定性極佳，一般壽命約8000~10000h，大部分應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，可以產生50~1000W功率，發(fā)光效率60~120lm/W，壽命可達24000h，演色性較差，Ra約為20~25，不適合用于室內照明。增加壓力可以增加演色性，但會減少發(fā)光效率。最高演色性Ra可達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。金屬鹵化物分解產生金屬原子輻射出光，而當金屬擴散至燈管的冷區(qū)時，又與鹵化物合成金屬鹵化物。一般壓力在10~100Torr(1Torr=1.33322×102 Pa)，雖然其壓力比汞燈的1~20atm要小，但是其他金屬產生一部分而其激發(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燈結構相似，功率可以達到200~18000W，發(fā)光效率70~110lm/W，色溫3000~8000K，Ra為60~95，壽命2000~30000h，可以用于辦公室、超級市場、大型店以及工業(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成長階段，新技術仍在發(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燈。

目前HID(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潛力及前瞻性。

A.Zukaskus 等人比較了各種照明光源的特性，其結果列在表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換效率最高，而LED雖無紅外線的損失，但是有很多功率轉變成熱。





總之，照明光源已逐漸由白熾燈發(fā)展為日光燈，而未來的希望則是白光LED。白熾燈的色溫在2500~3000K，而日光燈及白光LED的色溫均可達3000~10000K。白熾燈是熱發(fā)光，日光燈是氣體發(fā)光，而白光LED是冷發(fā)光。白熾燈的壽命只有1000h，日光燈可達10000h，白光LED則可達100000h。白熾燈的反應時間慢，約為100ms，而且耗電、易碎；而日光燈反應較快但是含有汞會產生污染且易碎；白光LED則省電，固體元件特性強，耐震動、反應時間極快，只是價格高，技術尚未成熟。