照明技术的变迁

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 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750~1000h，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11000~13000K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(Halophosphate)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）2700~6500K，但是因为缺少红光，所以其演色性值R_a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⁺，但是其发光效率较差。在1970年，三色荧光粉研发成功，得到如图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Sr_5-x-yBa_xCa_y(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R_a值可达80~85。若要得到R_agt;90，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。

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（10~16mm）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，R_a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100~200lm/W，只是其演色性很低，R_a=-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2~10 atm（1 atm=1.01325×10⁵ Pa）下工作，光谱移到宽的长波长波段（405nm、436nm、546nm及578nm），如图3(a)所示，主要是蓝绿光，所以演色性低，R_a约为16，因为缺少红光，为了使R_a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8000~10000h，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50~1000W功率，发光效率60~120lm/W，寿命可达24000h，演色性较差，R_a约为20~25，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R_a可达85，色温2500K，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10~100Torr(1Torr=1.33322×10² Pa)，虽然其压力比汞灯的1~20atm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200~18000W，发光效率70~110lm/W，色温3000~8000K，R_a为60~95，寿命2000~30000h，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.Zukaskus 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2500~3000K，而日光灯及白光LED的色温均可达3000~10000K。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、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。