照明技術(shù)的變遷

    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 Lamp）、金屬鹵素?zé)簦∕etal 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AlInGaP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 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?yàn)榘谉霟魞r(jià)廉，所以被大量應(yīng)用在住宅。

2、  鎢絲鹵素?zé)?/P>

    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?zé)簦═ungsten Halogen Lamp）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。{{分頁}}

　　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）2700~6500K，但是因?yàn)槿鄙偌t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(xiàn))(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(lán)色則用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，但稀土族元素較昂貴。用三色熒光粉R_a值可達(dá)80~85。若要得到R_a>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(zhuǎn)換效率可達(dá)28%，比100W白熾燈要高四倍。這種燈因?yàn)槭‰?、壽命長，并可與普通燈互換，已逐漸被普遍采用。{{分頁}}

    日光燈比白熾燈效率高、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，R_a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Νh(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(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)100~200lm/W，只是其演色性很低，R_a=-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2~10 atm（1 atm=1.01325