照明概论重点.docx

第一章：
50万年前，第一个人工照明源——火把
大约7万年前，第一个照明器件—灯芯的诞生：它的出现大大改善了以热发光为基础的照明效率。灯芯和蜡芯成为油灯和蜡烛的关键部分。
公元前1000年，蜡烛的出现（一些资料显示蜡烛是古罗马时代（公元前1－6世纪）出现的）
1772年，煤气灯的出现，它是苏格兰发明家墨多克发明的。
煤气灯的缺点：火焰闪烁不定，在熄灭时产生有害气体。另外，在最初时这种灯很不安全，在室内用容易发生危险，因此只当做路灯用。
18世纪末，油灯的第一个重要改进，这标志了近代照明装置工程的开端。
这个里程碑归功于日内瓦的阿格兰（Ami Agrand），他设计了具有两个同心管中的管状灯芯，火焰周围有一个玻璃灯罩的灯由于改善了对火焰的空气供应使燃烧效率提高，光强提高了10倍。此外，这种灯还能调节灯芯上下。这个设计是以拉瓦锡发现“燃烧是由于空气中存在氧”为基础进行的这种灯曾向英王乔治三世演示，在1784年阿格兰获得一项英国专利.
1850年出现的煤油灯成为广泛使用的照明装置
火把、蜡烛、油灯、煤油灯、煤气灯这些照明工具，都没有离开火，都是靠物质燃烧发出的光来照明的。
19世纪初，电照明的原理被发现 戴维爵士
1879年，爱迪生发明了碳丝灯，它是一种以碳丝作为灯丝制成的白炽灯；19世纪末，碳丝灯是户内最常用的照明装置。其缺点：碳使灯泡变黑，工作的温度不高等
1900年，休伊特（Peter Cooper　Ｈewitt）获得汞蒸气灯的专利。缺点：这种灯启动时需要机械的倾斜，只发射蓝绿色光，色彩发生畸变。优点：发光效率比碳丝灯高得多；
1907年，美国制成第一盏钨丝灯，其所用钨丝是经维也纳的A.Just(贾斯特)和F.Hanaman（哈纳曼）用挤压法制成的（1903年，A.Just(贾斯特) 和F.Hanaman（哈纳曼） 获得了钨丝的专利），但由贾斯特(Just)和哈纳曼(Hannaman)制订的抽丝工艺抽制成的钨丝还不耐用和太细软,光热效应也差。
1936年第一盏荧光灯管问世。管子内壁涂有一层能发出荧光的物质,管内充以水银蒸汽,当电流通过管子时发出荧光,这就是后来各种无灯丝灯泡和荧光灯的雏形。它能发出至少5倍于白炽灯亮度的光,寿命也是白炽灯寿命的15倍。到70年代产荧光灯10亿支,占世界人造光源的80%。
1938年，美国通用电子公司的伊曼发明了节电的荧光灯（日光灯）；
1957年凯莱斯(M.Cayless)研制出一种能发出黄白光的新型重要光源——高压钠灯以及其它一些将用于街道、车间、工厂、和浴池照明的光源。
20世纪90年代，半导体照明时代的初期，居室照明主要是钨丝白炽灯
1826年，朱蒙德（Thomas Drummond）发明了第一个固体照明装置——灰光灯。
基于1820年戈尼（Goldsworthy Gurney）发现了一种新效应——非高温发光（非高温发光是离子热激发引起的超出黑体辐射的发射）
1876年，雅布洛奇科夫（Paval Yablochkov）发明了一个实用的电照明装置—雅布洛奇科夫烛
电弧灯的缺点：由于燃烧时发出嘶嘶声而且光亮过于耀眼，不宜用于室内.
白炽灯
基于真空或惰性气体中的灯丝通过电流加热到白炽状态，引起热辐射发光现象。
优点：结构简单、价格低廉、使用方便、能调节亮度、显色性好；
缺点：发光效率较低、使用寿命较短（一般在750～1000h ）、发热大。
卤钨灯
为减少白炽灯钨丝的蒸发率增加其使用寿命及工作温度，在灯泡中添加含有部分卤素或卤化物的气体
优点一般说来其寿命在同样效率下卤钨灯的寿命至少是白炽灯的2倍，或者在同样寿命下有较高的效率。而且只需小的多的额定功率，卤钨灯就能有效地发射高色温的光。
缺点：长的加热和冷却时间（大约1s），这一缺点阻碍了卤钨灯用于各类信号灯。另外，这种灯也不能调暗，因为降低温度会终止卤素循环。
低压钠灯
优点：发光率比白炽灯高10倍以上，能穿透烟雾，适宜在烟雾较多的场所做照明用，特别适合于高速公路、交通道路、市政道路、公圆、庭院照明，能使人清晰地看到色差比较小的物体。
缺点：显色性极差，另一个是长的预热时间，这些缺点使钠灯仅适用于街道照明和安全照明。

荧光灯
工作原理：
灯内包含有低气压的汞蒸气和少量的惰性气体,灯管的内表面涂有荧光粉层,灯内的低气压汞蒸气放电将60%左右的输入电能转变成波长为253.7nm的紫外辐射,荧光粉能有效地将这一紫外辐射转变成可见光。其优点：使用寿命比白炽灯长；缺点：含汞，对环境有影响。
分类: 包括普通日光灯和紧凑型荧光灯。
普通荧光灯 优点：发光效率比白炽灯高得多，使用寿命方面也 优于白炽灯；缺点：荧光灯的显色性较差（光谱是断续的） 特别是它的频闪效应，容易使人眼产生错觉，应采取措施消除频闪效应。另外，荧光灯需要启辉器和镇流器，使用比较复杂
)紧凑型荧光灯 发光原理与普通荧光灯相同，不同之处就是启辉器和镇流器功能是由内置于灯中的电子线路提供，因此灯的体积大大减小。
优点：节电率高，可逐步替代白炽灯。比如：15Ｗ的紧凑型荧光灯亮度与75Ｗ的白炽灯相当；寿命长，平均寿命8000小时，最长达20,000小时，白炽灯只有1000小时～2000小时。
缺点：标准的紧凑型荧光灯启动时间较长，如果启动次数频繁，会大大缩短其使用寿命。比如：启动次数增加３倍，其寿命将会缩短50％
气体放电灯
发光原理: 通过两电极放电使密封在灯泡内的气体发光，所有此类灯需加装镇流器限制电弧。发射光谱与气体的成分和气压有关（气压越高，光谱成分越好）。
氙灯（High intensity Discharge：HID） 人造小太阳

1907年 Henry Joseph Round在一片金刚砂里观察到电致发光的物理效应，
1936年 George Destriau产生了“电致发光”这个术语
20世纪60年代中期，第一支商用化红色LED首先研发成功
20世纪80年代早期，技术有了重大突破，第一代高亮度AlGaAs LED诞生 红光 发光效率 10lm/W
在1992年日本日亚（Nichia ）化学公司成功生产出蓝光LED。
20世纪90年代末白光LED研发成功。
产业发展现状与趋势

第二章：
可见光谱：在电磁辐射范围内，只有从380-780 (nm) 波长的电磁辐射能够引起人的视觉，这段波长叫做可见光谱。
光学辐射：指波长为 1纳米到1毫米范围的电磁辐射，它主要包括紫外辐射、可见辐射和红外辐射等部分。分为：可见辐射和不可见辐射。
可见光：
能够被眼睛感觉到的、并产生视觉现象的辐射为可见辐射或可见光，简称光。
视觉是人由进入人眼的辐射所产生的光感觉而获得的对外界的认识。人的视觉器官不但反映光的强度，而且也能反映光的波长特性。前者表现为亮度的感觉，后者表现为颜色的感觉。 定义2：视觉是对周围环境的亮度和色度变化产生意义的一个复杂的多级过程。视觉的性质决定了对照明的量和质的要求。
人眼视网膜上有二种感光细胞：杆体细胞和锥体细胞。
杆体细胞：只在较暗条件下（在亮度为0.001cd/m2以下）起作用，适宜于微光视觉，感光灵敏度高，仅能分辨明暗，不能分辨颜色和细节。
锥体细胞: 在光亮（亮度为3cd/m2以上）条件下，能够分辨颜色和物体的细节。
视网膜 ：杆状细胞 + 锥状细胞
杆状细胞：感光灵敏度高（暗视觉 ）， 不能分辨细节，不能分辨色彩。
锥状细胞：感光灵敏度低（明视觉 ），能分辨细节，能分辨色彩。
锥状细胞可分敏红、敏绿、敏蓝细胞
光辐射度量
光是电磁波，表明其具有辐射特征
光辐射具有量子性：光的发射与吸收、光电效应
光辐射具有波动性：光的衍射、干涉与偏振
辐射与辐射源、光与光源
自然光源：太阳、星辰、天雷地火
人造光源：灯具、激光、发光器件

辐射能Qe ：以辐射形式发射、接受、传播的能量；这些能量被物质吸收时，可以转化成其他形式的能量，如电能、热能、动能 ；焦耳，J
辐射能密度we：单位体积内的辐射能， we = dQe /dV 焦耳/米3， J·m-3
辐射通量Fe：光源在单位时间辐射的总能量称为光源的辐射通量。Fe= dQe /dt ；瓦，W=J/s
辐射强度Ie ：点光源发出，单位时间、单位立体角所辐射出的能量，Ie=dFe /dw ；瓦/球面度，W·sr-1
辐射出射度Me：辐射体在单位面积内所辐射的通量或功率， Me= dFe /dA ；瓦/平方米， W·m-2
辐射亮度Le：由辐射表面定向发射的辐射强度，与辐射体表面所发射通量的空间分布有关， Le = dIe /dA·cosq 瓦/（平方米·球面度）， W·m-2·sr-1
辐照度Ee ：单位面积接收到的辐射通量， Ee=dFe /dA
§ 瓦/平方米， W·m-2

光度学：物理辐射作用在观察者的视觉器官是产生光的感觉，当辐射量与人眼的视觉特性相联系而被评价时，定义为光度量，属于光度学研究的范畴。光度学处理的是光亮度的视觉，测量的是视觉响应。
辐射能（Qe）、辐通量（Φe）、辐强度（Ie）、辐照度（Ee）、辐亮度（ Le ）；
对应的光度量定义：光能量（Qv）、光通量（Φv）、发光强度（Iv）、照度（Ev）、亮度 （Lv ）
光谱光效率函数：
用来度量辐射能所引起的视觉能力的量称为光谱光效率函数，（即光谱不同波长的能量对人眼产生光感觉的效率） 。它主要是评价人体视觉对各种颜色的灵敏度。
一般用 表示明视觉的光谱光效率函数；
其峰值在555nm，也就是说对波长为555nm的黄绿光的感受效率最高，同样对其它波长的光的感受效率较低。
一般用 表示暗视觉的光谱光效率函数；
峰值在507nm，也就是说对波长为507nm的蓝绿光的感受效率最高。
光通量（Luminous Flux）： 单位：流明（lm）。
：为辐射的光谱光效能的最大值，单位：流明每瓦特（lm/W）。在单色辐射时，明视觉条件下的Km值为683lm/W (此时波长 =555nm )；在暗视觉条件Km＝1755lm/W(此时波长 ＝507nm)。 注：光效能K（ ）是辐射产生视觉能力的度量，它表征了辐射的光谱而不是光源。
光通量:光源在单位时间内发出的光量称 为光源光通量,以F表示.单位:流明(lm)
发光强度（Luminous Intensity）：
定义：点光源在给定方向上单位立体角内发射的光通量，也可解释为在一定方向上单位立体角内所发出的光通量符号： , 单位：流明/球面度（lm/sr）或坎德拉（cd）;
注意：发光强度的概念不能直接应用于不可看作为点光源的众多光源。
照度（Illuminance）：
定义：投射在单位面积上的光通量。符号, 单位：流明每平方米（lm/m2，也称为勒克斯lx，即1lm/m2=1lx）。
注意：1）1lx的照度是比较小的，在此照度下只能大致辨认周围物体
2）照度越高，眼睛分辨细节、低反差以及色调的能力越强。
在通常将20lx的平均照度取为非工作区的最小照度照明条件下，
对于长期有人活动的房间，其最小照度要求为200lx的平均照度
对于学习和办公等场合，要求的最低有500lx的照度。
对于工作区的照明，优先选择的照度范围为1000－2000lx
表2.3 室内外照明的亮度分布情况
亮度（cd/m2）
亮度分类
1
推荐的道路亮度
2
刚能识别
人脸部特征的亮度
5

10

20
能满意辨认
50
墙和天棚的优选亮度
优选的作业亮度
100
200
500

1,000
一般照明灯具允许的亮度值
2,000
5,000
10,000
发光效率(Luminous Efficacy)：
定义：光源把消耗的能量转换为视觉的能力。符号： 单位：lm/W，即每瓦电力所发出的光的量，
注意：1）在选择光源时，发光效率是一个重要的考虑因素。
注意：
1. 光通量、光效、光强和亮度反应光源特性的基本量，说明的是光源的发光情况， 照度是表征被照物接受光通强弱的物理量，有着本质的区别。
2. 在应用中，单位上比较容易混淆；在定性和定量分析中，各有所偏重。
3. 从定性的角度分析光度量的基本概念，了解其内在关系。
色度学是处理色彩的测量
例如三基色值、色坐标、色温和显色性
三基色: 能够匹配所有颜色的三种颜色称之为三基色或者三原色.
红(R),绿(G),蓝(B)作为三原色
相加混合：红＋绿＋蓝＝白色；红＋蓝＝品红；绿＋蓝＝青色（蓝绿色）
红＋绿＝黄色
相减混合：白－红＝青色；白－绿＝品红；白－蓝＝黄色；白－红－绿＝蓝色白－红－蓝＝绿色；白－绿－蓝＝红色；白－红－绿－蓝＝黑色
色坐标：大约2500K起的黑体辐射源轨迹近邻的区域确定白色
绝对黑体和全辐射体：在任何温度下对任何波长的辐射能的吸收率都等于1的物体，是一种理想的模型。
普朗克轨迹(Planckian Locus) ，又称黑体轨迹：随着绝对黑体加热温度的升高，按照普朗克计算出在各种温度时的相对应光谱功率分布转换成CIE l931色度坐标，绝对黑体不同温度的色光变化在CIE l931色度图上形成的弧形轨迹，称为黑体轨迹。
色温：色温是光源颜色的一种表示方法。当光源所发出的光的颜色与黑体在某一温度下的颜色相同时，这一黑体的温度称为光源的颜色温度Tc，简称色温（CT），用热力学温度表示，单位为K（开尔文）。
相关色温：若光源发出的光与黑体在某一温度下的颜色最接近，则黑体此时的温度称为该光源的相关色温。
显色性：指光源的光照射到物体上所产生的客观效果和对物体真实色彩的显现程度。注意：光源的色温和显色性并没有直接联系。
显色指数Ra作为显色性的评价标准。Ra值越高，光源的显色性越好。
光源（放电灯和荧光灯等）具有不同的光谱而色坐标相同，人们称这种光源为同分异构光源。同分异构光源照明的物体在视觉上可能表现为不同的颜色。

第三章：
LED的基本概念：发光二极管是一种在正向偏置下，将电能转化为光能的电子器件并具有普通二极管的特性，简称 LED( Light Emitting diode)，
环氧树脂的作用：一方面可以保护芯片，另一方面起（透镜）聚光的作用。
根据不同的激发方式，可以分成以下几种发光形式：
p 光致发光：它是由光激发而引起的发光，如日光灯，并且在半导体材料的研究中，常常采用光致发光的方法来研究材料的光学性质；
p 阴极射线发光：它是电子束轰击发光物质而引发的发光，如电视显像管中荧光屏发光；
p 放射线发光：它是由高能的射线或X射线轰击发光物质而引发的发光；
p 电致发光：发光物质在电场的作用下引起的发光，它是将电能直接转变为光能的一种发光现象，如LED的发光。
LED是目前应该用最广的一种结型电致发光器件，由能自发辐射紫外光、可见光或红外光的PN结构成
电子和空穴的复合
半导体中本征辐射跃迁 (a) 带-带跃迁; (b)自由激子湮灭; (c) 定域在能带势能起伏处的激子的复合 。

涉及杂质能级的辐射复合: (a) 导带-受主态跃迁; (b) 施主态-价带跃迁; (c) 施主-受主复合 (d) 束缚激子复合

直接带隙半导体中的垂直带间辐射跃迁;(b)间接带隙半导体中杂质辅助的辐射跃迁。
成为半导体发光材料基本条件：
þ 半导体带隙宽度与可见和紫外光子能量相匹配。
þ 直接带隙半导体有较高辐射复合概率。
þ 晶格具有稳定性和高的抗无辐射复合中心的能力。
þ 可用合金调节能隙，有可用的P和N型材料，以及可能制备能带形状预先设定的异质结构。
þ 砷化镓 GaAs 直接跃迁型材料
þ 磷化镓 GaP 间接跃迁型材料
þ 磷砷化镓 GaAsP 镓铝砷 GaAlAs
þ 铝镓铟磷 AlGaInP
生长这种四元化合物的成熟技术是金属有机物化学气相淀积（MOCVD），
铟镓氮 InGaN
InGaN在整个组分范围内全是直接跃迁结构
AlGaInN材料体系的主要生产技术是MOCVD。
目前红光的材料主要有AlGaInP，而蓝绿光及紫外线的主要材料则有AlGaInN。
图2(a)是直接带隙材料，包括GaN-InN-AlN、GaAs、InP、InAs及GaAs等 而图2(b)的材料均是间接带隙
目前发光二极管用的都是直接带隙的材料。
当电子与空穴复合而产生光时，这些光被称为自发辐射，其光的方向如图5(a)所示，是多方向的，这是发光二极管的发光特性。目前要得到高功率LED就是要得到非常高的自发辐射。
产生光子发射的主要条件：系统处于非平衡状态，即在半导体内需要有某种激发过程存在，通过非平衡载流子的复合，才能形成发光。
LED的发光材料多以Ⅲ-Ⅴ、Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体为材料。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光
例如：GaAs 发光二极管是以N型GaAs材料做衬底，用掺锌或掺硅的方法形成P形层，且N形层很薄，P形层较厚。这样，当给PN结加上电压时，外加电场将削弱内建电场，使空间电荷去变窄，载流子的扩散运动加强。由于N区很薄，P区较厚，且电子的迁移频率un 远大于空穴的迁移频率up，当电子的扩散长度 ln=unt远大于空间电荷区的宽度时，电子很容易由N区扩散到P区。电子注入到P区后，成为少数的载流子，这些平衡的少数载流子就要与P区的多数载流子——空穴复合。在复合的过程中电子将多余能量以发光辐射的形式放出来，产生电致发光现象。注意： 在GaAs 器件中，辐射主要发生在结的p型一侧，其原因为电子的注入效率高于空穴的注入效率。
电子和空穴的复合可分为两类：
伴随光的辐射的复合：它是由于空穴和电子的复合以光（含紫外光、红外光）的形式辐射能量，这是发光的主要机理，也是发光器件所追求的。
不伴随光的辐射的复合
研究目标：在半导体pn结处流过正向电流时，能以较高的能量转换效率*来辐射出200-1550nm波长范围的光谱*（包括紫外、可见、红外），从而做成实用的发光器件。
内量子效率：
外量子效率
如果在半导体内部产生光子，一般存在三种机理可导致光子消失：1）半导体内光子吸收；2）Fresnel 反射损耗；3）临界角损耗（即全反射损失）
双异质结结构可以提高PN结的发光效率，两种类型的过剩载流子从两侧注入并被限制在同一区域，过剩载流子的数目显著提高，随着载流子浓度的提高，辐射复合寿命缩短，导致更为有效的辐射复合。
发射光谱
发光二极管发出的光的颜色主要取决于LED的半导体材料及掺杂材料
LED的特点
q 寿命长。LED作为一种半导体固体发光器件，较其它发光器件有更长的寿命。其亮度半衰期通常可达10万小时。
q 耗电低。LED是一种高效光电器件，因此在同等亮度下，耗电较少，可大幅度降低能耗。随着今后工艺和材料的发展，将具有更高的发光效率。
q 结构牢固： LED是用环氧树脂封装的固态光源，其结构中没有玻璃泡、灯丝等易损坏的部件。它是一种全固体结构，能经受住镇东、冲击而不致引起损坏
q 响应时间快,一般可在几十纳秒内响应时间，是交通信号灯的最好光元；
q 体积小、重量轻、耐冲击。易于做成薄型灯具，节省安装空间等优点。
q 易调光、调色、可控性较大。
q 绿色、环保。
q 绿色照明的概念：
LED的特点:
通过科学的照明设计，采用效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明电器产品，可以提高人们工作、学习、生活的条件与质量，从而创造出一个高效、舒适、安全、经济、有益的环境。

白炽灯、荧光灯与白光LED基本性能优劣比较
名称
白炽灯
荧光灯
白光LED
光效lm/W
10－15
50－90
120
显色指数Ra
>95
50－80
85
色温K
2800
系列化
系列化
平均寿命h
1000
5000
50000
照明面发热量
高
中
低
量产技术
成熟
成熟
待改进
价格
低
较低
较高
存在问题
1) 低效率，高耗电；
2)维护频；
3)灯泡易碎
1)废弃汞蒸汽破坏环保
2)灯管易碎
1)光效还能提高；
2)散热技术有待改进