2.1

與發(fā)光相關(guān)的基本知識及概念2.2

燈用熒光材料發(fā)光材料及器件2.2.1基本知識2.2.2電光源的分類及參數(shù)2.2.3常用電光源2.2.4應(yīng)急照明2.3發(fā)光二極管(LED)用熒光材料(1)電磁波譜與所有物質(zhì)一樣，光也是物質(zhì)的一種存在形式，是能引起視覺的輻射能，它以電磁波的形式在空間傳播。可見光的波長在380~780納米(nm)范圍內(nèi)，不同波長的光給人的顏色感覺不同，如圖2.1所示。2.1基本知識及概念電磁波譜(2)光譜(3)光通量(4)發(fā)光強(qiáng)度(5)照度(6)亮度(7)色溫(8)顯色性和顯色指數(shù)(9)頻閃效應(yīng)(10)反射率圖2.1圖2.1電磁波譜(2)光譜光源輻射的光往往由許多波長的單色光組成，把光線中不同強(qiáng)度的單色光按波長長短依次排列，稱為光源的光譜。大功率50W全光譜燈珠的光譜(3)光通量光源在單位時間內(nèi)，向周圍空間輻射出的、使人眼產(chǎn)生光感覺的能量，稱為光通量，用符號Φ表示，單位為流［明］(lm)。人們通常以電光源消耗1W電功率所發(fā)出的流明數(shù)(lm/W)來表征電光源的特性，稱為發(fā)光效率，簡稱“光效”。電光源的光效越高越好。

人眼對可見光中波長為555nm的黃綠色光最靈敏，波長離555nm越遠(yuǎn)（如波長較長的紅光和波長較短的紫光）靈敏度越低，所以光通量與光輻射的強(qiáng)弱及其波長都有關(guān)系。(4)發(fā)光強(qiáng)度

發(fā)光強(qiáng)度是表征光源(物體)發(fā)光能力大小的物理量。

光源在某一特定方向上單位立體角內(nèi)(每球面度，球的面積為4πR2所張的球面度為4π）輻射的光通量，稱為光源在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度(簡稱光強(qiáng))，用符號I表示，單位為坎［德拉］(cd)。

如圖2.2所示，對于向各方向均勻輻射光通量的光源，各方向的光強(qiáng)相等，其值為：圖2.2發(fā)光強(qiáng)度的定義ω(5)照度對被照物體表面而言，它單位面積上所接受的光通量，稱為該被照面的照度，照度用符號E表示，單位為勒［克斯］（lx）。被光均勻照射的平面照度為：

表2.1

給出了一些情況下的照度。表2.1一些情況下的照度值被照物體表面照度值（lx）無月夜晚的地面上0.002月夜里的地面上0.2中午太陽光下的地面上100000晴天室外太陽散射光(非直射)下的地面上1000白天采光良好的室內(nèi)100～500(6)亮度某一物體(或發(fā)光體)的表面亮度是該物體單位面積向視線方向發(fā)出的發(fā)光強(qiáng)度。亮度用符號L表示，其單位為坎［德拉］每平方米(cd/m2)。由于物體在各個方向的亮度不一定相同，因此常在符號L的右下角注明角度，用以表示與物體表面法線成α角方向的亮度。物體的亮度越大，人們就會感到它越亮。(7)色溫色溫是電光源的技術(shù)參數(shù)之一。當(dāng)光源的發(fā)光顏色與黑體(能吸收全部光能的物體）加熱到某一個溫度所發(fā)出的光的顏色相同時，稱該溫度為光源的顏色溫度，簡稱色溫。(8)顯色性和顯色指數(shù)同一物體在不同的光源照射下，顯示出不同的顏色，光源對被照物體顏色呈現(xiàn)的真實程度稱為光源的顯色性。對同一物體，在被測光源的光照射下呈現(xiàn)的顏色，與在標(biāo)準(zhǔn)光源的光照射下呈現(xiàn)的顏色的一致程度愈高，Ra則愈大，顯色性愈好。表2.2所列是常用電光源的一般顯色指數(shù)Ra。表2.2常用電光源的一般顯色指數(shù)Ra光源顯色指數(shù)Ra光源顯色指數(shù)Ra白熾燈97高壓汞燈22～51日光色熒光燈80～94高壓鈉燈20～30白色熒光燈75～85金屬鹵化物燈60～65暖白色熒光燈80～90鈉鉈銦燈60～65鹵鎢燈95～99鏑燈85以上顯色指數(shù)沒有用“CRI”（color-renderingindex）的。顯色指數(shù)有15種顏色，15種顏色名稱：R1,淡灰紅色；R2,暗灰黃色；R3，飽和黃綠色；R4,中等黃綠色；R5,淡藍(lán)綠色；R6,淡藍(lán)色；R7,淡紫藍(lán)色；R8,淡紅紫色；R9,飽和紅色；R10,飽和黃色；R11,飽和綠色；R12,飽和藍(lán)色；R13,白種人膚色；R14,樹葉綠；R15,黃種人膚色。取前8種常見顏色的顯色指數(shù)的平均值,記為Ra,表征此光源顯色性。CRI，是color-renderingindex的縮寫，中文為“顯色指數(shù)”，是廣泛性名詞。Ra，是“一般顯色指數(shù)”標(biāo)記符號，是15種顏色顯色指數(shù)中，前8個顯色指數(shù)的平均。

在采用氣體放電燈作為照明光源時，若被照物體處于轉(zhuǎn)動狀態(tài)，且轉(zhuǎn)動頻率剛好是電源頻率的整倍數(shù)時，則轉(zhuǎn)動的物體看上去就如沒有轉(zhuǎn)動一樣。這種在以一定頻率變化的光照射下，觀察到的物體運動顯現(xiàn)出不同于其實際運動的現(xiàn)象，稱為頻閃效應(yīng)。頻閃效應(yīng)易使人產(chǎn)生錯覺而造成事故。/timg?image&quality=80&size=b9999_10000&sec=1602914602917&di=44780d8b0b475d8b73ebb45921dac637&imgtype=0&src=http%3A%2F%2F%2Fbfs%2Farticle%2F36945d3156567f39392c3333192310e16d0a85c3.gif(9)頻閃效應(yīng)

電光源在采用交流電源供電時，由于交流電做周期性的變化，因而電光源所發(fā)出的光通量也隨之做周期性的變化。這就會使人眼產(chǎn)生閃爍的感覺。相機(jī)拍攝到的熒光燈頻閃頻閃測量方法。頻閃比率等于一個開關(guān)周期內(nèi)最大光輸出與最小光輸出之差除以最大光輸出與最小光輸出之和。頻閃指數(shù)等于一個開關(guān)周期內(nèi)超出平均光輸出的量除以全部光輸出。

頻閃與頻閃效應(yīng)是針對電光源，光通量的波動深度和由此產(chǎn)生的危害效應(yīng)（稱為頻閃效應(yīng)）大小的兩個互為因果的物理量。頻閃是指電光源光通量波動的深度。光通量波動深度越大，頻閃越嚴(yán)重。(10)反射率

當(dāng)光通量投射到被照面后，一部分被反射，一部分透過被照面，一部分則為被照面所吸收。這就是在相同照度下，不同物體有不同亮度的原因。被物體反射的光通量Φ′與射向物體的光通量Φ之比，叫做反射率或稱反射系數(shù)ρ，即建筑物內(nèi)墻壁及頂棚、地面的反射率的近似值如表2.3所示。表2.3墻壁及頂棚、地面的反射率的近似值反射面性質(zhì)反射率(%)反射面性質(zhì)反射率(%)抹灰并大白粉刷的頂棚和墻面70～80混凝土地面10～25磚墻或混凝土面(石灰、大白)噴白50～60鋼板地面10～30墻、頂棚為水泥砂漿抹面30瀝青地面11～12混凝土屋面板30無色透明玻璃8～10紅磚墻302.2燈用熒光材料2.2.1基礎(chǔ)知識1）

電光源的分類按電光源的發(fā)光原理，它主要分為兩大類。(1)

熱輻射光源和電光源

熱輻射光源是當(dāng)物體受熱且熱能足夠大，使原子或分子發(fā)生激烈的相互碰撞而激發(fā)產(chǎn)生的光發(fā)射。電光源是利用電流將物體加熱到白熾程度而產(chǎn)生的光。屬于熱輻射光源的燈有白熾燈、鹵鎢燈。2.2.2電光源的分類及參數(shù)（2）放電光源

放電是指在電場作用下，載流子在氣體(或蒸氣)中產(chǎn)生和運動，而使電流通過氣體(或蒸氣)的過程。這個過程導(dǎo)致光的發(fā)射，可作為光源，即放電光源。這種光源具有發(fā)光效率高、使用壽命長等特點，很有發(fā)展前途。

按放電媒質(zhì)分為：

①氣體放電燈。是利用氣體中的放電發(fā)光，例如氙燈、氖燈等。

②金屬蒸氣燈。是利用金屬蒸氣(如汞蒸氣、鈉蒸氣等)中的放電，且主要由金屬蒸氣產(chǎn)生光，例如汞燈、鈉燈等。

按放電形式分：

①輝光放電燈。這種燈由輝光放電產(chǎn)生光。放電要有陽極和陰極。放電時，陰極溫度不高，但要有足夠的電子發(fā)射，又叫冷陰極燈。

②弧光放電燈。是由弧光放電產(chǎn)生光。陰極工作在較高的溫度下，又叫熱陰極燈，如熒光燈、汞燈、鈉燈等。2）電光源的參數(shù)

(1)

額定電壓和額定電流光源在預(yù)定要求下工作所需要的電壓和電流分別叫做額定電壓和額定電流，額定值下工作具有最好的效果。(2)

額定功率燈泡(或燈管)在額定電流下工作所消耗的功率叫額定功率。(3)發(fā)光效率燈泡(或燈管)所發(fā)出的光通量Φ與消耗的功率P之比叫發(fā)光效率，記作η，即：(4)壽命

光源的壽命是指光源從初次通電工作的時候起到其完全喪失或部分喪失使用價值的時候為止的全部點燃時間。壽命又分兩種：①全壽命；②有效壽命

（有效壽命：電光源發(fā)光效率下降到初始值的70%時的使用時間）(5)光色光色包括色表和顯色性兩個方面。色表指光源本身發(fā)光的顏色，即從外觀上看到的光的顏色。而顯色性則反映被照物體所體現(xiàn)出的顏色。一般常用電光源的壽命是指()。A．平均有效壽命B．全壽命C．有效壽命D．光源發(fā)光效率

1）

白熾燈

2）

鹵鎢燈

3）

熒光燈

4）

高壓氣體放電燈

5）

金屬鹵化物燈

6）

氙燈

2.2.3常用電光源1）白熾燈

靠電能將燈絲加熱到白熾狀態(tài)而發(fā)光。(1)

白熾燈的構(gòu)造白熾燈的構(gòu)造如圖2.3所示，它主要由玻璃外殼、燈絲、支架、引線和燈頭組成。燈絲一般都用鎢絲制成。白熾燈的發(fā)光原理就是當(dāng)鎢絲通過電流時，產(chǎn)生大量的熱，使燈絲溫度升高到白熾的程度(2400～3000K)而發(fā)光。(2)

白熾燈的工作特性

①電流和功率白熾燈的電流決定于燈泡的供電電壓和燈絲電阻。燈泡的容量用功率來表征，白熾燈的功率等于流過燈絲的電流和工作電壓的乘積。

②光通量輸出白熾燈在運行中，其光通量的輸出隨電網(wǎng)電壓的變化而急劇地變化。(3)

發(fā)光效率燈泡的發(fā)光效率，鎢絲白熾燈的發(fā)光效率比較低，一般僅有10lm/W左右。(4)

壽命平均壽命是許多燈泡壽命的算術(shù)平均值。一般白熾燈的平均壽命為1000h。(5)

光色白熾燈所發(fā)的光與日光相比仍有一定的差別，兩者相比，白熾燈的紅光部分較顯著。(6)

燈泡溫度白熾燈所消耗的電能首先變?yōu)闊崮埽渲杏泻苄∫徊糠钟洲D(zhuǎn)變?yōu)榭梢姽猓园谉霟舨Ａさ臏囟仁禽^高的。(7)

亮度白熾燈絲亮度很高，這樣的亮度能夠造成眩光。為了減少燈泡的表面亮度，有些燈泡其玻璃殼用磨砂玻璃或乳白玻璃制造。2）

鹵鎢燈鹵鎢燈除在燈泡內(nèi)充入惰性氣體外還充入有少量的鹵族元素(氟、氯、溴、碘)，這樣對防止玻殼黑化具有較高的效能。（1）

鹵鎢燈的結(jié)構(gòu)為了使管壁處生成的鹵化物處于氣態(tài)，管壁溫度要比普通白熾燈高得多，相應(yīng)地鹵鎢燈的玻殼尺寸就要小得多，溫度也高得多，因而必須使用耐高溫石英玻璃或高硅氧玻璃。（2）

鹵鎢燈的光特性鹵鎢燈是在石英玻璃管內(nèi)封進(jìn)鎢絲，充進(jìn)惰性氣體和微量的磷或溴，制成雙端引出型鹵鎢燈。鹵鎢燈，由于鹵鎢循環(huán)作用，而能防止管壁發(fā)黑，改進(jìn)了燈的工作特性，使燈的光效比普通白熾燈有顯著的提高(約為18~21lm/W)。由于鹵鎢燈的充氣壓力比普通白熾燈高，所以壽命指數(shù)較低，并且容易受振動、沖擊而產(chǎn)生機(jī)械斷絲。顯色性好，一般顯色指數(shù)為Ra＝97，色溫為3000～3200K。3）熒光燈熒光燈屬于放電光源，是靠低壓汞蒸氣放電，利用放電過程中的電致發(fā)光和熒光質(zhì)的光致發(fā)光，形成光源。它的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、價格便宜并且發(fā)光效率高、光色好、壽命長。常見的普通熒光燈是圓形截面的直長玻璃管子。在管子兩端各放一個電極。熒光燈的典型結(jié)構(gòu)，如圖2.4所示。（1）熒光燈的工作原理熒光燈需要鎮(zhèn)流器和啟輝器才能正常工作。它的接線，如圖2.5所示。（2）

熒光燈的工作特性熒光燈的電流分為額定工作電流和額定啟動電流兩項。額定工作電流根據(jù)燈管功率、燈管結(jié)構(gòu)和電流密度而定。額定啟動電流是啟動時預(yù)熱燈絲的電流，它比額定工作電流大。在工作電流下，燈管上產(chǎn)生的電壓降是熒光燈的管電壓。4）

高壓氣體放電燈（1）

高壓汞燈高壓汞燈又名高壓水銀燈，它是靠高壓汞蒸氣放電而發(fā)光。這里所說的“高壓”是指工作狀態(tài)下的氣體壓力為1～5個大氣壓，以區(qū)別于一般低壓熒光燈。高壓汞燈的優(yōu)點是光效高、壽命長、省電、耐震。①高壓汞燈的結(jié)構(gòu)與工作過程高壓汞燈的結(jié)構(gòu)分外鎮(zhèn)流高壓汞燈和自鎮(zhèn)流高壓汞燈兩種。外鎮(zhèn)流高壓汞燈的構(gòu)造，如圖2.6所示。

②高壓汞燈的工作特性（a）光通量輸出和發(fā)光效率一般所說的光通量輸出和發(fā)光效率是指點燃100h以后的數(shù)值。目前高壓汞燈的發(fā)光效率為40～60lm/W。

（b）光色高壓汞燈的光色為淡藍(lán)－綠色，缺乏紅色成分

（c）壽命在運用中影響壽命的因素主要有：（1）啟動次數(shù)；（2）啟動電流和工作電流。

(2)

鈉燈與汞燈一樣也是靠放電而發(fā)光。如在燈管內(nèi)放入適量的鈉和惰性氣體，就成為鈉燈。鈉燈具有省電、光效高、透霧能力強(qiáng)等特點。鈉燈分為高壓鈉燈和低壓鈉燈。

①高壓鈉燈的結(jié)構(gòu)和工作原理高壓鈉燈的電路原理簡圖，如圖2.7。

②低壓鈉燈

低壓鈉燈具有很高的發(fā)光效率，可超過150lm/W。5）

金屬鹵化物燈金屬鹵化物燈也是一種氣體放電燈。這種燈的優(yōu)點是：發(fā)光體小，光色和日光相似，顯色性也較高，光效也較高，達(dá)70lm/W左右。(1)

金屬鹵化物燈的構(gòu)造與工作原理普通的金屬鹵化物燈外形和結(jié)構(gòu)與汞燈相似。金屬鹵化物燈的發(fā)光原理與汞蒸氣放電光源相似。(2)

金屬鹵化物燈的種類

①鈉鉈銦燈

②鏑燈(3)

金屬鹵化物燈的工作特性金屬鹵化物燈有一個較長的啟動過程，在這個過程中燈的各個參數(shù)均發(fā)生變化。從啟動到參數(shù)基本穩(wěn)定要4min左右，而達(dá)到安全穩(wěn)定約要15min。金屬鹵化物燈在關(guān)閉或熄滅后，須等待10min左右才能再啟動，這是由于燈工作時溫度很高，放電管氣壓很高，啟動電壓升高，只有待冷卻到一定程度之后才能再啟動。6)

氙燈氙燈也是一種弧光放電燈。它具有功率大、光色好、體積小、亮度高、啟動方便等優(yōu)點，人們稱譽(yù)它為“小太陽”。氙燈按外形可分為管形和球形；按冷卻方式可分為自冷、水冷和風(fēng)冷；按放電弧光長度可分為長弧、短弧；按充氣壓力可分為高壓、超高壓；按充氣元素可分為氙燈及汞氙燈等。氙燈可以制成在交流下和直流下應(yīng)用的兩種。圖2.3白熾燈的構(gòu)造示意圖1—燈頭；2—康銅絲外導(dǎo)線；3—芯柱管；4—中心桿；5—支撐；6—燈絲；7—焊錫；8—排氣管；9—排氣孔；10—銅外導(dǎo)線；11—杜鎂絲；12—內(nèi)導(dǎo)線；13—玻殼；14—氬氣圖2.4熒光燈管1—燈頭；2—燈腳；3—玻璃芯柱；4—燈絲（鎢絲，電極）；5—玻管（內(nèi)壁涂覆熒光粉，管內(nèi)充惰性氣體）；6—汞（少量）圖2.5熒光燈的接線圖圖2.6高壓汞燈(a)高壓汞燈的構(gòu)造；(b)高壓汞燈的工作電路圖圖2.7高壓鈉燈的電路原理圖應(yīng)急照明包括疏散照明、安全照明和備用照明。

疏散照明是為使人員在緊急情況下能安全地從室內(nèi)撤離至室外或某安全地區(qū)(如避難間)而設(shè)置的照明及疏散指示標(biāo)志；

備用照明是在正常照明失效時，為繼續(xù)工作或暫時繼續(xù)工作而設(shè)置的照明；

安全照明則是在正常照明突然中斷，為確保處于潛在危險的人員安全而設(shè)置的照明。2.2.4應(yīng)急照明

(1)備用照明：消防控制室、自備電源室、變電所、消防水泵房、防排煙機(jī)房、消防電梯機(jī)房、保安監(jiān)控室、BAS監(jiān)控中心、通信機(jī)房、大中型電子計算機(jī)房、銀行與證券公司等的營業(yè)大廳、避難層(間)以及人員密集場所，如觀眾廳、宴會廳、展覽廳、營業(yè)廳、演播廳、多功能廳等。

(2)疏散照明及指示標(biāo)志：疏散樓梯間及其前室、消防電梯前室、地下室、疏散走道、公共出口及人員密集的公共活動場所等。

(3)安全照明：醫(yī)院的手術(shù)室、急救室等。

(1)

用于繼續(xù)工作的備用照明，其照度不小于正常照度水平，例如消防控制中心、配電室、控制室等重要機(jī)房。

(2)

用于暫時繼續(xù)工作的備用照明，其照度為正常照度的10％～50％，如觀眾廳、營業(yè)廳等重要場所。

(3)

疏散照明的照度水平應(yīng)為正常照明的10％左右，如商場的營業(yè)大廳等。疏散指示標(biāo)志照度最低為0.5lx，如樓梯間、公共走道、安全出口等。

(4)

安全照明的照度應(yīng)保證不低于正常照度的5％～10％。照度水平原理：外加電場實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，大量電子-空穴對的自發(fā)復(fù) 合導(dǎo)致發(fā)光為什么要使用LED：1.驅(qū)動電路簡單2.不需要溫控電路3.成本低、產(chǎn)量高缺點：4.輸出功率不高：幾個毫瓦5.譜寬很寬：幾十個納米到上百納米應(yīng)用場合：短距離傳輸2.3發(fā)光二極管(LED)用熒光材料LED白光的三種發(fā)光原理LED有15種獨特的優(yōu)點節(jié)能環(huán)保安全壽命長低耗低熱色光白光高亮度防水微型防震易調(diào)光光束集中維護(hù)簡便國際上大功率的LED光源產(chǎn)品大功率LED的散熱結(jié)構(gòu)同質(zhì)pn結(jié)存在的問題：增益區(qū)太厚(1~10mm)，很難把載流子約束在相對小的區(qū)域，無法形成較高的載流子密度無法對產(chǎn)生的光進(jìn)行有效約束同質(zhì)pn結(jié)：兩邊采用相同的半導(dǎo)體材料進(jìn)行不同的摻雜構(gòu)成的pn結(jié)特點：-同質(zhì)結(jié)兩邊具有相同的帶隙結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能-pn結(jié)區(qū)的完全由載流子的擴(kuò)散形成pn雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)0.3mm不連續(xù)的帶隙結(jié)構(gòu)加強(qiáng)對載流子的束縛不連續(xù)分布的折射率加強(qiáng)對產(chǎn)生光子的約束面發(fā)光二極管優(yōu)點：LED到光纖的耦合效率高P(q)=P0cosq載流子注入25mm5mm邊發(fā)光二極管優(yōu)點：與面發(fā)光LED比，光出射方向性好缺點：需要較大的驅(qū)動電流、發(fā)光功率低載流子注入50~70mm100~150mm30o120o化合半導(dǎo)體材料->直接帶隙材料->用于做光源-如III-V族化合物(由Al、Ga、In和P、As、Sb構(gòu)成的化合物)LED光源的材料和工作波長單質(zhì)半導(dǎo)體材料->間接帶隙材料->不適合做光源LED基本材料：-Ga1-xAlxAs(砷化鎵摻鋁)：800~850nm短波長光源-In1-xGaxAsyP1-y(磷化銦摻砷化鎵)：1000~1700nm長波長光源x和y的值決定了材料的帶隙，也就決定了發(fā)光波長。合金比率與發(fā)光波長的關(guān)系LED的輸出光譜特點：1.自發(fā)輻射光->LED譜線較寬

2.面發(fā)光二極管的譜線要比邊發(fā)光二極管的寬

3.長波長光源譜寬比短光源寬

-短波長GaAlAs/GaAs譜寬30~50nm

-長波長InGaAsP/InP譜寬60~120nmLED的內(nèi)部量子效率和內(nèi)部功率內(nèi)量子效率ηint那么LED的內(nèi)部發(fā)光功率為：例一雙異質(zhì)結(jié)InGaAsP材料的LED，其峰值波長為1310nm，輻射性復(fù)合時間和非輻射型復(fù)合時間分別為30ns和100ns，驅(qū)動電流為40mA。可以得到：可以得到LED的內(nèi)部發(fā)光功率為：其中T(f)為菲涅爾透射系數(shù)。假定外界介質(zhì)為空氣(n2=1)，外量子效率為：例：LED典型的折射率為3.5，那么其外量子效率為1.41%，即光功率僅有很小的一部份能夠從LED中發(fā)射出去。和LED的外部量子效率和外部功率LED的P-I特性驅(qū)動電