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緒論

一、什么是照明

近年來,我國的照明事業(yè)不斷發(fā)展,照明的需求也不斷提高。傳統(tǒng)的成像光學(xué)設(shè)計(jì)在很多照明應(yīng)用領(lǐng)域已不適用,非成像光學(xué)設(shè)計(jì)則應(yīng)運(yùn)而生。

一直以來,光學(xué)設(shè)計(jì)都被認(rèn)為僅僅是鏡頭設(shè)計(jì)或成像設(shè)計(jì),但從近一二十年的發(fā)展來看,光學(xué)設(shè)計(jì)已包括了照明設(shè)計(jì)這個(gè)子領(lǐng)域。照明設(shè)計(jì)主要關(guān)注的是光源到目標(biāo)之間的可見光或輻射的傳輸問題。

可見光的有效傳輸在成像系統(tǒng)中是必需的,但是這些系統(tǒng)均受到成像要求的限制。為高效傳輸光線,照明系統(tǒng)可以忽略成像約束。因此,“非成像光學(xué)”一詞經(jīng)常出現(xiàn)在照明系統(tǒng)中。按以上所述,光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)大致可分為以下四類:

1)成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這類設(shè)計(jì)通常有一定的成像要求,如焦平面相機(jī)設(shè)計(jì)。

2)可見光成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)。主要考慮某些集成觀察系統(tǒng)的整體成像要求,如望遠(yuǎn)鏡、照相機(jī)取景器和顯微鏡等,這些均是需要人眼來直接面對(duì)成像對(duì)象的光學(xué)系統(tǒng)。

3)可見光照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)。可見光照明系統(tǒng)即有一定成像要求并充當(dāng)光源的光學(xué)系統(tǒng),如顯示器、照明設(shè)備以及復(fù)印機(jī)的照明光源等。

4)不可見光照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該類系統(tǒng)無成像要求,如太陽能集束器、激光泵浦腔以及其他光學(xué)傳感器應(yīng)用領(lǐng)域。

上述后面兩個(gè)系統(tǒng)即屬于照明工程領(lǐng)域。成像系統(tǒng)雖也可實(shí)現(xiàn)照明要求,但在某些特殊應(yīng)用情形下,如制版行業(yè)中需用到的臨界照明和柯勒照明,需要許多基于非成像光學(xué)原理的替代方法。本書重點(diǎn)闡述使光線在光源與目標(biāo)之間進(jìn)行有效傳輸?shù)恼彰骷夹g(shù),即非成像技術(shù),偶爾也會(huì)采用成像原理來改善傳輸效果。非成像光學(xué)系統(tǒng)包含三個(gè)部分,即光源、光學(xué)器件和接收面。與傳統(tǒng)成像光學(xué)設(shè)計(jì)重點(diǎn)關(guān)注成像質(zhì)量(即物象之間一一對(duì)應(yīng)關(guān)系和映射的不失真)不同,非成像光學(xué)設(shè)計(jì)的研究重點(diǎn)在于光學(xué)系統(tǒng)對(duì)光能量傳輸?shù)目刂啤4送猓瑢?duì)觀察者未設(shè)置任何要求,但大多數(shù)照明光學(xué)實(shí)際上是默認(rèn)了觀察者是人眼或一個(gè)光電成像系統(tǒng)(如相機(jī))。如果忽視必要的可視化和視覺特點(diǎn)則會(huì)影響照明系統(tǒng)的性能。從這一點(diǎn)來看,照明設(shè)計(jì)也有一些主觀的因素。

本書多次交替使用“照明”和“非成像”這兩個(gè)術(shù)語,但嚴(yán)格講,照明的廣義概念包含了非成像和成像兩種方法。

本書主要介紹照明技術(shù)光學(xué)領(lǐng)域的一些常見的物理量和基本概念,以及照明技術(shù)與照明設(shè)計(jì)相關(guān)的光色度分析、光學(xué)設(shè)計(jì)、燈具散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)和照明產(chǎn)品設(shè)計(jì)案例等。

二、照明技術(shù)的發(fā)展

在人類發(fā)展史上,從采集天然火源到鉆木取火,光源經(jīng)歷了無數(shù)的變化。照明的發(fā)展見證了人類歷史的進(jìn)步。火在人類歷史上扮演著重要的角色,因?yàn)樗鼮槿祟愄峁┦澄铩嘏凸饬痢;鸬氖褂冒殡S著人類文明的巨大進(jìn)步。在18世紀(jì)之前,火一直是人類的照明工具,從火炬、動(dòng)物油燈、植物油燈發(fā)展到蠟燭,再到廣泛使用的煤油燈,人類從未停止探索新的照明方法。在油燈的使用過程中,燈芯由草芯發(fā)展到棉芯,再發(fā)展到多股棉芯。大約在公元前3 世紀(jì),人們用蜂蠟制作蠟燭。在18 世紀(jì),人們用石蠟制作蠟燭,機(jī)器的使用使得大量生產(chǎn)蠟燭成為可能。在19 世紀(jì),英國人發(fā)明了最初用作路燈的煤氣燈。由于它的火焰閃爍,熄滅時(shí)會(huì)產(chǎn)生有害氣體,這種煤氣燈不安全,室內(nèi)使用非常危險(xiǎn),因此,經(jīng)過改進(jìn),煤油燈在成千上萬的家庭中取代了煤氣燈。這些光源都是依靠燃燒材料的火焰來提供光。18 世紀(jì),電的發(fā)明極大地促進(jìn)了社會(huì)的發(fā)展,為照明帶來了新的機(jī)會(huì)。1809年,英國的戴維·漢弗萊(David Hum-phrey)發(fā)明了弧光燈,這種燈利用一種電光源,這種光源是在空氣中的兩個(gè)電極通電后,將兩個(gè)接觸的碳棒電極分離而產(chǎn)生的。在白熾燈發(fā)明之前,它被用于公共場(chǎng)合,是第一個(gè)用于實(shí)際照明的電光源。但是,由于燃燒時(shí)會(huì)發(fā)出嘶嘶聲,而且光線太亮,故不適合室內(nèi)照明。1877年,一位俄國人通過修改弧光的結(jié)構(gòu)發(fā)明了電蠟燭,但其性能并沒有得到改善。那時(shí),許多科學(xué)家開始探索一種新的、安全的、溫暖的光源。

經(jīng)過長時(shí)間的試驗(yàn),美國發(fā)明家托馬斯·愛迪生(Thomas Edison)于1879年10月21日點(diǎn)亮了世界上第一盞有實(shí)用價(jià)值的燈。在這一過程中,愛迪生認(rèn)真總結(jié)了以往電燈制造試驗(yàn)的失敗,并制定了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃。愛迪生試驗(yàn)了多種植物,并決定在竹絲碳化后使用竹絲。電燈泡生產(chǎn)后的可用照明時(shí)間增加到1200小時(shí)。這種竹絲燈的使用時(shí)間超過了20年。1906年,愛迪生使用鎢絲提高了電燈泡的質(zhì)量,這就是沿用至LED照明普及之前一直使用的白熾燈,如圖0-1a所示。

1959年,鹵鎢循環(huán)理論被發(fā)現(xiàn),幫助發(fā)明了鹵鎢燈,其發(fā)光效率優(yōu)于普通白熾燈,如圖0-1b所示。

圖0-1 常見白熾燈和鹵鎢燈外形

白熾燈的發(fā)明照亮了全世界,但從能源利用的角度來看,卻存在著嚴(yán)重的缺陷,只有10%~20%的能量轉(zhuǎn)化為光,其余的能量以熱的形式散失。為了更好地利用能源,科學(xué)家們開始了探索新的照明燈具的旅程。1902年,彼得·庫珀·休伊特(Peter Cooper Hewitt)發(fā)明了汞燈,它的光伏效率大大提高,但有明顯的缺點(diǎn),它輻射了大量的紫外線,對(duì)人體有害,而且光線太強(qiáng),因此并沒有被廣泛使用。

1910年,霓虹燈投入使用,這種光源的光是在玻璃管內(nèi)低壓惰性氣體的高壓場(chǎng)中由冷陰極輝光放電發(fā)出的,惰性氣體的光譜特性決定了氖的顏色。

汞燈進(jìn)一步引起了許多科學(xué)家的興趣,他們發(fā)現(xiàn),只要在汞燈管的內(nèi)壁涂上熒光材料,那么當(dāng)水銀的紫外線投射在上面時(shí),大量有害的紫外線就會(huì)被激發(fā)成可見光。然而,由于水銀的啟動(dòng)裝置較差,科學(xué)家們?cè)趯?shí)際操作中遇到了一系列的故障。1936年,喬治·E.英曼(George E.Inman)和其他研究人員利用一種新的啟動(dòng)裝置生產(chǎn)了不同于汞燈的熒光燈。這種熒光燈的制作方法是:在玻璃管中注入一定量的汞蒸氣,在管壁內(nèi)涂上熒光粉,并在管的兩端各安裝一根燈絲作為電極。這種熒光燈的光比白熾燈還亮。它有更高的能量轉(zhuǎn)換效率,更大的照明面積,并可以調(diào)整成不同的光色,因此它一發(fā)明出來就進(jìn)入了普通人的家中。由于熒光燈的成色與白天類似,所以也被稱為日光燈。

熒光燈中的汞會(huì)造成環(huán)境污染,因此,照明科學(xué)家和制造商開始尋找新的照明光源。在20世紀(jì)60年代后期,出現(xiàn)了高壓氣體放電燈,如高壓鈉燈(見圖0-2)和金屬鹵化物燈。

圖0-2 高壓鈉燈外形結(jié)構(gòu)

早在1907年,亨利·約瑟夫·朗德(Henry Joseph Round)在研究碳化硅(SiC)接觸點(diǎn)上的非對(duì)稱電流路徑時(shí),發(fā)現(xiàn)SiC晶體發(fā)出黃光。第一個(gè)二極管應(yīng)該叫作肖特基二極管,而不是pn結(jié)二極管。半導(dǎo)體發(fā)光原理真正應(yīng)用于發(fā)光二極管(Light-Emitting Diode,LED)是從20世紀(jì)60年代初開始的。美國通用電氣(General Electric,GE)公司的尼克·霍洛尼亞克(Nick Holonyak Jr.)利用氣相外延技術(shù)并使用砷化鎵(GaAs)開發(fā)了第一個(gè)商用發(fā)紅光的GaAsP LED,當(dāng)時(shí)產(chǎn)量很低,價(jià)格卻很高。1968年,美國孟山都(Monsanto)公司成為第一個(gè)生產(chǎn)LED的商業(yè)實(shí)體,它開始建立一個(gè)工廠來生產(chǎn)低成本的GaAsP LED,這開啟了固態(tài)照明的新時(shí)代。從1968年到1970年,LED銷量每隔幾個(gè)月就會(huì)翻一番。在此期間,這家公司與惠普(Hewlett-Packard,HP)公司合作降低了LED生產(chǎn)成本,提高了性能,其商業(yè)化生產(chǎn)的GaAsP/GaAs LED器件成為市場(chǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)品。然而,在那個(gè)時(shí)期,這些發(fā)紅光LED的光效為0.1lm/W,遠(yuǎn)低于平均光效為15lm/W的白熾燈。孟山都公司的技術(shù)骨干M.喬治·克拉福德(M.George Craford)為LED的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn),他和他的同事在1972年成功開發(fā)出了黃光LED,他們采用的方法是在GaAs襯底上生長氮摻雜GaAsP激發(fā)層。幾乎在此期間同時(shí)出現(xiàn)了氧化鋅(ZnO)摻雜紅光磷化鎵(GaP)LED和n摻雜綠光GaP LED兩種器件,它們都是通過液相外延(Liquid Phase Epitaxy,LPE)生長的器件。因此,孟山都公司的研究團(tuán)隊(duì)采用氣相外延法,將氮摻雜到GaAsP中,可以生產(chǎn)出發(fā)紅光、橙光、黃光和綠光的LED器件。

1972年,哈密爾頓(Hamilton)公司生產(chǎn)了第一款帶有LED顯示屏的數(shù)字手表。20世紀(jì)70年代中期,德州儀器(Texas Instrument,TI)公司生產(chǎn)了便攜式數(shù)字計(jì)算器,惠普(HP)公司有一個(gè)由紅光GaAsP LED組成的七段數(shù)字顯示器。然而,當(dāng)時(shí)LED顯示屏的功耗非常大。因此,對(duì)液晶顯示屏(Liquid Crystal Display screen,LCD)功耗的需求在20世紀(jì)70年代晚期時(shí)非常強(qiáng)勁。在20世紀(jì)80年代早期,液晶顯示器很快取代了LED在計(jì)算器和手表上的顯示。

生產(chǎn)第一臺(tái)彩色電視機(jī)的公司是美國無線電(Radio Corporation of America,RCA)公司,它在1972年7月采用金屬鹵化物氣相外延(Metal Halide Vapor Phase Epitaxy,MHVPE)生長和摻鎂的氮化鎵(GaN)薄膜獲得發(fā)射波長為430nm的藍(lán)光和紫外光。20世紀(jì)80年代早期的一項(xiàng)重大技術(shù)突破是開發(fā)出一種發(fā)光效率可達(dá)10lm/W的AlGaAs LED。這一技術(shù)的進(jìn)步使LED應(yīng)用于戶外運(yùn)動(dòng)信息顯示,以及安裝在汽車尾部中央頂端的停止燈等照明設(shè)備中。

從20世紀(jì)80年代末到2000年,由于AlGaInP材料技術(shù)、多量子阱激發(fā)區(qū)、GaP透明襯底技術(shù)等LED新技術(shù)的發(fā)展,裸芯片(即未封裝其他材料的芯片)的尺寸和形狀得到了進(jìn)一步的發(fā)展。在20世紀(jì)90年代早期,惠普和東芝成功地開發(fā)出了采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(Metal Organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD)技術(shù)制備GaAlP LED器件。特別是在克拉福德(Craford)等人成功開發(fā)出透明襯底技術(shù)之后,由于其發(fā)光效率高、色域廣而得到了廣泛關(guān)注和迅速發(fā)展。其發(fā)光效率提高到20lm/W,超過了白熾燈的發(fā)光效率。近年來,倒裝結(jié)構(gòu)等技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)一步提高了發(fā)光效率。1993年,中村修二(Shuji Nakamura)等人在日本日立公司采用雙流MOCVD技術(shù)解決了p型InGaN材料的退火工藝。隨后,他們成功開發(fā)出了以藍(lán)寶石為基材的超高亮度藍(lán)光LED器件。很快,綠光和藍(lán)綠光LED的研究也相繼開啟。當(dāng)時(shí),高亮度GaInN綠光LED在交通信號(hào)燈中得到了廣泛的應(yīng)用,但早期n摻雜的GaP綠光燈由于其發(fā)光效率低而受到限制。1996年,日亞化學(xué)(Nichia)公司推出了白光發(fā)光二極管,采用了藍(lán)光LED芯片,芯片上覆蓋了主要由釔鋁石榴石(Yttrium Aluminium Garnet,YAG)組成的熒光粉。不久之后,美國的科銳(Cree)公司還采用了以SiC為襯底的InGaN/SiC結(jié)構(gòu)藍(lán)綠光LED器件。經(jīng)過不斷改進(jìn),該器件性能與藍(lán)寶石襯底器件相同。近年來,紫外(UV)LED技術(shù)的研究也取得了顯著進(jìn)展,從而為新型白光器件奠定了基礎(chǔ)。

上面提到早期LED照明芯片技術(shù)主要有日本公司壟斷藍(lán)寶石襯底和美國公司壟斷碳化硅襯底兩種技術(shù)方案,但是2012年中國的江風(fēng)益教授團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)了硅襯底LED技術(shù),于2015年一舉摘下國家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)的桂冠,這一技術(shù)是一項(xiàng)改寫了半導(dǎo)體照明歷史的顛覆性新技術(shù),并且該技術(shù)成果獲得了包括諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者中村修二等國際權(quán)威的認(rèn)可,形成了藍(lán)寶石、碳化硅和硅三種不同襯底半導(dǎo)體照明技術(shù)方案三足鼎立的局面。

隨著目前LED技術(shù)的進(jìn)步,越來越多的白光LED應(yīng)用已逐漸替代過去的一些傳統(tǒng)光源,包括指示器、便攜式手電筒、LCD屏幕背光板、汽車儀表、醫(yī)療設(shè)備、路燈、室內(nèi)燈等。據(jù)業(yè)內(nèi)人士估測(cè),白光LED已經(jīng)在近10年來廣泛應(yīng)用于普通照明領(lǐng)域,尤其是在國家節(jié)能環(huán)保、低碳經(jīng)濟(jì)政策驅(qū)動(dòng)下加速了這一替代進(jìn)程,如圖0-3所示。

圖0-3 LED道路照明

三、照明的種類

(一)按照明功能分類

照明的種類有正常照明、應(yīng)急照明、值班照明、警衛(wèi)照明和障礙照明。其中應(yīng)急照明包括備用照明、安全照明和疏散照明,其適用原則應(yīng)符合下列規(guī)定:

1)當(dāng)正常照明因故障熄滅后,對(duì)需要確保正常工作或活動(dòng)繼續(xù)進(jìn)行的場(chǎng)所,應(yīng)裝設(shè)備用照明;

2)當(dāng)正常照明因故障熄滅后,對(duì)需要確保處于危險(xiǎn)之中的人員安全的場(chǎng)所,應(yīng)裝設(shè)安全照明;

3)當(dāng)正常照明因故障熄滅后,對(duì)需要確保人員安全疏散的出口和通道,應(yīng)裝設(shè)疏散照明;

4)值班照明宜利用正常照明中能單獨(dú)控制的一部分或利用應(yīng)急照明的一部分;

5)警衛(wèi)照明應(yīng)根據(jù)需要,在警衛(wèi)范圍內(nèi)裝設(shè);

6)障礙照明的裝設(shè),應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行所在地區(qū)航空或交通部門的有關(guān)規(guī)定。

(二)按國際照明委員會(huì)(CIE)推薦的照明燈具分類

可分為五類,即直接型、半直接型、漫射型(包括水平方向光線很少的直接—間接型)、半間接型和間接型。

1)直接型燈具:此類燈具絕大部分光通量(90%~100%)直接投照下方,所以燈具的光通量的利用率最高。

2)半直接型燈具:這類燈具大部分光通量(60%~90%)射向下半球空間,少部分射向上方,射向上方的分量將減少照明環(huán)境所產(chǎn)生的陰影的硬度并改善其各表面的亮度比。

3)漫射型(直接—間接型)燈具:燈具向上向下的光通量幾乎相同(各占40%~60%)。最常見的是乳白玻璃球形燈罩,其他各種形狀漫射透光的封閉燈罩也有類似的配光。這種燈具將光線均勻地投向四面八方,因此光通量利用率較低。

4)半間接型燈具:燈具向下光通量占10%~40%,它的向下分量往往只用來產(chǎn)生與天棚相稱的亮度,此分量過多或分配不適當(dāng)也會(huì)產(chǎn)生直接或間接眩光等一些缺陷。上面敞口的半透明罩屬于這一類。它們主要作為建筑裝飾照明,由于大部分光線投向頂棚和上部墻面,增加了室內(nèi)的間接光,光線更為柔和宜人。

5)間接型燈具:燈具的小部分光通量(10%以下)向下。設(shè)計(jì)得好時(shí),全部天棚成為一個(gè)照明光源,達(dá)到柔和無陰影的照明效果,由于燈具向下光通量很少,只要布置合理,直接眩光與反射眩光都很小。此類燈具的光通量利用率比前面四種都低。

(三)按防觸電保護(hù)分類

為了電器安全,燈具所有帶電部分必須采用絕緣材料等加以隔離。燈具的這種保護(hù)人身安全的措施稱為防觸電保護(hù)。

根據(jù)防觸電保護(hù)方式,照明燈具應(yīng)分為Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類,燈具應(yīng)只屬于一個(gè)類別。每一類燈具的主要性能及其應(yīng)用情況在表0-1中有詳細(xì)的說明。

表0-1 照明燈具的防觸電保護(hù)分類

為了遵循公共安全,原來分類的0類燈具已經(jīng)在國際標(biāo)準(zhǔn)中消除了,因?yàn)?類燈具只依靠基本絕緣,沒有附加的安全措施,萬一基本絕緣失效,就只能依靠環(huán)境了。因此,0類燈具的安全程度最低,已多年不制造0類燈具了,我國標(biāo)準(zhǔn)GB 7000.1—2003中就已刪除了關(guān)于0類燈具的內(nèi)容。

從電氣安全角度看,Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類安全性程度逐步遞增,Ⅲ類安全性最高。在照明設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)綜合考慮使用場(chǎng)所的環(huán)境操作對(duì)象、安裝和使用位置等因素,選用合適類別的燈具。在使用條件或使用方法惡劣場(chǎng)所應(yīng)使用Ⅲ類燈具,一般情況下可采用Ⅰ類或Ⅱ類燈具。

(四)按防護(hù)等級(jí)IP(Ingress Protection)分類

按國際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEC 60529和國標(biāo)GB 7000.1—2015規(guī)定,根據(jù)異物和水侵入燈具外殼內(nèi)部的防護(hù)程度進(jìn)行分類。

表示防護(hù)等級(jí)的代號(hào)通常由特征字母IP跟兩位數(shù)字(特征數(shù)字)組成,第一位特征數(shù)字表示燈具防塵、防異物侵入的等級(jí),其最高級(jí)別是6;第二位特征數(shù)字表示燈具防水、防濕氣的密閉程度,其最高級(jí)別是8。兩位特征數(shù)字的含義分別見表0-2和表0-3,數(shù)字越大表示其防護(hù)等級(jí)越高。如IP65,其中第一特征位數(shù)字即與表2中等級(jí)6對(duì)應(yīng),表示塵密,即無塵埃進(jìn)入完全防塵;而第二位特征數(shù)字與表3中等級(jí)5對(duì)應(yīng),表示防噴水進(jìn)入,其余依此類推。

表0-2 第一位特征數(shù)字代表的防異物等級(jí)

表0-3 第二位特征數(shù)字代表的防水等級(jí)

(續(xù))

注:IP額定值不包括特別的清潔技術(shù)。必要時(shí),建議制造商提供適當(dāng)?shù)年P(guān)于清潔技術(shù)的信息。這與IEC60529內(nèi)推薦的專門清潔技術(shù)相一致。

(五)按照明光源發(fā)光原理分類

可分為熱輻射光源、氣體放電光源和固體發(fā)光光源三大類。

1.熱輻射光源

熱輻射光源是利用電流通過電阻絲發(fā)熱形成的熱輻射發(fā)光,主要有白熾燈和鹵鎢燈。白熾燈的優(yōu)點(diǎn)是顯色性好,缺點(diǎn)是光效低;而鹵鎢燈相比較白熾燈光效更高。

2.氣體放電光源

氣體電光源分為低壓氣體電光源、高壓氣體電光源和輝光放電光源。

(1)低壓氣體電光源

低壓氣體電光源主要有熒光燈、緊湊型熒光燈和低壓鈉燈等,如圖0-4所示。

1)熒光燈:利用熒光粉受電子、紫外線或X射線照射后發(fā)出可見光,其光效比白熾燈高很多。發(fā)射譜線較多為紫外光譜,感覺較冷。

2)緊湊型熒光燈:也稱為節(jié)能燈,利用三種(440nm藍(lán)色、545nm綠色、610nm紅色)不同顏色的稀土熒光粉以適當(dāng)?shù)谋壤M合成的燈管,再配鎮(zhèn)流器。緊湊型熒光燈優(yōu)點(diǎn)有光效高(光效是白熾燈的五六倍),顯色性好(顯示指數(shù)在80以上),光衰小,發(fā)光穩(wěn)定,無頻閃;缺點(diǎn)是易破碎,有汞污染。

圖0-4 低壓氣體電光源

3)低壓鈉燈:利用低壓鈉蒸氣放電發(fā)光的電光源,它玻璃外殼內(nèi)壁涂有紅外線反射膜。優(yōu)點(diǎn)是光衰小,發(fā)光效率高;缺點(diǎn)是發(fā)單色黃光,顯色性較差。

(2)高壓氣體電光源

高壓氣體電光源(簡(jiǎn)稱HID)有高壓汞燈、高壓鈉燈和金屬鹵化物燈等,如圖0-5所示。

圖0-5 高壓氣體電光源

1)高壓汞燈:適用于室內(nèi)外植物照明,發(fā)藍(lán)綠光譜最強(qiáng),所以綠色植物在此光源下色彩更接近白天看到的綠色。

2)高壓鈉燈:光效高,多用于道路照明。顯指低,啟動(dòng)時(shí)間長,燃點(diǎn)溫度很高,眩光明顯。

3)金屬鹵化物燈:綜合比較,比高壓鈉燈更實(shí)用,光效和顯指都略高于高壓鈉燈,但二者都是高壓氣體放電燈,所以啟動(dòng)時(shí)間長。

(3)輝光放電光源

輝光放電是指低壓氣體中顯示輝光的氣體放電現(xiàn)象,即是稀薄氣體中的自持放電(自激導(dǎo)電)現(xiàn)象,由法拉第第一個(gè)發(fā)現(xiàn)。它包括亞正常輝光和反常輝光兩個(gè)過渡階段。輝光放電主要應(yīng)用于氖穩(wěn)壓管、氦氖激光器等器件的制造。

3.固體發(fā)光光源

固體發(fā)光是指電磁波、電能、機(jī)械能及化學(xué)能等作用到固體上而被轉(zhuǎn)化為光能的現(xiàn)象。由此可見,固體發(fā)光的激發(fā)方式有很多種,如光致發(fā)光、陰極射線發(fā)光、X射線及γ射線發(fā)光、場(chǎng)致發(fā)光、高能粒子激發(fā)發(fā)光、化學(xué)發(fā)光、生物發(fā)光和摩擦發(fā)光等,其中,真空陰極射線發(fā)光、X射線及γ射線激發(fā)發(fā)光、高能粒子激發(fā)發(fā)光中,粒子的能量很高,激發(fā)不均勻,它們將產(chǎn)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、電子-正電子對(duì)、二次電子等與發(fā)光無關(guān)的效應(yīng),但經(jīng)過能量調(diào)整,可以達(dá)到發(fā)光過程和光致發(fā)光類似。

場(chǎng)致發(fā)光又稱電致發(fā)光,典型代表就是發(fā)光二極管(LED),其基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料。LED光源有諸多優(yōu)點(diǎn),如低壓供電、節(jié)能、面積小、穩(wěn)定性好、響應(yīng)時(shí)間極短、無污染、色彩豐富,如圖0-6所示。早期LED有一個(gè)最大缺點(diǎn)就是價(jià)格昂貴,但是現(xiàn)在技術(shù)的不斷成熟以及光效和光品質(zhì)的不斷提高,普通照明用LED價(jià)格昂貴這一問題得到了解決,通用照明LED光源得到了廣泛應(yīng)用。因而本書的照明設(shè)計(jì)主要是針對(duì)LED的二次光學(xué)設(shè)計(jì)展開的。

圖0-6 LED光源及應(yīng)用

除了以上幾大類光源外,還有一種照明光源也是很有特色的,那就是光纖照明系統(tǒng)。光纖照明系統(tǒng)是由光源、反光鏡、濾色片及光纖組成的,光源通過反射鏡后,形成一束近似平行光的光束,濾色片將該光束變成彩色光,彩色光隨光纖到達(dá)目的地。若光源采集的是太陽光,則類似于導(dǎo)光管式陽光導(dǎo)入系統(tǒng),如圖0-7a所示。若光源經(jīng)過濾色片得到某些特殊顏色的光,則還可用于裝飾性目的照明用,如圖0-7b所示。

圖0-7 光纖照明系統(tǒng)

光纖照明系統(tǒng)一般采用的光源是高亮度的點(diǎn)光源,反光鏡是非球面反光鏡,濾色片根據(jù)需要采用不同的顏色,光纖傳輸光由于光纖的彎曲或傳輸介質(zhì)對(duì)光的吸收導(dǎo)致光能量有不同程度的損耗,所以,光纖照明系統(tǒng)對(duì)光的傳輸距離是有一定限度的,一般最遠(yuǎn)距離是30m左右。

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