2.2 人工光源

2.2.1人工光源的发明与发展

火是人工照明的第一个光源，50万年以前，人类已经广泛地使用火作为照明光源了，人们举起燃烧的木头，就成为现在还有人使用的火把。

接着的史前发明是在熔化的油脂中燃烧纤维。这个发明诞生了灯芯，它是具有毛细作用的一束线，使燃料上升进入火焰中，它改善了以热发光为基础的照明效率。灯芯和蜡烛芯成为油灯和蜡烛的关键部件。那时的灯是一个浸有灯芯的浅容器，考古证明石制的灯在三万到七万年前开始使用，其后具壳、陶器和金属的灯出现了，但是发光过程并没有本质上的改变。蜡烛通常认为是在罗马时代出现的，它应用了和灯芯相同的原理，而燃料（蜂蜡、牛油，后来是石蜡）是在火焰的加温下熔化的。

化学家拉瓦锡（A.L.Lavoisier）的研究发现燃烧是由于空气中存在氧。18世纪末，日内瓦的阿格兰（Ami Agrand）设计了具有置于两个同心管中的管状灯芯，外加一个玻璃罩的灯。这种设计改善了火焰燃烧的空气供应，光强提高了10倍。这种灯曾向英王乔治三世演示，并获得了一项英国专利（1784年1425号）。在19世纪，人们对油灯进行了大量改进，包括灯芯、灯头设计和矿物油的应用。1850年出现的煤油灯成为应用最广泛的照明设备，这种灯至今仍为没有电力供应的地区使用。

爱迪生（Thomas Alva Edison）是白炽灯丝灯最成功的发明家。1879年末，爱迪生演示了他的装置并获得了灯丝灯的美国专利（1879年223898号），其后他使用了一种日本竹的碳化纤维，成立了爱迪生电灯公司（即后来的通用电气—GE）。最终，钨丝取代了碳，于1903年完成了白炽灯的基本形式（A.Just，F.Hanaman，德国专利，1903年154262号）。

休伊特（Peter Cooper Hewitt）获得了汞蒸气灯的专利。1938年，通用电气和西屋电气公司将新型彩色和白色荧光灯投入市场，这种灯就是在内壁涂有荧光粉的低压汞蒸气放电灯，汞的紫外发射激发光致发光。最早的荧光粉是天然矿物，其后被合成的无机材料所替代，从1948年起，通用的白色荧光灯用荧光粉是Sb3+和Mn2+激活的卤磷酸钙Ca5（PO4）3（F，Cl）。荧光灯效率可达白炽灯的几倍，但缺点也是很明显的，它含有污染环境的汞，汞进入人体内难以排出，具有积累效应。

20世纪90年代末，照明界深感有必要开发新世纪照明光源，全力研制21世纪新光源。在欧洲召开专门会议制订了计划，世界上著名电光源公司如Philips、Osvam和GE公司以及欧洲有关大学、研究所均参与并开始实施。主要目标是：①研究高效、节能、新颖光源；②研究照明工业新概念、新材料，防止使用有害于环境的材料；③设计模拟自然光的理想白色光源，显色指数接近100。

发明于1962年的半导体发光二极管经过30年的发展，其发光效率大幅度提高，每10年提高10倍，30年竟提高了1000多倍，超过了当时的白炽灯。美国HP公司的哈兹（R.Haitz）等人于1999年10月6日发表文章提出，半导体已在电子学方面完成了一场革命，第二场将在照明领域发生。他们预计，到2020年左右，半导体照明光源的效率有可能达到200lm/W，超过其他电光源，且能符合上述目标。接着在国际范围内掀起了竞相成立LED照明公司的热潮。三大照明公司都与半导体发光器件行业中的佼佼者成立合资的半导体照明公司，Philips照明公司与HP Agilent公司成立Lumileds Lighting公司，Osvam公司与西门子光电子部门成立Os-ram光电子公司，GE公司与Emcore公司成立Gelcore公司，均投入大量人力和财力加紧进行研发工作，目标是使LED成为21世纪新光源。

实现这一目标的实际意义是可以减少用于照明的全球电量的50%，即减少全球总电能消耗的10%，全球节电每年达1000亿美元，相应的照明灯具1000亿美元（其中相应的光源200亿美元），还可免去超过125GW的发电容量，节省开支500亿美元，合计节支2500亿美元，并可减少二氧化碳、二氧化硫等污染废气3.5万亿吨。

2.2.2白炽灯

19世纪末发明的白炽灯是利用了热辐射原理制成的第一代人工照明光源。其灯丝用钨做成，它熔点高（3683K）、蒸发率很低、机械性能好、加工容易。为减少钨丝与灯中填充气体的热交换，从而减少由于热传导所引起的热损失，常将直线钨丝绕成螺旋状，采用双重螺旋灯丝的白炽灯，光效更高。

芯柱由铅玻璃制成，它有较好的绝缘性，还能很好地与电导丝进行真空气密封接。电导丝由3部分组成，上面的部分即内导丝，用以与灯丝焊接；中间部分是杜美丝，与铅玻璃进行气密封接；下部称外导丝，熔点较低，可起熔丝的作用。

为了减少灯丝的蒸发，从而提高灯丝的寿命，必须在灯泡中充入合适的惰性气体。一般采用氩氮混合气，氮的作用是防止灯泡产生放电。混合气的比例依工作电压、灯丝温度和导丝之间距离而定。也可用氪取代氩气，不仅提高寿命，还可提高光效。

灯头是白炽灯电连接和机械连接部分，主要有插口灯头和螺口灯头两种。

白炽灯的光效在8～15lm/W，100W以上可达15lm/W，100W以下功率越小效率越低。这与其热辐射发光的本质有关。在复杂的设计中，为提高效率，用红外反射膜把长波辐射反射回灯丝，使它保持更高的温度。

引起白炽灯失效的主要原因是灯丝蒸发消耗钨。由于几何结构的不均匀性灯丝会引起“热点”，此高温点往往是最易损坏之处。典型的寿命是1000～2000小时。高寿命的措施如加粗钨丝等方法虽然有一定效果，但都是以损失效率为代价的。可以说，寿命和光效是白炽灯的基本矛盾。白炽灯的光效之所以很低，主要是由于它的大部分能量都变成红外辐射，可见辐射所占的比例很小，一般不到10%。

白炽灯色温较低，约为2800K，与6000K的太阳光相比，白炽灯的光线带黄色，显得温暖。它的辐射覆盖了整个可见光区，在人工光源中，它的显色性是最好的，显色指数Ra=100。

白炽灯可以进行调光，没有限制。调光灯的灯丝工作温度降低，从而使光的色温降低，灯的光效降低，但寿命延长。当电源电压变化时，白炽灯的工作特性会发生变化。例如，当电源电压升高时，灯的工作电流和功率增大，灯丝工作温度升高，发光效率和光通量增加，寿命缩短。

白炽灯的寿命一般是指平均寿命，即足够数量的同一批寿命试验灯的全寿命的算术平均值。

2.2.3卤钨灯

对白炽灯来说，钨丝的蒸发是不可避免的，如果能让蒸发出来的钨又重新回到钨丝上，这样钨丝的温度，也就是灯的光效可以大大提高，泡壳也不会发黑，灯的寿命不会因为光效的升高而下降，卤素正好能实现这个功能。早在1882年，就有一项专利阐述了利用氯元素来减慢泡壳发黑速度的化学输运循环。第二年，就有人进行试验，成功地减慢了白炽灯壳的黑化率。但由于控制较难，这一原理长期未得到广泛应用。直到1959年第一个实用型卤钨灯才被开发成功。它是由一根线状灯丝和少量碘一起充入熔融二氧化硅（石英）管构成的。其后，数千种型号和规格的卤钨灯被开发出来，广泛应用于泛光照明、投影、商店橱窗展示等，用以取代普通白炽灯。

卤钨循环的简单解释如下：

式中，X代表所用卤素，W代表钨，而n代表原子数。在泡壳附近，蒸发并扩散到泡壳的钨原子和气体中的卤素原子化合成卤化钨，因此，几乎没有钨会聚集在泡壁上，泡壳温度必须足够高以保持卤化物为气态，而最低泡壳温度是由所含的卤化物的分解温度决定的，即泡壳温度不能达到卤化物的分解温度。

泡壳处的卤化物浓度最高，它们会向灯泡的中心扩散，直到它们在靠近高温灯丝的地方热分解，而分解产生的钨原子沉积在灯丝或支架上，这样一个卤钨循环的动态平衡建立起来了。这个输运过程使灯泡壁上钨的量几乎为零，增加了灯丝上钨的量。结果，灯丝温度可达3450K，效率也相应得到改善。而灯的寿命也得到相应延长。

为了使管壁处生成的卤化钨处于气态，卤钨灯的管壁温度要比普通白炽灯高得多（250℃）。所以卤钨灯的泡壳尺寸要小得多，必须用耐高温的石英制成或用硬质玻璃制成。因为没有金属与石英的低膨胀系数相匹配，通常是将熔融的灯泡压在钼箔上制成气密封接。

卤素（碘、溴、氯和氟）通常以卤代烃（如CH3Br）的形式引入作为卤钨循环剂。碘钨灯寿命相对长些，而溴钨灯的光效相对高些。

卤钨灯的失效机理和传统的白炽灯类似。但是一般来说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。卤钨灯分为单端和双端两种，两者都可以采用红外反射膜来提高光效，一般可提高15%～20%。

一般照明用的卤钨灯的色温为2800～3200K，较白炽灯光色更为白一些，色调也稍冷一些，其显色性特别好，一般Ra=100。

对卤钨灯也可以调光。对于低压卤钨灯，可选用常规的电感变压器，但调光范围会受到限制，若选用电子变压器，调光范围可以扩大，但不能太暗，因为降低温度会中止卤素循环。

卤钨灯是一种方便、紧凑、不闪烁的强光光源，广泛应用于泛光灯、汽车前灯、照相和电视工作室照明，甚至也用于居室照明的局部照明。

2.2.4荧光灯

由放电产生的紫外辐射激发荧光粉而发光的放电灯，称为荧光灯。它是一种低电压汞蒸气弧光放电灯。由于具有高于白炽灯许多倍的光效，得到广泛应用，被人们称为第二代人工光源。

荧光灯通常为长管状，两端各封有一个电极。灯内含有低气压的汞蒸气和少量的惰性气体。灯管的内壁涂有荧光粉层。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，照射到荧光粉涂层上，被荧光材料所吸收，其中一部分转化为可见光并释放出来。一个典型的荧光灯发出的可见光，大约相当于输入到灯内总能量的28%。其光电性能主要取决于灯管的几何尺寸即长度和直径、填充气体和压强、涂敷荧光粉以及制造工艺。

荧光灯可分为以下几类。

（1）直管型

直管型荧光灯的标准化尺寸和额定功率已在IEC81（1984）文件中作了明确规定。直径可以分为T5、T6、T8和T12等。T下数字表示1/8英寸（3.175 mm），例如，T8表示灯管直径为1英寸（1英寸=2.54cm），T12表示灯管直径为1.5英寸。在20世纪90年代中期又生产设计了T5（φ16mm）荧光灯，并将原来使用的卤磷酸钙荧光粉改用稀土三基色荧光粉，进一步提高了光效，比T8节电20%，显色指数也从原来的50～70提高到80～85。灯管的平均寿命也提高到了8000～10000小时。

（2）环型荧光灯

环型荧光灯管径为29mm，它的功率和环形尺寸有20W（φ227mm）、30W（φ308mm）、40W（φ397mm）。近年来又有生产管径为16mm的T5环形灯管，它又分为两类：高光效型和高光通型，据介绍它的高光效型耗电比T9环形荧光灯节省10%左右；高光通型的光通量比T9型环形荧光灯提高30%左右。

（3）高光通单端荧光灯

单端荧光灯是一种具有单灯头的装有内启动装置或使用外启动装置并连接在外电路上工作的荧光灯。此类荧光灯长度仅为直管型的一半，不仅结构紧凑，并且由于采用稀土三基色荧光粉，光通量、光效均高，维持率也好。这种灯单端接线，布线简单方便，其灯管直径为20mm，相当于T6。

（4）紧凑型荧光灯

紧凑型荧光灯是以其形状非常紧凑而得名的，通常管径较细，在20mm以下。通常有四种：H型、U型、螺旋型和球型，一般都是单端型。由于比较节电，又称节能灯。

它的管径有φ7mm、φ9mm、φ12mm、φ14mm、φ16mm、φ20mm等，其功率为3～120W，各种规格，应有尽有。

一般整灯光效可达65～70lm/W，优质的球形荧光灯整灯光效可达75～80lm/W，平均寿命为8000～10000小时。

球形荧光灯可克服普通节能灯的内侧管壁光直接利用率低和管壁温度偏高的缺点。当球形灯的管径为16.5mm，球外径为132mm，灯管发光直接利用率可达80%，而4U灯管径为16.5mm，外径为70mm，直接利用率仅为48%，螺旋灯的直接利用率为47%左右。球形灯功率为13～110W，值得推广应用。

（5）无极荧光灯

无极荧光灯又称为电磁感应荧光灯。它由高频发生器、功率耦合线圈和无极荧光灯管组成。由于没有电极，所以寿命较长，是一般荧光灯的几倍。目前生产的无极荧光灯功率范围在

20～200W。

荧光灯的驱动电路主要有电感式镇流器和电子式镇流器两种。电感式镇流器优点明显，性能稳定可靠，价格低，但缺点同样突出，功率因数低、功率损耗大。其功率因数仅为0.4～0.5。而电子镇流器功率因数一般可达0.9以上。

通常要求照明设备校正后的功率因数不小于0.85，要求高的场合需达到0.9以上。对于低于30W的照明电路，一般可以不校正，故而市场上26W以下的荧光灯，多数是低功率因数，只有0.5左右。

荧光灯的失效通常是由阴极劣化所决定的，寿命在5000～24000小时之间。由于荧光灯的劣化，寿命结束时，灯的光输出降到初始值的70%～80%。

荧光灯的寿命认定是根据IEC81.1984规定进行测试的。即足够数量的一批荧光灯用特制的镇流器点灯，每3小时开关一次，每天开关8次，直到50%的灯管损坏的时间就是该批荧光灯的寿命。

和所有的放电灯一样，荧光灯中含有汞。欧洲一些国家已对每只荧光灯中的汞量进行限制，并要求生产厂对搜集和循环利用度灯管进行负责，但实际上这是一个很麻烦的事，需要全国性和国际性的基层设施。

在工业化的国家，荧光灯提供了最主要的人工照明。在工业、商业建筑物和学校以及办公室和家居中，荧光灯占据了统治地位。

2.2.5低压钠灯

低压钠灯是另一种低压放电光源，与荧光灯的汞蒸气放电不同，它是钠蒸气放电。低压钠灯内填充了钠金属和少量Ne和Ar混合的惰性气体，Na原子在放电时受到激发和电离，当受激Na原子从激发态跃迁回基态时，将在589.0nm和589.6nm波长位置产生共振辐射，这两根谱线被称为钠的双黄线或D线。由于该辐射位于人眼明视觉光谱光视曲线的峰值附近，因此低压钠灯具有很高的发光效率，其光效是目前所有人造光源中最高的，其光效达200lm/W。

灯的设计以一个抗钠复合玻璃制成的U形电弧管为基体。电弧管的外表面微凹，使钠均匀分布。在工作温度下，钠蒸气压保持在0.7～1Pa。阴极靠离子轰击加热到电子发射温度。为减少热损失，电弧管封装在一个外套管中，二管之间抽真空并放入吸气剂，在灯的使用寿命内维持真空度。外套管的内壁镀有反射红外线的氧化铟膜。开灯时，氖开始放电，加热10～15分钟后，钠蒸气达到最佳值。

低压钠灯的标称功率是18～180W，光输出1800～33000lm。失效主要是由于阴极劣化，典型寿命值为14000～18000小时。

其主要缺点是显色性差，显色指数Ra= -44。另一个缺点是预热时间长。这些缺点使得低压钠灯仅应用于部分道路照明和安全照明。

2.2.6高压放电灯

高压放电和低压放电在物理上的不同在于，在高压放电中，由于高的弹性碰撞速率，原子和离子这些重粒子被加热到几乎和电子一样的温度。在101325Pa左右的压力下，等离子体的温度在4000～6000K范围内。由于和周围壁的相互作用，电弧中建立了一个径向温度梯度。大分部光是在电弧的中心部分产生的。然而由于温度梯度，热从中心流出，使辐射效率降低到大约60%。高气压引起谱线碰撞宽化，产生的宽发射带大大改善了光的显色性。

高压放电灯的灯体是一个带有固定电极的电弧管，为降低热损失，电弧管装在一个外套管中。灯的供电装置包括一个镇流器和能在高气压下开始放电的高压点火器。高气压高强度放电灯（HID灯）的结构类似，主要有三类，汞灯、高压钠灯和金属卤化物灯。

（1）汞灯

汞蒸气放电仅在高压下才能有效地发射可见光。在0.2～1MPa下，发射光谱移向宽的长波谱线（405nm、436nm、546nm和578nm）且含有连续发射的本底。其放电管采用熔融石英管制成，以允许在高温、高压下工作，以获得高的光效。管中有一定量的汞。电极用掺入电子发射材料的钨制成。为了加速启动，维持氩气压在2400～4800Pa并引入辅助电极。把软化的石英压在钼箔上实现气密性封装。外套管一般用硼硅玻璃，充入氮气或氮氩混合气体防止内部结构氧化并抑制内部放电。

透明的汞灯由于红光不足显色性能极差（Ra=16）。改善办法是在外套管的内壁上涂敷能受紫外线激发产生红光的荧光粉，典型材料是铕激活的钒酸钇，可将显色指数提高到50，并提高发光效率。

高压汞灯开始工作时，电压加在两个主电极和主电极与辅助电极之间，由于辅助电极与同端主电极距离很近，两者之间就产生辉光放电，并向主电极之间的弧光放电过渡。随着放电产生的热量使管壁温度上升，汞逐渐气化使蒸气压上升，开始时的蓝色低气压放电逐渐过渡到高气压放电，长波长的辐射增多，而且产生一些连续发射，光色逐渐变白；当汞全部蒸发后，放电管电压稳定，就成为稳定的高压汞蒸气放电，这一过程需要4～10分钟。

在高压汞灯中，消耗的能量一半以上变成了热量，发光效率45～1000W的是20～50lm/W。失效一般都是由于电极不再发射电子，寿命可达24000小时，由于光输出逐渐降低，通常使用8000～10000小时就要更换。高压汞灯主要用于道路照明，作为钠灯的补充。显色性能改善的灯也可用于商场和广场照明。

（2）高压钠灯

高压钠灯是利用高气压钠蒸气放电来发光的。其研制成功是因为制造出了适合作为高压钠灯电弧管的多晶氧化铝陶瓷材料，它是半透明的，能承受高温下钠的侵蚀。低气压的钠蒸气放电，有近85%的辐射能量集中于近乎单色光的双D线。提高钠蒸气压到7000Pa左右时，谐振谱线D线放宽，灯的显色性得到明显的改善，Ra达到20～25。发光效率降至100lm/W左右。提高钠蒸气压，可使Ra达到60甚至更高，但发光效率会进一步下降，寿命也会缩短。典型寿命为24000小时，失效原因是电弧管部件劣化。显色性能较低压钠灯有较大改善，但对于道路照明以外的其他应用仍然太低。

高压钠灯主要用于道路照明，道路照明的亮度环境是0.1～3cd/m2，属于人眼的中间视觉范围（10 -2～10cd/m2）。由于人眼的视感曲线从明视觉向暗视觉过渡时，会出现向短波长方向移动的现象，所以实际光效还会下降，这是在与全光谱的白光光源作实际光效比较时必须考虑的。

（3）金属卤化物灯

金属卤化物灯是在放电管内添加金属卤化物，使金属原子或分子参与放电而发出可见光。调配金属卤化物的成分和配比，可以得到全光谱（白光）的光源。

其电弧管目前大部分采用石英制成，为了提高电弧管的冷端温度，在电极周围的泡壳区域涂以白色的氧化锆红外反射层。单端的金属卤化物灯的外套壳也由硬质玻璃制成。外套壳的形状有管状的，也有椭球形的，前者是透明管，后者是涂有荧光粉的。单端灯一般采用E40螺口灯头，也有采用双插脚灯头。双端灯则有的没有外壳，有的用石英做外壳。椭球外壳内壁所涂的荧光粉可将放电产生的紫外线转换成可见光。

电弧管中充入惰性气体（氩、氖、氖 -氩、氪 -氩）和精确定量的汞，以及适量的金属卤化物。

金属卤化物灯的蒸气扩散到电弧弧心时，在高温作用下分解成金属原子和卤素原子，金属原子辐射出所需要的光谱，以改善高压汞灯的光谱并能提高发光效率。当金属和卤素原子扩散到电弧外围的管壁区域时，两者又复合成金属卤化物。扩散→分解→扩散→分解这样的循环过程，在灯中不断地重复进行。其光谱主要由添加的金属辐射的光谱所决定，汞的辐射谱线的贡献很小。根据辐射光谱的特性，金属卤化物灯可以分成以下四类：

①选择几种发出强线光谱的金属卤化物，将它们加在一起，得到白色的光源，如钠-铊-铟灯。

②利用在可见光区能发射大量密集线光谱的稀土金属，得到类似日光的白光，如镝灯。

③利用超高气压的金属蒸汽放电或分子发光产生连续辐射，获得白色的光，超高压铟灯和锡灯即是。

④利用具有很强的近乎单色辐射的金属，产生色纯度很高的光，如铊灯产生绿光、铟灯产生蓝光。

最近开发了一种采用半透明陶瓷作为电弧管的金属卤化物灯。由于陶瓷能耐更高的温度，化学性质极其稳定，因而制成的金卤灯不仅光效更高、光色更好，而且颜色稳定，灯的寿命更长。小功率的陶瓷金卤灯光效可达90～95lm/W，显色指数Ra=94，平均寿命9000～15000小时。中功率陶瓷金卤灯有250W和400W，发光效率100lm/W左右，显色指数Ra=90，寿命达20000小时。它们可以在商店作为一般照明和重点照明，也可进入办公室照明和家居照明，另一种应用是汽车前照灯。

2.2.7无电极放电灯

各类放电灯失效的主要原因都是电极劣化。无电极放电早在100年前就发明了，但只是到最近才得到使用。放电主要是由电感或微波辐射激发的。

无极电感灯应用了灯中的等离子体和电感线圈的磁耦合。气体最初的击穿是加在线圈上的电压引起的，击穿后靠分布电容维持。放电开始后，电弧在线圈周围形成了一个环。在高于1MHz频率下能获得较高的耦合系数。通常，灯泡中装有一个电感为10μH的铁氧体芯线圈。灯泡内充有惰性气体，并且有一个汞源。为将汞的紫外辐射转换为可见光，灯泡内壁涂敷荧光粉。目前制成的无极电感灯一般在23～85W范围内，发光效率为47～71lm/W，显色指数Ra=80，寿命可长至100000小时。

硫灯是另一类无极放电灯，它利用微波驱动硫蒸气放电。利用微波硫等离子体辐射可见光的新机理，将充有硫元素和氩气的石英泡壳，在频率为2.45GHz微波能量的驱动下，通过硫分子的跃迁，实现连续可见光谱的辐射。其发射光谱接近太阳光谱。

其结构无电极，寿命较长，可达30000～40000小时，发光效率较高，大于91lm/W，显色指数Ra=83。

目前小功率的100W微波硫灯也已制成，它是唯一无汞的放电型白色光源，适用于许多大面积照明应用，如仑库、飞机库、停车场、会议厅、广场等。

2.2.8发光二极管

发光二极管是一种半导体二极管，它能将电能转化成光能。电能造成比热平衡时更多的电子和空穴，与此同时，由于复合而减少电子和空穴，造成新的热平衡，在复合过程中，能量以光的形式放出。发光二极管的实质性结构是半导体p-n结，它通常是指在一种导电类型的晶体上以扩散、离子注入或生长的方法产生另一种导电类型的薄层来制得的。

小功率发光二极管是在支架上以银浆黏结具有p-n结的芯片，外加环氧树脂封帽，它的作用一是保护芯片和引线，二是可起到透镜的作用，以决定光束角的大小。大于1W输出功率的称功率发光二极管，为了加强散热功能，将较大的芯片（如1mm×1mm）采用合金固晶工艺固定在金属或导热陶瓷基板上，再以透明硅胶进行封装的器件。

发光二极管作为一种新颖的半导体光源，其特点为：

（1）节能LED能耗较小，随着技术进步，它将成为一种新型的节能照明光源，目前白光功率LED的出光效率已经达到161lm/W，商品也已达到100lm/W，超过了荧光灯的平均水平，远远高于白炽灯和卤钨灯的发光效率。预计到2020年，白光LED的发光效率将达到或超过200lm/W，即超过所有传统光源。理论效率可达到300lm/W。

（2）环保 现在广泛使用的荧光灯、节能灯以及汞灯、金卤灯等电光源中都含有危害人体的汞，而且是积累性的，较难排出。这些光源的生产过程和废弃的灯管都会对环境造成污染，LED则没有这些问题。LED的可见发射光不含有紫外及红外光，是一种“清洁”光源。此外由于节能可减少二氧化碳、二氧化硫以及氮氧化物等有害气体排放，对大自然起到重要的保护作用。

（3）美化生活 发光二极管已能发出各种颜色的光，而且发光效率很高，加上先进的驱动和控制技术，可以得到五光十色、鲜艳、灵动的各种效果，景观照明得到了空前的发展，正向人性化、智能化和艺术化方向前进。

（4）寿命长LED的使用寿命可以长达5～10亿小时，传统光源在这方面无法与之相比。白炽灯为1000小时，荧光灯、金卤灯10000小时，高压钠灯20000小时。而且从照明成本来讲，不仅要考虑一段时间内的光源消耗量问题，还要考虑一些维护和换灯困难的场合，采用LED作为光源将大大降低人工费用。

（5）启动时间短LED的响应时间只有几十纳秒。白炽灯的响应时间为零点几秒，气体放电灯从启动到光辐射稳定输出，需要几十秒至十几分钟时间。在一些需要快速响应或高速运动的场合，应用LED作为光源是很合适的。

（6）结构牢固LED是一种全固态的光源，其结构中不含玻璃、灯丝等易损坏的部件，所以耐振动、抗冲击，不易损坏。这一特性使它可以用于条件苛刻和恶劣的环境。

（7）发光体接近点光源 这对灯具设计的二次配光带来许多方便。

（8）可以做成薄型灯具 传统光源一般都是向光源的四面八方发射，设计成灯具为了提高光线利用率，往往用反射器收集光线并向需要的方向照射，反射器与光源之间有一定的距离，而反射器又有一定的曲率，因此灯具就有相当的厚度。而发光二极管的方向性很强，很多情况下只需用透镜将其发出的光线进行准直、偏折，而不需要使用反射器，这样设计的灯具厚度较小，可以做成薄型美观的半导体照明灯具，尤其适合于没有太多灯具安装空间的场合。

发光二极管不仅可以用做指示灯，显示光源和信号光源，而且可以取代白炽灯、荧光灯、钠灯等用于一般照明。人们认为LED是继白炽灯、放电灯光源之后的第三代电光源，也称之为21世纪新光源。

2.2.9照明的经济核算

表2-1总结了各种光源的重要数据。从经济的角度看，不同光源产生光的价格是一个很有意义的问题。

光的价格可以由灯的价格和消耗的电的价格除以整个寿命中产生的流明数来粗略估计。这样，1Mlm·h的价格为：

式中，C′L是考虑外电路价格（如果所考虑的灯需要外电路）修正的灯的价格；C1kW·h是每千瓦时的电价；η′L是考虑镇流器损耗后的发光效率；PL和 τL分别是灯的额定功率和寿命。式（2-2）右边的第一项考虑灯的价格，第二项表示1Mlm·h耗电的价格。应该说明的是，在式（2-2）中没有考虑维护和处理含汞废灯的费用。

表2-1最右边的一列是估计的结果。外部镇流器价格引起的修正占总价格的25%，启辉器的价格忽略。外镇流器的损耗大约是灯额定功率的20%。电价以1kW·h 0.10美元计算，灯和镇流器价格用出厂价。

从表2-1可以看到，价格最低的光是钠灯产生的质量最差的光。对于有高显色性的通用照明光源，荧光灯是价廉物美的。节能灯光的价格是白炽灯的1/3～1/2。白炽灯是最贵的光，它仍被应用的原因是发射的光有家居照明偏爱的高质量以及诱人的低的灯价。

为了节能减排和保护环境，澳大利亚于2008年2月宣布一项计划，将在2010年前全面禁用白炽灯，预计到2012年此举可使澳大利亚每年减少80万吨温室气体的排放。欧盟、美国加州等州和美国、日本也相继宣布从2010～2012年起禁产、禁销、禁用白炽灯的政策。

全球每年耗电量为1×1013kW·h，其中21%用于照明，发光效率提高1%，每年就能节约20亿美元。但是，传统光源的发光原理本质上是耗散型的，效率已难以提高，而新的发光原理的半导体光源呢？能否成为高效新光源呢？

LED的发明者Holonyak在发明的第二年初，即1963年2月的“读者文摘”杂志上报道说：“我们坚信LED会发展成实用的白色光源”，接着Holonyak作了下述明确的预言：“将来的灯可以是铅笔尖大小的一块合金，实用而不易破碎，决不会烧毁，比起今天通用的灯泡来说，转换效率至少大10倍”。