大功率——LLEEDD知的識（發(fā)十一展） 趨勢

施克孝，張國森

（1.中廣國際建筑設計研究院，北京 100034；2.中央電視臺技術管理中心，北京 100859）

LED光源，是繼愛迪生發(fā)明白熾燈之后人類歷史上的又一項重大發(fā)明。LED照明，被譽為現(xiàn)代的節(jié)能環(huán)保型“綠色照明”。LED照明產(chǎn)業(yè)，不愧為21世紀的朝陽產(chǎn)業(yè)。

如今，LED產(chǎn)品已用于照明行業(yè)的各個領域，如背光照明（手機、液晶電視等）、大屏幕顯示屏、汽車燈、交通信號燈、路燈、礦燈、景觀照明、影視及舞臺照明等等。本文重點闡述與影視、舞臺照明有關的問題及發(fā)展趨勢，并作為本系列文章的一個小結。

1 LED的出現(xiàn)

LED是一種可將電能轉(zhuǎn)換成光能的半導體發(fā)光器件，屬于固態(tài)照明。事實上，從LED“電致發(fā)光”現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，到其開始實際應用，再到廣泛應用于各個領域，經(jīng)歷了一個漫長的過程。

1907年，科學家第一次從一塊碳化硅里發(fā)現(xiàn)了電致發(fā)光現(xiàn)象。由于其發(fā)出的黃光太暗，不能實際應用，因而放棄了對這一現(xiàn)象的研究。1936年在研究硫化鋅粉末發(fā)光的報告中，出現(xiàn)了“電致發(fā)光”這一術語。

世界上最早的LED是1965年用鍺材料制成的。此后不久，采用磷砷化鎵（GaAsP）材料制成的紅光LED問世。當時其光效只有0.1 lm/W。1968年，LED的光效達到了1 lm/W，并出現(xiàn)了紅、橙、黃三種顏色的產(chǎn)品。20世紀80年代，紅光LED的光效達到了10 lm/W。

20世紀90年代中期，高亮度藍光LED問世。有了藍光，就可以用多種辦法得到白光。如此前LED系列文章所述，藍光是產(chǎn)生白光LED不可缺少的顏色。有了藍光，可以用紅、綠、藍三基色LED相加得到白光；也可以用藍光加黃光（藍光照射YAG熒光粉得到黃光）產(chǎn)生白光；與此同時，研制出了發(fā)紫外線的LED，用紫外線LED激發(fā)三基色熒光粉也可以得到白光。白光LED的問世，是電光源發(fā)展史上的一大革命，它打開了通往LED功能性照明領域的大門。

最近，超高亮度的白光LED在實驗室的光效已經(jīng)超過200 lm/W，商用產(chǎn)品已經(jīng)超過100 lm/W。同時，適用于影視、舞臺用的高顯色LED已經(jīng)開始在電視演播室及舞臺工程中使用。

2 電光源的分類

LED光源被稱為第四代光源，這是怎么劃分的呢？

人類用光的歷史可以追溯到很久以前?？脊虐l(fā)現(xiàn)，50萬年之前，人類已經(jīng)知道舉起燃燒的木頭用做照明，并成為現(xiàn)在還在使用的火把；3萬7千年前，人類開始使用石制的油燈照明。后來，貝殼、陶器、金屬的油燈相繼出現(xiàn)。再后來，才出現(xiàn)了蠟燭等照明用具。

但就電光源而言，從1879年愛迪生發(fā)明第一只燈泡算起，只有一百多年的歷史。如無特指，通常說的光源分類都是指電光源的分類。電光源按發(fā)光原理一般分為四代：

（1）第一代光源 —— 熱輻射發(fā)光（有人稱之為電阻發(fā)光），如白熾燈、鹵鎢燈。

（2）第二代光源 —— 利用弧光放電使氣體（含金屬蒸汽）發(fā)光，如高壓鈉燈、氙燈、金屬鹵化物燈。

（3）第三代光源 —— 熒光粉發(fā)光，例如生活中用的日光燈，電視演播室、舞臺用的三基色熒光燈等。

（4）第四代光源 —— 固態(tài)照明，利用半導體發(fā)光，以目前正迅速發(fā)展的LED光源為代表。

第一代光源用的時間最長，到現(xiàn)在，它還在影視、舞臺上“唱主角”。這主要是因為它的光譜連續(xù)光滑、顯色性極好（最接近日光的顯色性）、點燃及調(diào)光特性好、價格低廉等。但它的缺點也非常明顯，易碎、壽命短、光效低、不節(jié)能，這在能源短缺的現(xiàn)代社會是一個致命的弱點。第二代光源氣體放電燈，比白熾燈的光效高幾倍，壽命也較長，金屬鹵化物燈的顯色性也較好。但它的致命弱點是燈內(nèi)含有汞（水銀），在生產(chǎn)過程中及廢棄燈泡中的汞都會污染環(huán)境、對人體造成傷害，不環(huán)保。順便說一下，近年出現(xiàn)的所謂“等離子光源”，其實就是沒有電極的金鹵燈，它是用微波聚焦使氣體放電（金鹵燈是有電極的等離子光源，只不過沒有人強調(diào)這一點而已）。其優(yōu)點是壽命長、顯色性好，是理想的點光源。其顯色性可以做得很高，但光效較低（50 lm/W左右），可以用于要求高顯色性而又是點光源的場所。第三代光源熒光燈已被廣泛用于日常生活中，但燈管中也含有汞，存在污染環(huán)境的問題。

之所以說，第四代光源——LED是光源的一場革命，是因為它具有許多突出的優(yōu)點和非常廣闊的發(fā)展前景。

3 LED光源的優(yōu)點

大功率LED一般是指1W以上的LED光源。與前三代光源比較，具有以下優(yōu)點：

（1）環(huán)保、無污染——在現(xiàn)代社會，這是最重要的一條。LED為固態(tài)照明，不含汞等重金屬，不污染環(huán)境，對人體沒有不良影響。

（2）高光效——在能源短缺的現(xiàn)在，這一點也至關重要。鹵鎢燈色溫為3200 K時，光效在24 lm/W左右；高顯色的氣體放電燈及三基色熒光燈的光效不超過100 lm/W；高顯色的LED光源，目前品牌產(chǎn)品白光LED的光效已超過100 lm/W。400 nm～700 nm的等能量白光，理論光效值為241 lm/W。在不久的將來，滿足影視、舞臺需要（主要指顯色指數(shù)及色溫）的LED光源光效完全可能超過200 lm/W。

（3）壽命長——影視、舞臺常用的鹵鎢燈壽命只有200 h～300 h；電腦燈中的金屬鹵化物燈一般為幾百小時；三基色熒光燈的壽命可達8 000～10 000 h；而品牌的大功率LED光源在燈具中的壽命，目前已超過10 000 h。隨著燈具及驅(qū)動電源散熱條件的改進，不久的將來，其壽命有可能達到30 000 h～50 000 h。

（4）發(fā)光響應時間快——前三代光源中，白熾燈的點亮時間最短，大約為100 ms（毫秒，1 ms =10-3s）。而LED的點亮時間僅為納秒（1 ns=10-9s）級，因此，高頻特性好。

（5）適宜在低溫條件下工作——在景觀照明中，特別是像冰燈這樣的景觀，由于溫度很低，熒光燈往往難以啟動，而LED光源在低溫下壽命會更長。

（6）在影視、舞臺照明中需要多姿多彩的顏色時，LED光源具有突出的優(yōu)點：在一臺燈具中可放置多種顏色的LED，用加色法得到各種各樣的顏色，光通利用率高，顏色飽和度也高。

4 大功率LED光源的發(fā)展趨勢

（1）光效提高的空間還很大。前文已述，盡管現(xiàn)在的LED光效已超過前三代光源，但距理論最高值還相差很遠，也就是說它還有很大的發(fā)展?jié)摿Α，F(xiàn)在，LED的內(nèi)量子效率（內(nèi)量子效率及外量子效率的定義見本刊2012年第1期《LED的封裝——LED知識（九）》）可以做得很高，一般都可以到90%以上（優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的內(nèi)量子效率可達99%），但外量子效率普遍很低。如果能大幅度提高外量子效率，就可以大大提高LED產(chǎn)品的發(fā)光效率。這是LED的重點研究課題之一。

另外，在談及LED光源光效的時候，要區(qū)分幾個概念。首先，實驗室內(nèi)LED光源達到的光效，不表示目前現(xiàn)有產(chǎn)品的光效，它還要解決生產(chǎn)工藝等一系列問題才能變成批量產(chǎn)品。因此，它代表的是未來產(chǎn)品的光效。其次，低顯色指數(shù)產(chǎn)品的光效，不代表高顯色指數(shù)產(chǎn)品的光效。有些廠家在宣傳其產(chǎn)品的時候，說產(chǎn)品的光效達到多少流明瓦（lm/W），是顯色指數(shù)比較低的LED光源的數(shù)值，高顯色指數(shù)的LED光源達不到所宣傳的數(shù)值。還有，目前的LED光源，高色溫光源比低色溫光源的光效高，5 600 K的LED比3 200 K的LED光效高。了解LED的這些特點，便于正確選購所需要的產(chǎn)品。

（2）提高顯色指數(shù)是LED光源的重要課題之一。一般情況下，顯色指數(shù)高，光效往往低一些；光效高，顯色指數(shù)就差一些。有些應用領域，例如影視、舞臺照明，對光源的顯色指數(shù)要求就很高。

白熾燈光源是熱輻射發(fā)光，其光譜分布及顯色性很接近日光。氣體放電燈出現(xiàn)后，由于它的光譜分布呈梳狀（就像平常梳理頭發(fā)用的梳子），部分氣體放電光源的光譜連續(xù)但不光滑；部分氣體放電光源的光譜不但呈梳狀，而且不連續(xù)。在這種情況下，出現(xiàn)了顯色性的概念，并給出了顯色指數(shù)的計算公式。現(xiàn)在的LED光源不同于以上兩種光源，它的光譜分布，從前述文章中的光譜分布曲線圖可以看出，有高峰和低谷。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，有些光源的顯色指數(shù)的“數(shù)值”較低，但看上去光色卻不錯；有的光源顯色指數(shù)的“數(shù)值”很高，但看上去顯色性卻不好。因此，如何把顯色指數(shù)的數(shù)值與感覺的效果統(tǒng)一起來，也是當前研究的課題之一。

（3）單顆LED光源功率還需要提高?，F(xiàn)在，單顆LED光源的功率一般為3 W或5 W。單顆10 W的LED雖已出現(xiàn)，但不普遍。更大功率的LED都是模組（一個基板上組裝多顆LED）的形式，例如100 W及130 W的LED都是模組發(fā)光器件。這主要是因為LED光源按發(fā)光體的體積計算，發(fā)熱量高，解決散熱的難度較大。

（4）價格需要大幅度降低。LED光源產(chǎn)品的價格是影響其大規(guī)模使用的重要因素之一。隨著技術的日益成熟，生產(chǎn)批量的不斷增大，LED光源的成本和價格會大幅度降低?？梢哉f，白光LED普及的前提是價格大幅度下降，而價格大幅度下降又必須在白光LED形成一定的市場規(guī)模后才有可能。毫無疑問，兩者的融合最終有賴于高新技術的“日新月異”。

總之，大功率白光LED光源現(xiàn)已成為具有非常廣闊的發(fā)展前景和極大影響力的高新技術產(chǎn)品。隨著我國國民經(jīng)濟的高速發(fā)展及低碳社會進程的加快，人們對新光源的需求與日俱增，LED光源必將為現(xiàn)代社會的節(jié)能、環(huán)保，為影視、舞臺藝術，為人們多姿多彩的生活立下汗馬功勞。

本系列文章撰寫過程中，陳國義、柳得安、王京池、甄何平、胡和義等專家都提出了很多寶貴建議；同時，文章陸續(xù)發(fā)表期間，眾多讀者給予了熱情的關注和肯定，在此一并表示感謝！當初，筆者寫此系列文章的指導思想是側(cè)重（影視、舞臺的）實際應用，側(cè)重科學普及，力求深入淺出。但由于本人的知識非常有限，因此文中可能有不當或錯誤之處，望得到同行們的斧正。

[1]沙占友等.LED照明驅(qū)動電源優(yōu)化設計.上海：中國電力出版社，2011

[2]方志烈.半導體照明技術.北京：電子工業(yè)出版社，2009

[3]楊清德，楊蘭云.LED及應用技術問答.北京：電子工業(yè)出版社，2011

[3]施克孝，于寶富.彩色電視照明原理與布光技巧.北京：北京農(nóng)業(yè)大學出版社，1988