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固态照明光源崭露头角,但挑战尤存网

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固态照明光源崭露头角,但挑战尤存S光二极管(LED)的输出功率在过去的几十年里一直稳定地增长,并在过去几年中增长更为迅速。由于发光效率远远超过白炽灯,高功率的LED被实际应用于汽车和大面积的户外显示屏中因为LED能高效地产生蓝、绿以及红、白光和全彩色光器件,技术已经成熟并已进入直接的用途。 照此速度发展下去,LED大面积光源同白炽灯、日光灯的直接竞争即将到来但是用LED进行白光室内照明仍然面临着艰巨的挑战与用于显示的光源不同,照明光源对光谱质量和光源稳定性有非常严格的标准*LED在这点上目前仍有较大差距另外,LED光源要取代白炽灯,其价格还需大幅下降。几家公司正竞相开发**个实用化的LED照明光源,这是自白炽灯出现以来又一种新的室内光源。 从1968年以来,就像集成电路包含晶体管数量的增长遵循Moore定律一样,LED的亮度输出也遵循Haitz定律每两年翻一番。在过去的两年,LED亮度输出的增长比这个速度还要快,以至于现在*大的LED光源亮度达到300lm,而1968年*大的输出仅是1mlm每单位能量输入转换为光输出的效率也在稳定地增长,据报道现在桔红色LED发光效率已高达45%(超过100Im/W),短波长LED发光效率也达到25%相反,白炽灯的效率大约只有5%(710lm/W),日光灯约20%(3540lm/W)。LED发光效率高和亮度高的优点使它在一些普通的应用中已经取代白炽灯,比如交通信号灯和汽车刹车灯*展,全彩色光或白光高功率LED的应用(如户外显示等)成为现实用AlGalnP材料制作的桔红色LED器件发射的光波长范围是590650nm,AlGalnNLED器件可发射350nm的近紫外波段光、450nm蓝光和540nm绿光用磷化物把紫外光转换为可见光,LED就可以把光谱组合起来以产生较宽颜色范围的光和白光。用红绿蓝(R.GB)三色二极管单元制作的室外显示屏已经可以做到店铺的一面墙那么大。 以高效率产生白光的高功率LED器件的出现使固态照明实际应用希望大增。潜在的收益是巨大的在美国大约21%的能源用于照明,其中8%是白炽灯照明,13%是曰光灯照明。这种照明的平均效率是14%左右如果用LED器件取代现有的照明设备,其发光效率在30%左右,照明用的功率消耗可以节省一半,降低到总能源消耗的10% *另外,LED的寿命比白炽灯更长,可以达到50000h或更多,而灯泡的寿命只有750h.然而固态照明还没有实现。现在的LED仍然设计应用在直接观看的“显示”这一用途中。相反,照明光源的功率要大到足以依靠表面反射工作而不是直接观看。事实上还有几个障碍横亘在通往固态照明的路上。 目前,LED器件已经开始达到照明所需的输出功率。在5W的输出功率上,Agilent的一个分公司生产的LuxeonLED器件亮度达到了150lm,和体积比LED器件大100多倍的20W的白炽灯相仿。因为LED体积小,多个LED组合起来可以在功率上替代目前的标准光源,如12个LED可以代替一个1800lm的汽车头灯*但是面照明,作为基本的照明应用之一,除了光的输出功率外,还需满足更多的要求。人眼可看见太阳发出的光,太阳光的光谱性质接近黑体发出的辐射,因此人眼对光源光谱相对黑体光谱曲线的偏离非常敏感。人眼可以精确区分被不同温度的黑体辐射体照亮所产生的反射光的颜色。分别用3500K的白炽灯或6500K的正午阳光照明时,颜色看起来非常相象,但是可以检测到相对黑体光谱有2%的偏离,使得颜色略微失真。灯光的颜色一致性也相当重要,红、绿光通量变化超过3%和蓝光光通量变化超过%都是不可接受的。目前LED器件要满足这个颜色一致性要求还有相当大的困难。 色线光谱辐射的集合,偏离黑体辐射谱很远。有三个途径可以把这种辐射进行转化,使之接近黑体光谱曲线。**个办法*简单,就是把几种单色光以适当的比例混合模拟黑体光源的颜色响应。把颜色图中某一点的三个或更多的单色光源混合起来,可以得到非常接近黑体辐射的坐标。 用这种方法把三个单色光源混合得到的白光,其标准颜色补偿系数(/.a)达到80,四个单色光源混合可使该系数达到90.相比之下,理想的黑体光源/4为100,白炽灯为90,日光灯只有80.第二种方法是用发射紫外光的LED激励三种磷化物,使之分别在红、绿、蓝光谱范围内发光这种方法的优点是,磷化物混合起来能够把光的能量扩展到非常接近黑体光谱,具有非常好的丑a但是由于散射和吸收,接近一半的输入能量被浪费了,而且紫外辐射也迅速地使LED器件的封装材料失效。 第三种方法是*常用的,通过发射蓝色光的LED激励补足的发射黄光的磷化物其中一部分蓝光逃逸出来和黄光混合得到白光同样,与不用磷化物的方法比较,这种方法在发光效率上也有损失,但不像全部用磷化物发光的方法损失那么严重。上面这些方法的主要挑战性问题是降低了光输出的可变性。发光二极管在同样的生产流程中改变温度和老化都影响LED的输出特性,温度每上升10%,光输出就下降大约10%.磷化物膜厚度的微小变化也会影响LED的光输出。 为了补偿这些变化,LED制造厂商采取了多种反馈控制方法。一种简单的办法是用一套三个光电管的探测器测量每个LED发出的光通量来校正输入电流,使输出保持恒定。这神方法可以校正LED由于老化和温度变化带来的光通量变化,但是不能校正温度变化带来的输出波长变化。一种改进方法是控制LED自身温度,另一种方法是用反馈电路测量LED发射光在颜色图上的实际点,校正输入使该点保持不变。这种方法需要在三个探测器的每一个前面都放一个颜色滤波器,使之符合人眼对色彩的敏感度。 Phillips研究所开发了一种实验性的控制系统,表明用这种*先进的方法在98%的采样测试中能够获得足够的色彩一致性。一旦该反馈系统进入商业化生产,LED输出光的品质可以很快达到日光灯甚至白炽灯的水平。 然而还是有一个障碍就是器件的价格。即使没有反馈补偿电路,高功率的LED目前每流明亮度的价格也是白炽灯的100倍以上* 6个12美元的LED产生的亮度相当于50美分的100W灯泡的亮度。因此LED要在与现有光源的竞争中取胜,必须使价格降下来。值得注意的是,考虑到LED的寿命是白炽灯的5070倍,能量消耗仅有其1/4,LED光源的全寿命期费用比白炽灯更低。然而LED仍需进一步降**格以与日光灯直接竞争,因为日光灯同样耗能较少寿命较长。一旦反馈补偿控制技术成熟,固态照明成为现实就指日可待。 

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