LED照明知识

LED照明知识光度学与色度学183850992纲要一、前言二、照明的三大要素三、LED照明四、辐射度学基础五、人的视觉特性六、光度学基础七、色度学基础八、LED的光度与色度学问题前言1、我们正处在驾驭光、享受光的时代①照明是什么？过去：照明是电气，是照亮现在：照明是家具，是装饰、是光未来：照明是享受，是健康从照明工程到照明设计，从数量到质量的转变。②半导体照明（LED）和光伏都是半导体器件，是成长性高、发展快、影响大、需求迫切的产业；是节能减排、循环经济的先导产业2、视觉的性质和认知决定对照明的量和质的要求3、现代照明设计师是最稀缺人才辐射度学、光度学、色度学、视光学是设计知识的基础。充分利用LED的特性，创新设计满足人们生理和心理需求的个性化健康照明产品，是时代的需要，是现代照明设计师的追求。光源照明是高科技朝阳事业历史上:1879年爱迪生发明白炽灯是被公认为人类进入现代文明社会的里程碑!一、照明的三大要素物体亮度L（nt）照度E（lx）发光强度I（cd）光源亮度L（nt）光源主观亮度光通量Φ（lm）关键词：辐射学、光度学、色度学；亮度、照度、颜色……照明源被照物人眼电源光源灯具控制器吸收反射透射光泽度光谱特性生理效应视见函数大脑心理效应生物效应光洁度照明的三大要素能源管理照明的效率光通量灯具照明设计照度、色温、显色性被照物反(透)射率眼睛视觉生理亮度、颜色大脑心理亮度、颜色生理效率照明系统整体效率物理效率照明效率配光曲线光源亮度、色温、显色性电源光源体效率灯具效率光效眩光色温照度光强配光曲线平均寿命显色指数流明系数色偏移性价比灯具效率照明系统能效照明功率密度能效标识能源消费弹性系数“节能决定”涉及的制度规范非物理的、无法量化的主观感觉指标节能光源的主要技术指标资料来源：陈大华教授照明应考虑的若干问题光源和灯具的发光效率显色性安全标准、性能标准、能效标准人的生理和心理健康照明应考虑的若干问题人眼通过照明源在被照物上的光线反射而识别物体，在这三者的相互关系中主要涉及到辐射度学、光度学、色度学等基础物理学科和人的视觉认知科学，因此了解这些基础学科对照明系统的认知与理解是很关键也是必要的。二、LED照明照明光源史第四代第三代第二代第一代第一代电光源：白炽灯（卤钨灯）第二代电光源：荧光灯（日光灯、节能灯）第三代电光源：高强度气体放电灯（HID）第四代电光源：半导体发光二极管（LED）LED器件工艺p-Al0.15Ga0.85NIn0.2Ga0.8Nn-In0.05Ga0.95Nn-Al0.15Ga0.85NxEnergyP-GaNMgp-Al0.15Ga0.85N:MgN-Al0.15Ga0.85N:SiN-In0.05Ga0.95N:SiIn0.2Ga0.8NN-In0.1Ga0.9N:SiN-GaN:SiGaNbufferlayer(0001)sapphiresubstraten-electrodep-electrode电极刻蚀前工序外延片AlGaInp、GaN基芯片AlGaInp、GaN基超高亮度及白光LED（含专用显示器）衬底金属有机物源高纯气体高纯化学试剂高纯金属高纯化学试剂光刻胶后工序各种不同颜色、外型LED封装环氧树脂高纯金丝、硅铝丝封装模具银浆金属支架、底座荧光粉塑料零件超高亮度及白光LED产业链特种照明白光照明白光照明（大功率）安全照明白光器件（小功率）灯具、灯座、金属、塑料结构件封装原料电源变换器其他主要应用面屏幕显示背光源汽车用灯交通信号灯装饰照明景观照明专用显示器仪器仪表显示其他显示控制、驱动电路显示单元金属、塑料结构件金属、塑料件导光板线路板灯具结构件塑料件背光显示板金属、塑料结构件线路板金属、塑料件线路板电源变换器导光板、管导光板、管超高亮度及白光LED产业链前工序外延片AlGaInp、GaN基芯片AlGaInp、GaN基超高亮度及白光LED（含专用显示器）衬底金属有机物源高纯气体高纯化学试剂高纯金属高纯化学试剂光刻胶后工序各种不同颜色、外型LED封装环氧树脂高纯金丝、硅铝丝封装模具银浆金属支架、底座荧光粉塑料零件超高亮度及白光LED（含专用显示器）特种照明白光照明白光照明（大功率）安全照明白光器件（小功率）灯具、灯座、金属、塑料结构件封装原料电源变换器其他主要应用面屏幕显示背光源汽车用灯交通信号灯装饰照明景观照明专用显示器仪器仪表显示其他显示控制、驱动电路显示单元金属、塑料结构件金属、塑料件导光板线路板灯具结构件塑料件背光显示板金属、塑料结构件线路板金属、塑料件线路板电源变换器导光板、管LED的性能、特点：亮度高、寿命长：80～100lm/w、2～5万小时低功耗节能省电：低电压、低电流色域宽色彩丰富：涵盖全部光波段、白色光色纯光束集中：单色性好、发散角小响应快网络控制：可瞬时反复开关、智能调控体积小安全可靠：结构紧凑、固态抗冲击无污染绿色环保：无汞、气、玻璃、无红外、紫外辐射。世界各国的半导体照明计划国家立项时间项目名称项目预期目标预计效益美国2000年国家半导体照明计划2010年白光LED100lm/w,2020年200ml/w每年节省350亿美元电费，每年减少7.55亿吨CO2，形成500亿美元的大产业日本1998年21世纪光计划2010年白光LED110lm/w可减少1～２座核电厂发电量，每年节省10亿公升以上的原油消耗欧洲2000年彩虹计划通过欧共体的补助金推广LED的应用通过应用半导体照明实现高效、节能、不使用有害环境的材料、模拟自然光的目标韩国2004年固态照明计划预期2010年达到120lm/W中国台湾2001年次世纪照明光源开发计划2005年白光LED40lm/w(实际达到47lm/w)每年可节省110亿千瓦时，相当于一座核电厂发电量中国大陆2003年国家半导体照明工程2010年白光LED100lm/w(130lm/w)建立半导体照明产业，全面进入通用照明市场占有30～５０%的市场份额，实现节电30%以上，年照明节电1000亿千瓦时以上。美国半导体照明光源发展目标：技术SSL-LED2002SSL-LED2007SSL-LED2012SSL-LED2020白炽灯荧光灯发光效率（lm/W)25751502001685寿命（KHr)2020100100110光通量（lm)252001000150012003400输入功率（W)12.76.77.57540光通量造价（$/klm)20020520.41.5照明成本（$）54530.55显色指数758080809575照明市场替代情况小功率、低光通量市场白炽灯荧光灯全部国际LED产业发展趋势1、加快高端技术研发，抢占半导体照明制高点2、技术创新与开发速度加快发展趋势3、市场快速成长，新的应用领域不断涌现4、产业链中成熟技术逐渐向成本低的地区转移5、跨国公司加强战略联盟，通过专利授权等手段垄断高端市场（一）、LED芯片大厂的技术竞争1、Cree量产：114lm/W，效率：430mw/W实验室：150lm/W，单颗：4A，1000lm2、Nichia量产100lm/W，实验室：191lm/W3、Philips（Lumileds）量产：112lm/W，单颗：1A，220lm热阻：5.5˚C/W，1.4A，250lm4、中村修二白光：129lm/W，预计2015年达到150lm/WLED技术的发展（二）、不同色温的白光LED比较1.Cree5000-10000K3700-5000K2600-3700K101lm/W84lm/W78lm/WCRI=93??2.Nichia5500K4200K3500K2800K100lm/W86lm/W80lm/W74lm/WCRI=9265lm/W60lm/W55lm/WACLED不用其他驱动电源直接用交流驱动驱动电压宽：100V到240V超宽供电范围设计寿命：35000小时以上工作频率：50/60太阳能光伏与LED的完美结合太阳能电池是光－电半导体转换器件LED是电－光半导体转换器件LED和太阳能电池都是低电压、低电流、直流，两者结合是最科学、最合理的匹配。太阳能光伏（PV）（一）、太阳能光伏的原理（二）、太阳能电池的分类太阳能电池硅化合物晶体非晶体单晶多晶薄膜式多晶铟硒铜、碲化镉砷化镓、磷化铟单结晶体电池C－SiGeAsInP24.7％25.1％21.9％多结晶体薄膜单结GaInP/GaAs/Ge叠层CdTeCIGS31.0％16.5％18.9％薄膜多结光电化学a-Si/a-SiGe叠层染料敏化TiO213.5％11.0％聚光电池有机电池点接触硅PC电池（100X）酞菁铜/C60双层电池28.3％3.6％已报道最高电池效率（Green等，Sinton等）柔性衬底薄膜太阳电池柔性太阳电池主要涉及非晶硅（a-Si:H）、铜铟镓硒（Cu（In、Ga）Se2，CIGS）和碲化镉（CdTe）光伏电池和集成组件与平板式晶体硅、玻璃衬底的薄膜电池等硬衬底电池相比，其最大的特点是重量轻，可折叠，不易破碎，并具有较高的质量比功率（500W/kg）便于艺术造型。柔性太阳能材料特点耐高温重量轻柔韧可弯曲持久耐用耐遮影无玻璃柔性太阳能电池板普通玻璃封装太阳能电池板32太阳能在发电、路灯照明和市政交通等方面的应用：太阳能与LED的结合厦门市筼筜湖560盏太阳能LED庭院灯项目LED的应用标识显示照明警示标记识别文字图像显示屏特种照明背光源汽车照明夜景照明普通照明LED的应用全色显示交通灯手机汽车面板和照明LED光源LCD背光源色彩效果对比：LED的广泛应用①建筑物照明奥运［水立方］，使用Cree公司49.6万只1WXLampLED发出变幻迷人的光彩。奥运效益带动LED应用于未来建筑景观照明，2010年中国高亮度LED建筑景观照明市场规模将达200亿元人民币，LED成为地方形象发展之朝阳产业。LED夜景工程②中小尺寸LED背光源市场渗透大幅提升7～10寸面板用LED背光源成本接近于CCFL，预估2008年7～10寸LED背光源市场渗透率将由50%跃升至64%左右，整体白光LED需求达10.54亿颗。LEDNB背光源LEDNB有3大优势：Ⅰ、较传统CCFL厚度减少约1/2；Ⅱ、可节省20～30%电力；Ⅲ、与传统CCFL价差拉近。全球白光LEDNB渗透率约8%。未来预估15寸以下产品将大幅使用LED背光源。预计2012年90％用LEDNB背光源。③商用照明商业照明应用：Ⅰ、广范的商品照明，如条状照明灯；Ⅱ、重点式商品照明，如化妆品展示灯或珠宝聚光灯等。LED商业照明可广泛用于超市、银行、连锁店、机场、火车站、隧道、地铁站与展览场所等。由于商业使用照明的时间较长，将较一般住家照明容易推广与使用。④LED汽车应用2008年车内灯预计占车用LED市场40%、煞车灯占32%。⑤三大奥运理念刺激LED广告牌需求LED招牌广告牌LED较传统霓虹灯比较有易安装、环保、节省电力，取代传统霓虹灯成为招牌广告牌之主流。LED显示广告牌LED显示广告牌是奥运亮点，推动显示广告牌2010达120亿人民币。全球可视化与显示解决方案大型LED显示屏幕亮相上海体育场。（面积达391平方米）2007年12月27日，全彩高清LED显示系统在五棵松奥运篮球馆安装完毕，净高9.042米，最大直径约为11米，重22吨。LED照明光源的应用数字化色光技术及应用产品舞台灯、水下变色灯、医疗用灯等；特种照明场所低温度照明场所：冷库、冷柜、冰箱；应急照明；户内外广告照明；低照度照明：草坪灯、庭院灯、廊灯、门牌灯；普通照明便携式照明；阅读照明：飞机、汽车、台灯；室内照明：高度4m以下，同时对光效、色温、显色性都有要求；道路照明要求：低色温：3000K左右；总光通量：10.5m宽次干路15lx照度，要求光源总光通量25000lm以上（灯具效率70％）。国际照明大厂的扩充整并近期国际大厂扩充策略：上下游供应链整合、企业与企业间的交叉授权、新产品开发、扩充产品应用与建立