緒論

一、什么是照明

近年來，我國的照明事業不斷發展，照明的需求也不斷提高。傳統的成像光學設計在很多照明應用領域已不適用，非成像光學設計則應運而生。

一直以來，光學設計都被認為僅僅是鏡頭設計或成像設計，但從近一二十年的發展來看，光學設計已包括了照明設計這個子領域。照明設計主要關注的是光源到目標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中是必需的，但是這些系統均受到成像要求的限制。為高效傳輸光線，照明系統可以忽略成像約束。因此，“非成像光學”一詞經常出現在照明系統中。按以上所述，光學系統設計大致可分為以下四類：

1）成像系統設計。這類設計通常有一定的成像要求，如焦平面相機設計。

2）可見光成像系統設計。主要考慮某些集成觀察系統的整體成像要求，如望遠鏡、照相機取景器和顯微鏡等，這些均是需要人眼來直接面對成像對象的光學系統。

3）可見光照明系統設計。可見光照明系統即有一定成像要求并充當光源的光學系統，如顯示器、照明設備以及復印機的照明光源等。

4）不可見光照明系統設計。該類系統無成像要求，如太陽能集束器、激光泵浦腔以及其他光學傳感器應用領域。

上述后面兩個系統即屬于照明工程領域。成像系統雖也可實現照明要求，但在某些特殊應用情形下，如制版行業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原理的替代方法。本書重點闡述使光線在光源與目標之間進行有效傳輸的照明技術，即非成像技術，偶爾也會采用成像原理來改善傳輸效果。非成像光學系統包含三個部分，即光源、光學器件和接收面。與傳統成像光學設計重點關注成像質量（即物象之間一一對應關系和映射的不失真）不同，非成像光學設計的研究重點在于光學系統對光能量傳輸的控制。此外，對觀察者未設置任何要求，但大多數照明光學實際上是默認了觀察者是人眼或一個光電成像系統（如相機）。如果忽視必要的可視化和視覺特點則會影響照明系統的性能。從這一點來看，照明設計也有一些主觀的因素。

本書多次交替使用“照明”和“非成像”這兩個術語，但嚴格講，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光學領域的一些常見的物理量和基本概念，以及照明技術與照明設計相關的光色度分析、光學設計、燈具散熱系統設計和照明產品設計案例等。

二、照明技術的發展

在人類發展史上，從采集天然火源到鉆木取火，光源經歷了無數的變化。照明的發展見證了人類歷史的進步。火在人類歷史上扮演著重要的角色，因為它為人類提供食物、溫暖和光亮。火的使用伴隨著人類文明的巨大進步。在18世紀之前，火一直是人類的照明工具，從火炬、動物油燈、植物油燈發展到蠟燭，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，燈芯由草芯發展到棉芯，再發展到多股棉芯。大約在公元前3 世紀，人們用蜂蠟制作蠟燭。在18 世紀，人們用石蠟制作蠟燭，機器的使用使得大量生產蠟燭成為可能。在19 世紀，英國人發明了最初用作路燈的煤氣燈。由于它的火焰閃爍，熄滅時會產生有害氣體，這種煤氣燈不安全，室內使用非常危險，因此，經過改進，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，電的發明極大地促進了社會的發展，為照明帶來了新的機會。1809年，英國的戴維·漢弗萊（David Hum-phrey）發明了弧光燈，這種燈利用一種電光源，這種光源是在空氣中的兩個電極通電后，將兩個接觸的碳棒電極分離而產生的。在白熾燈發明之前，它被用于公共場合，是第一個用于實際照明的電光源。但是，由于燃燒時會發出嘶嘶聲，而且光線太亮，故不適合室內照明。1877年，一位俄國人通過修改弧光的結構發明了電蠟燭，但其性能并沒有得到改善。那時，許多科學家開始探索一種新的、安全的、溫暖的光源。

經過長時間的試驗，美國發明家托馬斯·愛迪生（Thomas Edison）于1879年10月21日點亮了世界上第一盞有實用價值的燈。在這一過程中，愛迪生認真總結了以往電燈制造試驗的失敗，并制定了詳細的實驗計劃。愛迪生試驗了多種植物，并決定在竹絲碳化后使用竹絲。電燈泡生產后的可用照明時間增加到1200小時。這種竹絲燈的使用時間超過了20年。1906年，愛迪生使用鎢絲提高了電燈泡的質量，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，鹵鎢循環理論被發現，幫助發明了鹵鎢燈，其發光效率優于普通白熾燈，如圖0-1b所示。

白熾燈的發明照亮了全世界，但從能源利用的角度來看，卻存在著嚴重的缺陷，只有10%～20%的能量轉化為光，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）發明了汞燈，它的光伏效率大大提高，但有明顯的缺點，它輻射了大量的紫外線，對人體有害，而且光線太強，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低壓惰性氣體的高壓場中由冷陰極輝光放電發出的，惰性氣體的光譜特性決定了氖的顏色。

汞燈進一步引起了許多科學家的興趣，他們發現，只要在汞燈管的內壁涂上熒光材料，那么當水銀的紫外線投射在上面時，大量有害的紫外線就會被激發成可見光。然而，由于水銀的啟動裝置較差，科學家們在實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裝置生產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。它有更高的能量轉換效率，更大的照明面積，并可以調整成不同的光色，因此它一發明出來就進入了普通人的家中。由于熒光燈的成色與白天類似，所以也被稱為日光燈。

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

早在1907年，亨利·約瑟夫·朗德（Henry Joseph Round）在研究碳化硅（SiC）接觸點上的非對稱電流路徑時，發現SiC晶體發出黃光。第一個二極管應該叫作肖特基二極管，而不是pn結二極管。半導體發光原理真正應用于發光二極管（Light-Emitting Diode，LED）是從20世紀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.）利用氣相外延技術并使用砷化鎵（GaAs）開發了第一個商用發紅光的GaAsP LED，當時產量很低，價格卻很高。1968年，美國孟山都（Monsanto）公司成為第一個生產LED的商業實體，它開始建立一個工廠來生產低成本的GaAsP LED，這開啟了固態照明的新時代。從1968年到1970年，LED銷量每隔幾個月就會翻一番。在此期間，這家公司與惠普（Hewlett-Packard，HP）公司合作降低了LED生產成本，提高了性能，其商業化生產的GaAsP/GaAs LED器件成為市場的主導產品。然而，在那個時期，這些發紅光LED的光效為0.1lm/W，遠低于平均光效為15lm/W的白熾燈。孟山都公司的技術骨干M.喬治·克拉福德（M.George Craford）為LED的發展做出了巨大貢獻，他和他的同事在1972年成功開發出了黃光LED，他們采用的方法是在GaAs襯底上生長氮摻雜GaAsP激發層。幾乎在此期間同時出現了氧化鋅（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隊采用氣相外延法，將氮摻雜到GaAsP中，可以生產出發紅光、橙光、黃光和綠光的LED器件。

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

生產第一臺彩色電視機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）薄膜獲得發射波長為430nm的藍光和紫外光。20世紀80年代早期的一項重大技術突破是開發出一種發光效率可達10lm/W的AlGaAs LED。這一技術的進步使LED應用于戶外運動信息顯示，以及安裝在汽車尾部中央頂端的停止燈等照明設備中。

從20世紀80年代末到2000年，由于AlGaInP材料技術、多量子阱激發區、GaP透明襯底技術等LED新技術的發展，裸芯片（即未封裝其他材料的芯片）的尺寸和形狀得到了進一步的發展。在20世紀90年代早期，惠普和東芝成功地開發出了采用金屬有機化學氣相沉積（Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）技術制備GaAlP LED器件。特別是在克拉福德（Craford）等人成功開發出透明襯底技術之后，由于其發光效率高、色域廣而得到了廣泛關注和迅速發展。其發光效率提高到20lm/W，超過了白熾燈的發光效率。近年來，倒裝結構等技術的應用進一步提高了發光效率。1993年，中村修二（Shuji Nakamura）等人在日本日立公司采用雙流MOCVD技術解決了p型InGaN材料的退火工藝。隨后，他們成功開發出了以藍寶石為基材的超高亮度藍光LED器件。很快，綠光和藍綠光LED的研究也相繼開啟。當時，高亮度GaInN綠光LED在交通信號燈中得到了廣泛的應用，但早期n摻雜的GaP綠光燈由于其發光效率低而受到限制。1996年，日亞化學（Nichia）公司推出了白光發光二極管，采用了藍光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結構藍綠光LED器件。經過不斷改進，該器件性能與藍寶石襯底器件相同。近年來，紫外（UV）LED技術的研究也取得了顯著進展，從而為新型白光器件奠定了基礎。

上面提到早期LED照明芯片技術主要有日本公司壟斷藍寶石襯底和美國公司壟斷碳化硅襯底兩種技術方案，但是2012年中國的江風益教授團隊成功研發了硅襯底LED技術，于2015年一舉摘下國家技術發明一等獎的桂冠，這一技術是一項改寫了半導體照明歷史的顛覆性新技術，并且該技術成果獲得了包括諾貝爾物理學獎獲得者中村修二等國際權威的認可，形成了藍寶石、碳化硅和硅三種不同襯底半導體照明技術方案三足鼎立的局面。

隨著目前LED技術的進步，越來越多的白光LED應用已逐漸替代過去的一些傳統光源，包括指示器、便攜式手電筒、LCD屏幕背光板、汽車儀表、醫療設備、路燈、室內燈等。據業內人士估測，白光LED已經在近10年來廣泛應用于普通照明領域，尤其是在國家節能環保、低碳經濟政策驅動下加速了這一替代進程，如圖0-3所示。

三、照明的種類

（一）按照明功能分類

照明的種類有正常照明、應急照明、值班照明、警衛照明和障礙照明。其中應急照明包括備用照明、安全照明和疏散照明，其適用原則應符合下列規定：

1）當正常照明因故障熄滅后，對需要確保正常工作或活動繼續進行的場所，應裝設備用照明；

2）當正常照明因故障熄滅后，對需要確保處于危險之中的人員安全的場所，應裝設安全照明；

3）當正常照明因故障熄滅后，對需要確保人員安全疏散的出口和通道，應裝設疏散照明；

4）值班照明宜利用正常照明中能單獨控制的一部分或利用應急照明的一部分；

5）警衛照明應根據需要，在警衛范圍內裝設；

6）障礙照明的裝設，應嚴格執行所在地區航空或交通部門的有關規定。

（二）按國際照明委員會（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境所產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生與天棚相稱的亮度，此分量過多或分配不適當也會產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。設計得好時，全部天棚成為一個照明光源，達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。燈具的這種保護人身安全的措施稱為防觸電保護。

根據防觸電保護方式，照明燈具應分為Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類，燈具應只屬于一個類別。每一類燈具的主要性能及其應用情況在表0-1中有詳細的說明。

為了遵循公共安全，原來分類的0類燈具已經在國際標準中消除了，因為0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，我國標準GB 7000.1—2003中就已刪除了關于0類燈具的內容。

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。在照明設計時，應綜合考慮使用場所的環境操作對象、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所應使用Ⅲ類燈具，一般情況下可采用Ⅰ類或Ⅱ類燈具。

（四）按防護等級IP（Ingress Protection）分類

按國際電工委員會標準IEC 60529和國標GB 7000.1—2015規定，根據異物和水侵入燈具外殼內部的防護程度進行分類。

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

（五）按照明光源發光原理分類

可分為熱輻射光源、氣體放電光源和固體發光光源三大類。

1.熱輻射光源

熱輻射光源是利用電流通過電阻絲發熱形成的熱輻射發光，主要有白熾燈和鹵鎢燈。白熾燈的優點是顯色性好，缺點是光效低；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射線照射后發出可見光，其光效比白熾燈高很多。發射譜線較多為紫外光譜，感覺較冷。

2）緊湊型熒光燈：也稱為節能燈，利用三種（440nm藍色、545nm綠色、610nm紅色）不同顏色的稀土熒光粉以適當的比例組合成的燈管，再配鎮流器。緊湊型熒光燈優點有光效高（光效是白熾燈的五六倍），顯色性好（顯示指數在80以上），光衰小，發光穩定，無頻閃；缺點是易破碎，有汞污染。

3）低壓鈉燈：利用低壓鈉蒸氣放電發光的電光源，它玻璃外殼內壁涂有紅外線反射膜。優點是光衰小，發光效率高；缺點是發單色黃光，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。

1）高壓汞燈：適用于室內外植物照明，發藍綠光譜最強，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，啟動時間長，燃點溫度很高，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，所以啟動時間長。

（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象，即是稀薄氣體中的自持放電（自激導電）現象，由法拉第第一個發現。它包括亞正常輝光和反常輝光兩個過渡階段。輝光放電主要應用于氖穩壓管、氦氖激光器等器件的制造。

3.固體發光光源

固體發光是指電磁波、電能、機械能及化學能等作用到固體上而被轉化為光能的現象。由此可見，固體發光的激發方式有很多種，如光致發光、陰極射線發光、X射線及γ射線發光、場致發光、高能粒子激發發光、化學發光、生物發光和摩擦發光等，其中，真空陰極射線發光、X射線及γ射線激發發光、高能粒子激發發光中，粒子的能量很高，激發不均勻，它們將產生光電效應、康普頓效應、電子-正電子對、二次電子等與發光無關的效應，但經過能量調整，可以達到發光過程和光致發光類似。

場致發光又稱電致發光，典型代表就是發光二極管（LED），其基本結構是一塊電致發光的半導體材料。LED光源有諸多優點，如低壓供電、節能、面積小、穩定性好、響應時間極短、無污染、色彩豐富，如圖0-6所示。早期LED有一個最大缺點就是價格昂貴，但是現在技術的不斷成熟以及光效和光品質的不斷提高，普通照明用LED價格昂貴這一問題得到了解決，通用照明LED光源得到了廣泛應用。因而本書的照明設計主要是針對LED的二次光學設計展開的。

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。光纖照明系統是由光源、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，彩色光隨光纖到達目的地。若光源采集的是太陽光，則類似于導光管式陽光導入系統，如圖0-7a所示。若光源經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。

光纖照明系統一般采用的光源是高亮度的點光源，反光鏡是非球面反光鏡，濾色片根據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對光的吸收導致光能量有不同程度的損耗，所以，光纖照明系統對光的傳輸距離是有一定限度的，一般最遠距離是30m左右。