LED照明简介

LED：從標識到照明
棗兼談其在城市夜景照明中的應用
章道波
(北京高光照明工程有限公司)
1 城市夜景照明的個性化
我國現代意義上的城市夜景照明始於改革開放後的上海，如今有了長足的進步，全國大中城市競相在夜色中亮了起來。

從美國衛星所拍攝的夜間地圖上，可以看到我國尤其是東部地區的夜間亮化工程是卓有成就的。

然而，城市夜景照明發展過程中存在的問題也相當多。

儘管新的材料、新的設備、新的手段層出不窮，比起改革開放前夜景照明幾乎等同於“白熾燈勾勒輪廓”的情形，當然不可同日而語，但不可回避的事實是，全國各地城市的夜間面貌似乎大同小異，城市的文化個性就在這樣的趨同過程中漸漸迷失了。

近年來，隨著各地領導的逐漸重視及其眼界的逐漸開闊，隨著廣大照明工作者的不懈努力，城市夜景照明開始走出粗線條和手段單一的困境，向精雕細琢和個性化方向發展。

本文從具體照明手段上提出一管之見。

２LED概述
LED（Light-Emitting-Diode）是一種能夠將電能轉化為可見光的半導體。

作為一種指示燈，在我們日常生活的電器中隨處可見，極為普通也廣為人知。

其特點如下：
１、效率高：按照通常的光效定義，LED的發光效率並不高（一般10-30lm/W，目前已知光效最高的橙紅色LED光效可以達到55lm/W），但由於LED的光譜幾乎全部集中於可見光頻段，效率可以達到80-90%，而光效差不多的白熾燈其可見光效率僅為10-20%。

２、光線質量高：由於光譜中沒有紫外線和紅外線，故沒有熱量，沒有輻射，LED屬於典型的綠色照明光源。

３、光色純：與白熾燈全頻段光譜不同，典型的LED光譜狹窄，發出的光線很純。

４、能耗小：單體LED的功率一般在0.05-1W，通過集群方式可以量體裁衣地滿足不同的需要，浪費很少。

尤其是需要彩色光的時候，採用白光經過濾色的方式大費周折並且浪費能源，而LED固有的彩色卻是得天獨厚。

５、壽命長：光通量衰減到70%的標稱壽命10萬小時。

實際上幾乎無限。

６、可靠耐用：沒有鎢絲、玻殼等等容易損壞的部件，非正常報廢的可能性很小，維護費用極為低廉。

７、應用靈活：體積小，可平面封裝易開發成輕薄短小產品，做成點、線、面各種形式的具體應用產品。

８、安全：單體工作電壓大致在1.5~5V之間，工作電流在20~70mA之間。

９、回應時間短：適合於頻繁開關以及高頻運作的場合。

10、綠色環保：廢棄物可回收，沒有污染；不像螢光燈含有汞成分。

11、控制靈活：通過調整電流可以調光，不同光色的組合可以調色，加上時序控制電路可以達到多樣的動態變化效果。

３LED從標識到照明的演變
隨著LED的亮度逐漸提高，光色逐漸豐富，顯色性能逐漸改善，其應用也逐漸擴展到通用照明領域。

亮度：亮度指標一直是制約LED應用於通用照明領域的瓶頸。

傳統的LED單體光通量僅在0.5-2lm之間，而新近投入市場的產品則有單體光通量高達50lm，亮度高達9cd者。

光色：高亮度的紅光（GaAs和GaAsP）和黃光（InAlGaP）發光二極體（LED）早已大量生產，長期來因缺少高亮度的藍與綠光而難以呈現豐富的色彩。

近年來以氮化鎵（GaN）為代表的第三代半導體材料異軍突起。

GaN發光效率高，抗輻射性能和耐熱性能極佳，強度和硬度高，並且耐酸性強，最適宜於製造短波長發光器件，發光波長範圍包括綠、藍、紫等多種波段，普遍用來製造藍光和綠光LED。

在藍光LED技術的基礎上製造成功的白光LED漸成新寵，有望成為照明領域的一支新軍。

白光LED的出現開始了LED從標識功能向照明功能的實質性邁進。

白光LED的技術實現目前主要是以460nm波長的InGaN藍光晶粒塗上一層YAG螢光物質，利用藍光LED照射此一螢光物質以產生與藍光互補的555nm波長黃光，再利用封裝材料將其予以混合，產生近似的白光。

另外，也可以通過RGB三基色LED的混光來模擬白光。

目前白光LED仍處於初期發展階段，在使用壽命上仍待改進，但基本上沒有白熾燈泡、螢光燈的缺點，價格過高是未能普及的主要原因。

未來白光LED的應用市場將非常廣泛，不過最被看好的市場以及最大的市場還是取代白熾鎢絲燈泡及螢光燈。

顯色：以InGaN+YAG所得的白色LED的顯色指數可以達到70。

而採用RGB混色方式取得的白光根據不同的混光比例其顯色指數有很大差別,，同時，紅色波長的漂移對顯色指數的影響尤其明顯。

表一
4 LED在城市夜景照明中的應用形式
1、串燈
串燈在我國城市夜景照明中佔有極高的地位。

建國以來的重點建築尤其是中國古典建築在其原始的夜景照明中都使用了串燈勾勒建築輪廓的形式。

在現代夜景照明設計和實踐中，串燈依然是不可替代的一種形式。

然而，採用傳統的白熾燈勾勒輪廓存在幾個致命的問題：
耗電大，壽命短，維護費用高。

這種缺點在人工費用日趨昂貴的今天更加突出。

採用LED來製作串燈時至今日已經可行。

問題是，亮度夠否？從物理參數來看，在可接受的造價範圍內將LED串燈的光通總量做到與白熾燈一樣還是困難的，但是，夜景照明中的串燈其功能主要是顯示其自身的表面亮度而非照亮其他被照物，因而總光通量指標的重要性要讓位於可見角度的有效亮度指標。

不同於白熾燈的球形配光，LED作為光源本身就有配光特性，可以將光通量集中於需要的角度，在總光通量較低的情況下可以取得較高的有效亮度。

另一方面，傳統串燈為了取得彩色效果，只能加裝濾色玻璃，這將使得實際光通量損耗至少超過50%。

而LED的RGB三色混光幾乎可以模擬任何色彩而不會損耗光通量。

目前市面上可見的串燈有兩種形式。

一種是採用5mm或3mm超高亮度LED的集群（RGB混色或單色），顏色和亮度
的選擇比較靈活，見圖2。

一種是一體化成品如LUMILEDS公司的LUXEON STAR，功率高達5W，相當於50只標準5mm管型LED。

見圖3。

2、線燈
傳統的線燈主要是美耐燈，新興的線燈有光纖、冷陰極管、霓線燈（NEONTRIM）、導光管等等。

與串燈類似，線燈也是主要注重燈具本身的亮度和色彩，無需其照亮他物。

LED最適合於這種場合。

美耐燈的光源是微型鎢絲燈，除了白熾燈固有的缺點之外，由於鎢絲燈的大量熱量使得美耐燈在點亮時的溫度大大提高，嚴重的熱脹冷縮導致線條不平直，甚至脫落，制約了其在夜景照明尤其是高檔場合的應用。

而LED屬於冷光源，體積又小，極其適合製作成線條燈具。

光纖是一種現代化的線燈，但是除了造價高之外，它還有一個無法克服的弱點：基於其端對端傳輸的原理，在一個傳輸線段內亮度不均勻。

而冷陰極管由於工作在高壓狀態，安全隱患較大。

採用LED作為光源，能夠徹底解決這些問題。

3、地燈
地燈在城市夜景照明中應用極為廣泛。

其功能有二：其一，照明；其二，指示。

LED地燈目前也可以實現照明功能（如LUXEON FLOOD工作電流高達1050mA，光通量高達790lm），但主要還是應用於指示性照明，如方向指示、步道指示、車道指示等等。

地燈一般安裝在人們容易接觸到的位置，由於密封好，普通光源產生的熱量不容易散發，燈具表面溫度足以對兒童造成傷害。

採用LED則可以有效避免發生意外。

圖6為ERCO的LED地埋燈。

4、地屏
地屏在現代都市的廣場、公園等公共場所應用較多。

目前比較多地採用了螢光燈燈箱，而LED以及場致發光屏的應用還不是很普遍。

在實際應用中，燈光地屏通常都安裝在人流較多的場所，地面裝修也相當高級，頻繁的維護是難以接受的。

LED的工作壽命長，又可靠耐用，製作成燈具很薄，是名副其實的“屏”而不是“箱”。

5、標誌
城市夜間的標誌幾乎是霓虹燈的天下。

文學作品以及大量非行內人士都把霓虹燈作為城市夜景的代名詞。

然而霓虹燈的易損和非環保也是顯而易見的。

其經常性的超高亮度也成為城市光污染的重要來源之一。

LED的“家庭成分”既是指示燈，對各種標誌自然得心應手。

其豐富的色彩搭配和靈活的排列組合以及足夠的表面亮度恰恰是夜間標誌所需的幾個基本要素。

6、螢幕
LED顯示幕隨著大型積體電路和電腦技術的高速發展而迅速崛起。

與傳統的顯示媒體――多彩霓虹燈、象素管電視牆、四色磁翻板相比較，具有亮度高，動態影像顯示效果好，故障低，能耗少，使用壽命長，顯示內容多樣，顯示方式豐富，性能價格比高等等優勢。

作為新一代的顯示媒體，已廣泛應用於現代化城市的公共場合，成為城市夜景一道靚麗的風景線。

5 LED與城市夜景照明的個性化
城市夜景照明是一個龐大的工程，既需要動輒上千瓦的高強度氣體放電燈來給城市的亮化定下基調，也需要LED這樣色彩豐富靈活多變的照明手段來點綴。

而最能體現個性的莫過於細節的雕琢和刻畫。

LED以其節能、可靠、光色豐富、形式多樣等優點，必將在城市夜景照明中大顯身手。

參考文獻：
1.Lighting Research Center的N.Narendran博士在International Light Fair 20002所作的LEDs-Past, Present, and Future演講。

2.北京大學物理系王宇方：《用InGaN藍光LED與YAG螢光粉製造自然白光LED》，《國際光電與顯示》2001年8
月。