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LED(Light Emitting Diode),又称发光二极管,它们利用固体半导体芯片作为发光材料,当两端加上正向电压,半导体中的载流子发生复合,放出过剩的能量而引起光子发射产生可见光。    


(一)LED的发展历史    
       应用半导体P•N结发光源原理制成LED问世于20世纪60年代初,1964年首先出现红色发光二极管,之后出现黄色LED。直到1994年蓝色、绿色LED才研制成功。1996年由日本Nichia公司(日亚)成功开发出白色LED。    
       LED以其固有的特点,如省电、寿命长、耐震动,响应速度快、冷光源等特点,广泛应用于指示灯、信号灯、显示屏、景观照明等领域,在我们的日常生活中处处可见,家用电器、电话机、仪表板照明、汽车防雾灯、交通信号灯等。但由于其亮度差、价格昂贵等条件的限制,无法作为通用光源推广应用。    
       近几年来,随着人们对半导体发光材料研究的不断深入,LED制造工艺的不断进步和新材料(氮化物晶体和荧光粉)的开发和应用,各种颜色的超高亮度LED取得了突破性进展,其发光效率提高了近1000倍,色度方面已实现了可见光波段的所有颜色,其中最重要的是超高亮度白光LED的出现,使LED应用领域跨越至高效率照明光源市场成为可能。曾经有人指出,高亮度LED将是人类继爱迪生发明白炽灯泡后,最伟大的发明之一。    


(二)LED发光原理    
       发光二极管主要由PN结芯片、电极和光学系统组成。其发光体——晶片的面积为10.12mil(1mil=0.0254平方毫米),目前国际上出现大晶片LED,晶片面积达40mil。    
       其发光过程包括三部分:正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。微小的半导体晶片被封装在洁净的环氧树脂物中,当电子经过该晶片时,带负电的电子移动到带正电的空穴区域并与之复合,电子和空穴消失的同时产生光子。电子和空穴之间的能量(带隙)越大,产生的光子的能量就越高。光子的能量反过来与光的颜色对应,可见光的频谱范围内,蓝色光、紫色光携带的能量最多,桔色光、红色光携带的能量最少。由于不同的材料具有不同的带隙,从而能够发出不同颜色的光。    
       LED照明光源的主流将是高亮度的白光LED。目前,已商品化的白光LED多是二波长,即以蓝光单晶片加上YAG黄色荧光粉混合产生白光。未来较被看好的是三波长白光LED,即以无机紫外光晶片加红、蓝、绿三颜色荧光粉混合产生白光,它将取代荧光灯、紧凑型节能荧光灯泡及LED背光源等市场。    


(三)LED光源的基本特征    
1、发光效率高    
       LED经过几十年的技术改良,其发光效率有了较大的提升。白炽灯、卤钨灯光效为12-24流明/瓦,荧光灯50~70流明/瓦,钠灯90~140流明/瓦,大部分的耗电变成热量损耗。LED光效经改良后将达到达50~200流明/瓦,而且其光的单色性好、光谱窄,无需过滤可直接发出有色可见光。目前,世界各国均加紧提高LED光效方面的研究,在不远的将来其发光效率将有更大的提高。    
2、耗电量少    
       LED单管功率0.03~0.06瓦,采用直流驱动,单管驱动电压1.5~3.5伏,电流15~18毫安,反应速度快,可在高频操作。同样照明效果的情况下,耗电量是白炽灯泡的八分之一,荧光灯管的二分之一、日本估计,如采用光效比荧光灯还要高两倍的LED替代日本一半的白炽灯和荧光灯。每年可节约相当于60亿升原油。就桥梁护栏灯例,同样效果的一支日光灯40多瓦,而采用LED每支的功率只有8瓦,而且可以七彩变化。    
3、使用寿命长    
       采用电子光场辐射发光,灯丝发光易烧、热沉积、光衰减等缺点。而采用LED灯体积小、重量轻,环氧树脂封装,可承受高强度机械冲击和震动,不易破碎。平均寿命达10万小时。LED灯具使用寿命可达5~10年,可以大大降低灯具的维护费用,避免经常换灯之苦。    
4、安全可靠性强    
       发热量低,无热辐射,冷光源,可以安全抵摸:能精确控制光型及发光角度,光色柔和,无眩光;不含汞、钠元素等可能危害健康的物质。内置微处理系统可以控制发光强度,调整发光方式,实现光与艺术结合。     
5、有利于环保    
       LED为全固体发光体,耐震、耐冲击不易破碎,废弃物可回收,没有污染。光源体积小,可以随意组合,易开发成轻便薄短小型照明产品,也便于安装和维护。   


 (四)光学知识 
       通常LED有白光(色温6500K左右)、中白光(色温4000K左右)、暖白光(色温3000K以下)几种光色类型,我们选择他们的意义何在呢?这就要从显色性这个问题说起,如果太阳光的显色指数是100%,那么优质白光LED一般在75%左右(色温高的显色指数相对低),而优质的中白光和暖白光LED可以把这个显色指数提高到80%以上。 
       在户外,亮度高可以判断物体的轮廓,但细节和层次就需要好的显色性来支持,也就是说要看清物体的轮廓,那么只要看亮度一个指标就可以了,无论是100%显色性的热光源,还是无显色性可言的单色光,亮度一致即一致。而如果要判断物体的颜色、细节、和层次,那么75%显色性的光源需要更高(不考虑视觉干扰和适应的话大约要135%)的亮度才足以达到100%显色光源的细节效果,因此,我们总希望得到更好的现色性。 
       白光LED发光的原理是电子通过芯片发出蓝光,再激发荧光粉发出黄光,混合成白光,这里面荧光粉激发出的黄光的显色性是比较高的,而蓝光则是一种单色光,因此要提高显色性就必须增加黄光的比例。从这个角度说,光色越暖,相对来说显色性就越好,就越适合户外运动。再有,暖色光的色温低,波长更长,在雨雾天气穿透力更强照射更远,这些特征共同决定了户外运动需要暖色光LED。 
       不过另一方面,激发荧光的效率是比较低的,暖白光LED的总亮度会更低,同时光色显得比较昏黄,会像小功率白炽灯一样给被照射物体染色,因此综合来看,户外运动中选择中白光LED产品是比较合适的,既拥有不错的显色性和穿透力,也避免了严重亮度降低和染色现象。 
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