绪论

一、什么是照明

近年来，我国的照明事业不断发展，照明的需求也不断提高。传统的成像光学设计在很多照明应用领域已不适用，非成像光学设计则应运而生。

一直以来，光学设计都被认为仅仅是镜头设计或成像设计，但从近一二十年的发展来看，光学设计已包括了照明设计这个子领域。照明设计主要关注的是光源到目标之间的可见光或辐射的传输问题。

可见光的有效传输在成像系统中是必需的，但是这些系统均受到成像要求的限制。为高效传输光线，照明系统可以忽略成像约束。因此，“非成像光学”一词经常出现在照明系统中。按以上所述，光学系统设计大致可分为以下四类：

1）成像系统设计。这类设计通常有一定的成像要求，如焦平面相机设计。

2）可见光成像系统设计。主要考虑某些集成观察系统的整体成像要求，如望远镜、照相机取景器和显微镜等，这些均是需要人眼来直接面对成像对象的光学系统。

3）可见光照明系统设计。可见光照明系统即有一定成像要求并充当光源的光学系统，如显示器、照明设备以及复印机的照明光源等。

4）不可见光照明系统设计。该类系统无成像要求，如太阳能集束器、激光泵浦腔以及其他光学传感器应用领域。

上述后面两个系统即属于照明工程领域。成像系统虽也可实现照明要求，但在某些特殊应用情形下，如制版行业中需用到的临界照明和柯勒照明，需要许多基于非成像光学原理的替代方法。本书重点阐述使光线在光源与目标之间进行有效传输的照明技术，即非成像技术，偶尔也会采用成像原理来改善传输效果。非成像光学系统包含三个部分，即光源、光学器件和接收面。与传统成像光学设计重点关注成像质量（即物象之间一一对应关系和映射的不失真）不同，非成像光学设计的研究重点在于光学系统对光能量传输的控制。此外，对观察者未设置任何要求，但大多数照明光学实际上是默认了观察者是人眼或一个光电成像系统（如相机）。如果忽视必要的可视化和视觉特点则会影响照明系统的性能。从这一点来看，照明设计也有一些主观的因素。

本书多次交替使用“照明”和“非成像”这两个术语，但严格讲，照明的广义概念包含了非成像和成像两种方法。

本书主要介绍照明技术光学领域的一些常见的物理量和基本概念，以及照明技术与照明设计相关的光色度分析、光学设计、灯具散热系统设计和照明产品设计案例等。

二、照明技术的发展

在人类发展史上，从采集天然火源到钻木取火，光源经历了无数的变化。照明的发展见证了人类历史的进步。火在人类历史上扮演着重要的角色，因为它为人类提供食物、温暖和光亮。火的使用伴随着人类文明的巨大进步。在18世纪之前，火一直是人类的照明工具，从火炬、动物油灯、植物油灯发展到蜡烛，再到广泛使用的煤油灯，人类从未停止探索新的照明方法。在油灯的使用过程中，灯芯由草芯发展到棉芯，再发展到多股棉芯。大约在公元前3 世纪，人们用蜂蜡制作蜡烛。在18 世纪，人们用石蜡制作蜡烛，机器的使用使得大量生产蜡烛成为可能。在19 世纪，英国人发明了最初用作路灯的煤气灯。由于它的火焰闪烁，熄灭时会产生有害气体，这种煤气灯不安全，室内使用非常危险，因此，经过改进，煤油灯在成千上万的家庭中取代了煤气灯。这些光源都是依靠燃烧材料的火焰来提供光。18 世纪，电的发明极大地促进了社会的发展，为照明带来了新的机会。1809年，英国的戴维·汉弗莱（David Hum-phrey）发明了弧光灯，这种灯利用一种电光源，这种光源是在空气中的两个电极通电后，将两个接触的碳棒电极分离而产生的。在白炽灯发明之前，它被用于公共场合，是第一个用于实际照明的电光源。但是，由于燃烧时会发出嘶嘶声，而且光线太亮，故不适合室内照明。1877年，一位俄国人通过修改弧光的结构发明了电蜡烛，但其性能并没有得到改善。那时，许多科学家开始探索一种新的、安全的、温暖的光源。

经过长时间的试验，美国发明家托马斯·爱迪生（Thomas Edison）于1879年10月21日点亮了世界上第一盏有实用价值的灯。在这一过程中，爱迪生认真总结了以往电灯制造试验的失败，并制定了详细的实验计划。爱迪生试验了多种植物，并决定在竹丝碳化后使用竹丝。电灯泡生产后的可用照明时间增加到1200小时。这种竹丝灯的使用时间超过了20年。1906年，爱迪生使用钨丝提高了电灯泡的质量，这就是沿用至LED照明普及之前一直使用的白炽灯，如图0-1a所示。

1959年，卤钨循环理论被发现，帮助发明了卤钨灯，其发光效率优于普通白炽灯，如图0-1b所示。

白炽灯的发明照亮了全世界，但从能源利用的角度来看，却存在着严重的缺陷，只有10%～20%的能量转化为光，其余的能量以热的形式散失。为了更好地利用能源，科学家们开始了探索新的照明灯具的旅程。1902年，彼得·库珀·休伊特（Peter Cooper Hewitt）发明了汞灯，它的光伏效率大大提高，但有明显的缺点，它辐射了大量的紫外线，对人体有害，而且光线太强，因此并没有被广泛使用。

1910年，霓虹灯投入使用，这种光源的光是在玻璃管内低压惰性气体的高压场中由冷阴极辉光放电发出的，惰性气体的光谱特性决定了氖的颜色。

汞灯进一步引起了许多科学家的兴趣，他们发现，只要在汞灯管的内壁涂上荧光材料，那么当水银的紫外线投射在上面时，大量有害的紫外线就会被激发成可见光。然而，由于水银的启动装置较差，科学家们在实际操作中遇到了一系列的故障。1936年，乔治·E.英曼（George E.Inman）和其他研究人员利用一种新的启动装置生产了不同于汞灯的荧光灯。这种荧光灯的制作方法是：在玻璃管中注入一定量的汞蒸气，在管壁内涂上荧光粉，并在管的两端各安装一根灯丝作为电极。这种荧光灯的光比白炽灯还亮。它有更高的能量转换效率，更大的照明面积，并可以调整成不同的光色，因此它一发明出来就进入了普通人的家中。由于荧光灯的成色与白天类似，所以也被称为日光灯。

荧光灯中的汞会造成环境污染，因此，照明科学家和制造商开始寻找新的照明光源。在20世纪60年代后期，出现了高压气体放电灯，如高压钠灯（见图0-2）和金属卤化物灯。

早在1907年，亨利·约瑟夫·朗德（Henry Joseph Round）在研究碳化硅（SiC）接触点上的非对称电流路径时，发现SiC晶体发出黄光。第一个二极管应该叫作肖特基二极管，而不是pn结二极管。半导体发光原理真正应用于发光二极管（Light-Emitting Diode，LED）是从20世纪60年代初开始的。美国通用电气（General Electric，GE）公司的尼克·霍洛尼亚克（Nick Holonyak Jr.）利用气相外延技术并使用砷化镓（GaAs）开发了第一个商用发红光的GaAsP LED，当时产量很低，价格却很高。1968年，美国孟山都（Monsanto）公司成为第一个生产LED的商业实体，它开始建立一个工厂来生产低成本的GaAsP LED，这开启了固态照明的新时代。从1968年到1970年，LED销量每隔几个月就会翻一番。在此期间，这家公司与惠普（Hewlett-Packard，HP）公司合作降低了LED生产成本，提高了性能，其商业化生产的GaAsP/GaAs LED器件成为市场的主导产品。然而，在那个时期，这些发红光LED的光效为0.1lm/W，远低于平均光效为15lm/W的白炽灯。孟山都公司的技术骨干M.乔治·克拉福德（M.George Craford）为LED的发展做出了巨大贡献，他和他的同事在1972年成功开发出了黄光LED，他们采用的方法是在GaAs衬底上生长氮掺杂GaAsP激发层。几乎在此期间同时出现了氧化锌（ZnO）掺杂红光磷化镓（GaP）LED和n掺杂绿光GaP LED两种器件，它们都是通过液相外延（Liquid Phase Epitaxy，LPE）生长的器件。因此，孟山都公司的研究团队采用气相外延法，将氮掺杂到GaAsP中，可以生产出发红光、橙光、黄光和绿光的LED器件。

1972年，哈密尔顿（Hamilton）公司生产了第一款带有LED显示屏的数字手表。20世纪70年代中期，德州仪器（Texas Instrument，TI）公司生产了便携式数字计算器，惠普（HP）公司有一个由红光GaAsP LED组成的七段数字显示器。然而，当时LED显示屏的功耗非常大。因此，对液晶显示屏（Liquid Crystal Display screen，LCD）功耗的需求在20世纪70年代晚期时非常强劲。在20世纪80年代早期，液晶显示器很快取代了LED在计算器和手表上的显示。

生产第一台彩色电视机的公司是美国无线电（Radio Corporation of America，RCA）公司，它在1972年7月采用金属卤化物气相外延（Metal Halide Vapor Phase Epitaxy，MHVPE）生长和掺镁的氮化镓（GaN）薄膜获得发射波长为430nm的蓝光和紫外光。20世纪80年代早期的一项重大技术突破是开发出一种发光效率可达10lm/W的AlGaAs LED。这一技术的进步使LED应用于户外运动信息显示，以及安装在汽车尾部中央顶端的停止灯等照明设备中。

从20世纪80年代末到2000年，由于AlGaInP材料技术、多量子阱激发区、GaP透明衬底技术等LED新技术的发展，裸芯片（即未封装其他材料的芯片）的尺寸和形状得到了进一步的发展。在20世纪90年代早期，惠普和东芝成功地开发出了采用金属有机化学气相沉积（Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）技术制备GaAlP LED器件。特别是在克拉福德（Craford）等人成功开发出透明衬底技术之后，由于其发光效率高、色域广而得到了广泛关注和迅速发展。其发光效率提高到20lm/W，超过了白炽灯的发光效率。近年来，倒装结构等技术的应用进一步提高了发光效率。1993年，中村修二（Shuji Nakamura）等人在日本日立公司采用双流MOCVD技术解决了p型InGaN材料的退火工艺。随后，他们成功开发出了以蓝宝石为基材的超高亮度蓝光LED器件。很快，绿光和蓝绿光LED的研究也相继开启。当时，高亮度GaInN绿光LED在交通信号灯中得到了广泛的应用，但早期n掺杂的GaP绿光灯由于其发光效率低而受到限制。1996年，日亚化学（Nichia）公司推出了白光发光二极管，采用了蓝光LED芯片，芯片上覆盖了主要由钇铝石榴石（Yttrium Aluminium Garnet，YAG）组成的荧光粉。不久之后，美国的科锐（Cree）公司还采用了以SiC为衬底的InGaN/SiC结构蓝绿光LED器件。经过不断改进，该器件性能与蓝宝石衬底器件相同。近年来，紫外（UV）LED技术的研究也取得了显著进展，从而为新型白光器件奠定了基础。

上面提到早期LED照明芯片技术主要有日本公司垄断蓝宝石衬底和美国公司垄断碳化硅衬底两种技术方案，但是2012年中国的江风益教授团队成功研发了硅衬底LED技术，于2015年一举摘下国家技术发明一等奖的桂冠，这一技术是一项改写了半导体照明历史的颠覆性新技术，并且该技术成果获得了包括诺贝尔物理学奖获得者中村修二等国际权威的认可，形成了蓝宝石、碳化硅和硅三种不同衬底半导体照明技术方案三足鼎立的局面。

随着目前LED技术的进步，越来越多的白光LED应用已逐渐替代过去的一些传统光源，包括指示器、便携式手电筒、LCD屏幕背光板、汽车仪表、医疗设备、路灯、室内灯等。据业内人士估测，白光LED已经在近10年来广泛应用于普通照明领域，尤其是在国家节能环保、低碳经济政策驱动下加速了这一替代进程，如图0-3所示。

三、照明的种类

（一）按照明功能分类

照明的种类有正常照明、应急照明、值班照明、警卫照明和障碍照明。其中应急照明包括备用照明、安全照明和疏散照明，其适用原则应符合下列规定：

1）当正常照明因故障熄灭后，对需要确保正常工作或活动继续进行的场所，应装设备用照明；

2）当正常照明因故障熄灭后，对需要确保处于危险之中的人员安全的场所，应装设安全照明；

3）当正常照明因故障熄灭后，对需要确保人员安全疏散的出口和通道，应装设疏散照明；

4）值班照明宜利用正常照明中能单独控制的一部分或利用应急照明的一部分；

5）警卫照明应根据需要，在警卫范围内装设；

6）障碍照明的装设，应严格执行所在地区航空或交通部门的有关规定。

（二）按国际照明委员会（CIE）推荐的照明灯具分类

可分为五类，即直接型、半直接型、漫射型（包括水平方向光线很少的直接—间接型）、半间接型和间接型。

1）直接型灯具：此类灯具绝大部分光通量（90%～100%）直接投照下方，所以灯具的光通量的利用率最高。

2）半直接型灯具：这类灯具大部分光通量（60%～90%）射向下半球空间，少部分射向上方，射向上方的分量将减少照明环境所产生的阴影的硬度并改善其各表面的亮度比。

3）漫射型（直接—间接型）灯具：灯具向上向下的光通量几乎相同（各占40%～60%）。最常见的是乳白玻璃球形灯罩，其他各种形状漫射透光的封闭灯罩也有类似的配光。这种灯具将光线均匀地投向四面八方，因此光通量利用率较低。

4）半间接型灯具：灯具向下光通量占10%～40%，它的向下分量往往只用来产生与天棚相称的亮度，此分量过多或分配不适当也会产生直接或间接眩光等一些缺陷。上面敞口的半透明罩属于这一类。它们主要作为建筑装饰照明，由于大部分光线投向顶棚和上部墙面，增加了室内的间接光，光线更为柔和宜人。

5）间接型灯具：灯具的小部分光通量（10%以下）向下。设计得好时，全部天棚成为一个照明光源，达到柔和无阴影的照明效果，由于灯具向下光通量很少，只要布置合理，直接眩光与反射眩光都很小。此类灯具的光通量利用率比前面四种都低。

（三）按防触电保护分类

为了电器安全，灯具所有带电部分必须采用绝缘材料等加以隔离。灯具的这种保护人身安全的措施称为防触电保护。

根据防触电保护方式，照明灯具应分为Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类，灯具应只属于一个类别。每一类灯具的主要性能及其应用情况在表0-1中有详细的说明。

为了遵循公共安全，原来分类的0类灯具已经在国际标准中消除了，因为0类灯具只依靠基本绝缘，没有附加的安全措施，万一基本绝缘失效，就只能依靠环境了。因此，0类灯具的安全程度最低，已多年不制造0类灯具了，我国标准GB 7000.1—2003中就已删除了关于0类灯具的内容。

从电气安全角度看，Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类安全性程度逐步递增，Ⅲ类安全性最高。在照明设计时，应综合考虑使用场所的环境操作对象、安装和使用位置等因素，选用合适类别的灯具。在使用条件或使用方法恶劣场所应使用Ⅲ类灯具，一般情况下可采用Ⅰ类或Ⅱ类灯具。

（四）按防护等级IP（Ingress Protection）分类

按国际电工委员会标准IEC 60529和国标GB 7000.1—2015规定，根据异物和水侵入灯具外壳内部的防护程度进行分类。

表示防护等级的代号通常由特征字母IP跟两位数字（特征数字）组成，第一位特征数字表示灯具防尘、防异物侵入的等级，其最高级别是6；第二位特征数字表示灯具防水、防湿气的密闭程度，其最高级别是8。两位特征数字的含义分别见表0-2和表0-3，数字越大表示其防护等级越高。如IP65，其中第一特征位数字即与表2中等级6对应，表示尘密，即无尘埃进入完全防尘；而第二位特征数字与表3中等级5对应，表示防喷水进入，其余依此类推。

（五）按照明光源发光原理分类

可分为热辐射光源、气体放电光源和固体发光光源三大类。

1.热辐射光源

热辐射光源是利用电流通过电阻丝发热形成的热辐射发光，主要有白炽灯和卤钨灯。白炽灯的优点是显色性好，缺点是光效低；而卤钨灯相比较白炽灯光效更高。

2.气体放电光源

气体电光源分为低压气体电光源、高压气体电光源和辉光放电光源。

（1）低压气体电光源

低压气体电光源主要有荧光灯、紧凑型荧光灯和低压钠灯等，如图0-4所示。

1）荧光灯：利用荧光粉受电子、紫外线或X射线照射后发出可见光，其光效比白炽灯高很多。发射谱线较多为紫外光谱，感觉较冷。

2）紧凑型荧光灯：也称为节能灯，利用三种（440nm蓝色、545nm绿色、610nm红色）不同颜色的稀土荧光粉以适当的比例组合成的灯管，再配镇流器。紧凑型荧光灯优点有光效高（光效是白炽灯的五六倍），显色性好（显示指数在80以上），光衰小，发光稳定，无频闪；缺点是易破碎，有汞污染。

3）低压钠灯：利用低压钠蒸气放电发光的电光源，它玻璃外壳内壁涂有红外线反射膜。优点是光衰小，发光效率高；缺点是发单色黄光，显色性较差。

（2）高压气体电光源

高压气体电光源（简称HID）有高压汞灯、高压钠灯和金属卤化物灯等，如图0-5所示。

1）高压汞灯：适用于室内外植物照明，发蓝绿光谱最强，所以绿色植物在此光源下色彩更接近白天看到的绿色。

2）高压钠灯：光效高，多用于道路照明。显指低，启动时间长，燃点温度很高，眩光明显。

3）金属卤化物灯：综合比较，比高压钠灯更实用，光效和显指都略高于高压钠灯，但二者都是高压气体放电灯，所以启动时间长。

（3）辉光放电光源

辉光放电是指低压气体中显示辉光的气体放电现象，即是稀薄气体中的自持放电（自激导电）现象，由法拉第第一个发现。它包括亚正常辉光和反常辉光两个过渡阶段。辉光放电主要应用于氖稳压管、氦氖激光器等器件的制造。

3.固体发光光源

固体发光是指电磁波、电能、机械能及化学能等作用到固体上而被转化为光能的现象。由此可见，固体发光的激发方式有很多种，如光致发光、阴极射线发光、X射线及γ射线发光、场致发光、高能粒子激发发光、化学发光、生物发光和摩擦发光等，其中，真空阴极射线发光、X射线及γ射线激发发光、高能粒子激发发光中，粒子的能量很高，激发不均匀，它们将产生光电效应、康普顿效应、电子-正电子对、二次电子等与发光无关的效应，但经过能量调整，可以达到发光过程和光致发光类似。

场致发光又称电致发光，典型代表就是发光二极管（LED），其基本结构是一块电致发光的半导体材料。LED光源有诸多优点，如低压供电、节能、面积小、稳定性好、响应时间极短、无污染、色彩丰富，如图0-6所示。早期LED有一个最大缺点就是价格昂贵，但是现在技术的不断成熟以及光效和光品质的不断提高，普通照明用LED价格昂贵这一问题得到了解决，通用照明LED光源得到了广泛应用。因而本书的照明设计主要是针对LED的二次光学设计展开的。

除了以上几大类光源外，还有一种照明光源也是很有特色的，那就是光纤照明系统。光纤照明系统是由光源、反光镜、滤色片及光纤组成的，光源通过反射镜后，形成一束近似平行光的光束，滤色片将该光束变成彩色光，彩色光随光纤到达目的地。若光源采集的是太阳光，则类似于导光管式阳光导入系统，如图0-7a所示。若光源经过滤色片得到某些特殊颜色的光，则还可用于装饰性目的照明用，如图0-7b所示。

光纤照明系统一般采用的光源是高亮度的点光源，反光镜是非球面反光镜，滤色片根据需要采用不同的颜色，光纤传输光由于光纤的弯曲或传输介质对光的吸收导致光能量有不同程度的损耗，所以，光纤照明系统对光的传输距离是有一定限度的，一般最远距离是30m左右。