光源与照明之应用.PDF

第 二 章 光 源 與 照 明 之 應 用 2 - 1 第二章 光源與照明之應用 2-1 各種光源之特性與應用介紹 若要細分照明光源的種類，可說是五花八門，令人眼花繚 亂。但以光源的基本種類來看，則大致可分為白熾燈、螢光燈、 HID 燈與 LED 等。以下則將就這 4 種不同光源的特性與應用做 一簡單介紹。 白熾燈 白 熾 燈 的 工 作 原 理 是 利 用 電 阻 把 鎢 絲 加 熱 至 2,500 ℃〜 2,650 ℃之間，使其發出可見光 。其燈泡是由玻璃製造，目的把 燈絲保持在真空，或低壓的惰性氣體之下，以防止燈絲在高溫 之下氧化。 白熾燈所具備的優點為構造簡單、價格低廉、普遍以及高 演色性（ Ra=100 ）等，但缺點為發光效率差、壽命短（1,000 〜 2,000 小時），無法精密控制色溫。 就發光效率而言，白熾燈的發光效率約在 5 〜20 lm ／ W 之 間，大部分白熾燈只能把輸入能量中的 5 ％轉化為可見光，而會 產生 75 ％的紅外線與 20 ％的熱。其中熱是無用的能量，而紅外 線則視情況而定，在寒冷的冬夜中，白熾燈所發出的紅外線可 讓人感到溫暖，這也是位處溫帶的歐美國家人民多半偏好使用 白熾燈的原因之一；但在盛夏季節時，就可能反而令人感到不 快，甚至提高冷氣的使用量。 但白熾燈因為是以加熱鎢絲的方式來發出可見光，故其放 射光譜為連續光譜，也使其演色性為所有光源中最佳者，遇到 對顏色要求特別高的場合，照明光源仍以白熾燈為主。 而除了一般人最耳熟能詳的白熾燈泡外，一般於店舖照明 經常使用的鹵素燈，其實也是白熾燈的一種。其與一般白熾燈 的 差 別 在 於 鹵 素 燈 的 的 玻 璃 使 用 的 是 石 英 玻 璃 （ Fused Quartz ），當中充入一些溴或碘等鹵素氣體（X 2 ）。 其工作原理為當燈絲發熱時，鎢原子（ W ）被蒸發後向各方 PIDA Photonics Industry Technology Development Association 第 二 章 光 源 與 照 明 之 應 用 2 - 2 向移動，當接近玻璃管壁時，鎢蒸氣被冷卻到大約 800 ℃並和鹵 素原子結合在一起，形成鹵化鎢（ WX 2 ）；而鹵化鎢向玻璃管 中央移動時，又會在燈絲上遇熱重新分解成鹵素蒸氣和鎢，使 得鎢又在燈絲上沉積下來，補充被蒸發掉的鎢，此一循環稱為 鹵素循環（Halogen cycle ）。此一循環使得鹵素燈的工作溫度 可達 2,700 ℃以上，也因此鹵素燈不論在發光效率（ 15 〜30 lm ／ W ）與使用壽命（2,000 〜3,000 小時）的表現上均較一般白熾 燈為佳。 總而言之，白熾燈仍是目前使用數量最龐大的照明光源， 其最大的優勢在於價廉、高演色性並可發出暖色光，故在溫帶 國家、低收入地區或是店舖照明的應用上仍有相當佔有率。但 因其發光效率較差，加上技術提昇的空間不大，應用於一般照 明時，被發光效率更佳的其他光源取代已是必然趨勢。不過在 需要高演色性的應用上，目前不論是螢光燈或是 LED 燈都尚未 達到令照明廠商滿意的水準，故也是 LED 廠商可以努力的方向 之一。 螢光燈 螢光管的工作原理是在燈管內充入低壓惰性氣體（如氬氣 或氖氣）與汞蒸氣的混合氣體，並在燈管的內側塗上一層螢光 體，在燈管的兩端設有鎢絲線圈。當電源接通後，電流通過鎢 絲，使其加熱並放出電子，電子會激發管內的汞，使之躍遷至 高 能 態 ， 而 當 汞 由 高 能 態 回 到 基 態 時 ， 會 發 出 波 長 分 別 為 253.7nm 及 185nm 的紫外線，再由燈管內側的螢光體吸收前者 後，發出可見光。 在能源轉換效率方面，螢光燈可將輸入能量的 25 ％轉為可 見光，30 ％轉為紅外線，低於 1％的紫外線與 40 ％以上的熱。 故其轉換效率為白熾燈的 5