內容簡介
《光源原理與設計(第三版)/半導體光源(LED,OLED)及照明設計叢書》(第一版全部內容為傳統光源,榮獲“中國輕工業科技進步一等奬”;第二版專門增加瞭一章,介紹半導體光源,但隻占書內容的1/12,其餘還是傳統光源)在前兩版的基礎上,保留瞭部分傳統光源的內容,如熱輻射光源和氣體放電光源;大幅度增加瞭半導體光源(LED和OLED)的內容,使其約占全書的2/3,以全麵反映最近10多年來國內外光源科技發展的新成果。
《光源原理與設計(第三版)/半導體光源(LED,OLED)及照明設計叢書》共7章,論述瞭從傳統光源到半導體光源(LED和OLED)的原理、特性與設計。為便於讀者掌握以上內容,還介紹瞭光輻射、氣體放電,以及光度學、色度學基礎等知識。
《光源原理與設計(第三版)/半導體光源(LED,OLED)及照明設計叢書》可作為高等院校相關專業本科生、研究生的教材,也可供從事照明行業生産、開發和研究的工程技術人員、高等院校教師及科研人員參考。
內頁插圖
目錄
序
前言
第一章 光源的特性參量
1.1 光源的輻射特性
1.2 人眼的視覺
1.3 照明光源的光學特性
1.3.1 光通量、光強度、光照度、光亮度和光量
1.3.2 光效
1.3.3 光源的色溫和顯色性
1.4 光源的電氣特性和壽命
1.4.1 光源的電氣特性
1.4.2 燈的壽命
參考文獻
第二章 熱輻射光源
2.1 熱輻射
2.1.1 熱輻射的基本特性
2.1.2 黑體輻射
2.1.3 實際輻射體
2.2 白熾燈
2.2.1 白熾燈的基本原理
2.2.2 白熾燈的産品
2.2.3 白熾燈的工作特性
2.3 鹵鎢燈
2.3.1 鹵鎢循環
2.3.2 鹵鎢燈的結構與製造
2.3.3 鹵鎢燈的應用
參考文獻
第三章 氣體放電燈
3.1 氣體放電的基本原理
3.1.1 氣體放電現象
3.1.2 帕邢定律
3.1.3 光源放電類型
3.2 低氣壓放電燈
3.2.1 低氣壓放電原理
3.2.2 低壓鈉燈
3.2.3 熒光燈
3.3 高氣壓放電燈
3.3.1 高氣壓放電的基本原理
3.3.2 高壓鈉燈
3.3.3 高壓汞燈
3.3.4 金屬鹵化物燈
3.3.5 氙燈
3.4 無極放電燈
3.4.1 無極放電光源的類型
3.4.2 無極熒光燈
3.4.3 微波光源
參考文獻
第四章 發光二極管
4.1 LED的發光原理
4.1.1 半導體材料的能帶結構
4.1.2 復閤與發光
4.1.3 電緻發光
4.1.4 LED光效
4.2 LED材料體係及器件製備
4.2.1 發光條件
4.2.2 材料體係
4.2.3 紅、綠、藍LED性能的比較
4.3 LED材料外延及器件設計
4.3.1 LED材料外延
4.3.2 LED器件設計
4.3.3 LED的光引齣
4.4 白光LED技術及LED展望
4.4.1 白光LED製備
4.4.2 LED技術展望
4.5 LED封裝技術
4.5.1 LED封裝材料
4.5.2 常見LED器件
4.5.3 LED散熱
4.5.4 LED封裝的發展
4.6 LED的驅動技術
4.6.1 LED伏安特性麯綫
4.6.2 直流LED及其驅動電路
4.6.3 高壓LED及其驅動電路
4.6.4 ACLED及其驅動電路
4.6.5 交直流LED性能的比較分析
4.7 LED光源的特性和設計
4.7.1 LED光源的特性
4.7.2 LED光源的設計
4.8 LED的應用
4.8.1 視覺照明
4.8.2 非視覺照明
參考文獻
第五章 有機電緻發光器件
5.1 OLED的發展簡史
5.2 有機材料的電子結構與發光原理
5.2.1 有機材料的電子結構
5.2.2 有機材料的發光原理
5.2.3 激子的相互作用與能量轉移
5.3 OLED的器件物理
5.3.1 載流子注入與輸運
5.3.2 OLED的器件結構
5.3.3 OLED的光取齣
5.4 OLED的器件製備
5.4.1 基片處理
5.4.2 真空鍍膜法
5.4.3 溶液成膜法
5.4.4 微納光學結構製備
5.4.5 器件封裝
5.5 OLED的重要參數及錶徵方法
5.5.1 OLED材料錶徵
5.5.2 OLED的器件錶徵
5.6 OLED的顯示與照明
5.6.1 OLED顯示技術
5.6.2 OLED白光照明
參考文獻
第六章 光度學基礎
6.1 光度學基本原理與定律
6.1.1 距離平方反比定律
6.1.2 朗伯餘弦定律
6.1.3 阿貝定律
6.1.4 疊加原理
6.2 照度測試
6.2.1 餘弦修正
6.2.2 光譜失配修正
6.2.3 照度計原理
6.3 光強測試
6.3.1 目視光度法
6.3.2 物理光度法
6.3.3 光強分布測試方法
6.4 亮度測試
6.4.1 典型亮度計結構
6.4.2 亮度計校準
6.5 光通量測試
6.5.1 積分球測試方法
6.5.2 分布式光度計測試方法
6.6 光譜測試
6.6.1 光源光譜功率分布的測試
6.6.2 掃描式光譜儀
6.6.3 多通道光譜儀
6.7 LED光度特性測試
6.7.1 光強、光通量及光譜測試方法
6.7.2 熱阻測試
6.7.3 壽命測試
參考文獻
第七章 色度學基礎
7.1 CIE標準色度學係統
7.1.1 CIERGB係統
7.1.2 CIEXYZ係統
7.1.3 CIE均勻顔色空間
7.2 色度學標準及基本測試方法
7.2.1 標準照明體和標準光源
7.2.2 反射率因數標準
7.2.3 標準照明條件和觀測條件
7.3 色品坐標測試
7.3.1 光電積分法
7.3.2 分光光度法
7.4 色溫測試
7.4.1 普朗剋麯綫直接計算法
7.4.2 羅伯遜法
7.4.3 雙色法
7.5 顯色指數測試
7.5.1 孟塞爾顔色樣品
7.5.2 參照照明體
7.5.3 CIE顯色指數計算方法
7.5.4 CQS係統
7.5.5 IESTM30係統
7.5.6 CRI2012係統
參考文獻
前言/序言
《光源原理與設計》自1993年齣版以來,迄今第三版即將問世。第一版由周太明教授編著。該書作為復旦大學光源與照明工程係本科生的教材和行業內工程技術人員的參考書,一直深受廣大學生和科技人員的喜愛。鑒於該書的學術影響力以及其在培養我國光源科技人纔方麵所起的積極作用,1997年榮獲中國輕工業科技進步一等奬。2006年,由周詳、蔡偉新參與編著的第二版齣版,增加瞭很多內容,尤其是新增瞭一章“電緻發光光源”。該版繼續得到學界和業界廣大同仁的認可。
在本書第二版問世後的10多年裏,國內外光源科技又有瞭迅猛的發展。周太明教授建議應將原書修訂再版,以反映由半導體光源引發的照明革命,滿足新、老讀者的需求。經與梁榮慶教授研究,他赴京與吳玲秘書長和阮軍副秘書長商討,決定強強聯閤,由復旦大學電光源研究所(光源與照明工程係)和國傢半導體照明工程研發及産業聯盟聯閤編著本書。
隨著科學技術的日新月異,大學教材內容的同步更新顯得特彆重要。半導體光源作為第四代光源(包括LED和OLED等)具有光效高、壽命長、功耗低、啓動時間短、結構牢固等特點,更重要的是它可控,能實現亮度和顔色等的變化,是實現智能化照明最理想的光源。《光源原理與設計》(第三版)的編著,是在前兩版的基礎上保留瞭部分傳統光源的內容,如熱輻射光源和氣體放電光源;大幅度增加瞭半導體光源(LED和()LED)的內容,以全麵反映最近10多年來國內外光源科技發展的最新成果。
本書是集體勞動的成果。周太明教授是本書的顧問,一直關心本書的編著工作,並給予指導。阮軍作為本書的副主編,對本書的大綱設計和編撰人員組成給予瞭很多指導意見,並且審閱瞭書稿的有關章節,提齣瞭寶貴的修改建議。周詳撰寫瞭第一章;陳育明撰寫瞭第二、第三章;崔旭高負責第四章,並與田朋飛、郭睿倩、餘彬海、鄒念育、牛萍娟和林燕丹閤作完成瞭第四章;張樹宇撰寫瞭第五章,區瓊榮積極參與;第六、第七章由瀋海平完成。
在本書即將付梓之際,我特彆要感謝所有積極參與編寫工作的各位老師,正是大傢的共同努力,纔使這部閤作撰寫的《光源原理與設計》(第三版)得以問世。
吳玲秘書長和梁榮慶教授十分支持本書的編著工作,給予瞭很多指導;在書稿的修訂過程中,潘鼕梅、硃嘉搜、張瀟臨、周莉、尹曉鴻、邱婧婧等也給予瞭幫助。範仁梅老師為審稿和編輯付齣瞭大量辛勤勞動。本書齣版,南京前錦排版服務有限公司做瞭大量工作。在此,錶示誠摯的感謝。
衷心感謝國際半導體照明聯盟(ISA)主席曹健林教授在百忙中為本書作序。
我們要特彆感謝上海市教育委員會、上海市新聞齣版局將本書列入“2016年度上海高校服務國傢重大戰略齣版工程”,感謝學校和齣版社的傾情推薦。
所有編寫人員都認識到這是一項光榮而富有意義的任務。希望我們的努力,能為我國光源照明人纔培養事業做齣積極的貢獻。再次衷心感謝所有對本書給予幫助的同仁,也感謝讀者對本書的關注。由於我們水平和時間所限,書中如有不當之處,請不吝指正。
郭睿倩
2017年5月
《光源原理與設計(第三版)/半導體光源(LED,OLED)及照明設計叢書》的精彩內容,您將踏上一段深入探索現代光源奧秘的旅程。本書並非旁徵博引,而是聚焦於當下最激動人心、應用最廣泛的光源技術——半導體光源,並在此基礎上延展至精妙的照明設計。 第一部分:半導體光源的璀璨世界 在第一部分,我們將一同揭開半導體光源的神秘麵紗,從其最基本的物理原理齣發,逐步深入到技術細節和應用實踐。 LED(發光二極管):從 PN 結到全彩照明 半導體基礎與 PN 結的誕生: 我們將從最基礎的半導體材料性質講起,介紹矽、鍺等本徵半導體的載流子運動,以及摻雜後形成 P 型和 N 型半導體的過程。在此基礎上,我們將詳細解析 PN 結的形成機理、能帶結構以及其最重要的特性——單嚮導電性。理解 PN 結是理解 LED 工作原理的基石。 電緻發光原理: 核心部分將深入闡述 LED 的電緻發光機理。當 PN 結施加正嚮電壓時,電子和空穴在界麵處復閤,釋放能量。這種能量並非隨機釋放,而是以光子的形式發射齣來。我們將詳細介紹載流子注入、復閤過程、俄歇復閤以及輻射復閤等關鍵環節,並解釋為何不同的半導體材料會發齣不同顔色的光,即帶隙能量與光子能量的關係。 LED 的材料與結構: 瞭解瞭基本原理,我們自然會關注實際的 LED 器件。本書將詳細介紹當前主流的 LED 材料體係,如砷化鎵 (GaAs)、磷化鎵 (GaP)、氮化鎵 (GaN) 等,以及它們在不同波長(顔色)LED 製造中的作用。同時,我們將解析 LED 的典型結構,包括外延層、P-N 結、電極、襯底等,以及這些結構如何影響器件的性能,如發光效率、光譜特性等。 LED 的性能參數與測試: 為瞭量化 LED 的錶現,我們需要掌握一係列關鍵的性能參數。本書將詳細解釋光通量、光強、照度、色溫、顯色指數 (CRI)、光效、漏電流、正嚮電壓、反嚮擊穿電壓等重要指標,並介紹相應的測試方法和標準。這些參數是評價和選擇 LED 的重要依據。 LED 的驅動與控製: LED 並非直接連接電源即可工作,它需要特定的驅動電路來保證其穩定、高效地運行。我們將探討恒流驅動和恒壓驅動的區彆,介紹各種 LED 驅動電路的設計原理,包括降壓型、升壓型、升降壓型拓撲,以及如何通過 PWM(脈衝寬度調製)、模擬調光等技術實現亮度調節。 白光 LED 的實現: 現代照明離不開白光 LED。本書將深入講解白光 LED 的主要實現方式:熒光粉轉換型和三基色混光型。重點闡述熒光粉的種類、激發與發光機理,以及如何通過調整熒光粉的配比和厚度來獲得不同色溫和高顯色指數的白光。 LED 的封裝技術: LED 芯片本身非常脆弱,需要封裝來保護,同時封裝材料和結構也對 LED 的光效、散熱和壽命至關重要。我們將介紹常見的 LED 封裝形式,如直插式、貼片式、COB(Chip on Board)等,並分析不同封裝材料(如環氧樹脂、有機矽)對光性能和散熱性能的影響。 LED 照明應用的挑戰與進展: 盡管 LED 技術日新月異,但在實際應用中仍麵臨一些挑戰,如散熱問題、壽命衰減、成本控製、光質量提升等。本書將對這些挑戰進行深入分析,並介紹最新的研究進展和解決方案,例如先進的散熱技術、高可靠性材料、智能化控製係統等。 OLED(有機發光二極管):柔性、透明與自發光的革新 有機半導體材料的奇妙世界: 與無機半導體不同,OLED 使用的是有機小分子或高分子材料。我們將介紹這些有機材料的結構特點,以及它們如何錶現齣半導體特性,如電荷傳輸和發光。 OLED 的發光機理: OLED 的發光機理與 LED 類似,也是電緻發光。然而,其發光層是由有機材料構成。我們將詳細講解激子形成、激子復閤以及單綫態和三綫態激子在發光過程中的作用。理解這一過程對於理解 OLED 的效率瓶頸和提升方法至關重要。 OLED 的器件結構: OLED 的器件結構通常比 LED 更復雜,包含多層有機薄膜。本書將詳細介紹典型的 OLED 器件結構,包括透明導電層(如 ITO)、空穴注入層、空穴傳輸層、發光層、電子傳輸層、電子注入層等,以及各層材料的作用和選擇依據。 OLED 的色彩生成: OLED 的發光顔色直接由發光層有機材料的能隙決定。我們將介紹如何通過設計不同的發光材料(熒光材料、磷光材料)來産生紅、綠、藍三原色。並探討如何通過像素化技術實現全彩色顯示。 OLED 的優勢與特點: OLED 技術帶來瞭諸多革命性的優勢,例如: 自發光: 無需背光源,實現極緻的黑色錶現和高對比度。 柔性與透明: 有機材料的可塑性使得製造柔性、可彎麯甚至透明的顯示屏成為可能。 輕薄: 器件結構簡單,可以實現超薄設計。 響應速度快: 像素響應速度極快,適閤動態畫麵。 OLED 的挑戰與發展方嚮: OLED 的發展也麵臨一些挑戰,例如: 壽命: 有機材料的穩定性相對較低,導緻 OLED 的壽命通常不如 LED。 效率: 特彆是綠色和藍色 OLED 的效率仍有提升空間。 成本: 製造工藝復雜,成本相對較高。 功耗: 在顯示復雜圖像時,功耗也是需要考慮的因素。 本書將對這些挑戰進行深入剖析,並介紹當前 OLED 技術在材料改進、器件結構優化、驅動技術、生産工藝等方麵的最新研究進展和未來發展趨勢,如印刷 OLED、疊層 OLED 等。 第二部分:照明設計的藝術與科學 在掌握瞭半導體光源的基本原理和技術特性後,本書將轉嚮照明設計的核心內容,將科學知識轉化為富有藝術感和實用性的照明解決方案。 照明設計的基本原則與流程: 照明設計的目標: 我們將首先明確照明設計的核心目標,包括滿足功能需求(如視覺舒適度、安全性)、營造氛圍(如美學、情感錶達)、節能環保以及符閤相關法規標準。 照明設計流程: 從項目需求分析、現場勘測、光源選擇、燈具布局、照度計算、眩光控製、能耗分析到最終的施工圖紙和現場調試,我們將係統地梳理一個完整的照明設計流程,幫助讀者建立科學的設計思維。 光度學與色度學在照明設計中的應用: 光度學基礎: 再次迴顧並深入應用光度學概念,如流明 (lm)、坎德拉 (cd)、勒剋斯 (lx)、平均照度、最小照度、照度均勻度等。學習如何利用這些參數來計算和評估特定區域的照明效果。 色度學基礎: 深入理解色溫 (K)、顯色指數 (CRI)、飽和度、主波長等色度學參數,以及它們對環境氛圍和物體視覺效果的影響。探討如何根據不同場景選擇閤適的光色。 光源與燈具的選擇策略: LED 照明光源的特點與選擇: 結閤第一部分的內容,詳細分析不同類型 LED 光源(如球泡燈、筒燈、射燈、燈帶)在不同應用場景下的適用性。考慮光效、顯色性、色溫、光束角、散熱性能、調光兼容性等因素。 OLED 照明的獨特應用: 探討 OLED 照明在柔性、裝飾性、高品質照明等方麵的獨特優勢,例如作為發光麵闆、集成式照明設計等,以及其在高端室內設計、藝術裝置等領域的應用潛力。 燈具的類型與功能: 介紹各種功能性燈具(如基礎照明、重點照明、裝飾照明)和它們的配光特性,如對稱配光、非對稱配光、蝙蝠翼配光等,以及如何根據設計需求選擇閤適的燈具。 照明設計的關鍵技術與實踐: 照度計算與模擬: 介紹使用專業照明設計軟件(如 DIALux、Relux)進行照度模擬和分析的技術,掌握如何通過軟件預測和優化照明效果,避免照度不足或過度的區域。 眩光控製: 深入分析眩光産生的原因(直接眩光、間接眩光),以及各種眩光控製技術,如提高光源的防護等級、選擇閤適的燈具配光、閤理布置燈具等,確保視覺舒適度。 視覺舒適度與視覺疲勞: 探討照明設計如何影響人的視覺舒適度和心理狀態,以及如何通過閤理的照明設計來減輕視覺疲勞,提升工作效率和生活品質。 節能照明設計: 強調綠色照明理念,介紹各種節能技術,如采用高效率光源、智能控製係統(感應器、定時器、調光係統)、利用自然光等,最大化減少能源消耗。 色彩與光照設計: 探討色彩心理學與光照設計的結閤,研究不同光色和照度對人的情緒、感知以及空間氛圍的影響,創造齣更具藝術感染力的空間。 特殊照明設計: 涵蓋商業照明(商店、展廳)、辦公照明、傢居照明、公共空間照明(道路、廣場)、舞颱照明、景觀照明等多種典型場景的照明設計要點和案例分析。 智能化與未來照明趨勢: 智能照明係統: 介紹智能照明係統的構成,包括智能光源、智能控製器、傳感器、無綫通信技術(如 Zigbee、Wi-Fi)等,以及如何實現場景聯動、遠程控製、人體感應、光照自動調節等功能。 人因照明(Circadian Lighting): 探討根據人體生物鍾調節光照的技術,研究其對人類健康、情緒和睡眠的影響,以及在醫院、學校、辦公場所等場景的應用前景。 LiFi(可見光通信): 簡要介紹可見光通信技術,即利用 LED 光源進行數據傳輸,展望其在未來智能互聯生活中的潛在應用。 可持續照明: 展望未來照明的發展方嚮,強調可持續性、環保性以及與物聯網、人工智能等前沿技術的融閤。 本書以嚴謹的科學態度,輔以豐富的圖示和案例,力求將深奧的物理原理和復雜的設計方法以清晰易懂的方式呈現給讀者。無論您是相關專業的學生、研究人員、工程師,還是對現代光源與照明設計充滿好奇的設計師、愛好者,本書都將是您寶貴的參考資料和實踐指南,引領您在光的世界裏發現無限可能。