[日]大谷义彦 著 夏晨 译
摘 要
本文第一部分阐述LED照明在诸多领域的应用现状与未来，其中包括：普通照明、背光照明、道路交通、交通工具、招牌和显示屏、农业、渔业、医学以及通信等领域。第二部分介绍日本近期LED照明的普及活动，主要关注日本LED照明推广委员会的活动。最后一部分探讨LED照明今后的研究课题和发展方向。
关键词 LED照明 现状 未来展望 普及活动 课题 方向
前 言
20世纪初，在碳化硅PN结两端施加正向偏压可以产生光辐射的LED基本原理被确立。上世纪60年代，红光和绿光LED问世，70年代黄光LED出现，90年代，日本制造商成功开发出蓝光LED,进而于1996年研制出白光LED,从而使得LED的用途从最早的信号指示逐渐拓宽到普通照明等应用领域。
LED具有节能、寿命长、环保、体积小、控制灵活、响应速度快等优点，有着诱人的发展前景。但2005年某调查显示，日本国内的白光LED中99%用于手机屏幕的背光源，仅有1%用于包括导向灯在内的照明用途，LED在照明领域的广泛普及还尚需时日。
以下概述LED的照明现状和未来，介绍LED照明相关普及活动，探讨今后LED照明的课题和发展方向。
1 LED照明的现状与未来
虽然目前用于照明的白光LED数量有限，但其应用领域广阔。下面就其中几个主要领域介绍LED照明的现状和未来。
1.1 普通照明领域
对于LED的应用，其在普通照明领域的广泛普及是人们最为期待的。目前，照明LED的应用局限于局部照明、装饰照明、轮廓照明等特殊方式，而人们迫切希望LED成为新一代普通照明光源，各照明公司都在积极开发相关产品。虽然现在LED在电光转换效率和价格方面尚不能与荧光灯相比，但其光效提高速度惊人，且随着LED生产量的扩大其经济效益是不可估量的。
另外，许多建筑和照明设计师认为，使用LED可为他们增添许多新的设计方式，他们可利用LED将自己的灵感和构思具体化，如此而产生的设计样例可方便地为人们观看，这也非常有利于LED的普及。将制造商、设计师和用户的设想完美融合，开拓传统照明光源无法实现的新的应用领域是最重要的。
1.2 背光照明领域
前文已提及，在LED的各种应用中，用于手机等小型液晶屏幕的背光源的市场需求量最大。在手机上到处可以见到LED的应用，如液晶屏的背光源、按键照明、收到信号时的发光提示、照相机闪光灯等，有的一部手机中安装了多达20个LED.省电、小巧的LED有助于延长手机的通话时间和使手机小型化。
作为中大型液晶背景光源，现在一般采用冷阴极灯管，但其为面光源，使用不够灵活，成本偏高，且有污染。而LED不含汞等污染物质，它在汽车导航、电脑显示器等中大型液晶背光源领域有良好的发展前景。
用LED作背光源的高显色性、高清晰画质的大屏幕液晶电视已开始商品化。
1.3 道路交通领域
该领域的应用主要为LED交通信号灯。与以前的白炽灯泡相比，LED灯的能效提高：车辆用信号灯功率由75W降至15W,节能约80%;行人用信号灯由60W降至15W以下，节能75%以上。若将日本所有的白炽灯泡交通信号灯更换成LED交通信号灯，那么一年可节电8.3亿度，折合成原油约为20万k1（近一艘油轮装载量）。
而且，由于LED信号灯的使用寿命长，可大幅降低维护、废品处理等施工成本。除了环保方面的特点外，LED灯的识别性也很强，即便受夕阳光照影响也不易造成不能辨认灯是否点亮的情况，在安全性方面也同样具有优势。
截止2006年3月，日本全国车辆用交通灯装置共113万套，其中采用LED的装置有14万套，比前一年增加约4万套，约占全部交通灯的12%（前一年为9.3%）。不过同许多发达国家相比，日本LED化的速度还很缓慢，所以有待今后加速普及。
在道路交通领域，除交通信号灯外，LED还以节能、寿命长、免维护、体积小等特点逐步应用于隧道内指示灯、路灯、隧道导向外、路线导向灯等领域。
1.4 交通工具领域
1.4.1 机动车
伴随高亮度红色LED的研制成功，1987年LED首次作为中心高位刹车灯光源安装在汽车上。LED汽车灯的优点为响应时间短、识别性强、能耗低、寿命长。
LED刹车灯的响应时间约比白炽灯短0.2s（时速100km时行使5~7m），其对于安全方面的贡献之大是显而易见的。有人计算将后组合灯换成LED灯后燃油费仅增加约1%.此外，在行李箱内安装LED灯可以节省空间、增大行李箱容积，而且设计更灵活。
另外，LED作为车内灯或汽车内液晶屏的背光源的应用也在迅速扩大。近几年，白光LED汽车前照灯成为各汽车厂商争相开发的热点。
1.4.2 轻轨、电车
最近，开始将LED用于轻轨车箱内部照明，据说是因为薄型LED灯具的特点很适合车箱内的照明要求，例如，在车箱两侧的行李架下方各安装两排 LED灯，用LED的线型照明与拱形顶棚上荧光灯的间接照明相配合，可使座位处的照度达到300lx以上。
1.5 招牌和显示屏领域
1.5.1 招牌
如今，传统霓虹灯正在快速地被新型光源LED取代。LED的一个典型用途是用来显示招牌上的文字，应用方式大致分为：在做成文字形状的金属管内部装入LED模块；将LED嵌入特殊树脂中，靠扩散均匀发光显示文字；刻意露出LED发光管的形式等。虽然现阶段存在因LED距电源的距离不同造成的供电电压不同，导致文字发光亮度和颜色不均匀的问题，但相关技术正在逐步改进。
1.5.2 显示屏
室内外大型显示屏和招牌是LED的重要应用领域。因使用高亮度LED,即使在白天也能显示饱和色图像，而且LED的高响应速度亦使其在该领域表现出色。当显示足球比赛等变化较快的画面时，为了不产生视觉暂留现象，亮、灭、换色时间必须低于15ms,而LED的特性完全符合要求。
1.6 其它领域
1.6.1 农业
太阳光中有紫外到红外多种波长的光辐射，植物并不需要所有波长的光能量。用LED产生利于植物生长发育的特定波长的光（有助于光合作用的红光和增强屈光性、塑形用的蓝光）并在恰当的时间照射植物，可提高植物培育效率，并且LED与白炽灯不同，它没有热辐射，不会灼伤嫩叶。LED在植物工厂中的应用正在逐渐扩大。
1.6.2 渔业
在捕鱼业领域，正在开发LED诱鱼灯。不久前研制成功的蓝光LED,其主波长（450~500nm）在海里的光强衰减很小，同时也非常接近乌贼类鱼的视觉灵敏波长范围（470~490nm），因而这种LED很适合用作省电、高效的诱鱼灯光源。
除捕捉乌贼用外，寄希望于LED在现在使用金卤灯作诱鱼灯的秋刀鱼捕捉和卷网渔业方面有进一步发展。
另一方面，LED应用于鱼贝类等水产养殖业的可能性也在研讨中。
1.6.3 医疗
最近，出现一种使用LED的胶囊状医疗检测设备。该“胶囊探测器”内一端装有白光LED和CMOS或CCD摄像器件。当病人将此“胶囊”吞下后，它会自动在人体内对消化器官拍照，并将图像以电信号的形式传至体外。估计在不久的将来，患者们将可以永远摆脱内窥镜的痛苦。
此外，白光LED已开始用于外科手术照明。通常手术室内的照明灯都被称作“无影灯”,但有时外科医生的头会遮挡光线，使手术室内变暗。不久前开发出一种可戴在医生头上的像风镜似的LED灯具。
1.6.4 通信
LED在光通信领域的发展也倍受关注。若配以恰当的驱动电路，LED能够用于100Mb/s的高速数字通信，可组建家庭信息网络等。
在欧洲使用LED的光通信车载LAN已应用于奔驰等多款汽车中，与目前使用“束线”将各种设备逐个连接起来的车载网络相比，光电技术可以减轻电线总重量，利于轻量化。
另外，关于基于LED的可为手机、汽车导航仪等提供信息的可见光无线通信技术的基础性研究也在积极进行中。
1.6.5 自动售货机
现在，日本的自动售饮料机用光源正在向LED化发展。如果采用与以前荧光灯相同的照明方式，则需要大量LED.由于成本偏高、节能效果不明显，LED化的推进速度缓慢。最近，利用LED的方向性将其进行合理化配光设计后，开发出一种使用80只LED（1米宽的售货机）达到与低亮度模式下的荧光灯亮度相同的售货机，该产品节能约10%~15%,且1~2年内不用更换灯泡。
2 LED照明普及活动现状
技术只有被应用才有意义，因此发展技术的同时对其推广普及也很重要。推广包括：针对消费者希望的价格、品质、设计等进行合理调整；创造各种机会展示样品；提供产品应用实例的PR报告；宣传节能及安全方面的优势；与相关企业、机构协作推行相关标准；努力符合绿色购入法，通过有关政府机构的安全标准认证等等。
为扩大LED照明市场，增强国际竞争力，日本于2004年6月9日成立了“日本LED照明推广委员会（简称JLEDS）”.截止到2006年6月，该委员会的会员企业已由最初的32家增至77家。
JLEDS的主要活动有：
①网站管理（URL:http://www.led.or.jp）；相关企业的LED产品和技术介绍；构建数据库；召开研讨会。
②讨论制定LED的推广方案和技术规范；与相关机构合作促进标准化。
③组织会员共同学习；参与有关政府部门的工作。
与宣传普及相关的事宜有：一年组织3次会员进修学习，并在每年11月份邀请国内外一线教师主办“LED新技术的推广应用”等题目的研讨会。在2005年日本爱知万国博览会上，有以著名照明设计师石井干子的作品为例的“光未来展”板块，其中展示了以LED为主的日本的前沿光源技术。2006年3月举办的“Japan Shop”展览会上首次推出了包括可见光通信在内的LED综合技术设计展。
推行标准化的活动包括：制定LED技术规范（于2005年11月在网上公开发布），调查LED标准化动向等。2005年开始由70位技术人员历经1年时间编纂成一部《LED照明手册》，内容均依据这些技术人员在各领域中的工作实务，是他们智慧的结晶。该手册于2006年3月率先在网上发布，月点击率超过12000次，而后于2006年7月由日本欧姆出版社出版。
目前日本环境省和经济产业省等部门对于LED的节能性和环保效应非常关注，正在制定技术开发和税收等相关政策。JLEDS正携手这些日本相关政府部门，将日本的LED技术成果推向世界，同时为使LED能够应用到更多的领域中去，今后还将继续加大开发和宣传力度。
3 LED照明的研究课题和发展方向
在LED照明的普及方面一个亟待解决的课题是LED的标准化问题。LED技术涉及照明和半导体两大领域，技术人员看问题的方式可能会因自身的专业背景不同而存在差异，为了使更多的相关人士能够通力协作，必须先将技术标准和专业术语尽早规范化。
作为今后LED照明的研究课题和发展方向，可以从以下几个方面探讨。
3.1 寿命问题
当将LED看作半导体和看作照明光源时，对其寿命的评价标准是不同的。对一直以来主要用于指示用途的LED,如果由半导体行业定义，是将光输出降至初期的一半时的燃点时间，即光通维持率为50%时的时间当作LED的寿命。而在照明行业中，将LED的寿命与最早的钨丝灯泡等相同地定义为光通量降至初期的70%时的时间。可见不同行业之间存在着历史性和文化性的差异。
对用户来说，因关系到产品设计，所以寿命的定义是很重要的，必须明确制定标准，如指示用途为50%;照明用途为70%.另外，还应从用户角度考虑，为用户明确提出诸如用于照明用途时必须达到多长的寿命等。
LED的一般性寿命定义应按以下方法计算：
①根据用途不同，应确定为达到某种效果必须满足的亮度下限值。
②将达到①中下限值时的时间当作换灯寿命（不能换灯的场合就称为设备寿命）。此外还要根据安装的LED装置特点考虑应用合理时的一定程度的寿命延长。
图1 关于LED寿命的问卷调查结果
因此必须首先明确单个LED的寿命定义。图1所示为面向JLEDS会员企业、基于不同用途时LED寿命判定方法的问卷调查结果。从图1（a）知，大多数企业认为照明用时以光通维持率达70%时的时间作为寿命较合理；从图1（b）知，大多数企业认为指示用途的LED以光通维持率50%时的时间定义为寿命较合适。
3.2 开发优质的外围材料
近些年，伴随LED光效和光通量的大幅提高，大工作电流产生的热量和短波长光对LED芯片附近的树脂、荧光粉等外围材料的影响越来越大。由于光和热损伤了封装用的树脂，使LED的透光性变差，外部发光效率降低。可见，在积极开发LED芯片的同时，还需要重视树脂、荧光粉（特别是有机荧光粉）等外围材料的开发。
因此，今后应着力开发稳定的高技术含量的环氧树脂、硅酮树脂等封装材料，以及研究散热技术等可以减缓或防止外围材料受到影响的技术。
3.3 白光LED的测光方法
目前各公司的LED测光方法良莠不齐，这也是今后需要讨论的课题。根据照明和指示用途的不同，测试条件和方法也有差异，这已成为导致混乱的根源之一。
当LED用于照明时，对于它的发光质量要求较高，因此，关于总光通量、光度量、色度量和配光特性这些照明设计中必需的参数，必须制定统一的标准。
3.3.1 总光通量
目前一般采用积分球法测量总光通，但各公司的积分球半径不尽相同，加之以下等因素，使得各公司的总光通量测量值存在较大差别。
①测量位置：尤其是透明封装的LED,背面也会出射光；
②温度条件：尤其对于外部安装使用了散热装置封装的LED.
另外，使用积分球测量时一个基本的参考量就是“标准亮度”,所以必须制定一个用于LED测量的标准积分球。
3.3.2 光度量
采用现有的普通照明用光源光度计检测LED这种波长范围很宽的光源时，在短波长和长波长的波段附近容易产生较大偏移，因而需要分别制定统一的修正标准。
另一方面，对于也是用户的应用制造商来说，在进行产品设计时不仅需要光度量值，还需要掌握LED的发光角度和波长分布情况。
3.3.3 发光特性
通常，LED光源制造商会将产品工作在额定电流（如20mA）时的发光特性等数据刊登在自己的产品目录中。但是开发LED装置的应用制造商，有时会根据开发产品的功能和环境条件（温度等）使LED工作于额定电流以下（如5mA、10mA）。
LED的发光特性和波长是与工作电流密切相关的。如果使可能成为主流的100mA功率型LED工作在50mA条件下，包括其长在内的发光特性必将发生很大变化，尤其是常用于蓝光LED中的半导体材料GaN,其特点为随着电流加大，谱线会向兰色波段移动（即峰值波长向短波长方向转移）。现在已经有利用荧光粉提高在短波长波段时的转换效率的研究课题。
因此LED用户采用的电流不同会产生不同程度的误差，所以LED光源制造商无法给出LED工作在低于额定电流时的各种数据，他们提供的都是在额定条件时的光电参数。但另一方面，LED应用制造商有时为避免大电流影响产品寿命，而将电流设计得较低，造成发光特性与额定值时存在较大差异。
基于此现状，为防止消费者的利益受到损害，应尽快在LED光源制造商和应用制造商之间建立统一的包括产品说明用语等在内的标准化定义。
3.4 从“量”到“质”的完善
预计到2009年，LED的光效和光通量可以达到与其它光源相同的水平。不过在光效、光通量、价格等光“量”改善的同时，今后应更注重于显色性、配光特性等“质”的技术改进。
特别是在普通照明领域，更需要兼顾光的“量”和“质”两方面。例如汽车照明中，人们希望前照灯有较高的光效和光通量，但更重视车内照明用灯的显色性。
现在大多数白光LED是利用蓝光LED芯片所发的蓝光激发荧光粉并与荧光粉发出的黄光合成白光的（简称“蓝色+YAG荧光粉（黄色）”），不过可以预见，显色性更好的“RGB型”和“紫外光LED+RGB荧光粉型”的白光LED将得到迅速发展。
3.5 与设计师协作
如今LED广泛应用于车内照明、大型建筑照明中，其中以大楼整体轮廓的装饰性照明为主。随着LED的普及，致力于LED应用设计的照明和建筑设计师也在日益增多。
目前照明LED在价格方面与其它光源相比并无优势，所以需要开发能够体现其控制灵活等特长的产品，例如常见的线型LED模块。今后还要继续加强设计师们对于LED的照明设计，推广体现其特色的产品和案例。
3.6 制造商和用户理解一致的必要性
由于LED具有半导体和照明两方面性质，所以LED制造商和用户之间有些专业用语含义并不一致。比如在3.3.3中提到的额定电流的问题，LED光源制造商是提供某一工作电流（额定电流）时的产品数据，但用户单纯理解为“最大额定限值”,所以有时会为延长产品寿命将产品电流设计得低于额定值，结果出现亮度、发光特性得不到保障等问题。
为解决类似问题，消除制造商与用户间的理解差异，日本JLEDS编著了一部《LED照明手册》，并受到广泛好评。
3.7 LED应用领域的拓展
到目前为止，对LED的技术开发都是以普通照明用途为最终目标的。而且从当今的发展速度看，其成为新一代普通照明光源已成定势。
与此同时，LED在照明以外的用途也开始受到关注。比如使用LED产品替代农药进行杀菌、杀虫； 冰箱内用LED促进蔬菜光合成产生维生素；利用LED可控制波长的特点进行的特殊应用等等。
在机动车、铁路、轮船等交通工具领域，LED以低能耗、体积小的特点正在迅速普及。
总之，LED的优势不仅是在照明领域，其在诸多领域中亦潜力巨大，期待今后的进一步开发。
4 总结
作为“第4代光源”备受瞩目的LED已经广泛应用于手机背光源、交通信号灯、汽车刹车灯等各种领域。而且在不久的将来它必定成为新一代普通照明用光源。但目前还存在许多需要攻克的课题和解决的问题。
今后，应加强光源制造商、应用制造商、设计师和消费者之间的交流和联系，综合运用LED节能、寿命长、环保、体积小、控制性强、响应速度快等多方面特点，使日本的LED照明在国际竟争市场中立于不败之地。
译自《照明学会志》（日）
2006年第12期
