LED应用的演进

走进任何一家五金店的照明区，你不仅会被琳琅满目的灯具所吸引，更会被眼前众多的选择所震撼。

可供选择的产品包括白炽灯、荧光灯和LED（发光二极管，Light-Emitting Diode）灯。LED是最节能的通用照明技术之一，仅消耗其所替代的卤素白炽灯约25%至30%的电能。LED不含汞，不易破损，预计使用寿命可达五万小时——换算下来，近十四年。

简而言之，LED是一种半导体（semiconductor）器件，当电流通过时即可发光。LED基于电致发光（electroluminescence）原理工作。电致发光是指材料在电流作用下发光的现象。

电致发光原理由亨利·约瑟夫·朗德（Henry Joseph Round）于1907年利用碳化硅和所谓的"猫须探测器"（并非真正用猫须制成）发现。这位英国发明家注意到，当电压施加到碳化硅晶体上时，晶体会发出微弱的黄光。俄国科学家奥列格·弗拉基米罗维奇·洛谢夫（Oleg Vladimirovich Losev）随后对此进行了更深入的研究，并于1927年发表论文《发光碳化硅探测器及晶体的检波效应与振荡》，提出了系统性理论。

此后多年，LED研究进展迟缓。直至1962年，德州仪器（Texas Instruments）的加里·皮特曼（Gary Pittman）和詹姆斯·罗伯特·"鲍勃"·比尔德（James Robert "Bob" Biard）才获得红外LED专利。第一只可见光谱LED由通用电气（General Electric）工程师尼克·霍罗尼亚克·Jr.（Nick Holonyak, Jr.）研发成功。

1972年，霍罗尼亚克的前研究生乔治·克拉福德（M. George Craford）发明了首款黄色LED，并将红色和橙红色LED的亮度提升了十倍。高亮度、高效率LED直至1976年才由T.P. 皮尔索尔（T.P. Pearsall）利用其自主研发的新型半导体材料制备成功。日亚化学（Nichia Corporation）的中村修二（Shuji Nakamura）于1979年制成首款蓝色LED，但直至1994年成本才降至商业化水平。

商业化进程

早期LED价格高昂，难以用于任何实用或日常场景。单颗售价超过200美元，仅有最昂贵的实验室或科研设备才能承担此成本。随后的技术进步使单颗LED成本降至仅5美分。

1962年至1968年间，惠普（Hewlett Packard）研究团队对LED的实用化展开深入探索。在霍华德·C·博登（Howard C. Borden）、杰拉尔德·P·皮吉尼（Gerald P. Pighini）和穆罕默德·M·阿塔拉（Mohamed M. Atalla）的带领下，惠普利用磷化镓砷（gallium arsenide phosphide）制造出适用于指示灯的红色LED。1969年，惠普推出HP Model 5082-7000数字显示器——这是首款智能LED显示屏，它取代了辉光数码管，成为后续LED显示器的技术先驱。

穆罕默德·阿塔拉后来加入仙童半导体（Fairchild Semiconductor），继续推进LED研发工作。在仙童期间，阿塔拉在解决硅表面态问题上取得突破，其表面钝化方法成为让·霍尔尼（Jean Hoerni）基于平面工艺（planar process）制造化合物半导体芯片（compound semiconductor chips）的基础。结合创新封装（packaging）工艺，这些化合物半导体芯片使仙童光电先驱托马斯·布兰特（Thomas Brandt）在生产效率和材料成本方面取得了显著突破。

经过数十年的多次迭代与改进，LED技术已发展成为一种体积小巧、超高效率、长寿命的产品，不仅能发射可见光，还能发射红外（infrared）和紫外（ultraviolet，UV）光。LED具有快速开关、覆盖宽色域（color arrays）以及极高耐用性等优势，使其成为众多应用场景中备受青睐的合理选择。

LED应用领域

LED的用途和应用可分为四大类：

• 视觉信号 — LED用于指示信息或含义。视觉信号的典型示例为设备的开/关指示灯。
• 照明 — LED产生光线，用于提高或改善可见度。室内外家居、汽车和船舶照明仅是LED照明应用的少数示例。
• 测量 — 利用LED对不涉及人眼视觉的过程进行测量和交互。
• 传感（Sensors） — 与其发光功能相反，LED在反向偏置模式下响应入射光，配合窄带光传感器（narrow band light sensors）工作。半导体紫外光源（SUVOS，Semiconductor UV Optical Sources）的应用使生物气溶胶的快速实时检测（detection）成为现实。

LED几乎可以替代任何用途的任何光源，并在效率、耐用性、灵活性和可持续性方面具有明显优势。

照明

大功率、高效率LED的出现催生了众多照明应用。1970年代以前，LED价格高昂且亮度不足，仅限于昂贵实验室设备的指示灯用途。随着大量技术进步的涌现，LED照明方案已具备高度节能和应用丰富的特点。

与白炽灯照明类似，LED灯可对色温和功率进行双重调控。此类技术的额外优势在于体积——在建筑室内照明应用中，嵌入式灯具不再意味着繁琐的安装和笨重的外壳，LED灯具薄型、轻量且易于安装。

LED照明并不局限于室内建筑应用。凡是有传统照明技术的地方，均可找到LED照明技术的身影，制造商也在推出改装套件，帮助消费者将现有产品升级为更优越的LED技术。

电视与遥控器

最新一代顶级电视采用OLED（有机发光二极管，Organic Light-Emitting Diode——其中发光电致发光层为有机化合物薄膜，在电流作用下发光）。OLED电视代表了一类前所未有的显示设备——更深邃的黑色与更明亮的白色赋予OLED电视无与伦比的观影体验。

LED灯可以极快速度开关（调制），因此非常适用于光纤和无线数据传输。红外（infrared）LED在此领域得到广泛应用，包括在电视遥控器中的使用。

此外，LED灯还作为电视机、游戏主机和音响系统等娱乐设备的开/关指示灯使用。

汽车

LED是一种极为坚固的照明方案。其长寿命和机械稳定性使其不仅适用于街道和家居照明，还广泛用于汽车、摩托车和自行车。LED应用于汽车前照灯、制动灯、内饰灯和指示灯。LED前照灯是车辆前向照明领域的最新创新，亮度高、即时点亮、且比卤素前照灯更省电。另一项汽车LED应用是汽车改装爱好者用于美化和个性化车辆的售后改装灯套件。

汽车制造商在工厂中使用LED技术，以创造更安全、更高效的工作环境。智能化数字LED基础设施有助于延长灯具使用寿命，并自动适应工人不断变化的照明需求。LED传感器与智能暖通空调（HVAC）系统相结合，可在工业流水线环境中实现对超标CO₂或其他化学颗粒物的自动预警和标记。

骑行者借助LED灯提高骑行时的可见度。LED的薄型、轻量和高亮度特性使其可应用于车架、车头灯、头盔乃至可穿戴夹扣式灯具。LED甚至可用于照亮自行车车轮，兼具提升照明效果和美观装饰的双重功能。

广告

LED广告牌在功能性上远超传统印刷或手绘广告牌。其动画播放能力、鲜艳色彩和高分辨率使其成为户外广告的理想显示媒介。LED广告牌具有灵活性这一显著优势——重新派人翻新和安装大型广告牌的时代已成过去。如今，简单的几次按键即可点亮并驱动一场精彩的户外视觉盛宴。

在快餐和快餐厅中，LED屏幕正日益取代墙面菜单。这使菜单能够随时更新季节性菜品、因食材成本变化调整价格，以及更换图形以呈现焕然一新的视觉效果。LED技术的进步使墙面菜单的替换不仅经济可行，更成为餐饮行业的新标准。

船舶

从皮划艇到游轮，各类船舶在众多应用场景中均使用LED灯具。四种航行灯——舷灯、尾灯、桅灯和环照白灯——帮助船员在黑暗或能见度低的情况下判断哪艘船应当让路。与汽车照明一样，航运业也在转向LED，以获得耐用、明亮且高效的照明方案。

水上行业的其他应用包括手持式和固定式灯具，为开阔水域中的船员提供可见度和安全保障。游轮在机械操作以及舞厅和套房等室内环境照明方面均使用LED灯。

航运业正日益将LED纳入救生衣和疏散艇等紧急漂浮设备等安全机制中。小巧坚固的LED灯改善了紧急出口、舷梯和救援器材的清晰标识效果。

航空业

与航运业类似，航空业在商用飞机和私人飞机的各类照明需求方面，LED使用量均呈增长趋势。

新型空客和波音喷气客机采用LED照明，实现了灵活且耐用的客舱照明。旧型飞机正被改装为更高效的LED照明，以更新客舱内饰并提升安全性与效率。

机场建筑照明正日益升级为节能LED，涵盖建筑照明以及机场广告、店面和餐厅显示屏。

LED用于机场信标和警示灯，使飞行员能够在夜间轻松识别机场。机场信标是大型、高能见度的旋转灯。民用公共机场信标以绿灯和白灯交替旋转，而军用机场信标则每亮一次绿灯旋转两次白灯。直升机停机坪在黄灯、白灯和绿灯之间交替旋转。此外，机场还将LED用于滑行道边灯、净空灯、停止灯、跑道警戒灯、跑道端识别灯、高/中/低光强跑道边灯、跑道中线灯系统、接地区灯、着陆与停止等待灯、跑道状态灯以及目视下滑坡度指示器。

地面机组人员使用手持LED信标灯，在飞机抵达或离开廊桥时引导飞机并与飞行员进行视觉沟通。

摄影

LED性能卓越，同时重量极轻，产热极少——这些特性使其成为摄影师和电影人的绝佳选择。

LED相机灯和室内灯产热低，非常适合在狭小空间内拍摄或录像——被摄对象可以被充分照亮，而无需忍受白炽灯所带来的高温炙烤。轻量低矮的LED灯具支持多光源布置，是商业产品拍摄的理想选择。美食摄影师不再需要担忧那些精心摆盘的食物在多盏灯照射下脱水萎缩、失去美感。

低产热还意味着可以将色片、遮光片或彩色滤光片安装在灯具上，而无需担心烫伤或引发火灾。同样的特性也使团队在拍摄完成后能够立即拆卸和收纳灯具，无需等待灯具冷却。

坚固的LED灯具能够承受意外碰撞，是高强度拍摄现场或移动拍摄的摄影师的理想之选。其高效率和长寿命意味着您的照明投资运营成本更低、使用寿命更长，更不用说LED是一种更具环保可持续性的选择。

植物种植

植物栽培者正日益转向LED植物生长灯，因为其产热量极低。普通白炽灯不适用于室内种植，因为其产生的热量可能灼伤娇嫩的植物和幼苗。LED植物生长灯特别适合大型室内植物照明需求，其耗电量仅为荧光管灯的一半，且大体上具有防破碎性，并具备长寿命优势——使用寿命是荧光灯泡的五倍之久。

具有环保意识的农民正日益转向LED技术，助力构建更可持续的室内种植模式。LED与无线技术无缝协作，传感器可自动与灯具通信，实现对光源的即时自动调节。

农业

LED灯与高压钠灯（HPS）配合使用，以推动高科技农业项目发展，影响植物生长方式、开花时间，甚至改变其营养成分和口味。它们使室内农场得以全年运营并提高作物产量。

过去虽已有室内灯用于农业，但其能耗所产生的碳足迹较大。新型LED技术正在改变室内农业的面貌，并为技术研究创造新的焦点。随着技术的持续进步，分析人士预计LED将最终全面取代室内农业灯具。

联合收割机、装载机、旋耕机、播种机、气力钻播机、气力肥箱、打包机、搂草机、叶轮搂草机、青贮收获机和鼓风机以及割草机等农用机械设备均可加装LED照明套件，以提升效率和性能。LED的较轻重量有助于减轻机械整体重量，从而提高燃油效率。此外，借助明亮、轻量的LED区域灯和泛光灯，工作时间得以延长。

采矿业

LED灯在采矿业中用于履带式挖掘机、电动绳索铲、轮式装载机、直流钻孔机、推土机、液压挖掘机和运矿卡车等重型机械与设备，作为区域灯、泛光灯和危险警示灯的更亮、更高效、更轻量化替代方案。对于潮湿环境，LED可替代传统白炽灯，因为其可构建为防潮型，且能更好地承受意外冲击。

采矿业还将LED灯用于洗车台、破碎场和加工厂等采矿基础设施照明。LED泛光灯和区域灯为采矿业工人创造了更安全、更舒适的工作环境。LED也非常适合用于安全帽和安全背心照明。

医疗设备

性能的大幅提升和生产成本的持续降低，推动了LED在医疗应用领域的显著创新。

医院在检查室和手术室中使用LED灯替代传统单光源灯具，为医生、护士和技术人员创造了更灵活的照明环境。在手术场景中，传统顶置单光源灯具虽能提供足够照明，但存在产热和产生阴影的问题。由于LED轻薄小巧，顶置灯具可以多直视方向排列，从而消除阴影。

LED在提供更舒适照明的同时，大幅降低了光源的热辐射，从而降低了患者因热暴露导致组织损伤的风险。LED的色彩输出甚至可按需调节，以满足医疗人员的需求，有时还可辅助手术部位的清晰成像（imaging）。

LED正被用于多种光疗（phototherapy）应用。新生儿重症监护室（NICU）使用蓝光治疗新生儿高胆红素血症（Neonatal Hyperbilirubinemia）——这是一种新生儿肝脏无法处理胆红素而导致黄疸的疾病。这类蓝光（即胆红素灯）将胆红素转化为可通过机体废物系统排出的形式。

口腔医疗人员使用LED灯的方式与医院或其他医疗机构类似，包括检查室照明以及治疗和美容应用。LED灯在口腔美容领域用于增强医用级过氧化氢的漂白效果。牙医和正畸医生还使用LED固化灯对树脂基复合材料进行固化（聚合）处理。此外，LED UV紫外（UV）灯被用于辅助检测、修复或去除复合树脂——复合树脂在UV光照射下会产生荧光。过去，这类修复工作因难以完整识别复合树脂区域而颇为繁琐。

在皮肤科领域，LED灯可用于治疗银屑病、湿疹和某些真菌性皮肤感染等皮肤病。新兴"医美"或医疗美容行业中的医学美容师正转向LED灯，以辅助美容护肤程序。

助听设备

助听设备的众多用途包括：为听力障碍人士增强音效、为外语演讲提供语言传译广播，以及为视障或视觉残障人士提供音频描述。

助听设备通常采用三种技术之一：感应（环路）技术、射频（RF）技术或红外（IR）技术。IR（红外）系统利用LED产生红外光信号，将其辐射或广播至房间内，再由无线接收器接收。

IR技术的工作原理是使用一路电信号，其中包含来自所选音频源（如麦克风、立体声系统或剧院音响输出系统）的音频信息。该信号随后由调制器接收，调制器对音频信号进行处理，以备红外传输之用。

处理后的信号被输入辐射器，辐射器利用IR LED产生红外光并将其广播至房间内。

这些广播信号由无线接收器接收，接收器将红外光信号转换回电信号，继而转换为音频信号。

使用IR技术的总体优势在于其成本相对低廉，且能够同时支持多个收听频道。这使LED驱动的IR技术成为礼堂、剧院或其他预期需要或要求助听设备的大型场馆的理想系统。由于听力损失尤其影响老年人，这些技术对于任何致力于包容老龄人群的设施而言均是宝贵资产。

机器视觉（条形码）

LED常用于机器视觉（machine vision）系统，此类系统需要明亮均匀的照明。机器视觉是一种硬件与软件协同配合的技术，帮助机器进行检测、处理、引导并做出响应。

条形码扫描仪是机器视觉应用的典型示例——其读取条形码后，将数据发送至计算机进行处理。产品条形码使工作人员能够快速扫描产品以获取价格和信息。条形码允许集中更新定价和产品信息，无需逐一更新单品价格。

光纤

光纤LED照明器用于为光纤应用提供极具通用性的光源。光纤不仅可用于通信应用，还可用于建筑和传感照明。

光纤是由精心制造的玻璃构成的细长丝，其细度与人发相当。这些丝状光纤被外套包裹并以称为光缆的方式捆扎在一起。

LED可用作任何光纤系统中的发光器（light emitter）。在通信系统中，该组件将电信号转换为光信号，以对应方式照射光纤。由于体积小、辐射强度（radiant intensity）高、可快速调制以及高效率等特点，LED非常适合此类应用。

光纤最初于50年代为内窥镜手术而开发。这一开创性发明使医生能够在不对患者体内进行大切口的情况下进行探查性手术。它先于微创关节镜手术发明而出现，并与之并行使用，彻底革新了作为医疗手段的外科手术。

LED光纤照明器还用于环境照明、展示和建筑照明以及效果照明。光纤照明的生产商通常提供可改装至现有系统的照明器，使用户能够转换为更具成本效益的高效LED方案。

水与空气净化

UVC（紫外线）LED用于对水和空气进行消毒和净化。UVC是指波长介于200至280纳米之间的紫外光。UVC LED灯可快速有效地灭活微生物。当细菌、病毒和原生动物（如变形虫、鞭毛虫、纤毛虫、孢子虫及许多其他形式）暴露于UVC波长时，将停止繁殖和感染。

LED UV灯的优势包括高效率、不含汞、即时达到峰值消毒温度以及可选择波长。

传统UV灯需要110至240伏电压才能运行。然而，由于LED UV灯仅需低压直流电，因此可使用小型太阳能板或电池供电。

此外，LED不含汞，因此即使破损也不会产生污染水源的风险。传统UV灯不仅含汞、需要特殊处置，而且使用寿命仅约一年，而LED UV灯的使用寿命可超过十年。

传统UV灯需要最多十分钟才能预热至峰值消毒温度。LED仅需纳秒即可达到峰值温度，使UV灯能够即时响应水或空气质量异常。

不同细菌对特定波长敏感。LED UV灯具备波长选择能力，可对特定细菌产生更高效的应对效果。

表面消毒

UVC LED有助于对高人流量公共场所的表面进行消毒。对受污染表面进行适当消毒对于维护公共卫生至关重要。耐抗生素微生物可在特定表面存活数周。医院病房和设备、机场、学校及大型公共交通工具均可能成为这些危险的耐抗生素微生物的来源。

传统UVC灯与化学消毒剂配合使用已有百年历史。这类灯具价格昂贵、含汞且使用寿命短。UVC LED消毒灯在提供卓越消毒性能的同时，还具备长寿命、无汞和相对低成本的优势。UVC LED的便携性使UVC如今成为此前无法受益于UVC消毒的公共场所的可行选择。

墙纸（室内设计）

LED墙纸将LED集成到扁平、柔性的衬底（substrate，即材料的基底层）中，用于室内装饰。LED和其他低压照明选项的持续小型化为这一领域的探索创造了可能。

这类LED墙纸材料可创造出全新且令人惊艳的室内照明效果。作为一种相对较新的应用，LED墙纸尚未广泛面向商业和直接消费者销售。现有墙纸的定价较高，但进一步的技术和生产改进或许会带来与其他LED应用同样显著的成本下降。

节日灯饰

LED灯特别适合节日灯饰，如圣诞节装饰用的串灯。其亮度、坚固结构和长寿命使其成为室内外圣诞灯饰的理想选择。

LED烛台的使用使光明节（Hanukkah）的庆祝活动更加安全，无需使用易燃的蜡烛或油，尤其适合课堂使用。

排灯节（Diwali）与印度教新年同期，庆祝新的开始以及善对恶、光明对黑暗的胜利。LED灯可替代deepa（泥灯）中的明火，带来更安全的体验。

中国农历新年的庆祝活动中少不了装饰华丽、形态各异的灯笼，象征着人们告别过去、迎接新生。LED灯为这一节日中具有重要文化意义的活动提供持久而明亮的光源。

展望未来…

随着商业可行性的提升和生产成本的持续下降，LED有望不断拓展其市场份额。目前，不到10%的家庭使用LED灯。随着成本持续下降、应用范围扩大，预计未来十年内LED灯将以指数级增长扩大其市场份额。

LED具有无与伦比的效率、日益拓展的应用光谱（spectrum）以及整体更清洁的能耗。其工作所需功率更低，且有望很快在初始投资成本上与传统光源持平乃至低于传统光源。LED可应用于任何需要灯具、指示灯或传感器的场合。较低的功耗、长寿命和坚固结构意味着它比其他光源更具环保性。

展望未来，我们期待在LED技术领域看到更多创新。目前最新的LED研究涉及钙钛矿（perovskites）材料的应用——这类材料具有超导性和磁阻等令人振奋的特性。研究显示，未来LED有望在成本效率、性能和环保性方面实现进一步突破。

这些技术改进和创新意味着LED的应用将随着每一年的推进持续拓展。在一个对环境健康的关注比以往任何时候都更为紧迫的世界里，LED将为我们照亮通往更可持续、更具革命性未来的道路。