照明史話

振河

人類生活除了水、空氣、食物必需用品之外，光一直影響人們的作息。相當(dāng)長一段時(shí)期，人類一直過著日出而作，日落而息的生活，直到1879年愛迪生發(fā)明了電燈泡（白熾燈）

人類要感謝愛迪生，自從他在1879年發(fā)明真空碳絲燈泡后，我們可以隨心所欲地取用人工光源，再也不必去抓一玻璃瓶的螢火蟲來學(xué)車胤“囊螢映雪”，告別蠟燭和豆油燈的昏暗時(shí)代。

傳統(tǒng)光源的發(fā)明

一般認(rèn)為電燈是由美國人托馬斯?愛迪生所發(fā)明。但倘若認(rèn)真的考據(jù)，另一美國人亨利?戈培爾比愛迪生早數(shù)十年已發(fā)明了相同原理和物料且可靠的電燈泡，而在愛迪生之前很多其他人也對(duì)電燈的發(fā)明作出了不少貢獻(xiàn)。1801年，英國化學(xué)家戴維將鉑絲通電發(fā)光。他在1810年發(fā)明了電燭，利用兩根碳棒之間的電弧照明。1854年亨利?戈培爾使用一根炭化的竹絲，放在真空的玻璃瓶下通電發(fā)光。他的發(fā)明今天看來是首個(gè)有實(shí)際效用的白熾燈。他當(dāng)時(shí)試驗(yàn)的燈泡已可維持400小時(shí)，但是并沒有即時(shí)申請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)專利。

1850年，英國人約瑟夫?威爾森?斯旺開始研究電燈。1878年，他以真空下用碳絲通電的燈泡得到英國的專利，并開始在英國建立公司，在各家庭安裝電燈。

1874年，加拿大的兩名電氣技師申請(qǐng)了一項(xiàng)電燈專利。他們?cè)诓Ａ葜鲁淙氲獨(dú)猓酝姷奶紬U發(fā)光。但是他們無足夠財(cái)力繼續(xù)發(fā)展這發(fā)明，于是在1875年把專利賣給愛迪生。

愛迪生購下專利后，嘗試改良使用的燈絲。1879年他改以碳絲造燈泡，成功維持13個(gè)小時(shí)。到了1880年，他造出的炭化竹絲燈泡曾成功在實(shí)驗(yàn)室維持1200小時(shí)。

愛迪生的最大發(fā)現(xiàn)是使用鎢代替碳作為燈絲。之后在1906年，通用電器發(fā)明一種制造電燈鎢絲的方法。最終廉價(jià)制造鎢絲的方法得到解決，鎢絲電燈泡被使用至今。

電燈泡的最大問題是燈絲的升華。因?yàn)殒u絲上細(xì)微的電阻差別造成溫度不一，在電阻較大的地方，溫度升得較高，鎢絲亦升華得較快，于是造成鎢絲變細(xì)，電阻進(jìn)一步增大的循環(huán)；最終令鎢絲燒斷。后來發(fā)現(xiàn)以惰性氣體代替真空可以減慢鎢絲的升華。今天多數(shù)的電燈泡內(nèi)都是注入氮、氬或氪氣。現(xiàn)代的白熾燈一般壽命為1000小時(shí)左右。

實(shí)用白熾燈的發(fā)明，揭開了電應(yīng)用于日常生活的序幕。

熒光燈發(fā)展突飛猛進(jìn)

愛迪生之后，電燈不斷改進(jìn)。1939年，管狀日光燈問世，很快被廣泛采用，成為又一種重要的照明光源。當(dāng)時(shí)熒光燈玻管外徑為38mm（T12），光效約60LM/W，顯色指數(shù)為70Ra。

隨著熒光燈研究的深入，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)提高管壁溫度，具有較高光效的燈管直徑可以相應(yīng)縮小，這就使正柱區(qū)產(chǎn)生的253.7nm的光子到達(dá)管壁的距離縮短，光子與其它原子的碰撞機(jī)率降低，自吸收損失減少，這樣制成的管徑為26mm熒光燈（T8）光效可以提高，制造和運(yùn)輸成本也能降低。但這時(shí)必須使用能承受較強(qiáng)紫外線輻照的優(yōu)質(zhì)鹵磷酸鈣熒光粉，或三基色熒光粉，管徑減小后可使光效提高10%。若進(jìn)一步配用工作在40KHz~60KHz頻率的電子鎮(zhèn)流器，它的光效可比工作在50Hz頻率下的電感鎮(zhèn)流器再提高10%，這也就是人們常說的改進(jìn)型T8熒光燈。

隨著電子學(xué)技術(shù)的發(fā)展，近年來實(shí)用型無極熒光燈發(fā)展很快，國際上現(xiàn)有產(chǎn)品是荷蘭QL型，功率為55W和85W兩種，光效約68LM/W，壽命60000h，工作頻率2.65MHz；美國Genura型無極熒光燈，功率23W，光效48LM/W，壽命10000h，工作頻率2.65MHz；日本ever-Light型無極熒光燈，功率9W和27W，光效為41LM/W，壽命40000h，工作頻率15.56MHz；還有德國Endura型無極熒光燈，功率100W和150W，光效80LM/W，壽命60000h，工作頻率為250KHz。

1959年人們發(fā)明了鹵鎢循環(huán)原理后制造出鹵鎢燈，它給熱輻射光源注入了新的活力。這類燈體積小，光維持率達(dá)到95％以上，光效和壽命更明顯優(yōu)于白熾燈。近年來，我國已生產(chǎn)出可直接用于電網(wǎng)、電壓220V或110V的鹵鎢燈，其尺寸很小，同時(shí)具有優(yōu)異的燈絲穩(wěn)定性和抗震性。泡殼有透明和磨砂兩種不同規(guī)格，燈頭易于連接，與白熾燈一樣。鹵鎢燈的另一改進(jìn)措施是采用浸涂法、真空蒸鍍法或化學(xué)蒸鍍法，在石英泡殼上采用紅外反射層技術(shù)制成的新型鹵鎢燈，通過讓可見光透過，而將紅外線反射回?zé)艚z的過程，使燈的光效提高30％－45％，壽命可達(dá)3000小時(shí)。

為了便于裝飾和美化，對(duì)細(xì)管徑熒光燈通過采用接橋和彎管等工藝，使燈管的尺寸緊湊，制成保持高光效的緊湊型熒光燈，特別是配有電子鎮(zhèn)流器的一體化型又選用白熾燈螺口燈頭（E27），已在許多領(lǐng)域取代了白熾燈。早年緊湊型熒光燈為H，U和Π型，并逐步發(fā)展為雙H，雙U和雙Π型。近年又開發(fā)出3U，3Π，4U，4Π和螺旋型，功率做到18W以上，用以取代100W以上的白熾燈，也已有85W和125W大功率緊湊型熒光燈產(chǎn)品的出現(xiàn)。這類燈所配用電子鎮(zhèn)流器已從分列元件，發(fā)展到使用貼片，甚至集成電路，功率因素達(dá)到0.98，諧波失真總量小于10%，燈的壽命提高到10000h，亦有調(diào)光型產(chǎn)品。全世界2001年緊湊型熒光燈的總產(chǎn)量已超過8億支，其中75%產(chǎn)于我國。

隨著背光照明在辦公用筆記本電腦、等離子體顯示器和家用電器如電視機(jī)、數(shù)碼像機(jī)、攝像機(jī)等中的應(yīng)用與日俱增，高亮度的冷陰極超細(xì)管徑熒光燈為此應(yīng)運(yùn)而生。這類燈的管徑為1.8mm~3.0mm，普遍采用三基色熒光粉，通常采用Ni、Ta、Zr等金屬作為冷陰極，在高的啟動(dòng)電壓下形成輝光放電使燈管工作。

HID光源的成熟和進(jìn)步

適用于大面積范圍和室外照明的高強(qiáng)度氣體放電光源（HID），其燈內(nèi)工作壓強(qiáng)往往超過10個(gè)大氣壓強(qiáng)。其中高壓汞燈的光效可達(dá)50LM/W，顯色指數(shù)超過65，色溫4000k~6000k，壽命也達(dá)到約10000h，功率規(guī)格形成35W~3500W系列化。高壓鈉燈發(fā)光效率達(dá)到120LM/W，顯色指數(shù)為25，壽命達(dá)到24000h，規(guī)格有30W~1000W，雖然其光色稍遜，但其光效是所有能發(fā)出接近白光的人工光源中最高的。近年來又開發(fā)出高顯色高壓鈉燈，顯色指數(shù)80左右，壽命8000h。金屬鹵化物燈由于能兼具光效高（≥80LM/W）和光色好（Ra≥80）的優(yōu)點(diǎn)，隨著近年來等離子體模型理論和診斷技術(shù)不斷完善和成熟，其中PICC/MCC模型方法使用更為廣泛，其它流體模型，綜合和模擬電路模型，以及雜交模型也得到應(yīng)用。至今氣體放電等離子體診斷技術(shù)還是以光譜診斷為主。用模型和診斷技術(shù)來指導(dǎo)研制和生產(chǎn)金屬鹵化物燈，使光源性能有了極大的提高，其中35W~150W規(guī)格的小功率金屬鹵化物燈已廣泛地應(yīng)用到室內(nèi)照明和汽車前照燈。

陶瓷金屬鹵化物燈（CDM）的問世是HID光源在近年發(fā)展中最引人注目的成果。由于多晶氧化鋁（PCA）陶瓷材料及其與金屬封接工藝研究取得很大的突破，人們成功地制造出陶瓷外殼的性能明顯地優(yōu)于石英為玻殼的金屬鹵化物燈。采用陶瓷材料作外殼避免了燈內(nèi)金屬材料的損失，而且電孤管尺寸可以控制得非常精確，因此光電性能一致性和穩(wěn)定性好，允許更高電弧溫度，燈的光效可提高10%~20%；且發(fā)光體小，亮度高，便于投影照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。現(xiàn)有35W，70W和150W三種產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)為單端型，雙端型及反射型，光效達(dá)到90LM/W，亮度290cd/m2，顯色指數(shù)為83，有效壽命達(dá)12000h。另外，美國GE公司最近又推出用三部體結(jié)構(gòu)工藝制造的300W大功率陶瓷外殼金屬鹵化物燈，其應(yīng)用范圍將會(huì)有進(jìn)一步擴(kuò)大。

新穎電光源產(chǎn)品層出不窮

在光源輻射機(jī)理研究中，采用準(zhǔn)分子（Excimer）工作物質(zhì)，如KrF、ArP、NeF和XeCl等，來制造高功率的紫外光源。同時(shí)，通過微波放電和介質(zhì)阻擋放電等無極放電形式可制成新型的準(zhǔn)分子輻射光源，其工作物質(zhì)可為Xe2（172nm），Kr2（146nm）和Ar2（126nm），其中Xe2準(zhǔn)分子光源的效率最高，光能轉(zhuǎn)換效率達(dá)50%以上。現(xiàn)已制成58×68cm2的準(zhǔn)分子大面積平面照明系統(tǒng)，這種燈無需充汞，因此從環(huán)境保護(hù)角度來考量更有吸引力。目前已有能將172nm高效轉(zhuǎn)換成可見光的熒光粉產(chǎn)品，并制成有實(shí)用價(jià)值的平面無汞熒光燈產(chǎn)品出售，尤在LCD的背景照明中，它已獲得有效的應(yīng)用。作為一種新穎的無汞熒光燈，它的光效與直管型熒光燈相仿，又能制成平面形狀，更加上無有害物質(zhì)，不會(huì)造成污染的優(yōu)越性等特點(diǎn)，可以預(yù)言，準(zhǔn)分子光源前途無量。

近年來，配投光系統(tǒng)的顯示裝置受到人們的極大重視，而影響其性能的關(guān)鍵配件是短弧光源，荷蘭飛利浦公司于1995年首先開發(fā)成功一種超高壓汞燈，極距約1.3mm，功率100W。在燈工作時(shí)，汞蒸氣壓可達(dá)200個(gè)大氣壓。由于汞蒸氣壓愈高，燈的亮度也越高，而且汞原子譜線寬度變大，分子連續(xù)譜與帶電粒子復(fù)合光譜也更強(qiáng)，特別是595nm以上的紅光輻射隨燈內(nèi)工作壓強(qiáng)的升高而增強(qiáng)，從而使燈的顯色性提高。由于該燈放電時(shí)電極處于極高的溫度，會(huì)造成鎢材料蒸發(fā)并沉積在球壁上造成光衰，現(xiàn)通過在工藝上對(duì)燈內(nèi)充入微量含氧鹵素，有效清潔泡殼，使燈的壽命達(dá)12000h。

UHP光源的電弧亮度能超過小面積高效投影裝置所需的1Gcd/m2，為了達(dá)到更好的集光效果，近年來UHP光源的電弧極距減少到1.0mm，其壽命達(dá)10000h以上，功率為200W，配備于投影儀產(chǎn)品，重量僅4kg，體積不到2升，便于攜帶，其屏幕照度超過1100lm，能夠達(dá)到明亮的XGA顯示水平。

1992年國際電光源科技界提出了微波硫燈的新技術(shù)，發(fā)現(xiàn)充填硫元素和低壓氬氣于石英泡殼內(nèi)，在頻率為2450MHz微波能量的驅(qū)動(dòng)下，通過硫分子的振動(dòng)能和轉(zhuǎn)動(dòng)能的躍遷，可使燈輻射出連續(xù)的可見光光譜。

1994年，美國融合公司制成了一個(gè)功率為3400W微波硫燈照明系統(tǒng)。燈內(nèi)有一個(gè)直徑為28mm的石英球泡，工作時(shí)該石英泡內(nèi)由10個(gè)大氣壓強(qiáng)的硫蒸汽的分子輻射產(chǎn)生亮度非常強(qiáng)的白光，其光效為120LM/W，色溫為6500k，顯色指數(shù)為86。1995年，美國又開始出售solar-1000和LightDrive-1000兩種規(guī)格的微波硫燈。通過耦合到硫燈的功率密度從250W/cm3降到30W/cm3，使石英玻殼的溫度保持在925℃之下。該產(chǎn)品輻射光譜接近太陽光譜，可在很大范圍內(nèi)調(diào)光，壽命60000h，可任意方向燃點(diǎn)。

微波硫燈還可以利用導(dǎo)光管技術(shù)，將該燈發(fā)出的強(qiáng)光沿著導(dǎo)光管傳送到所需要照明的寬廣區(qū)域。最近為使硫燈適宜于家庭和商業(yè)照明，一方面通過充填物質(zhì)的改變使燈的光色更符合人們需求，另一方面正在積極研制開發(fā)100W以下的小功率微波硫燈，通過應(yīng)用葉片式諧振器的微波源，可將2450MHz的微波能量集中在一個(gè)很小的空間，從而使充有Br和Ar的內(nèi)徑為3mm的球形石英玻殼，激發(fā)輻射白光。我國光源界經(jīng)過幾年聯(lián)合研制，也在1999年推出VEC-1000微波硫燈產(chǎn)品，其技術(shù)指標(biāo)接近國際同類產(chǎn)品水平。

近30年來，作為固體光源的半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）取得了重大突破，燈的光效增加了100倍，成本下降90%，近幾年又突破單一顏色的局限性向白色光照明邁進(jìn)。

LED光源能在幾伏的低直流電壓下工作，光的轉(zhuǎn)換效率十分高，發(fā)光面很小，其發(fā)光顏色的色彩效果遠(yuǎn)超過彩色白熾燈，壽命達(dá)到100000h。經(jīng)過10多年的發(fā)展，光效已超過每瓦40lm，實(shí)驗(yàn)室已開發(fā)出100LM/W的產(chǎn)品。近年來，隨著藍(lán)色發(fā)光二極管性能的突破性進(jìn)展，發(fā)白光的發(fā)光二極管實(shí)用化，各大公司正在組成點(diǎn)狀、帶狀和平板型LED產(chǎn)品推向市場。目前獲得白色光源有兩種途徑，一種是藍(lán)、綠、紅色LED組合成白光，另一種是用藍(lán)色LED和黃色熒光發(fā)光體合成。

現(xiàn)在人們提出LED照明將是半導(dǎo)體的又一次革命的實(shí)現(xiàn)。LED光源的效率于2005年已達(dá)到50LM/W；可以預(yù)言，2010~2015年其轉(zhuǎn)換率為50%，光效將達(dá)到150LM/W~200LM/W；2020~2025年轉(zhuǎn)換率達(dá)到75%，相當(dāng)于光效300LM/W。但是即使實(shí)現(xiàn)高效率，單個(gè)發(fā)光體的輸入功率仍很小，光通量也不高，還需要發(fā)展可以聚集大量發(fā)光體的技術(shù)。為增加單位發(fā)光體的輸入，也可以通過提高外部量子的效率予以實(shí)現(xiàn)。

以上問題若能解決，那么21世紀(jì)可能會(huì)成為固體光源的時(shí)代，特別是同綠色能源——太陽能電池結(jié)合，它將成為一種理想的環(huán)保照明系統(tǒng)。