led的特点及其对照明学科的影响

led的特点及其对照明学科的影响

led的光催化氧化光与人类生活紧密分离。光通过物体被用来让人类通过眼睛的感知细胞进入世界。这就是照明的概念。光度学、色度学是照明学科的基础,分别阐明了照明中的基本物理量,包括光通量、照度、亮度等光度量及色度坐标、色温、显色指数等色度量。照明学科建立后,一直被用于指导人类的照明实践,即照明工程。照明的物质基础是光源,人类每天近一半的时间生活在太阳光下,这是自然光源。但茫茫的深夜,人类需要人造光源进行照明。人造光源经历了从燃烧木头、油脂、煤气而产生光的漫长阶段,到1879年爱迪生发明白炽灯,人造光源从此进入电光源时代,实现了质的飞跃。现有的电光源包括以白炽灯、卤钨灯为代表的热辐射光源以及以荧光灯、高压汞灯、高压钠灯、金卤灯等为代表的气体放电光源。以LED为代表的固态照明是近年来照明学科快速发展的技术。照明学科中的光度学发展并基本完善于1760年左右,科学家朗伯(Lambert)对此作出过主要贡献。那个时候,由于人类尚未进入电光源时代,因而光度学中是留有那个时代印记的,比如烛光(candela)。色度学是在20世纪30年代初步建立,之后70年代完善的。实践证明,光度学、色度学适合于自然光源、人造光源,包括热辐射、气体放电光源等传统电光源的照明。近年来,随着LED等固态照明技术的进步,LED已经在人类的视觉领域获得很多应用,包括显示与普通照明,同时也有很多非人类视觉领域的应用。如果我们把照明学科定义为“研究光源的直接应用的科学与技术”的学科的话,那么光源的视觉应用与非视觉应用都将是照明学科的研究范畴,可以把光源的视觉应用称作视觉照明学科(illuminationscience),或者狭义的照明学科,而把包含视觉应用与非视觉应用的称作广义的照明学科(lightingscience)。本文探讨随着LED技术的进步及在各种领域应用的不断拓展,将对照明学科产生的深远影响。1led材料作为一种新光源,LED发光原理上区别于传统光源。与热辐射光源依靠材料高温产生热辐射、气体放电光源依靠气态等离子体发光不同,LED是通过电注入,把电子和空穴从相反的方向注入到特定发光区域,即发光层,并在发光层复合发光。这种全新的发光原理决定了LED具有如下特点:1.1led发光体的光学设计LED可以做的很小,目前0.5mm×0.5mm是很容易做到的。由于体积小,在立体空间这个概念LED有望满足任何要求。几乎可以这样说,在立体空间里,LED是一个基本的元素,用这个元素可以拼凑出任何形状的发光体。例如,如果需要用6个LED拼凑出一个完整的发光体的话,那么我们可以实现如图1所示的多种形状可能,这还仅是平面的,还有立体三维的情况。LED体积小的另外的一个优势是:由于LED体积小,发光点更小。这在光学设计上几乎可以理解为点光源,而点光源的二次光学设计是很方便的。因此,这就决定了LED几乎可以满足任何的配光要求。图2是LED加自由曲面光学透镜实现特种图案光斑。1.2led多段从LED发光原理上说,LED本质上是发射单色光谱的,但由于光谱展宽而有一定的宽度,一般为20nm~30nm。目前已经具备了各种波段的单色LED,如图3所示。由于LED的单色性,因此,在光谱这个空间,采用多个LED几乎可以组合出任何需要的光谱形状,且这种组合是没有效率损失的。也就是说,LED在光谱这个一维空间,具备了作为一个基本元素的概念,以无限的可能实现各种需求。交通信号灯、RGB方式的背光源是LED典型的应用。1.3led作为主流水源的可能性及应用前景LED的开关时间是ns数量级。因此,这相当于在时间这个空间,LED具备了作为照明的基本元素的功能。也就是说,在时间刻度上,LED是任意的。这在生物(包括人类、植物、动物)的光介入中,会有很多应用。以上分析了LED体积小、光谱纯、开关时间短的特点,这些是LED区别于传统光源的最大特点。正是这些特点,造就了LED无限的应用可能及未来作为主流光源的可能性。如果用LED的这三个无限灵活性画成一个三维空间,如图4所示,那么现实中的绝大多数照明应用应该都能在这个空间找到相应的位置。但是,LED的这种无限应用可能性要变为现实的主流应用需要多个条件,包括与现有光源相比较高的光效、较低的价格。目前市场上已经很容易买到光效120lm/W的LED,高出绝大多数的传统光源,且部分LED灯具价格已经接近传统光源灯具的价格。同时,随着技术的进步LED的光效还在进一步提升,价格也在快速的下降。因此,LED成为主流光源已经可以预见。由于LED的高度灵活性,LED必将对以光源为物质基础的照明学科产生深远的影响。2led的非视觉应用应该说,传统光源的限制,使得传统照明学科主要是研究视觉照明的,因为光源的主要用途是帮助人眼看清世界,尽管也有少量的其它用途,但是相比视觉应用,那是小很多的。因此,传统照明学科实际上就是视觉照明的学科,其中的色度学主要理论都是通过国际照明委员会(CIE)发布并确定下来的,因此,CIE在此领域是世界的权威,垄断了该领域的发言权。但是,如前文所述,LED的特点决定了它除了做视觉用途外,还有很多不是视觉用途的应用,即非视觉应用。目前所知的非视觉应用主要包括农业、医疗等。如果把光在这些领域的应用都归于广义的照明学科的话,那照明学科的内涵将获得极大的扩展。2.1led光催化氧化法LED在农业上的应用包括LED用于植物的补光。植物生长依靠太阳光的光合作用,生物学统计表明:大部分植物为绿色植物,其中都含有叶绿素a与叶绿素b。而叶绿素a与叶绿素b对光谱是选择性吸收的,如图5所示。由图5可见,含有叶绿素a与叶绿素b的植物,对绿光的吸收是很少的,绿光被大部分反射,因而植物看起来是绿色的。其主要的吸收峰分别是650nm与440nm附近的两个峰,且叶绿素a与叶绿素b吸收峰不同但比较接近。因此,可以认为植物的生长主要是依靠这些被吸收的光谱进行光合作用。进一步的研究表明,不同的植物对不同波长光的吸收与光合作用是不一样的,因而不同的植物有不同的颜色(即反射太阳光部分)也可以理解。由于LED具有很大的光谱灵活性,那么我们就可以针对不同的植物选择合适的光谱对植物进行照射,可以想象,这样的植物补光将具有比传统的光源很大的效率优势。在这种LED应用中,建立不同的植物的光谱光合作用效率曲线是提高效率的基础,这个跟人眼视见函数曲线是一个概念,只是用途不同而已。因此,与目前的视觉科学对应,是否将产生植物光合作用科学?LED在农业上的应用还包括很多方面,如杀虫、抗菌等。一些特定的光谱对某些虫类、菌类有抑制作用,那么研究这种抑制作用就具有很大的意义。而这将诞生另一类照明科学研究。LED在动物养殖上也具有很大的用途。目前LED用于动物养殖的研究,包括养鸡、养鱼等。在这些应用中,光照用于给动物营造一个光亮环境,这点跟人类的光环境类似。但是,不同的光环境是否对不同的动物有不同的生长促进作用?如果是这样,那么由于LED在制造光环境上的无限灵活性,对不同的物种可能就存在一个优选的照明光环境问题。这将也是照明科学有待研究的课题。2.2led在医疗应用中的应用前景LED在医疗上的应用包括光治疗、康复、保健等。光照疗法(lighttherapy)的原理是:特定波长的单色光具有影响细胞生物学行为的能力,同时没有明显的损伤作用。长期以来一直采用激光做为照射光源,然而由于其体积大、价格昂贵,仅能发射出一小光点无法照射大面积的伤口,同时除昂贵的可调谐激光外一般激光器具有的波长值有限,因而不能实现照射光波长的优选,且激光器是一种能量效率很低的光源,这些问题使得激光在医疗上的应用受到限制。与激光器相比,LED光源体积小、价格相对便宜,且具有各种光谱,因而采用多个LED可排成阵列可应用于大面积伤口照射,同时通过选用不同波长的LED可实现光治疗的波长优选,加上LED的光效率,使得LED在光治疗上有很大的应用潜力。LED在医疗保健与康复上的应用也基于同样的道理。在以上的这些LED医疗应用中,同样存在一个LED光照的优选问题,即针对某一种治疗,哪一类光谱最合适?怎样的强度,怎样的照射方式(如脉冲方式还是稳态方式)最合适?照射周期怎样最好?这些都是值得科学研究的,都是广义的照明学科范畴。LED在医疗上的应用有一点与农业上的应用不同。在农业应用上,光照可以选择性的针对一种或几种对象进行。只要考虑一种正效应,或者一种正效应加上一种或少数几种负效应,如抑制某类植物的生长。但是,在医疗应用中,由于人类的体内具有各种组织,那么LED光照不只要考虑对某些组织生长的促进作用,还要考虑对其他多种组织的破坏作用。因此,LED应用在医学上的学科研究将复杂得多。如果把这个都归入照明学科的话,那么照明学科的这一部分将是漫长的研究过程,将产生一系列的照明学科分支。随着LED技术的发展,除以上应用之外,LED还会在很多领域诞生出各种应用。这些应用的研究,也将极大的丰富照明学科的研究内涵。值得一提的是,LED与通信技术结合产生的LED可见光通信技术,具有很大的应用前景。随着电子技术的发展,无线通信成为通信的主要技术。但是,无线通信是需要分配频道的,因而频道也就越来越紧张。而采用LED快速开关的特点,当开关的频率高于人眼的闪烁识别频率时,可以通过快速地开关LED实现信号的传输,这即为LED可见光通信技术。随着LED技术的发展,LED作为普通照明的主流光源指日可待。因此,加载于LED照明上的LED通信将是一种廉价同时安全可靠的通信手段。但是,需要特别说明的是,在LED通信中,LED只是一个载体。因此,尽管未来这是与照明相关的一个交叉学科,但是,严格的说,这个不属于照明学科的一个部分,而是通信学科的一部分。3led的源起和发展过程了照明领域的物照明学科是以光度学、色度学为学科基础的。其中的光度学由科学家朗伯(Lambert)在1760年创立,而色度学经历过比较漫长的完善过程,从CIE1931,CIE1964,CIE1976多次对CIE色度系统进行修正,而对显色性的评价指数一样经历过漫长的过程,直到1974年才基本确定下来。但是,在此之后至今的近四十年时间,照明学科本身没有大的进展。这主要是因为:作为照明的物质基础即光源,包括热辐射光源、气体放电光源等,由于其发光原理基本确立,且在光谱等基本形态上没有大的变化,因而以光度学、色度学为基础的照明学科基本上能满足采用这些光源的照明实践的需要。但是,这段时间里,光源技术却一直在进步,尽管这种进步是缓慢的。其主要亮点在于提高光源的光效、寿命、显色性等。具体的研究是寻找新的发光物质或新的光源激发源。紧凑型荧光灯是这段时间非常重要的发明,其研究起于20世纪80年代,之后的近十年期间的研究使其光效、显色性特别是寿命获得很大的进展,以致CFL成为目前为止室内照明的最主要光源。开始于20世纪60年代的HID光源,直到21世纪初一直是光源研究的热点,并在灯具光效、显色性、寿命等方面获得很多进展。该领域的研究也诞生了照明领域的另一个重要的国际会议及其组织,即LS:XX会议及FAST-LS,并使LS会议成为照明领域除CIE之外的最重要国际会议。因此,近40年来,照明学科的重心一直是照明的物质基础———光源,而不是照明本身。但是,LED的出现将改变这种局面。近年来,美国、日本、欧洲、韩国及中国(包括中国台湾地区)等,都在政府的支持下投入对LED的研究,并使LED技术获得很大的发展,其中LED的光效已从十年前的10lm/W左右提高到目前的市售产品的130lm/W,而实验室的样品已达到300lm/W以上,而价格也下降到市场基本可以接受的程度。同时由于LED器件的寿命、可靠性等都有了很大的提高,因而LED在尺度空间、光谱空间与时间空间的无限灵活性正越来越显示出其优势。目前LED在信号、显示等领域(包括显示应用的背光源),已经成为主流的光源。而在视觉照明领域,包括室内、室外等照明领域,LED已经获得越来越多的市场占有率,而这些本来都是传统光源的主要应用领域。在农业、医疗、通信等领域,近年来也快速增长。这些都是因为LED在尺度空间、时间空间、光谱空间的三个无限灵活性所致。但是,也正因为这三个无限灵活性,LED在所有的这些应用中,多数情况将存在一个最优解的问题。而这个问题是需要学术上进行研究的。因此,LED在视觉与非视觉领域应用的深度与广度的不断拓展,给予了照明学科很大的发展机会。这些都是照明学科本身,而非照明的物质基础———光源。以上讨论LED未来的无限应用前景时,都是基于LED的三个无限灵活性。但是,LED目前的发展并未能完全实现LED的这种灵活性,特别是LED的光谱无限灵活性。目前LED的光谱半宽度为20~30nm,且通过改变LED材料的掺杂可以实现可见光范围的大部分光谱。目前可实现的各个中心波长的LED的光电效率是不同的,特别是绿光LED的效率很低。图6是2007年Krames等绘制的外量子效率图,尽管近年来LED的效率有了很大的提高,但是绿光部分的LED的效率依然很低,目前商业产品仍然低于20%。因此,以现在的LED单色器件去实现LED光谱的无限灵活性,即由多个单色LED去组装实现各种光谱时,如果其中含有绿色LED,则组装出的光谱效率将较低,以致实用意义将大打折扣。因此,提高绿光LED的光电效率将是实现LED真正的光谱无限灵活性的必要条件。在LED绿光的效率尚未获得较大的提高之前,研究提高绿光LED的光电效率将是照明学科的一个研究重点。4视觉科学部分如前文所说,广义的照明学科实际上包括视觉科学与非视觉科学部分。LED的灵活性造就了巨大的应用前景,拓展了照明学科中的非视觉部分。另一方面,LED也将促使照明学科中的视觉科学部分进一步完善与修正。4.1稳态光照照明科学的可行性光度学、色度学都是建立在传统光源基础上的。传统光源包括光度学建立时的蜡烛等非电光源及色度学建立时的热辐射光源与气体放电光源等,都是基本稳定的,我们姑且称之为稳态光源。LED由于开关时间短,且开关非常方便,因而在调光使用时都采用PWM的调光方式,实际上相当于工作在非稳态的情况下。那么,直接的问题是,建立在稳态光源条件下的照明科学(视觉科学)是否适合于非稳态下的照明?目前对此尚无定论,甚至包括两种不同的研究结论。如果最后研究发现脉冲光下相关视觉照明具有不一样的现象,那么至少应该诞生“脉冲光度学”、“脉冲色度学”。4.2led光谱分析方法对光源的显色性被普遍接受的评价方式是显色指数。显色指数的物理意义为:光源照射下产生物体本来颜色的能力,所谓的物体本来颜色即指太阳光照射下或者标准黑体照射下的颜色。在进行定量计算时,用14块标准色板,计算标准光源与被测光源分别照射下的颜色差异以获得显色指数。在LED之前,白炽灯、荧光灯、高压钠灯、金卤灯等主要的电光源,尽管可以通过改变灯内填充成分而适当的改变光谱,但总体上光谱形式是有限的。因此,计算显色指数的经验公式只要对这14块色板及这几种光源合适就行了。但是,LED的出现将使这种近似表征出现问题。由于LED光谱的灵活性,通过多个LED器件几乎可以组装出任何光谱,因而对显色指数的评价方式需要重新认真审视。如果回归到显色性的基本物理意义,即还原物体本来颜色的能力,那么可以想象,与标准灯光谱分布接近的光源一定具有很好的显色性指标。由于LED的光谱灵活性,要实现与标准光源相近的光谱是做得到的,比如用多个单色LED组装光谱。但是,这样做的代价是光源的光效将降低。如果人类可以接受适当的效率降低,那么,建立一个“类标准灯指数”或者“类太阳光