led的特點(diǎn)及其對(duì)照明學(xué)科的影響

led的特點(diǎn)及其對(duì)照明學(xué)科的影響

led的光催化氧化光與人類生活緊密分離。光通過物體被用來讓人類通過眼睛的感知細(xì)胞進(jìn)入世界。這就是照明的概念。光度學(xué)、色度學(xué)是照明學(xué)科的基礎(chǔ),分別闡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標(biāo)、色溫、顯色指數(shù)等色度量。照明學(xué)科建立后,一直被用于指導(dǎo)人類的照明實(shí)踐,即照明工程。照明的物質(zhì)基礎(chǔ)是光源,人類每天近一半的時(shí)間生活在太陽光下,這是自然光源。但茫茫的深夜,人類需要人造光源進(jìn)行照明。人造光源經(jīng)歷了從燃燒木頭、油脂、煤氣而產(chǎn)生光的漫長階段,到1879年愛迪生發(fā)明白熾燈,人造光源從此進(jìn)入電光源時(shí)代,實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍?，F(xiàn)有的電光源包括以白熾燈、鹵鎢燈為代表的熱輻射光源以及以熒光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈、金鹵燈等為代表的氣體放電光源。以LED為代表的固態(tài)照明是近年來照明學(xué)科快速發(fā)展的技術(shù)。照明學(xué)科中的光度學(xué)發(fā)展并基本完善于1760年左右,科學(xué)家朗伯(Lambert)對(duì)此作出過主要貢獻(xiàn)。那個(gè)時(shí)候,由于人類尚未進(jìn)入電光源時(shí)代,因而光度學(xué)中是留有那個(gè)時(shí)代印記的,比如燭光(candela)。色度學(xué)是在20世紀(jì)30年代初步建立,之后70年代完善的。實(shí)踐證明,光度學(xué)、色度學(xué)適合于自然光源、人造光源,包括熱輻射、氣體放電光源等傳統(tǒng)電光源的照明。近年來,隨著LED等固態(tài)照明技術(shù)的進(jìn)步,LED已經(jīng)在人類的視覺領(lǐng)域獲得很多應(yīng)用,包括顯示與普通照明,同時(shí)也有很多非人類視覺領(lǐng)域的應(yīng)用。如果我們把照明學(xué)科定義為“研究光源的直接應(yīng)用的科學(xué)與技術(shù)”的學(xué)科的話,那么光源的視覺應(yīng)用與非視覺應(yīng)用都將是照明學(xué)科的研究范疇,可以把光源的視覺應(yīng)用稱作視覺照明學(xué)科(illuminationscience),或者狹義的照明學(xué)科,而把包含視覺應(yīng)用與非視覺應(yīng)用的稱作廣義的照明學(xué)科(lightingscience)。本文探討隨著LED技術(shù)的進(jìn)步及在各種領(lǐng)域應(yīng)用的不斷拓展,將對(duì)照明學(xué)科產(chǎn)生的深遠(yuǎn)影響。1led材料作為一種新光源,LED發(fā)光原理上區(qū)別于傳統(tǒng)光源。與熱輻射光源依靠材料高溫產(chǎn)生熱輻射、氣體放電光源依靠氣態(tài)等離子體發(fā)光不同,LED是通過電注入,把電子和空穴從相反的方向注入到特定發(fā)光區(qū)域,即發(fā)光層,并在發(fā)光層復(fù)合發(fā)光。這種全新的發(fā)光原理決定了LED具有如下特點(diǎn):1.1led發(fā)光體的光學(xué)設(shè)計(jì)LED可以做的很小,目前0.5mm×0.5mm是很容易做到的。由于體積小,在立體空間這個(gè)概念LED有望滿足任何要求。幾乎可以這樣說,在立體空間里,LED是一個(gè)基本的元素,用這個(gè)元素可以拼湊出任何形狀的發(fā)光體。例如,如果需要用6個(gè)LED拼湊出一個(gè)完整的發(fā)光體的話,那么我們可以實(shí)現(xiàn)如圖1所示的多種形狀可能,這還僅是平面的,還有立體三維的情況。LED體積小的另外的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是:由于LED體積小,發(fā)光點(diǎn)更小。這在光學(xué)設(shè)計(jì)上幾乎可以理解為點(diǎn)光源,而點(diǎn)光源的二次光學(xué)設(shè)計(jì)是很方便的。因此,這就決定了LED幾乎可以滿足任何的配光要求。圖2是LED加自由曲面光學(xué)透鏡實(shí)現(xiàn)特種圖案光斑。1.2led多段從LED發(fā)光原理上說,LED本質(zhì)上是發(fā)射單色光譜的,但由于光譜展寬而有一定的寬度,一般為20nm~30nm。目前已經(jīng)具備了各種波段的單色LED,如圖3所示。由于LED的單色性,因此,在光譜這個(gè)空間,采用多個(gè)LED幾乎可以組合出任何需要的光譜形狀,且這種組合是沒有效率損失的。也就是說,LED在光譜這個(gè)一維空間,具備了作為一個(gè)基本元素的概念,以無限的可能實(shí)現(xiàn)各種需求。交通信號(hào)燈、RGB方式的背光源是LED典型的應(yīng)用。1.3led作為主流水源的可能性及應(yīng)用前景LED的開關(guān)時(shí)間是ns數(shù)量級(jí)。因此,這相當(dāng)于在時(shí)間這個(gè)空間,LED具備了作為照明的基本元素的功能。也就是說,在時(shí)間刻度上,LED是任意的。這在生物(包括人類、植物、動(dòng)物)的光介入中,會(huì)有很多應(yīng)用。以上分析了LED體積小、光譜純、開關(guān)時(shí)間短的特點(diǎn),這些是LED區(qū)別于傳統(tǒng)光源的最大特點(diǎn)。正是這些特點(diǎn),造就了LED無限的應(yīng)用可能及未來作為主流光源的可能性。如果用LED的這三個(gè)無限靈活性畫成一個(gè)三維空間,如圖4所示,那么現(xiàn)實(shí)中的絕大多數(shù)照明應(yīng)用應(yīng)該都能在這個(gè)空間找到相應(yīng)的位置。但是,LED的這種無限應(yīng)用可能性要變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的主流應(yīng)用需要多個(gè)條件,包括與現(xiàn)有光源相比較高的光效、較低的價(jià)格。目前市場上已經(jīng)很容易買到光效120lm/W的LED,高出絕大多數(shù)的傳統(tǒng)光源,且部分LED燈具價(jià)格已經(jīng)接近傳統(tǒng)光源燈具的價(jià)格。同時(shí),隨著技術(shù)的進(jìn)步LED的光效還在進(jìn)一步提升,價(jià)格也在快速的下降。因此,LED成為主流光源已經(jīng)可以預(yù)見。由于LED的高度靈活性,LED必將對(duì)以光源為物質(zhì)基礎(chǔ)的照明學(xué)科產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。2led的非視覺應(yīng)用應(yīng)該說,傳統(tǒng)光源的限制,使得傳統(tǒng)照明學(xué)科主要是研究視覺照明的,因?yàn)楣庠吹闹饕猛臼菐椭搜劭辞迨澜?盡管也有少量的其它用途,但是相比視覺應(yīng)用,那是小很多的。因此,傳統(tǒng)照明學(xué)科實(shí)際上就是視覺照明的學(xué)科,其中的色度學(xué)主要理論都是通過國際照明委員會(huì)(CIE)發(fā)布并確定下來的,因此,CIE在此領(lǐng)域是世界的權(quán)威,壟斷了該領(lǐng)域的發(fā)言權(quán)。但是,如前文所述,LED的特點(diǎn)決定了它除了做視覺用途外,還有很多不是視覺用途的應(yīng)用,即非視覺應(yīng)用。目前所知的非視覺應(yīng)用主要包括農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等。如果把光在這些領(lǐng)域的應(yīng)用都?xì)w于廣義的照明學(xué)科的話,那照明學(xué)科的內(nèi)涵將獲得極大的擴(kuò)展。2.1led光催化氧化法LED在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用包括LED用于植物的補(bǔ)光。植物生長依靠太陽光的光合作用,生物學(xué)統(tǒng)計(jì)表明:大部分植物為綠色植物,其中都含有葉綠素a與葉綠素b。而葉綠素a與葉綠素b對(duì)光譜是選擇性吸收的,如圖5所示。由圖5可見,含有葉綠素a與葉綠素b的植物,對(duì)綠光的吸收是很少的,綠光被大部分反射,因而植物看起來是綠色的。其主要的吸收峰分別是650nm與440nm附近的兩個(gè)峰,且葉綠素a與葉綠素b吸收峰不同但比較接近。因此,可以認(rèn)為植物的生長主要是依靠這些被吸收的光譜進(jìn)行光合作用。進(jìn)一步的研究表明,不同的植物對(duì)不同波長光的吸收與光合作用是不一樣的,因而不同的植物有不同的顏色(即反射太陽光部分)也可以理解。由于LED具有很大的光譜靈活性,那么我們就可以針對(duì)不同的植物選擇合適的光譜對(duì)植物進(jìn)行照射,可以想象,這樣的植物補(bǔ)光將具有比傳統(tǒng)的光源很大的效率優(yōu)勢(shì)。在這種LED應(yīng)用中,建立不同的植物的光譜光合作用效率曲線是提高效率的基礎(chǔ),這個(gè)跟人眼視見函數(shù)曲線是一個(gè)概念,只是用途不同而已。因此,與目前的視覺科學(xué)對(duì)應(yīng),是否將產(chǎn)生植物光合作用科學(xué)?LED在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用還包括很多方面,如殺蟲、抗菌等。一些特定的光譜對(duì)某些蟲類、菌類有抑制作用,那么研究這種抑制作用就具有很大的意義。而這將誕生另一類照明科學(xué)研究。LED在動(dòng)物養(yǎng)殖上也具有很大的用途。目前LED用于動(dòng)物養(yǎng)殖的研究,包括養(yǎng)雞、養(yǎng)魚等。在這些應(yīng)用中,光照用于給動(dòng)物營造一個(gè)光亮環(huán)境,這點(diǎn)跟人類的光環(huán)境類似。但是,不同的光環(huán)境是否對(duì)不同的動(dòng)物有不同的生長促進(jìn)作用?如果是這樣,那么由于LED在制造光環(huán)境上的無限靈活性,對(duì)不同的物種可能就存在一個(gè)優(yōu)選的照明光環(huán)境問題。這將也是照明科學(xué)有待研究的課題。2.2led在醫(yī)療應(yīng)用中的應(yīng)用前景LED在醫(yī)療上的應(yīng)用包括光治療、康復(fù)、保健等。光照療法(lighttherapy)的原理是:特定波長的單色光具有影響細(xì)胞生物學(xué)行為的能力,同時(shí)沒有明顯的損傷作用。長期以來一直采用激光做為照射光源,然而由于其體積大、價(jià)格昂貴,僅能發(fā)射出一小光點(diǎn)無法照射大面積的傷口,同時(shí)除昂貴的可調(diào)諧激光外一般激光器具有的波長值有限,因而不能實(shí)現(xiàn)照射光波長的優(yōu)選,且激光器是一種能量效率很低的光源,這些問題使得激光在醫(yī)療上的應(yīng)用受到限制。與激光器相比,LED光源體積小、價(jià)格相對(duì)便宜,且具有各種光譜,因而采用多個(gè)LED可排成陣列可應(yīng)用于大面積傷口照射,同時(shí)通過選用不同波長的LED可實(shí)現(xiàn)光治療的波長優(yōu)選,加上LED的光效率,使得LED在光治療上有很大的應(yīng)用潛力。LED在醫(yī)療保健與康復(fù)上的應(yīng)用也基于同樣的道理。在以上的這些LED醫(yī)療應(yīng)用中,同樣存在一個(gè)LED光照的優(yōu)選問題,即針對(duì)某一種治療,哪一類光譜最合適?怎樣的強(qiáng)度,怎樣的照射方式(如脈沖方式還是穩(wěn)態(tài)方式)最合適?照射周期怎樣最好?這些都是值得科學(xué)研究的,都是廣義的照明學(xué)科范疇。LED在醫(yī)療上的應(yīng)用有一點(diǎn)與農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用不同。在農(nóng)業(yè)應(yīng)用上,光照可以選擇性的針對(duì)一種或幾種對(duì)象進(jìn)行。只要考慮一種正效應(yīng),或者一種正效應(yīng)加上一種或少數(shù)幾種負(fù)效應(yīng),如抑制某類植物的生長。但是,在醫(yī)療應(yīng)用中,由于人類的體內(nèi)具有各種組織,那么LED光照不只要考慮對(duì)某些組織生長的促進(jìn)作用,還要考慮對(duì)其他多種組織的破壞作用。因此,LED應(yīng)用在醫(yī)學(xué)上的學(xué)科研究將復(fù)雜得多。如果把這個(gè)都?xì)w入照明學(xué)科的話,那么照明學(xué)科的這一部分將是漫長的研究過程,將產(chǎn)生一系列的照明學(xué)科分支。隨著LED技術(shù)的發(fā)展,除以上應(yīng)用之外,LED還會(huì)在很多領(lǐng)域誕生出各種應(yīng)用。這些應(yīng)用的研究,也將極大的豐富照明學(xué)科的研究內(nèi)涵。值得一提的是,LED與通信技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生的LED可見光通信技術(shù),具有很大的應(yīng)用前景。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,無線通信成為通信的主要技術(shù)。但是,無線通信是需要分配頻道的,因而頻道也就越來越緊張。而采用LED快速開關(guān)的特點(diǎn),當(dāng)開關(guān)的頻率高于人眼的閃爍識(shí)別頻率時(shí),可以通過快速地開關(guān)LED實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸,這即為LED可見光通信技術(shù)。隨著LED技術(shù)的發(fā)展,LED作為普通照明的主流光源指日可待。因此,加載于LED照明上的LED通信將是一種廉價(jià)同時(shí)安全可靠的通信手段。但是,需要特別說明的是,在LED通信中,LED只是一個(gè)載體。因此,盡管未來這是與照明相關(guān)的一個(gè)交叉學(xué)科,但是,嚴(yán)格的說,這個(gè)不屬于照明學(xué)科的一個(gè)部分,而是通信學(xué)科的一部分。3led的源起和發(fā)展過程了照明領(lǐng)域的物照明學(xué)科是以光度學(xué)、色度學(xué)為學(xué)科基礎(chǔ)的。其中的光度學(xué)由科學(xué)家朗伯(Lambert)在1760年創(chuàng)立,而色度學(xué)經(jīng)歷過比較漫長的完善過程,從CIE1931,CIE1964,CIE1976多次對(duì)CIE色度系統(tǒng)進(jìn)行修正,而對(duì)顯色性的評(píng)價(jià)指數(shù)一樣經(jīng)歷過漫長的過程,直到1974年才基本確定下來。但是,在此之后至今的近四十年時(shí)間,照明學(xué)科本身沒有大的進(jìn)展。這主要是因?yàn)?作為照明的物質(zhì)基礎(chǔ)即光源,包括熱輻射光源、氣體放電光源等,由于其發(fā)光原理基本確立,且在光譜等基本形態(tài)上沒有大的變化,因而以光度學(xué)、色度學(xué)為基礎(chǔ)的照明學(xué)科基本上能滿足采用這些光源的照明實(shí)踐的需要。但是,這段時(shí)間里,光源技術(shù)卻一直在進(jìn)步,盡管這種進(jìn)步是緩慢的。其主要亮點(diǎn)在于提高光源的光效、壽命、顯色性等。具體的研究是尋找新的發(fā)光物質(zhì)或新的光源激發(fā)源。緊湊型熒光燈是這段時(shí)間非常重要的發(fā)明,其研究起于20世紀(jì)80年代,之后的近十年期間的研究使其光效、顯色性特別是壽命獲得很大的進(jìn)展,以致CFL成為目前為止室內(nèi)照明的最主要光源。開始于20世紀(jì)60年代的HID光源,直到21世紀(jì)初一直是光源研究的熱點(diǎn),并在燈具光效、顯色性、壽命等方面獲得很多進(jìn)展。該領(lǐng)域的研究也誕生了照明領(lǐng)域的另一個(gè)重要的國際會(huì)議及其組織,即LS:XX會(huì)議及FAST-LS,并使LS會(huì)議成為照明領(lǐng)域除CIE之外的最重要國際會(huì)議。因此,近40年來,照明學(xué)科的重心一直是照明的物質(zhì)基礎(chǔ)———光源,而不是照明本身。但是,LED的出現(xiàn)將改變這種局面。近年來,美國、日本、歐洲、韓國及中國(包括中國臺(tái)灣地區(qū))等,都在政府的支持下投入對(duì)LED的研究,并使LED技術(shù)獲得很大的發(fā)展,其中LED的光效已從十年前的10lm/W左右提高到目前的市售產(chǎn)品的130lm/W,而實(shí)驗(yàn)室的樣品已達(dá)到300lm/W以上,而價(jià)格也下降到市場基本可以接受的程度。同時(shí)由于LED器件的壽命、可靠性等都有了很大的提高,因而LED在尺度空間、光譜空間與時(shí)間空間的無限靈活性正越來越顯示出其優(yōu)勢(shì)。目前LED在信號(hào)、顯示等領(lǐng)域(包括顯示應(yīng)用的背光源),已經(jīng)成為主流的光源。而在視覺照明領(lǐng)域,包括室內(nèi)、室外等照明領(lǐng)域,LED已經(jīng)獲得越來越多的市場占有率,而這些本來都是傳統(tǒng)光源的主要應(yīng)用領(lǐng)域。在農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、通信等領(lǐng)域,近年來也快速增長。這些都是因?yàn)長ED在尺度空間、時(shí)間空間、光譜空間的三個(gè)無限靈活性所致。但是,也正因?yàn)檫@三個(gè)無限靈活性,LED在所有的這些應(yīng)用中,多數(shù)情況將存在一個(gè)最優(yōu)解的問題。而這個(gè)問題是需要學(xué)術(shù)上進(jìn)行研究的。因此,LED在視覺與非視覺領(lǐng)域應(yīng)用的深度與廣度的不斷拓展,給予了照明學(xué)科很大的發(fā)展機(jī)會(huì)。這些都是照明學(xué)科本身,而非照明的物質(zhì)基礎(chǔ)———光源。以上討論LED未來的無限應(yīng)用前景時(shí),都是基于LED的三個(gè)無限靈活性。但是,LED目前的發(fā)展并未能完全實(shí)現(xiàn)LED的這種靈活性,特別是LED的光譜無限靈活性。目前LED的光譜半寬度為20~30nm,且通過改變LED材料的摻雜可以實(shí)現(xiàn)可見光范圍的大部分光譜。目前可實(shí)現(xiàn)的各個(gè)中心波長的LED的光電效率是不同的,特別是綠光LED的效率很低。圖6是2007年Krames等繪制的外量子效率圖,盡管近年來LED的效率有了很大的提高,但是綠光部分的LED的效率依然很低,目前商業(yè)產(chǎn)品仍然低于20%。因此,以現(xiàn)在的LED單色器件去實(shí)現(xiàn)LED光譜的無限靈活性,即由多個(gè)單色LED去組裝實(shí)現(xiàn)各種光譜時(shí),如果其中含有綠色LED,則組裝出的光譜效率將較低,以致實(shí)用意義將大打折扣。因此,提高綠光LED的光電效率將是實(shí)現(xiàn)LED真正的光譜無限靈活性的必要條件。在LED綠光的效率尚未獲得較大的提高之前,研究提高綠光LED的光電效率將是照明學(xué)科的一個(gè)研究重點(diǎn)。4視覺科學(xué)部分如前文所說,廣義的照明學(xué)科實(shí)際上包括視覺科學(xué)與非視覺科學(xué)部分。LED的靈活性造就了巨大的應(yīng)用前景,拓展了照明學(xué)科中的非視覺部分。另一方面,LED也將促使照明學(xué)科中的視覺科學(xué)部分進(jìn)一步完善與修正。4.1穩(wěn)態(tài)光照照明科學(xué)的可行性光度學(xué)、色度學(xué)都是建立在傳統(tǒng)光源基礎(chǔ)上的。傳統(tǒng)光源包括光度學(xué)建立時(shí)的蠟燭等非電光源及色度學(xué)建立時(shí)的熱輻射光源與氣體放電光源等,都是基本穩(wěn)定的,我們姑且稱之為穩(wěn)態(tài)光源。LED由于開關(guān)時(shí)間短,且開關(guān)非常方便,因而在調(diào)光使用時(shí)都采用PWM的調(diào)光方式,實(shí)際上相當(dāng)于工作在非穩(wěn)態(tài)的情況下。那么,直接的問題是,建立在穩(wěn)態(tài)光源條件下的照明科學(xué)(視覺科學(xué))是否適合于非穩(wěn)態(tài)下的照明?目前對(duì)此尚無定論,甚至包括兩種不同的研究結(jié)論。如果最后研究發(fā)現(xiàn)脈沖光下相關(guān)視覺照明具有不一樣的現(xiàn)象,那么至少應(yīng)該誕生“脈沖光度學(xué)”、“脈沖色度學(xué)”。4.2led光譜分析方法對(duì)光源的顯色性被普遍接受的評(píng)價(jià)方式是顯色指數(shù)。顯色指數(shù)的物理意義為:光源照射下產(chǎn)生物體本來顏色的能力,所謂的物體本來顏色即指太陽光照射下或者標(biāo)準(zhǔn)黑體照射下的顏色。在進(jìn)行定量計(jì)算時(shí),用14塊標(biāo)準(zhǔn)色板,計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)光源與被測光源分別照射下的顏色差異以獲得顯色指數(shù)。在LED之前,白熾燈、熒光燈、高壓鈉燈、金鹵燈等主要的電光源,盡管可以通過改變燈內(nèi)填充成分而適當(dāng)?shù)母淖児庾V,但總體上光譜形式是有限的。因此,計(jì)算顯色指數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式只要對(duì)這14塊色板及這幾種光源合適就行了。但是,LED的出現(xiàn)將使這種近似表征出現(xiàn)問題。由于LED光譜的靈活性,通過多個(gè)LED器件幾乎可以組裝出任何光譜,因而對(duì)顯色指數(shù)的評(píng)價(jià)方式需要重新認(rèn)真審視。如果回歸到顯色性的基本物理意義,即還原物體本來顏色的能力,那么可以想象,與標(biāo)準(zhǔn)燈光譜分布接近的光源一定具有很好的顯色性指標(biāo)。由于LED的光譜靈活性,要實(shí)現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)光源相近的光譜是做得到的,比如用多個(gè)單色LED組裝光譜。但是,這樣做的代價(jià)是光源的光效將降低。如果人類可以接受適當(dāng)?shù)男式档?那么,建立一個(gè)“類標(biāo)準(zhǔn)燈指數(shù)”或者“類太陽光