现代光源发展趋势

现代光源发展趋势前言1989年白炽灯的发明公认为人类现代文明社会起始的里程碑，人类发展史本身也证实了光源和照明是与人们生存和发展不可分割的一门科技学科。在一个多世纪的岁月里，现代光源科技的发展和自然科学的进步密切相关,科学理论的进展为电光源的进步奠定了基础,并不断要求提供具有特殊性能的各种新型光源,从而促进了电光源技术的进步。反之，电光源的发展也影响了其它学科的提高和改善了人们的生活质量，特别在全球节能减污的时代潮流中发挥了不可取代的作用。本文试对电光源科技的现状和发展加以剖折和展望，希望能有益于更好地认识国内外电光源科技发展的现状和动态，能对我国实现从光源生产的第一大国向光源科技的强国跨越性发展过程中起到有所裨益的作用。一、传统光源的发展和改进（一）热辐射光源的改进和完善1.白炽灯的改进传统的白炽灯光源经过119年的研发，其性能得到极大改善和价格大幅度的下降，成为了人类主要应用的光源。但由于它电能转变为光能效率实在太低,因此在十年左右它将被其它节能光源取代,近几年来，不少国家已提出白炽灯将退出光源领域的时程表，2008年5月还在我国上海召开了淘汰白炽灯的国际会议。2.带红外反射层或特殊荧光粉层的白炽灯通过对白炽灯泡壳和灯丝结构及位置的合理设计，然后在泡壳上涂敷TiO2—Ag—TiO2或ZnS—Ag—ZnS的红外反射膜，能使灯的光效提高50%。或者在泡壳内涂敷反斯托克斯荧光粉,它可让灯丝发出的红外光转换成可见光,以及使用纳米结构的发光灯丝，都能使白炽灯光效明显提高，有益于延缓白炽灯退出历史舞台的时间。3.卤钨灯的发展1959年在卤钨循环原理基础上制造出了卤钨灯，它的体积小，光维持率达到95%以上，光效和寿命更明显地优于白炽灯。现已生产出可直接应用于电网电压220V或110V的卤钨灯，再通过采用浸涂法、真空蒸镀法或化学蒸镀法，在石英泡壳上采用涂敷TiO2/SiO2红外反射层技术（IRC）制成JD和JDR型新颖卤钨灯，可使灯的光效有30%~45%的提高，寿命达3000h。近年来国际上又推出了新型的节能卤钨灯，得到照明界的重视和青睐。卤钨灯主要技术参数见表1所示。（二）低压气体放电光源——荧光灯的突飞猛进1.节能细管径荧光灯的出现诞生于40年代的荧光灯的玻管外径为38mm（T12），光效约60lm/w，显色指数为70。随着荧光灯研究的深入，发现适当提高管壁温度，具有较高光效的灯管直径可以相应缩小，这就使正柱区产生的253.7nm的光子到达管壁的距离缩短，光子与其它原子的碰撞机率降低，自吸收损失减少，这样制成的管径为26mm荧光灯（T8）光效可以提高10％，制造和运输成本也能降低。若进一步配用工作在40KHZ~60KHZ频率的电子镇流器，它的光效可比工作在50HZ频率下的电感镇流器再提高10%，这也就是人们常说的改进型T8荧光灯。近几年来，又出现管径更细为?16mm（T5）和Φ11mm（T3）的节能细管径荧光灯，这时它们的最佳管壁温度更高，发光效率可达到104lm/w的水平，这种荧光灯必须配备优质电子镇流器工作。表2列出典型的直管型不同管径荧光灯的主要技术参数。通过采用接桥和弯管等玻璃加工工艺，制成比白炽灯光效高6～7倍的紧凑型荧光灯，特别是配有电子镇流器的产品，功率因素达到0.98，谐波失真总量小于10%，灯的寿命提高到10000h，亦有调光型产品被认为是目前白炽灯最适宜的取代光源。全世界2007年紧凑型荧光灯的总产量已超过27亿支，其中90%产于我国。其主要技术参数见表3所列。3.冷阴极超细管径荧光灯的诞生随着背光照明在办公用笔记本电脑、等离子体显示器和家用电器如电视机、数码像机、摄像机等中的应用与日俱增，高亮度的冷阴极超细管径荧光灯为此应运而生。这类灯的管径为1.8mm~3.0mm，普遍采用三基色荧光粉，通常采用Ni、Ta、Zr等金属作为冷阴极，在高的启动电压下形成辉光放电使灯管工作，其工作参数如表4所示。4.无极荧光灯的发展随着电子学技术的发展，近年来实用型无极荧光灯发展很快，国际上现有产品是荷兰QL型，功率为55w和85w两种，光效约68lm/w，寿命60000h，工作频率2.65MHz；美国Genura型无极荧光灯，功率23w，光效48lm/w，寿命10000h，工作频率2.65MHz；日本Ever—Light型无极荧光灯，功率9w和27w，光效为41lm/w，寿命40000h，工作频率15.56MHz；还有德国Endura型无极荧光灯，功率100w和150w，光效80lm/w，寿命60000h，工作频率为250KHz。以及我国近年崛起的无极荧光灯的性能也达到国际同类型产品的先进水平,并已形成规模化生产和批量出口.图3显示了常用的无极荧光灯的外形。（三）HID光源的成熟和进步1.HID光源趋向成熟适用于大面积范围和室外照明的高强度气体放电光源（HID）其灯内工作压强往往超过10个大气压强，其中高压汞灯的光效可达50lm/w，显色指数超过65，色温4000k~6000k，寿命也达到约10000h，功率规格形成35w~3500w系列化。高压钠灯发光效率达到120lm/w，显色指数为25，寿命达到24000h，规格有30w~1000w，虽然其光色稍逊，但其光效是所有能发出接近白光的人工光源中最高的。近年来又开发出高显色高压钠灯，显色指数80左右，寿命8000h。金属卤化物灯由于能兼具光效高（≥80lm/w）和光色好（Ra≥80）的优点，其中35w~150w规格的小功率金属卤化物灯已广泛地应用到室内照明和汽车前照灯。2.陶瓷金属卤化物灯的进展由于陶瓷材料的进步和陶瓷与金属封接的实现，人们成功地制造出陶瓷外壳的性能明显地光电性能一致性和稳定性优于石英为玻壳的金属卤化物灯（CDM），灯的光效可提高10%~20%；且发光体小，亮度高，便于投影照明系统的设计。现有35w，70w和150w三种产品，结构为单端型，双端型及反射型，光效达到90lm/w，亮度290cd/m2，显色指数为83，有效寿命达12000h。另外，250W和400W大功率陶瓷外壳金属卤化物灯也已出现，其应用范围将会有进一步扩大。图2显示了陶瓷金属卤化物灯的结构和外形。二、新颖电光源产品层出无穷（一）准分子光源（ELS）的出现1.准分子光源（ELS）的出现。在光源辐射机理研究中，近年来采用准分子（Excimer）工作物质，如KrF、ArP、NeF和XeCl等，来制造高功率的紫外光源。同时，通过微波放电和介质阻挡放电（DielectricBarrierDischarge）等无极放电形式可制成新型的准分子辐射光源，其工作物质可为Xe2（172nm），Kr2（146nm）和Ar2（126nm），其中Xe2准分子光源的效率最高，光能转换效率达50%以上。现已制成58×68cm2的60WX2准分子大面积平面照明系统，这种灯无需充汞，因此从环境保护角度更有吸引力。目前已有具有实用价值的平面无汞荧光灯产品出售，可以预计其前途无量。2.超高压汞灯（UHP）的开发成功1995年，配投光系统的显示装置应用了新开发成功的一种超高压汞灯，其极距约1.3mm，功率100w。在灯工作时，汞蒸气压可达200个大气压。由于汞蒸气压愈高，灯的亮度也越高，而且汞原子谱线宽度变大，分子连续谱与带电粒子复合光谱也更强，特别是595nm以上的红光辐射随灯内工作压强的升高而增强，从而使灯的显色性提高，灯的寿命达12000h。图3显示UHP光源的外形3.微波光源的崛起1992年国际电光源科技界提出了微波硫灯的新技术，发现充填硫元素和低压氩气于石英泡壳内，在频率为2450MHz微波能量的驱动下，通过硫分子的振动能和转动能的跃迁，可使灯辐射出连续的可见光光谱，国产微波硫灯的外形见图4所示。1994年，美国首先制成了一个功率为3400w微波硫灯照明系统。1995年，美国又开始出售solar—1000和LightDrive—1000两种规格的微波硫灯。主要参数为：功率1378w，输出光通量132288lm，系统光效96lm/w，灯光效110lm/w，发光泡壳直径40mm，相对色温5400k，显色指数为80，启动时间小于25s，重复热启动时间小于300s，可在很大范围内调光，寿命60000h，可任意方向燃点。我国光源界经过几年联合研制，也在1999年推出VEC—1000微波硫灯产品，其技术指标接近国际同类产品水平，到2008年初，全国已有近十家企业生产微波硫灯并实现出口贸易，国外的微波硫灯生产也有进展，如韩国LG公司是典型的发展代表。微波硫灯还可以利用导光管技术，将该灯发出的强光沿着导光管传送到所需要照明的宽广区域。最近为使硫灯适宜于家庭和商业照明，一方面通过充填物质的改变使灯的光色更符合人们需求，另一方面正在积极研制开发100w以下的小功率微波硫灯，通过应用叶片式谐振器的微波源，可将2450MHz的微波能量集中在一个很小的空间，从而使充有InBr和Ar的内径为3mm的球形石英玻壳，激发辐射白光。当输入微波功率为25w时，灯的光通量为2000lm，灯的显色指数为97，色温6000k。在过去几年中硫灯技术已发展到可以和HID灯相媲美的程度，而且它具有高流明维持率、低的紫外和红外辐射、优良的色稳定性、低闪烁、高光效等特点，若进一步完善它的特性和降低成本，定会成为人们欢迎的高效节能光源。4.固体光源开始进入光源领域LED光源近十年的新突破是科技进步和时代发展的产物，与近代所有科技成果一样，它也是人类社会极大的福音.它的发展见图5所示。近年来LED的光效得到极大的提高。PHILIPSLUMILEDS公司的产品在350毫安电流下，发光效率已达115Ｌm/W。2008年CREE公司市场上出售的1瓦白光LED产品的光效达到118Lm/W。据报道，2007年国际上先进的大功率白光LED产业化水平，其发光效率普遍达到60-90Lm/W，节能效果已具有相当吸引力。LED新型照明光源，它一定会给现代社会生活质量的提高带来不可估量的影响，并定将在21世纪的全球照明领域引发一场革命。目前LED在照明领域的发展潜力很大，但它作为照明主体的研究艰难和产品质量远没成熟也是不争的事实。据全球2006年LED产品在国民经济应用中的统计，它的48%产品应用在移动设备中，14%在显示应用，15%在汽车照明，2%在信号灯光，照明应用仅占5%，其它应用16%。这可让我们清楚看出LED光源远还不是照明领域的主要产品.实际上，现在市场上被人们广泛认可的LED产品的应用范围还是有限，LED道路照明的应用正成为当前国内外照明研究和推广应用的热点。LED科技进步的关键措施，首先是固体物理的半导体和光源照明的研究要加快融合互相渗透，增进彼此了解合作攻关，其次，要改进和提高LED的制造工艺和技术性能，目前LED的转换效率欠佳，仅约20%电能是转换成光，而80%的电能转化成热能，因此从芯片的制作来改善内量子效率，从而提高它的发光效率潜力很大，另外在LED的封装亦即从外量子效率的改进来提高LED的发光效率，包括通过合理的光学设计，或是选用优质的封装材料和合适的荧光粉选择都能不同程度地提高LED发光效率。而散热的改善更是目前LED发展必须突破的关键瓶颈口。如散热欠佳就会造成LED光色的改变，还会使发光效率和寿命明显降低，实验证明LED的PN结温度超过正常温度1度，LED寿命可能就会降低一半，所以目前正在尝试将先进的”热管”冷却技术用到LED的散热之中。另外LED还必须考虑性价比问题，再则，LED照明光源的测试和产品标准迫需制定和完善，过去传统光源的测试方法和产品标准可以借鉴，但绝不能简单加以取代，甚至于对色度学，光度学和辐射度学的理论也需根据LED特点加以完善和深化.最后，还应从人类功效学的观点出发，即综合考虑生理学，心理学和物理学的影响，目前国际上从认知理论的视觉科学出发，对LED光源如何有益于人们健康和生活舒适，以及提高工作效率的正确应用，加以研究和开展大量的实验工作.LED进一步推广应用中的问题和困难是客观存在的，但我们可以深信随着人们不懈的努力和科技的进步，LED的