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。相當長一段時期，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車胤“囊螢映雪”，告別蠟燭和豆油燈的昏暗時代。

傳統(tǒng)光源的發(fā)明

一般認為電燈是由美國人托馬斯?愛迪生所發(fā)明。但倘若認真的考據(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電燈的發(fā)明作出了不少貢獻。1801年，英國化學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)明今天看來是首個有實際效用的白熾燈。他當時試驗的燈泡已可維持400小時，但是并沒有即時申請設計專利。

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了一項電燈專利。他們在玻璃泡之下充入氮氣，以通電的碳桿發(fā)光。但是他們無足夠財力繼續(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個小時。到了1880年，他造出的炭化竹絲燈泡曾成功在實驗室維持1200小時。

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。因為鎢絲上細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，電阻進一步增大的循環(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)的電燈泡內都是注入氮、氬或氪氣?，F(xiàn)代的白熾燈一般壽命為1000小時左右。

實用白熾燈的發(fā)明，揭開了電應用于日常生活的序幕。

熒光燈發(fā)展突飛猛進

愛迪生之后，電燈不斷改進。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。當時熒光燈玻管外徑為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)適當提高管壁溫度，具有較高光效的燈管直徑可以相應縮小，這就使正柱區(qū)產(chǎn)生的253.7nm的光子到達管壁的距離縮短，光子與其它原子的碰撞機率降低，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，制造和運輸成本也能降低。但這時必須使用能承受較強紫外線輻照的優(yōu)質鹵磷酸鈣熒光粉，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型T8熒光燈。

隨著電子學技術的發(fā)展，近年來實用型無極熒光燈發(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。鹵鎢燈的另一改進措施是采用浸涂法、真空蒸鍍法或化學蒸鍍法，在石英泡殼上采用紅外反射層技術制成的新型鹵鎢燈，通過讓可見光透過，而將紅外線反射回燈絲的過程，使燈的光效提高30％－45％，壽命可達3000小時。

為了便于裝飾和美化，對細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，功率因素達到0.98，諧波失真總量小于10%，燈的壽命提高到10000h，亦有調光型產(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、數(shù)碼像機、攝像機等中的應用與日俱增，高亮度的冷陰極超細管徑熒光燈為此應運而生。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，在高的啟動電壓下形成輝光放電使燈管工作。

HID光源的成熟和進步

適用于大面積范圍和室外照明的高強度氣體放電光源（HID），其燈內工作壓強往往超過10個大氣壓強。其中高壓汞燈的光效可達50LM/W，顯色指數(shù)超過65，色溫4000k~6000k，壽命也達到約10000h，功率規(guī)格形成35W~3500W系列化。高壓鈉燈發(fā)光效率達到120LM/W，顯色指數(shù)為25，壽命達到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，隨著近年來等離子體模型理論和診斷技術不斷完善和成熟，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用。至今氣體放電等離子體診斷技術還是以光譜診斷為主。用模型和診斷技術來指導研制和生產(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用到室內照明和汽車前照燈。

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)的設計?，F(xiàn)有35W，70W和150W三種產(chǎn)品，結構為單端型，雙端型及反射型，光效達到90LM/W，亮度290cd/m2，顯色指數(shù)為83，有效壽命達12000h。另外，美國GE公司最近又推出用三部體結構工藝制造的300W大功率陶瓷外殼金屬鹵化物燈，其應用范圍將會有進一步擴大。

新穎電光源產(chǎn)品層出不窮

在光源輻射機理研究中，采用準分子（Excimer）工作物質，如KrF、ArP、NeF和XeCl等，來制造高功率的紫外光源。同時，通過微波放電和介質阻擋放電等無極放電形式可制成新型的準分子輻射光源，其工作物質可為Xe2（172nm），Kr2（146nm）和Ar2（126nm），其中Xe2準分子光源的效率最高，光能轉換效率達50%以上。現(xiàn)已制成58×68cm2的準分子大面積平面照明系統(tǒng)，這種燈無需充汞，因此從環(huán)境保護角度來考量更有吸引力。目前已有能將172nm高效轉換成可見光的熒光粉產(chǎn)品，并制成有實用價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，不會造成污染的優(yōu)越性等特點，可以預言，準分子光源前途無量。

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，汞蒸氣壓可達200個大氣壓。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)譜與帶電粒子復合光譜也更強，特別是595nm以上的紅光輻射隨燈內工作壓強的升高而增強，從而使燈的顯色性提高。由于該燈放電時電極處于極高的溫度，會造成鎢材料蒸發(fā)并沉積在球壁上造成光衰，現(xiàn)通過在工藝上對燈內充入微量含氧鹵素，有效清潔泡殼，使燈的壽命達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，發(fā)現(xiàn)充填硫元素和低壓氬氣于石英泡殼內，在頻率為2450MHz微波能量的驅動下，通過硫分子的振動能和轉動能的躍遷，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功率為3400W微波硫燈照明系統(tǒng)。燈內有一個直徑為28mm的石英球泡，工作時該石英泡內由10個大氣壓強的硫蒸汽的分子輻射產(chǎn)生亮度非常強的白光，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，可在很大范圍內調光，壽命60000h，可任意方向燃點。

微波硫燈還可以利用導光管技術，將該燈發(fā)出的強光沿著導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，通過應用葉片式諧振器的微波源，可將2450MHz的微波能量集中在一個很小的空間，從而使充有Br和Ar的內徑為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，其技術指標接近國際同類產(chǎn)品水平。

近30年來，作為固體光源的半導體發(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。

LED光源能在幾伏的低直流電壓下工作，光的轉換效率十分高，發(fā)光面很小，其發(fā)光顏色的色彩效果遠超過彩色白熾燈，壽命達到100000h。經(jīng)過10多年的發(fā)展，光效已超過每瓦40lm，實驗室已開發(fā)出100LM/W的產(chǎn)品。近年來，隨著藍色發(fā)光二極管性能的突破性進展，發(fā)白光的發(fā)光二極管實用化，各大公司正在組成點狀、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、綠、紅色LED組合成白光，另一種是用藍色LED和黃色熒光發(fā)光體合成。

現(xiàn)在人們提出LED照明將是半導體的又一次革命的實現(xiàn)。LED光源的效率于2005年已達到50LM/W；可以預言，2010~2015年其轉換率為50%，光效將達到150LM/W~200LM/W；2020~2025年轉換率達到75%，相當于光效300LM/W。但是即使實現(xiàn)高效率，單個發(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。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現(xiàn)。

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