人造光源的出现是被国际科技界公认为现代文明社会起始的里程碑.电光源的发展历史也证实了它是一门与国民经济紧密联系的综合性学科.应该说,现代科技为电光源的成长奠定了理论基础和实践条件,同时也不断要求提供具有特殊性能的各种新光源,从而成为新光源诞生的源泉和动力.正值新世纪来临之际,对电光源的现状和发展加以剖析和展望,以实现照明科技的进一步跨越发展具有十分重要的意义.
一、 传统光源的发展和改进
1、 热辐射光源得到进一步改善
(1)传统白炽灯的灯丝从横向双螺旋改为纵向双螺旋,从而减少由灯头遮档向外辐射的光.缩小导线的直径,结构上可省去传统灯丝防下垂用的支架,使灯丝热传导损失降低,达到节电的目的.经过长期研究,现已实现了对白炽灯泡壳和灯丝结构及位置的合理设计.玻壳采用扩散性和透光性好的静电涂敷新技术及红外反射膜,使钨丝产生的红外辐射反射回来,重新加热灯丝,使灯的光效可以提高50%.
(2)卤钨灯的发展
1959年人们发明了卤钨循环原理后制造出卤钨灯,它给热辐射光源注入了新的活力.这类灯体积小,光维持率达到95%以上,光效和寿命更明显的优于白炽灯.近年来,我国已生产出可直接用于电网、电压220V或110V的卤钨灯,其尺寸可小到Ø 14×54mm,具有优异的灯丝稳定性和抗震性.泡壳有透明和磨砂两种不同规格,灯头易于连接,与白炽灯一样.卤钨灯的另一改进措施是采用浸涂法、真空蒸镀法或化学蒸镀法,在石英泡壳上采用红外反射层技术制成的新型卤钨灯,通过让可见光透过,而将红外线反射回灯丝的过程,使灯的光效提高30%-45%,寿命可达3000小时.
2、 荧光灯发展突飞猛进
(1)荧光灯诞生于20世纪40年代,当时荧光灯玻管外径为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,制造和运输成本也能降低.但这时必须使用能承受较强紫外线辐照的优质卤磷酸钙荧光粉,或三基色荧光粉,管径减小后可使光效提高10%.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50 HZ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Ø 16mm(T5)和Ø 11mm(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.
为了便于装饰和美化,对细管径荧光灯通过采用接桥和弯管等工艺,使灯管的尺寸紧凑,制成保持高光效的紧凑型荧光灯,特别是配有电子镇流器的一体化型又选用白炽灯螺口灯头(E27),已在许多领域取代了白炽灯.早年紧凑型荧光灯为H,U和Π型,并逐步发展为双H,双U和双Π型.近年又开发出3 U,3Π,4U,4Π和螺旋型,功率做到18 w以上,用以取代100 w以上的白炽灯,也已有85 w和125 w大功率紧凑型荧光灯产品的出现.这类灯所配用电子镇流器已从分列元件,发展到使用贴片,甚至集成电路,功率因素达到0.98,谐波失真总量小于10%,灯的寿命提高到10 000h,亦有调光型产品.全世界2001年紧凑型荧光灯的总产量已超过8亿支,其中75%产于我国.
(2)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.
(3)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60 000h,工作频率2.65MHz;美国Genura型无极荧光灯,功率23w,光效48lm / w,寿命10 000h,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40 000h,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60 000h,工作频率为250 KHz.
3． 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4 000 k ~ 6 000k,寿命也达到约10 000h,功率规格形成35w ~ 3 500w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24 000h,规格有30w ~ 1 000w,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8 000h.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,随着近年来等离子体模型理论和诊断技术不断完善和成熟,其中PICC / MCC模型方法使用更为广泛,其它流体模型,综合和模拟电路模型,以及杂交模型(Hybrid models)也得到应用.至今气体放电等离子体诊断技术还是以光谱诊断为主.用模型和诊断技术来指导研制和生产金属卤化物灯,使光源性能有了极大的提高,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
陶瓷金属卤化物灯(CDM)的问世是HID光源在近年发展中最引人注目的成果.由于多晶氧化铝(PCA)陶瓷材料及其与金属封接工艺研究取得很大的突破,人们成功地制造出陶瓷外壳的性能明显地优于石英为玻壳的金属卤化物灯.采用陶瓷材料作外壳避免了灯内金属材料的损失,而且电孤管尺寸可以控制得非常精确,因此光电性能一致性和稳定性好,允许更高电弧温度,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12 000h.另外,美国GE公司最近又推出用三部体结构工艺制造的300w大功率陶瓷外壳金属卤化物灯,其应用范围将会有进一步扩大.
二、新颖电光源产品层出不穷
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(Dielectric Barrier Discharge)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.目前已有能将172nm高效转换成可见光的荧光粉产品,并制成有实用价值的平面无汞荧光灯产品出售,尤在LCD的背景照明中,它已获得有效的应用.作为一种新颖的无汞荧光灯,它的光效与直管型荧光灯相仿,又能制成平面形状,更加上它的无有害物质,不会造成污染的优越性等特点,可以予言,准分子光源前途无量.
2.超高压汞灯(UHP)的开发成功
近年来,配投光系统的显示装置受到人们的极大重视,而影响其性能的关键配件是短弧光源,荷兰飞利浦公司于1995年首先开发成功一种超高压汞灯,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.由于该灯放电时电极处于极高的温度,会造成钨材料蒸发并沉积在球壁上造成光衰,现通过在工艺上对灯内充入微量氧一卤素,有效清洁泡壳,使灯的寿命达12 000h.
UHP光源的电弧亮度能超过小面积高效投影装置所需的1Gcd / m2,为了达到更好的集光效果,近年来UHP光源的电弧极距减少到1.0mm,其寿命达10 000h以上,功率为200w,配备于投影仪产品,重量仅4kg,体积不到2升,便于携带,其屏幕照度超过1 100lm,能够达到明亮的XGA显示水平.
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2 450MHz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.
1994年,美国融合公司制成了一个功率为3 400w微波硫灯照明系统.灯内有一个直径为28mm的石英球泡,工作时该石英泡内由10个大气压强的硫蒸汽的分子辐射产生亮度非常强的白光,其光效为120lm · / 微波w,色温为6 500k,显色指数为86.1995年,美国又开始出售solar — 1 000和Light Drive — 1 000两种规格的微波硫灯.通过耦合到硫灯的功率密度从250w / cm3降到30 w / cm3,使石英玻壳的温度保持在925℃之下.该产品辐射光谱接近太阳光谱,可在很大范围内调光,寿命60 000h,可任意方向燃点.
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100 w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 2 450MHz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.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.
4.固体光源开始进入光源领域
近30年来,作为固体光源的半导体发光二极管(LED)取得了重大突破,灯的光效增加了100倍,成本下降10倍,近几年又突破单一颜色的局限性向白色光照明迈进.
LED光源能在几伏的低直流电压下工作,光的转换效率十分高,发光面很小,其发光颜色的色彩效果远超过彩色白炽灯,寿命达到100 000h.经过10多年的发展,光效已超过每瓦40lm,实验室已开发出100lm / w的产品.近年来,随着蓝色发光二级管性能的突破性进展,发白光的发光二级管实用化,各大公司正在组成点状、带状和平板型LED产品推向市场.目前获得白色光源有两种途径,一种是蓝、绿、红色LED组合成白光,另一种是用蓝色LED和黄色荧光发光体合成.
现在人们已提出LED照明将是半导体的又一次革命的实现,可以予言LED光源的效率于2005年将达到50lm / w;2010 ~ 2015年其转换率为50%,光效将达到150 lm / w ~ 200lm / w;2020 ~ 2025年转换率达到75%,相当于光效300lm / w.但是即使实现高效率,单个发光体的输入功率仍很小,光通量也不高,还需要发展可以聚集大量发光体的技术.为增加单位发光体的输入,也可以通过提高外部量子的效率予以实现.以上问题若能解决,那么21世纪可能会成为固体光源的时代,特别是同绿色能源——太阳能电池结合,它将成为一种理想的环保照明系统.
