人造光源的出現(xiàn)是被國際科技界公認(rèn)為現(xiàn)代文明社會(huì)起始的里程碑.電光源的發(fā)展歷史也證實(shí)了它是一門與國民經(jīng)濟(jì)緊密聯(lián)系的綜合性學(xué)科.應(yīng)該說,現(xiàn)代科技為電光源的成長奠定了理論基礎(chǔ)和實(shí)踐條件,同時(shí)也不斷要求提供具有特殊性能的各種新光源,從而成為新光源誕生的源泉和動(dòng)力.正值新世紀(jì)來臨之際,對(duì)電光源的現(xiàn)狀和發(fā)展加以剖析和展望,以實(shí)現(xiàn)照明科技的進(jìn)一步跨越發(fā)展具有十分重要的意義.
    
     一、   傳統(tǒng)光源的發(fā)展和改進(jìn)
    
     1、   熱輻射光源得到進(jìn)一步改善
     (1)傳統(tǒng)白熾燈的燈絲從橫向雙螺旋改為縱向雙螺旋,從而減少由燈頭遮檔向外輻射的光.縮小導(dǎo)線的直徑,結(jié)構(gòu)上可省去傳統(tǒng)燈絲防下垂用的支架,使燈絲熱傳導(dǎo)損失降低,達(dá)到節(jié)電的目的.經(jīng)過長期研究,現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)了對(duì)白熾燈泡殼和燈絲結(jié)構(gòu)及位置的合理設(shè)計(jì).玻殼采用擴(kuò)散性和透光性好的靜電涂敷新技術(shù)及紅外反射膜,使鎢絲產(chǎn)生的紅外輻射反射回來,重新加熱燈絲,使燈的光效可以提高50%.
     (2)鹵鎢燈的發(fā)展
       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(dá)到95%以上,光效和壽命更明顯的優(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,其尺寸可小到Ø 14×54mm,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(jìn)措施是采用浸涂法、真空蒸鍍法或化學(xué)蒸鍍法,在石英泡殼上采用紅外反射層技術(shù)制成的新型鹵鎢燈,通過讓可見光透過,而將紅外線反射回?zé)艚z的過程,使燈的光效提高30%-45%,壽命可達(dá)3000小時(shí).
     2、    熒光燈發(fā)展突飛猛進(jìn)
       (1)熒光燈誕生于20世紀(jì)40年代,當(dāng)時(shí)熒光燈玻管外徑為38mm(T12),光效約60lm/w,顯色指數(shù)為70.
       隨著熒光燈研究的深入,發(fā)現(xiàn)適當(dāng)提高管壁溫度,具有較高光效的燈管直徑可以相應(yīng)縮小,這就使正柱區(qū)產(chǎn)生的253.7nm的光子到達(dá)管壁的距離縮短,光子與其它原子的碰撞機(jī)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(yùn)輸成本也能降低.但這時(shí)必須使用能承受較強(qiáng)紫外線輻照的優(yōu)質(zhì)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(jìn)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50 HZ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(jìn)型T8熒光燈.近幾年來,又出現(xiàn)管徑更細(xì)為Ø 16mm(T5)和Ø 11mm(T3)的節(jié)能細(xì)管徑熒光燈,這時(shí)它們的最佳管壁溫度更高,發(fā)光效率可達(dá)到104lm / w的水平,這種熒光燈必須配備優(yōu)質(zhì)電子鎮(zhèn)流器工作.
       為了便于裝飾和美化,對(duì)細(xì)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(lǐng)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以上的白熾燈,也已有85 w和125 w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(dá)到0.98,諧波失真總量小于10%,燈的壽命提高到10 000h,亦有調(diào)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.
       (2)冷陰極超細(xì)管徑熒光燈的誕生
       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(jī)、數(shù)碼像機(jī)、攝像機(jī)等中的應(yīng)用與日俱增,高亮度的冷陰極超細(xì)管徑熒光燈為此應(yīng)運(yùn)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(dòng)電壓下形成輝光放電使燈管工作.
       (3)無極熒光燈的發(fā)展
       隨著電子學(xué)技術(shù)的發(fā)展,近年來實(shí)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60 000h,工作頻率2.65MHz;美國Genura型無極熒光燈,功率23w,光效48lm / w,壽命10 000h,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40 000h,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60 000h,工作頻率為250 KHz.
     3． HID光源的成熟和進(jìn)步
       (1)HID光源趨向成熟
       適用于大面積范圍和室外照明的高強(qiáng)度氣體放電光源(HID)其燈內(nèi)工作壓強(qiáng)往往超過10個(gè)大氣壓強(qiáng),其中高壓汞燈的光效可達(dá)50lm / w,顯色指數(shù)超過65,色溫4 000 k ~ 6 000k,壽命也達(dá)到約10 000h,功率規(guī)格形成35w ~ 3 500w系列化.高壓鈉燈發(fā)光效率達(dá)到120lm / w,顯色指數(shù)為25,壽命達(dá)到24 000h,規(guī)格有30w ~ 1 000w,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8 000h.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(diǎn),隨著近年來等離子體模型理論和診斷技術(shù)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(Hybrid models)也得到應(yīng)用.至今氣體放電等離子體診斷技術(shù)還是以光譜診斷為主.用模型和診斷技術(shù)來指導(dǎo)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(yīng)用到室內(nèi)照明和汽車前照燈.
       (2)陶瓷金屬鹵化物燈的進(jìn)展
       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(nèi)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(shè)計(jì).現(xiàn)有35w,70w和150w三種產(chǎn)品,結(jié)構(gòu)為單端型,雙端型及反射型,光效達(dá)到90lm / w,亮度290cd / m2,顯色指數(shù)為83,有效壽命達(dá)12 000h.另外,美國GE公司最近又推出用三部體結(jié)構(gòu)工藝制造的300w大功率陶瓷外殼金屬鹵化物燈,其應(yīng)用范圍將會(huì)有進(jìn)一步擴(kuò)大.  
    
              二、新穎電光源產(chǎn)品層出不窮
       1.準(zhǔn)分子光源(ELS)的出現(xiàn)
       在光源輻射機(jī)理研究中,近年來采用準(zhǔn)分子(Excimer)工作物質(zhì),如KrF、ArP、NeF和XeCl等,來制造高功率的紫外光源.同時(shí),通過微波放電和介質(zhì)阻擋放電(Dielectric Barrier Discharge)等無極放電形式可制成新型的準(zhǔn)分子輻射光源,其工作物質(zhì)可為Xe2(172nm),Kr2(146nm)和Ar2(126nm),其中Xe2準(zhǔn)分子光源的效率最高,光能轉(zhuǎn)換效率達(dá)50%以上.現(xiàn)已制成58×68cm2的60WX2準(zhǔn)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(hù)角度更有吸引力.目前已有能將172nm高效轉(zhuǎn)換成可見光的熒光粉產(chǎn)品,并制成有實(shí)用價(jià)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(yīng)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,更加上它的無有害物質(zhì),不會(huì)造成污染的優(yōu)越性等特點(diǎn),可以予言,準(zhǔn)分子光源前途無量.
       2.超高壓汞燈(UHP)的開發(fā)成功
       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(guān)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(shí),汞蒸氣壓可達(dá)200個(gè)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(fù)合光譜也更強(qiáng),特別是595nm以上的紅光輻射隨燈內(nèi)工作壓強(qiáng)的升高而增強(qiáng),從而使燈的顯色性提高.由于該燈放電時(shí)電極處于極高的溫度,會(huì)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(duì)燈內(nèi)充入微量氧一鹵素,有效清潔泡殼,使燈的壽命達(dá)12 000h.
       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(dá)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(dá)10 000h以上,功率為200w,配備于投影儀產(chǎn)品,重量?jī)H4kg,體積不到2升,便于攜帶,其屏幕照度超過1 100lm,能夠達(dá)到明亮的XGA顯示水平.
       3.微波光源的崛起
       1992年國際電光源科技界提出了微波硫燈的新技術(shù),發(fā)現(xiàn)充填硫元素和低壓氬氣于石英泡殼內(nèi),在頻率為2 450MHz微波能量的驅(qū)動(dòng)下,通過硫分子的振動(dòng)能和轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)功率為3 400w微波硫燈照明系統(tǒng).燈內(nèi)有一個(gè)直徑為28mm的石英球泡,工作時(shí)該石英泡內(nèi)由10個(gè)大氣壓強(qiáng)的硫蒸汽的分子輻射產(chǎn)生亮度非常強(qiáng)的白光,其光效為120lm · / 微波w,色溫為6 500k,顯色指數(shù)為86.1995年,美國又開始出售solar — 1 000和Light Drive — 1 000兩種規(guī)格的微波硫燈.通過耦合到硫燈的功率密度從250w / cm3降到30 w / 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(nèi)調(diào)光,壽命60 000h,可任意方向燃點(diǎn).
       微波硫燈還可以利用導(dǎo)光管技術(shù),將該燈發(fā)出的強(qiáng)光沿著導(dǎo)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(zhì)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)100 w以下的小功率微波硫燈,通過應(yīng)用葉片式諧振器的微波源,可將 2 450MHz的微波能量集中在一個(gè)很小的空間,從而使充有InBr和Ar的內(nèi)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(shù)指標(biāo)接近國際同類產(chǎn)品水平.
       4.固體光源開始進(jìn)入光源領(lǐng)域
       近30年來,作為固體光源的半導(dǎo)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10倍,近幾年又突破單一顏色的局限性向白色光照明邁進(jìn).
       LED光源能在幾伏的低直流電壓下工作,光的轉(zhuǎn)換效率十分高,發(fā)光面很小,其發(fā)光顏色的色彩效果遠(yuǎn)超過彩色白熾燈,壽命達(dá)到100 000h.經(jīng)過10多年的發(fā)展,光效已超過每瓦40lm,實(shí)驗(yàn)室已開發(fā)出100lm / w的產(chǎn)品.近年來,隨著藍(lán)色發(fā)光二級(jí)管性能的突破性進(jìn)展,發(fā)白光的發(fā)光二級(jí)管實(shí)用化,各大公司正在組成點(diǎn)狀、帶狀和平板型LED產(chǎn)品推向市場(chǎng).目前獲得白色光源有兩種途徑,一種是藍(lán)、綠、紅色LED組合成白光,另一種是用藍(lán)色LED和黃色熒光發(fā)光體合成.
       現(xiàn)在人們已提出LED照明將是半導(dǎo)體的又一次革命的實(shí)現(xiàn),可以予言LED光源的效率于2005年將達(dá)到50lm / w;2010 ~ 2015年其轉(zhuǎn)換率為50%,光效將達(dá)到150 lm / w ~ 200lm / w;2020 ~ 2025年轉(zhuǎn)換率達(dá)到75%,相當(dāng)于光效300lm / w.但是即使實(shí)現(xiàn)高效率,單個(gè)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(shù).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(shí)現(xiàn).以上問題若能解決,那么21世紀(jì)可能會(huì)成為固體光源的時(shí)代,特別是同綠色能源——太陽能電池結(jié)合,它將成為一種理想的環(huán)保照明系統(tǒng).