现代光源发展趋势

1、现 代 光 源 发 展 趋 势.、八、-刖言1989年白炽灯的创造公认为人类现代文明社会起始的里程碑，人类开展史本身也证实了光源和照明是与人们生存和开展不可分割的一门科技学科。在一个多世纪的岁月里，现代光源科技的开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根底，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，电光源的开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开展加以剖折和展望，希望能有益于更好地认识国内外电光源科技开展的现状和动态，能对我国实现从光源生产的第

2、一大国向 光源科技的强国跨越性开展过程中起到有所裨益的作用。一、传统光源的开展和改良一热辐射光源的改良和完善1. 白炽灯的改良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，2021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TiO2Ag-TiO2或ZnS-Ag-ZnS的红外反射膜，能使灯的光效提高 50%或者在

3、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. 卤钨灯的开展1959年在卤钨循环原理根底上制造出了卤钨灯，它的体积小，光维持率达 到95%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

4、钨灯主要技术参数见表1所示。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%，制造和运输本钱也能降低。假设进一步配用工 作在40KHZ60KH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良型 T8荧光灯。近几年来，又出现 管

5、径更细为？16m(T5)和11mm(T3)的节能细管径荧光灯，这时它们的最正确 管壁温度更高，发光效率可到达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67倍的紧凑型荧光灯，特别是配有电子镇流器的产品，功率因素到达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%工 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

6、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1.8mm3.0mm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. 无极荧光灯的开展随着电子学技术的开展，近年来实用型无极荧光灯开展很快，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Eve

7、r 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到达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4000k6000k,寿命也到达约

8、10000h,功率规格形成35w3500w系列化。高 压钠灯发光效率到达120lm/w，显色指数为25,寿命到达24000h，规格有 30w1000w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Ra80的优点，其中 35w150w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

9、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，光效到达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 Dielec

10、tricBarrierDischarge 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58X68cm2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

11、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

12、种规格的微波硫灯。主要 参数为：功率1378w输出光通量1322881m,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 2021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公司是典型的开展代表。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

13、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开展到可以和 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，假设进一步完善它的特性和降低本钱，定会成为人们欢送的 高效节能光源。

14、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开展的产物，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开展见图5所示。近年来LED的光效 得到极大的提高。PHILIPSLUMILED公司的产品在350毫安电流下，发光效率已 达115L m/W 2021年CREE公司市场上出售的1瓦白光LED产品的光效到达 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 率普遍到达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

15、LED在照明领域的开展潜力很大，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沪品应用在移动设备中，14%在显示应用，15%在汽车照明，2尬信 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，要改良和提高LED的制造工艺 和技术性能

16、，目前LED的转换效率欠佳，仅约20%电能是转换成光，而80%勺电 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良来提高 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适宜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开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，再那么，LED照明光源的测试和产品标准