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人造光源的演变过程

时间:2023-11-08 16:52:26 作者:博纳德 点击:

起初,太阳是地球及其居民的唯一光源。后来,我们的祖先发现了如何控制火,人类从此开始使用火光源。直到蜡烛和油灯被开发出来,仅利用火来照明。在 18世纪 和 19世纪开始流行煤气灯和煤油灯 。

一、电灯

19 世纪末电灯的兴起,尤其是白炽灯泡,灯泡本质上是通过高电阻灯丝传输电流,从而使其加热至 3000 ℃。因此,只有一小部分(百分之几)的电能转化为光,其余的则作为不需要的热量消散。此外,还发射出许多人类看不见的辐射;因此,白炽灯泡的发光效率(衡量光源产生可见辐射的程度)被限制为17 lumen/W。

此外,恶劣的工作条件(真空、高温)使白炽灯泡变得敏感,并限制了其工作寿命(通常可达1000小时)。另一方面,白炽灯发出的辐射类似于太阳的辐射,本质上只是一个距离我们约 1.5 亿公里的非常热的球体。

太阳是处于热平衡的热非反射体,根据黑体辐射物理学发光。仅观察发射光的光谱,太阳和白炽灯泡之间的差异只能归因于它们的温度不同。这就是为什么白炽灯泡发出的光对我们来说看起来很自然。下图包括白炽灯泡在光谱可见部分的典型平滑光谱。

二、霓虹灯和荧光灯

霓虹灯和荧光灯被发明是基于放电触发的气体管中的原子跃迁,这些光源被证明比白炽灯泡更节能(发光效率高达 60 lumen/W),甚至更耐用(工作寿命延长 15 倍)。在管中添加荧光材料可以吸收产生的紫外线并发射更长的波长,从而产生白光源。这项技术可以制作用于商业目的的大型标牌,并在20世纪得到广泛应用 。

它的主要缺点,除了灯的脆弱性和它们可能含有有害元素之外,还在于它们的发射光谱在与原子跃迁相关的波长中包含几个离散的尖峰(取决于确切的气体混合物),因此不平滑且不平滑、连续的,如下图所示。这就是为什么这些光源对我们的眼睛来说看起来不太自然。

三、LED

LED 是基于发光二极管(因此缩写为 LED)的半导体光源。基本上,LED 因电流流过而发光;电子穿过两种半导体材料的结,与电子空穴复合并释放光子,其能量由二极管的带隙设定。LED于20世纪60年代开始在电子设备中流行,但一开始它们仅发出人眼看不见的红外区域的光。

后来,红色LED被发明,主要用作电子设备中的指示器。经过 30 多年的时间,科学突破使这项技术能够用于普通照明用途,特别是高亮度蓝色 LED 的发明,它依赖于使用新材料开发先进的制造工艺。借助强大的蓝色 LED 光源,可以使用与荧光灯类似的概念来创建白光源 - 通过添加吸收蓝光并发射更长波长光的材料,创建适合照明的白光源。

不同类型光源的光谱

如今 LED 的发光效率高达 300 lumen/W,并且使用寿命长,是高效白炽灯泡的 18 倍。此外,许多 LED 可以与适当的电子和光学器件组装在一起,形成 LED 灯具,可以照亮从小房间到巨型体育场的一切。此外,LED 的预热时间短,可以轻松调暗,更耐冲击,并且对快速开/关周期不太敏感。

LED 照明缺点:

① 白光 LED 光谱中含有比白炽灯更多的紫外线,可能会对眼睛和皮肤造成更多风险。

② 与荧光灯或霓虹灯相比,LED 的白光光谱看起来更自然,但它通常包含 405 或 450 nm(紫色或蓝色)附近的峰值,无法与平滑的白炽灯泡光谱竞争。效应如图所示。

③ LED 可能会闪烁,即及时快速改变其亮度,这在某些情况下会影响我们的大脑,具体取决于这种现象的频率和强度。

由于白炽灯泡在一个多世纪以来一直被认为是标准照明器,并且由于其发出的自然光,研究人员开发了各种指标和标准,以便量化其他照明技术与自然光相比发出的光。其中几个重要的指标包括:

① 相关色温:估计最接近非白炽光源的黑体辐射温度

② 显色指数:衡量光源与理想光源相比显示给定照明物体颜色的能力

③ TM-30-18:这是评估光源保真度和饱和度水平的高级标准,还包括结果的图形表示

④ 闪烁指数和闪烁百分比:分别测量高于平均光水平的波形部分和最大波形幅度变化。