【特约专稿】《2013中国科协全国学会发展报告》解读序篇(一)

时间:2014-5-28 来源:中国照明网 作者:【特约专家】刘木清 有122673人阅读

  一、LED的应用

  LED的特点决定了它除了视觉用途外,还有很多其他的应用,即非视觉应用。目前所知的主要包括农业、医疗等领域,若把光在这些领域的应用称作广义的照明学科,那照明学科的内涵将获得极大的发展。

  1、LED 在农业上的应用

  LED在农业上的应用主要用于植物的补光,而植物生长则依靠太阳光的光合作用。生物学统计表明,大部分植物为绿色植物,其中都含有叶绿素a与叶绿素b,而叶绿素a与叶绿素b对光谱是选择性吸收的。含有叶绿素a与叶绿素b的植物,对绿光的吸收是很少的,其主要的吸收峰分别在650nm与440nm附近,且叶绿素a与叶绿素b吸收峰不同但比较接近。因此,可以认为植物的生长主要是依靠这些光谱进行光合作用。进一步的研究也表明,不同的植物对不同波长光的吸收与光合作用也不一样,这个从不同的植物有不同的颜色(即反射太阳光部分)也可以理解。

  由于LED具有很大的光谱灵活性,因此我们可以针对不同的植物选择合适的光谱进行照射,可以想象,这样的植物补光将具有比传统光源更大的效率优势。在这种LED应用中,建立不同植物的光谱光合作用效率曲线是提高效率的基础。因此,与目前的视觉科学对应,是否将产生植物光合作用科学?

  LED在农业上的应用还包括杀虫,抗菌等。如一些特定的光谱对某些虫类、菌类有抑制作用,那么研究这种抑制作用一样具有很大的意义,而这将诞生另一类照明科学研究。

  此外,LED在动物养殖上也有很大的用途。其主要应用是为动物营造一个优选的照明光环境问题,这也是照明科学有待研究的课题。

  2、LED在医疗上的应用

  LED在医疗上的应用主要包括光治疗与康复、保健等。

  光照疗法(light therapy)的原理是:特定波长的单色光具有影响细胞生物学行为的能力,且无明显的损伤作用。长期以来,激光作为照射光源,由于其体积大、价格昂贵,无法照射大面积的伤口等问题使得激光在医疗上的应用受到限制。

  与激光相比,LED光源体积小、价格相对便宜且具有各种光谱,还可采用多个LED排成阵列应用于大面积伤口照射,同时通过选用不同波长的LED可实现光治疗的波长优选,加上LED的高效率,使得LED在光治疗上有很大的应用潜力,LED在医疗保健与康复上的应用也基于同样的原理。

  在这些LED医疗应用中,同样存在LED光照的优选问题,即针对某一种治疗,哪一类光谱最合适?怎样的强度,怎样的照射方式(脉冲方式/稳态方式)最合适?照射周期怎样最好?这些都是广义的照明学科范畴,值得科学研究的。

  LED在医疗上的应用与农业略有不同。在医疗应用中,由于人体内具有各种组织,那么LED光源不仅要考虑对某些组织生长的促进作用,还要考虑对其他多种组织的破坏作用。因此,LED在医学上的研究将复杂的多。

  随着LED技术的发展,除上述之外,LED还将诞生出各种应用,而这些应用的研究,也将极大的丰富照明学科的研究内涵。

  值得一提的是,LED与通信技术结合产生的LED可见光通信技术,将有很大的应用前景。但是,在LED通信中,LED只是一个载体。因此,尽管未来这是与照明相关的一个交叉学科,但是,严格的说,这个不属于照明学科的范畴,而是通信学科的一部分。

  二、LED改变照明学科的重心

  照明学科是以光度学、色度学为学科基础的,其中光度学是由科学家朗伯(Lambert)在1760年创立;而色度学则经历过比较漫长的过程,从CIE1931、 CIE1964、CIE1976多次对CIE色度系统进行修正才完善;1974年,显色性的评价指数基本确定下来。在此之后的近四十年里,照明学科本身没有大的发展。究其原因,作为照明的物质基础的光源,包括热辐射光源、气体放电光源在光谱等基本形态上没有大的变化,而以光度学、色度学为基础的照明学科又能基本上满足采用这些光源的照明实践需要。

  20世纪80年代,国外厂家首先发明了紧凑型荧光灯。之后近十年里各国都投身在其光效、显色性、寿命研究中,并取得了较大进展,以至于CFL成为目前室内照明的最主要光源。而作为60年代的HID光源,一直是光源研究的热点,并在灯具光效、显色性、寿命等方面为此,该领域诞生了照明领域另一个重要的国际会议及其组织,即LS:XX会议及FAST-LS,并使LS会议成为照明领域除CIE之外的最重要国际会议。

  一直以来,照明学科的重心是作为照明的物质基础的光源,而不是照明本身,LED的出现将改变这种局面。

  近年来,LED技术快速发展,其中最重要的指标之一—光效已从十年前的10lm/W左右提高到目前的市售产品的130lm/W,而实验室的样品已达到300lm/W以上,而价格也很亲民。同时由于LED器件的寿命、可靠性等都有了很大的提高,使得LED在尺度空间、光谱空间、时间空间的无限灵活性正凸显出优势。目前LED在信号、显示等领域已经成为主流的光源;在视觉照明领域(室内、室外等),占据着领导地位;在农业、医疗、通信等领域,近年来也在快速增长中。

  在以上LED应用前景中,都是基于LED三个无限灵活性。然而,目前LED的发展未能完全实现LED的这种灵活性,特别是LED光谱的无限灵活性。一般来说,LED的光谱半宽度为20~30nm,且可通过改变LED材料的掺杂实现可见光范围的大部分光谱,由于可实现的各个中心波长的LED光电效率不同,特别是绿光LED的效率很低,目前商业产品仍然低于20%。因此,提高绿光LED的光电效率将是实现LED真正的光谱无限灵活性的必要条件。在LED绿光的效率尚未获得较大发展之前,研究提高绿光LED的光电效率将是照明学科的一个研究重点。

?

  三、 LED视觉科学内容需要完善与补充

  如前文所说,广义的照明学科实际上包括视觉科学与非视觉科学部分。LED的灵活性决定了它广泛的应用前景,并拓展了照明学科中的非视觉部分;另一方面,LED也将促使照明学科中的视觉科学部分进一步完善与修正。例如:

  1、脉冲光的视觉照明学科问题

  光度学、色度学都是建立在传统光源基础上,由于传统光源包括光度学建立时的蜡烛等非电光源及色度学建立时的热辐射光源与气体放电光源等,都是基本稳定的,我们姑且称之为稳态光源。而LED由于开关时间短,且在调光使用时采用PWM的调光方式,开关非常方便,相当于LED在非稳态的情况下工作。那么,直接的问题是,建立在稳态光条件下的照明科学(视觉科学)是否适合于非稳态下的照明?目前对此尚无定论。如果最后研究发现脉冲光下相关视觉照明具有不一样的现象,那么至少应该诞生“脉冲光度学”,“脉冲色度学”。

  2、光源显色性的评价方法

  对光源的显色性被普遍接受的评价方式是显色指数。按照显色指数的物理意义:光源照射下产生物体本来颜色的能力,所谓的物体本来颜色即指太阳光照射下或者标准黑体照射下的颜色。在进行定量计算时,用14块标准色板,计算标准光源与被测光源分别照射下的颜色差异以获得显色指数。

  在LED之前,主要的电光源有白炽灯、荧光灯、高压钠灯、金卤灯等。尽管可以通过改变灯内填充成分适当地改变光谱,但是总体上光谱形式是有限的。因此,计算显色指数的经验公式符合这几种光源就行。然而,LED的出现,将使这种近似表征出现问题。由于LED光谱的灵活性,可通过多个LED器件组装出任何光谱,与此同时光源的流明光效也一定程度降低。如果人类有一天可以接受适当的降低效率,那么,建立一个“类标准灯指数”或者“类太阳光谱指数”可能是最好的表征显色性的方法。

  3、视觉照明应用中评价指标的再审视

  照明学科的发展是基于其物质基础光源的,而可获得的光源的特性决定了照明评价的标准。例如,高压钠灯的显色指数是20左右,在传统光源的光效中较为不错,而道路等室外照明要求相对较低,因此,我们自然接受了道路照明显色指数很低的事实。同时LED在尺度空间、光谱空间、时间空间的无限灵活性,可以说“一切皆有可能”,那么,未来我们是否能接受显色指数低的道路照明标准?

  目前,得益于白光LED主流的兰光+黄光荧光粉的技术路线,使得LED显色指数达到70以上,未来道路照明的显色指数达到70以上是迟早的事。但是,随着绿光LED效率的大幅度提高,RGB白光方式(可进一步引申为多光谱混色)理论上将成就LED的更大效率及调光谱、调色的无限可能,因而未来的白光技术路线将转向RGB方式。届时,显色指数与效率这一对矛盾的折中将在道路照明的显色性指标上形成争论,即多高的显色指数是合适的?相信不会是20,也不会是70。

  由于LED的高度灵活性, 因而在未来的很多视觉照明评价指标上,需要照明学科的新的研究与探索。

?

编辑:Cedar

加入学会

申请高级会员[表格下载]

请下载(高级会员申请表)进行书面填写后寄学会办公室或组委会审核。

申请团体会员[表格下载]

请下载(团体会员申请表)进行书面填写后寄学会办公室或组委会审核。

申请个人会员[表格下载]

请下载(个人会员申请表)进行书面填写后寄学会办公室或组委会审核。

申请学生会员[表格下载]

请下载(学生会员登记表)进行书面填写后寄学会办公室或组委会审核。