LED對照明學科的深遠影響

劉木清

(復旦大學電光源研究所，先進照明技術教育部工程研究中心，上海 200433)

引言

人類的生活離不開光，光照射物體，使人類通過眼睛的感光細胞以感知世界，這就是照明的概念。光度學、色度學是照明學科的基礎[1]，分別闡明了照明中的基本物理量，包括光通量、照度、亮度等光度量及色度坐標、色溫、顯色指數等色度量。照明學科建立后，一直被用于指導人類的照明實踐，即照明工程。

照明的物質基礎是光源，人類每天近一半的時間生活在太陽光下，這是自然光源。但茫茫的深夜，人類需要人造光源進行照明。人造光源經歷了從燃燒木頭、油脂、煤氣而產生光的漫長階段，到1879年愛迪生發明白熾燈，人造光源從此進入電光源時代，實現了質的飛躍。現有的電光源包括以白熾燈、鹵鎢燈為代表的熱輻射光源以及以熒光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈、金鹵燈等為代表的氣體放電光源。以LED為代表的固態照明是近年來照明學科快速發展的技術。

照明學科中的光度學發展并基本完善于1760年左右，科學家朗伯(Lambert)對此作出過主要貢獻。那個時候，由于人類尚未進入電光源時代，因而光度學中是留有那個時代印記的，比如燭光(candela)。色度學是在20世紀30年代初步建立，之后70年代完善的[2]。 實踐證明，光度學、色度學適合于自然光源、人造光源，包括熱輻射、氣體放電光源等傳統電光源的照明[3]。

近年來，隨著LED等固態照明技術的進步，LED已經在人類的視覺領域獲得很多應用，包括顯示與普通照明，同時也有很多非人類視覺領域的應用[4]。如果我們把照明學科定義為“研究光源的直接應用的科學與技術”的學科的話，那么光源的視覺應用與非視覺應用都將是照明學科的研究范疇，可以把光源的視覺應用稱作視覺照明學科(illumination science)，或者狹義的照明學科，而把包含視覺應用與非視覺應用的稱作廣義的照明學科(lighting science)。

本文探討隨著LED技術的進步及在各種領域應用的不斷拓展，將對照明學科產生的深遠影響。

1 LED的技術優勢

作為一種新光源， LED發光原理上區別于傳統光源。與熱輻射光源依靠材料高溫產生熱輻射、氣體放電光源依靠氣態等離子體發光不同， LED是通過電注入，把電子和空穴從相反的方向注入到特定發光區域，即發光層，并在發光層復合發光[5]。這種全新的發光原理決定了LED具有如下特點：

1.1 體積小

LED可以做的很小，目前0.5mm×0.5mm是很容易做到的。由于體積小，在立體空間這個概念LED有望滿足任何要求。幾乎可以這樣說，在立體空間里，LED是一個基本的元素，用這個元素可以拼湊出任何形狀的發光體。例如，如果需要用6個LED拼湊出一個完整的發光體的話，那么我們可以實現如圖1所示的多種形狀可能，這還僅是平面的，還有立體三維的情況。

圖1 用6個LED設計平面光源的幾種可能Fig.1 Four designs of lights made of 6 LEDs

LED體積小的另外的一個優勢是：由于LED體積小，發光點更小。這在光學設計上幾乎可以理解為點光源，而點光源的二次光學設計是很方便的。因此，這就決定了LED幾乎可以滿足任何的配光要求。圖2是LED加自由曲面光學透鏡實現特種圖案光斑。

圖2 LED加自由曲面透鏡實現特種圖案光斑Fig.2 Special light pattern by freeform lens

1.2 光譜窄

從LED發光原理上說，LED本質上是發射單色光譜的，但由于光譜展寬而有一定的寬度，一般為20nm～30nm。目前已經具備了各種波段的單色LED，如圖3所示。

圖3 各種單色LED的光譜Fig.3 Spectral power distributions of LEDs

由于LED的單色性，因此，在光譜這個空間，采用多個LED幾乎可以組合出任何需要的光譜形狀，且這種組合是沒有效率損失的。也就是說，LED在光譜這個一維空間，具備了作為一個基本元素的概念，以無限的可能實現各種需求。交通信號燈、RGB方式的背光源是LED典型的應用。

1.3 LED開關時間短

LED的開關時間是ns數量級。因此，這相當于在時間這個空間，LED具備了作為照明的基本元素的功能。也就是說，在時間刻度上，LED是任意的。這在生物(包括人類、植物、動物)的光介入中，會有很多應用。

以上分析了LED體積小、光譜純、開關時間短的特點，這些是LED區別于傳統光源的最大特點。正是這些特點，造就了LED無限的應用可能及未來作為主流光源的可能性。如果用LED的這三個無限靈活性畫成一個三維空間，如圖4所示， 那么現實中的絕大多數照明應用應該都能在這個空間找到相應的位置。

圖4 LED三大特點的無限可能性Fig.4 Flexibility based on LED characteristics

但是，LED的這種無限應用可能性要變為現實的主流應用需要多個條件，包括與現有光源相比較高的光效、較低的價格。目前市場上已經很容易買到光效120lm/W的LED，高出絕大多數的傳統光源，且部分LED燈具價格已經接近傳統光源燈具的價格。同時，隨著技術的進步LED的光效還在進一步提升， 價格也在快速的下降。因此，LED成為主流光源已經可以預見。由于LED的高度靈活性，LED必將對以光源為物質基礎的照明學科產生深遠的影響[6]。

2 LED拓展照明學科的內涵

應該說，傳統光源的限制，使得傳統照明學科主要是研究視覺照明的，因為光源的主要用途是幫助人眼看清世界，盡管也有少量的其它用途，但是相比視覺應用，那是小很多的。因此，傳統照明學科實際上就是視覺照明的學科，其中的色度學主要理論都是通過國際照明委員會(CIE)發布并確定下來的，因此，CIE在此領域是世界的權威，壟斷了該領域的發言權。

但是， 如前文所述，LED的特點決定了它除了做視覺用途外，還有很多不是視覺用途的應用，即非視覺應用。目前所知的非視覺應用主要包括農業、醫療等。如果把光在這些領域的應用都歸于廣義的照明學科的話，那照明學科的內涵將獲得極大的擴展。

2.1 LED 在農業上的應用

LED在農業上的應用包括LED用于植物的補光[7]。植物生長依靠太陽光的光合作用，生物學統計表明：大部分植物為綠色植物，其中都含有葉綠素a與葉綠素b。而葉綠素a與葉綠素b對光譜是選擇性吸收的[8]，如圖5所示。

圖5 葉綠素a與葉綠素b對光譜的選擇性吸收Fig.5 Light abstraction of chlorophyll a/b

由圖5可見，含有葉綠素a與葉綠素b的植物，對綠光的吸收是很少的，綠光被大部分反射，因而植物看起來是綠色的。其主要的吸收峰分別是650nm與440nm附近的兩個峰，且葉綠素a與葉綠素b吸收峰不同但比較接近。因此，可以認為植物的生長主要是依靠這些被吸收的光譜進行光合作用。進一步的研究表明，不同的植物對不同波長光的吸收與光合作用是不一樣的，因而不同的植物有不同的顏色(即反射太陽光部分)也可以理解。

由于LED具有很大的光譜靈活性，那么我們就可以針對不同的植物選擇合適的光譜對植物進行照射，可以想象，這樣的植物補光將具有比傳統的光源很大的效率優勢[9]。在這種LED應用中，建立不同的植物的光譜光合作用效率曲線是提高效率的基礎，這個跟人眼視見函數曲線是一個概念，只是用途不同而已。因此，與目前的視覺科學對應，是否將產生植物光合作用科學？

LED在農業上的應用還包括很多方面，如殺蟲、抗菌等。一些特定的光譜對某些蟲類、菌類有抑制作用，那么研究這種抑制作用就具有很大的意義。而這將誕生另一類照明科學研究。

LED在動物養殖上也具有很大的用途。目前LED用于動物養殖的研究，包括養雞、養魚等[10]。在這些應用中，光照用于給動物營造一個光亮環境，這點跟人類的光環境類似。但是，不同的光環境是否對不同的動物有不同的生長促進作用？如果是這樣，那么由于LED在制造光環境上的無限靈活性，對不同的物種可能就存在一個優選的照明光環境問題。這將也是照明科學有待研究的課題。

2.2 LED在醫療上的應用

LED在醫療上的應用包括光治療、康復、保健等。

光照療法(light therapy)的原理是：特定波長的單色光具有影響細胞生物學行為的能力，同時沒有明顯的損傷作用。長期以來一直采用激光做為照射光源，然而由于其體積大、價格昂貴，僅能發射出一小光點無法照射大面積的傷口，同時除昂貴的可調諧激光外一般激光器具有的波長值有限，因而不能實現照射光波長的優選，且激光器是一種能量效率很低的光源，這些問題使得激光在醫療上的應用受到限制[11]。

與激光器相比，LED光源體積小、價格相對便宜，且具有各種光譜，因而采用多個LED可排成陣列可應用于大面積傷口照射，同時通過選用不同波長的LED可實現光治療的波長優選，加上LED的光效率，使得LED在光治療上有很大的應用潛力[12]。LED在醫療保健與康復上的應用也基于同樣的道理。

在以上的這些LED醫療應用中，同樣存在一個LED光照的優選問題，即針對某一種治療，哪一類光譜最合適？怎樣的強度，怎樣的照射方式(如脈沖方式還是穩態方式)最合適？照射周期怎樣最好？這些都是值得科學研究的，都是廣義的照明學科范疇[13]。

LED在醫療上的應用有一點與農業上的應用不同。在農業應用上，光照可以選擇性的針對一種或幾種對象進行。只要考慮一種正效應，或者一種正效應加上一種或少數幾種負效應，如抑制某類植物的生長。但是，在醫療應用中，由于人類的體內具有各種組織，那么LED光照不只要考慮對某些組織生長的促進作用， 還要考慮對其他多種組織的破壞作用。因此， LED應用在醫學上的學科研究將復雜得多。如果把這個都歸入照明學科的話， 那么照明學科的這一部分將是漫長的研究過程，將產生一系列的照明學科分支[14]。

隨著LED技術的發展，除以上應用之外，LED還會在很多領域誕生出各種應用。這些應用的研究，也將極大的豐富照明學科的研究內涵。

值得一提的是， LED與通信技術結合產生的LED可見光通信技術，具有很大的應用前景。隨著電子技術的發展，無線通信成為通信的主要技術。但是，無線通信是需要分配頻道的，因而頻道也就越來越緊張。而采用LED快速開關的特點，當開關的頻率高于人眼的閃爍識別頻率時， 可以通過快速地開關LED實現信號的傳輸，這即為LED可見光通信技術[15]。隨著LED技術的發展，LED作為普通照明的主流光源指日可待。因此，加載于LED照明上的LED通信將是一種廉價同時安全可靠的通信手段。但是，需要特別說明的是， 在LED通信中，LED只是一個載體[16]。因此，盡管未來這是與照明相關的一個交叉學科，但是，嚴格的說，這個不屬于照明學科的一個部分，而是通信學科的一部分。

3 LED改變照明學科的重心

照明學科是以光度學、色度學為學科基礎的。其中的光度學由科學家朗伯(Lambert)在1760年創立，而色度學經歷過比較漫長的完善過程，從CIE1931， CIE1964，CIE1976多次對CIE色度系統進行修正，而對顯色性的評價指數一樣經歷過漫長的過程，直到1974年才基本確定下來。但是，在此之后至今的近四十年時間， 照明學科本身沒有大的進展。這主要是因為：作為照明的物質基礎即光源，包括熱輻射光源、氣體放電光源等，由于其發光原理基本確立，且在光譜等基本形態上沒有大的變化，因而以光度學、色度學為基礎的照明學科基本上能滿足采用這些光源的照明實踐的需要。但是，這段時間里，光源技術卻一直在進步，盡管這種進步是緩慢的。其主要亮點在于提高光源的光效、壽命、顯色性等。具體的研究是尋找新的發光物質或新的光源激發源[17]。緊湊型熒光燈是這段時間非常重要的發明，其研究起于20世紀80年代，之后的近十年期間的研究使其光效、顯色性特別是壽命獲得很大的進展，以致CFL成為目前為止室內照明的最主要光源。開始于20世紀60年代的HID光源，直到21世紀初一直是光源研究的熱點，并在燈具光效、顯色性、壽命等方面獲得很多進展[18]。該領域的研究也誕生了照明領域的另一個重要的國際會議及其組織，即LS:XX會議及FAST-LS，并使LS會議成為照明領域除CIE之外的最重要國際會議。

因此，近40年來，照明學科的重心一直是照明的物質基礎——光源，而不是照明本身。但是，LED的出現將改變這種局面。

近年來， 美國、日本、歐洲、韓國及中國(包括中國臺灣地區)等，都在政府的支持下投入對LED的研究，并使LED技術獲得很大的發展[19],其中LED的光效已從十年前的10lm/W左右提高到目前的市售產品的130lm/W，而實驗室的樣品已達到300lm/W以上，而價格也下降到市場基本可以接受的程度。同時由于LED器件的壽命、可靠性等都有了很大的提高，因而LED在尺度空間、光譜空間與時間空間的無限靈活性正越來越顯示出其優勢。目前LED在信號、顯示等領域(包括顯示應用的背光源)，已經成為主流的光源。而在視覺照明領域，包括室內、室外等照明領域，LED已經獲得越來越多的市場占有率，而這些本來都是傳統光源的主要應用領域。在農業、醫療、通信等領域，近年來也快速增長[20]。這些都是因為LED在尺度空間、時間空間、光譜空間的三個無限靈活性所致。但是，也正因為這三個無限靈活性，LED在所有的這些應用中，多數情況將存在一個最優解的問題。而這個問題是需要學術上進行研究的。因此，LED在視覺與非視覺領域應用的深度與廣度的不斷拓展， 給予了照明學科很大的發展機會。這些都是照明學科本身，而非照明的物質基礎——光源。

以上討論LED未來的無限應用前景時，都是基于LED的三個無限靈活性。但是，LED目前的發展并未能完全實現LED的這種靈活性，特別是LED的光譜無限靈活性。目前LED的光譜半寬度為20～30nm，且通過改變LED材料的摻雜可以實現可見光范圍的大部分光譜[21]。目前可實現的各個中心波長的LED的光電效率是不同的[22]，特別是綠光LED的效率很低[23]。

注：(1) InGaN 薄膜倒裝芯片 LED, 350mA; (2)InGaN 垂直芯片 LED, 1000mA; (3) InGaN 普通芯片 LED;(4)AlGaInP倒裝芯片 LED, 飛利浦Lumileds 照明公司, 350mA圖6 各材料體系LED的外量子效率Fig.6 External quantum efficiency of LEDs

圖6是2007年Krames等繪制的外量子效率圖，盡管近年來LED的效率有了很大的提高，但是綠光部分的LED的效率依然很低，目前商業產品仍然低于20%。 因此，以現在的LED單色器件去實現LED光譜的無限靈活性，即由多個單色LED去組裝實現各種光譜時，如果其中含有綠色LED，則組裝出的光譜效率將較低，以致實用意義將大打折扣。因此，提高綠光LED的光電效率將是實現LED真正的光譜無限靈活性的必要條件。在LED綠光的效率尚未獲得較大的提高之前，研究提高綠光LED的光電效率將是照明學科的一個研究重點[25]。

4 LED使視覺科學內容需要完善與補充

如前文所說，廣義的照明學科實際上包括視覺科學與非視覺科學部分。LED的靈活性造就了巨大的應用前景，拓展了照明學科中的非視覺部分。另一方面，LED也將促使照明學科中的視覺科學部分進一步完善與修正。

4.1 脈沖光的視覺照明學科問題

光度學、色度學都是建立在傳統光源基礎上的。傳統光源包括光度學建立時的蠟燭等非電光源及色度學建立時的熱輻射光源與氣體放電光源等，都是基本穩定的，我們姑且稱之為穩態光源。LED由于開關時間短，且開關非常方便，因而在調光使用時都采用PWM的調光方式，實際上相當于工作在非穩態的情況下。那么，直接的問題是，建立在穩態光源條件下的照明科學(視覺科學)是否適合于非穩態下的照明？目前對此尚無定論，甚至包括兩種不同的研究結論[26-28]。 如果最后研究發現脈沖光下相關視覺照明具有不一樣的現象， 那么至少應該誕生“脈沖光度學”、“脈沖色度學”。

4.2 光源顯色性的評價方法

對光源的顯色性被普遍接受的評價方式是顯色指數。顯色指數的物理意義為：光源照射下產生物體本來顏色的能力，所謂的物體本來顏色即指太陽光照射下或者標準黑體照射下的顏色。在進行定量計算時，用14塊標準色板，計算標準光源與被測光源分別照射下的顏色差異以獲得顯色指數。

在LED之前，白熾燈、熒光燈、高壓鈉燈、金鹵燈等主要的電光源，盡管可以通過改變燈內填充成分而適當的改變光譜，但總體上光譜形式是有限的。因此，計算顯色指數的經驗公式只要對這14塊色板及這幾種光源合適就行了。但是，LED的出現將使這種近似表征出現問題。由于LED光譜的靈活性，通過多個LED器件幾乎可以組裝出任何光譜，因而對顯色指數的評價方式需要重新認真審視[29]。如果回歸到顯色性的基本物理意義，即還原物體本來顏色的能力，那么可以想象，與標準燈光譜分布接近的光源一定具有很好的顯色性指標。由于LED的光譜靈活性，要實現與標準光源相近的光譜是做得到的，比如用多個單色LED組裝光譜。但是，這樣做的代價是光源的光效將降低。如果人類可以接受適當的效率降低，那么，建立一個“類標準燈指數”或者“類太陽光譜指數”可能是最好的表征顯色性的方法。

4.3 一些視覺照明應用中的評價指標的再審視

照明學科的發展是基于光源的。可獲得的光源的特性決定了照明評價的標準。舉個例子，高壓鈉燈的顯色指數是20左右，由于高壓鈉燈在傳統光源中光效的一枝獨秀，且道路等室外照明要求相對較低，因此我們就接受了道路照明可以是顯色指數很低的要求。由于LED在尺度空間、光譜空間及時間空間的無限靈活性，也就是說“一切皆有可能”，那么，我們未來是否會接受這么低的顯色指數的道路照明標準？目前，白光LED主流的“藍光+黃色熒光粉”的技術路線造就的LED顯色指數為70以上，因此，現在討論道路照明的顯色指數為70以上成為順理成章。但是，隨著綠光LED效率的大幅度提高，且RGB白光方式(可進一步引申為多光譜混色)理論上將成就LED的更高效率及調光譜、調色的無限可能，因而未來的白光技術路線將轉向RGB方式。屆時，顯色指數與效率這一對矛盾的折中將在道路照明的顯色性指標上形成爭論，即多高的顯色指數是合適的？相信不會是20，也不會是70。

由于LED的高度靈活性， 因而在未來的很多視覺照明評價指標上，需要照明學科的新的研究與探索。

5 總結

本文從LED的特點出發，探討了LED對照明學科未來的深遠影響，包括對照明學科的研究范疇由研究光源的視覺應用擴展到視覺與非視覺應用，這將使照明學科的重心回歸到照明學科本身，而非照明的物質基礎即光源。同時，也將對照明學科中的視覺部分進行完善與修正。另一方面, 由于照明學科是一個技術很強的學科, 與照明產業有著密切的聯系, 因此, 在照明學科的這種變化過程中, 也將出現產業的相應變化,而這種變化也將給照明學科帶來很多研究課題, 并進一步帶動照明學科的發展。

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