照明光源的发展历程及未来展望

２０１９年２月第３０卷㊀第１期

照明工程学报

ＺＨＡＯＭＩＮＧＧＯＮＧＣＨＥＮＧＸＵＥＢＡＯ

Ｆｅｂ.㊀２０１９

Ｖｏｌ ３０㊀Ｎｏ １照明光源的发展历程及未来展望

陈大华

(复旦大学电光源研究所ꎬ上海㊀２００４３３)

摘㊀要:当前全球已进入半导体照明新时代ꎬＬＥＤ光源日趋成熟ꎬＯＬＥＤ和激光光源曙光初现ꎬ智能跨界照明和以人为本的健康照明理念正在不断深入人心ꎮ本文分析和探讨了照明光源的发展历程ꎬ并对照明光源的未来发展进行了展望ꎮ

关键词:火光ꎻ传统光源ꎻＬＥＤꎻＯＬＥＤꎻ激光ꎻ跨界

中图分类号:ＴＭ９２３㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀ＤＯＩ:１０ ３９６９∕ｊ ｉｓｓｎ １００４￣４４０Ｘ ２０１９ ０１ ００２

ＴｈｅＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＨｉｓｔｏｒｙａｎｄＦｕｔｕｒｅＰｒｏｓｐｅｃｔｓｏｆＬｉｇｈｔＳｏｕｒｃｅｓｉｎＣｈｉｎａ

ＣＨＥＮＤａｈｕａ

(ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｆｏｒＥｌｅｃｔｒｉｃＬｉｇｈｔＳｏｕｒｃｅｓꎬＦｕｄａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＳｈａｎｇｈａｉ㊀２００４３３ꎬＣｈｉｎａ)

Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ａｔｐｒｅｓｅｎｔꎬｔｈｅｗｏｒｌｄｈａｓｅｎｔｅｒｅｄａｎｅｗｅｒａｏｆｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌｉｇｈｔｉｎｇ.ＬＥＤｌｉｇｈｔｓｏｕｒｃｅｓｈａｖｅｍａｔｕｒｅｄꎬＯＬＥＤａｎｄｌａｓｅｒｌｉｇｈｔｓｏｕｒｃｅｓｈａｖｅｄａｗｎｅｄꎬａｎｄｔｈｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｃｒｏｓｓ￣ｂｏｒｄｅｒｌｉｇｈｔｉｎｇａｎｄｐｅｏｐｌｅ￣ｏｒｉｅｎｔｅｄｈｅａｌｔｈｙｌｉｇｈｔｉｎｇｃｏｎｃｅｐｔｓａｒｅｃｏｎｓｔａｎｔｌｙｔａｋｉｎｇｒｏｏｔ.ＩｎｔｈｉｓｐａｐｅｒꎬｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｈｉｓｔｏｒｙｏｆｌｉｇｈｔｓｏｕｒｃｅｓｉｎＣｈｉｎａｗａｓａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｅｄꎬａｎｄｔｈｅｆｕｔｕｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｌｉｇｈｔｓｏｕｒｃｅｓｗａｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ.

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｆｉｒｅｌｉｇｈｔꎻｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｌｉｇｈｔｓｏｕｒｃｅꎻＬＥＤꎻＯＬＥＤꎻｌａｓｅｒꎻｃｒｏｓｓ￣ｂｏｒｄｅｒ

１㊀人造光源的演变过程

光在人类的发展史中作用非凡ꎬ它与空气和水一起ꎬ成为人类生存的最基本的三要素ꎮ人工照明的最初形式是用火发光ꎬ这个阶段一直延伸了几千年ꎮ西方国家这个阶段的人工照明主要是应用燃烧浸润在动物脂肪中纤维制成蜡烛ꎬ而我国则采用的是植物油脂代替动物脂肪制成了油灯ꎮ在漫长的人类照明发展史中ꎬ光源就是蜡烛和油灯ꎮ１９世纪初人们有了煤气灯ꎬ但直到１８７９年爱迪生成功发明和推广应用了白炽灯ꎬ人类才开创了电光源照明的新时代ꎮ１９５９年ꎬ研究人员根据卤钨循环原理制成卤钨灯ꎬ由于其显色性好㊁光色宜人㊁体积小和寿命长等优点ꎬ受到人们的青睐和广泛使用ꎮ气体放电灯最早灯内充氖气ꎬ发出桔红色光ꎻ充氩气ꎬ发出蓝紫色光ꎻ充二氧化碳ꎬ发出白色光ꎮ１９１１年ꎬ美国发明家ＰｅｔｅｒＣｏｏｐｅｒＨｅｗｉｔｔ申请了低压汞灯的专利ꎬ该灯是荧光灯的雏形ꎮ之后ꎬ美国通用电气

(ＧＥ)的ＧｅｏｒｇｅＩｎｍａｎ改进了设计ꎬ制成第一个实用的荧光灯ꎬ并于１９３９年在纽约和旧金山世界博览会上展出ꎮ荧光灯的光效和显色指数的优势ꎬ让它一度占据了室内照明光源应用８０％的市场ꎮ１９２３年ꎬ康普顿和范沃希斯点燃了第一只低压钠灯ꎬ光效达每瓦２００多流明ꎬ但直到１９３２年以后ꎬ低压钠灯才真正进入市场ꎮ１９２７年ꎬ德国科学家ＥｄｍｕｎｄＧｅｒｍｅｒ申请了高压汞灯的专利发明ꎮ１９３２年ꎬ第一支高压汞灯的进入市场销售ꎬ标志着高强度气体放电灯(ＨＩＤ)时代正式开始ꎮ１９６１年ꎬＧＥ的ＧｉｌｂｅｒｔＲｅｉｌｉｎｇ申请了第一个金属卤化物灯的专利ꎬ并在１９６４年的世界博览会上展出ꎮ１９６５年ꎬＧＥ公司发明的高压钠灯问世ꎮ目前高压钠灯和金卤灯仍然是照明市场所需的产品ꎮ

基于半导体材料的发光二极管(ＬＥＤ)在百年

第３０卷第１期陈大华:照明光源的发展历程及未来展望１１㊀

前已引起人们的关注[１－７]ꎬ但直到１９６２年ＧＥ先进半导体实验室才发明了第一个ＧａＡｓＰ(磷砷化镓)的红光ＬＥＤ光源ꎬ在驱动电流为２０ｍＡ时ꎬ光通量只有０ ００５ｌｍꎬ光效约０ １ｌｍ/Ｗꎮ２０世纪７０年代初期到中期ꎬＬＥＤ光效提高到１ｌｍ/Ｗꎬ而且光色丰富不少ꎮ到了２０世纪８０年代ꎬ出现了ＧａＡｌＡｓ(砷化镓铝)ＬＥＤ光源ꎬ光效达到１０ｌｍ/Ｗꎮ２０世纪９０年代初ꎬ开发出了发红光㊁黄光的ＧａＡｌＩｎＰ(磷化镓铝)ＬＥＤ和发绿光㊁蓝光的ＧａＩｎＮ(氮化镓铟)ＬＥＤꎬ相应的光效又得到大幅度的提高ꎮ与此同时ꎬ单颗ＬＥＤ光源的功率和光通量也在迅速增加ꎮ起先ＬＥＤ的驱动电流仅为２０ｍＡꎬ到了２０世纪９０年代ꎬ一种代号为 食人鱼 (Ｐｉｒａｎｈａ)的ＬＥＤ的驱动电流增加到了５０~７０ｍＡꎬ而代号为 梭子鱼 (Ｂａｒｒａｃｕｄａ)的ＬＥＤ光源驱动电流达到３００~５００ｍＡꎬ目前已有驱动电流为安培量级的大功率ＬＥＤ光源ꎮ２０世纪９０年代ꎬ第一只蓝光ＬＥＤ诞生ꎬ１９９７年研究人员成功开发生产出了由蓝光激发荧光粉而产生白光的ＬＥＤ照明芯片ꎮ２１世纪初以来ꎬＬＥＤ光效不断提高ꎮ白光ＬＥＤ照明的出现ꎬ使人类真正进入了ＬＥＤ照明时代ꎮ从人类使用火炬到应用传统光源以及ＬＥＤ光源ꎬ这正是照明光源的发展历程ꎮ而研发与制造高光效㊁长寿命㊁少污染㊁光色好㊁价格低的电光源ꎬ则是电光源发展的方向与趋势ꎮ

２　我国照明电光源的发展历程

我国电光源工业起源于１９世纪８０年代ꎮ清光绪五年四月初八(１８７９年５月２８日)ꎬ公共租界工部局电气工程师毕晓浦ꎬ在上海虹口乍浦路一座仓库里ꎬ成功试验了碳极弧光灯ꎬ宣告中国第一盏电灯问世ꎮ清光绪八年(１８８２年)二月ꎬ英国人开办上海电气公司ꎬ并沿上海外滩到虹口招商局码头一带架设６ ４ｋｍ长的线路ꎬ串接着每盏亮度为２０００支烛光(２０３８ｃｄ)的１５盏弧光灯ꎮ同年６月１２日下午７时ꎬ电厂开始供电ꎬ夜幕下１５盏灯齐放光明ꎬ这引起不小的轰动ꎮ清光绪十六年(１８９０年)闰二月ꎬ上海开始用白炽灯供家庭照明ꎮ美国奇异电器公司(又称通用电气公司)ꎬ于１９１７年在上海投资１００万两白银开设子公司ꎬ用钨钼材料生产奇异牌白炽灯泡ꎬ年产量为５万只ꎮ１９２１年ꎬ我国民族工商业者胡西园等成功试制了第一只国产白炽灯ꎬ并于１９２３年买下甘肃路德商奥本公司电器厂ꎬ聘任奥本为工程师ꎬ开设中国亚浦耳电器厂ꎻ１９２９年ꎬ甘镜秋等民族工商业者又创办了华德电光股份有限公司ꎬ生产真空长丝灯泡ꎮ第一次世界大战期间ꎬ欧美各国忙于应对战争ꎬ我们照明企业得到了发展机遇ꎬ除亚浦耳㊁华德电光两家规模较大外ꎬ相继开办了２０余家中小型光源工厂ꎮ第一次世界大战结束后ꎬ国外资本卷土重来ꎮ１９３２年ꎬ美国奇异

(ＧＥ)㊁德国亚司令(ＯＳＲＡＭ)㊁荷兰飞利浦(Ｐｈｉｌｉｐｓ)㊁匈牙利太斯令(ＴＵＮＧＲＡＭ)４家外企组成电光源工业托拉斯中和灯泡公司ꎬ年产灯泡５００万~６００万只ꎬ抢占了中国市场ꎮ民族电光源工业虽遭到了严重打击ꎬ但在浙江大学㊁齐鲁大学㊁中山大学等单位和市民的支持下ꎬ民族电光源工业还是得以维持ꎬ并得到了发展ꎮ１９４７年前后ꎬ华德灯泡厂㊁中国亚浦耳电器厂㊁中国荧光灯厂开始试制生产荧光灯ꎮ新中国成立后ꎬ亚浦耳灯泡厂于１９５９年更名为上海亚明灯泡厂ꎮ作为中国电光源生产的开拓者和先驱的胡西园先生和甘镜秋先生等人的丰功伟绩应该永载史册ꎬ让我们永不忘怀ꎮ

更为重要和值得我们记载的是我国近代光源的发展历程ꎮ１９６０年初ꎬ复旦大学物理系蔡祖泉教授与他率领的研制小组ꎬ依托复旦大学多年从事真空物理科学的基础ꎬ开始从事我国现代光源的研制工作ꎮ经过艰辛的起步和努力的工作ꎬ在２０世纪６０年代初ꎬ成功开发了国产的碘钨灯和高压汞灯ꎬ并很快在工厂实现批量生产ꎬ随后他们又继续成功开发了长弧氙灯㊁短弧氙灯㊁氪灯㊁氢弧灯㊁超高压短弧汞灯㊁光谱空芯阴极灯㊁氘灯㊁高压钠灯和金属卤化物灯等一系列新光源ꎬ并于１９６５年起在复旦大学连续三年成功举办了元宵节新光源展示会ꎮ１９７８年ꎬ复旦大学电光源研究所正式成立ꎬ同时在举办了多届约１万多企业科技人员参加的短训班以后ꎬ１９８４年经国家教委批准创办了复旦大学光源与照明工程系ꎬ多年来已为国家培养了２千余名该领域的博士㊁硕士和本科生ꎮ２００７年ꎬＬＳ１１国际电光源科技研讨会在复旦大学成功举办ꎬ５００多名照明科技人员参会ꎬ其中有３００余人是外籍科技人员ꎮ这奠定了改革开放以来我国电光源科技在国际照明领域的影响力和地位ꎮ

２０世纪８０年代中后期ꎬ复旦大学电光源研究