——首席科學(xué)家劉木清獨(dú)家解讀《照明科學(xué)與技術(shù)學(xué)科發(fā)展報(bào)告2012~2013》

作者手札：2014中國科協(xié)學(xué)術(shù)建設(shè)發(fā)布會(huì)公布了30卷系列學(xué)科發(fā)展報(bào)告及1卷學(xué)科發(fā)展報(bào)告綜合卷，展示了當(dāng)前各學(xué)科及其研究領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r與成果?！墩彰骺茖W(xué)與技術(shù)學(xué)科發(fā)展報(bào)告2012~2013》作為照明學(xué)科的研究成果匯報(bào)，是中國照明學(xué)會(huì)組織成立的專家編寫組近百名專家學(xué)者的心血結(jié)晶。作為此次組織編寫的主要負(fù)責(zé)人，我謹(jǐn)借此機(jī)會(huì)向中國照明學(xué)會(huì)及參與編寫的同仁們致謝——編寫工作的順利完成，得益于學(xué)會(huì)的高度重視，得益于大家嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和甘于奉獻(xiàn)的敬業(yè)精神。

此次受邀于中國照明網(wǎng)對(duì)《報(bào)告》進(jìn)行解讀，共分3個(gè)部分進(jìn)行：導(dǎo)論、LED技術(shù)綜述、7個(gè)專題報(bào)告解析，旨在探析照明學(xué)科全貌，與大家分享學(xué)科當(dāng)下的研究成果，并為促進(jìn)行業(yè)發(fā)展盡一份綿薄之力。

一、照明的詞義

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(xì)胞以感知世界，這就是照明的概念。照明的物質(zhì)基礎(chǔ)是光源，人類每天近一半的時(shí)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(jìn)行照明。人造光源經(jīng)歷了從燃燒木頭、油脂、煤氣而產(chǎn)生光的漫長階段，到1879年愛迪生發(fā)明白熾燈，人造光源從此進(jìn)入電光源時(shí)代，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。

現(xiàn)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與熒光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈、金鹵燈等為代表的氣體放電光源。以LED、OLED為代表的固態(tài)照明是近年來照明學(xué)科快速發(fā)展的技術(shù)，這也是本報(bào)告的主要內(nèi)容。

照明的對(duì)應(yīng)英文詞為illumination，其詞根為lum，光的意思。但illumination常指視覺照明，即前文所說的光照射物體，通過人眼的感光細(xì)胞感知世界。這里的光指380nm～780nm的范圍，因?yàn)樵诖朔秶馊搜凼菬o法感知的。

廣義的照明概念與英文的lighting對(duì)應(yīng)，在這里人眼不是唯一的光感受對(duì)象。如，太陽的照射既使人眼感知世界，也照射萬物使其生長。近年來LED等人造光源也被用于植物生產(chǎn)的補(bǔ)光、將光照用于醫(yī)學(xué)治療等，在這些應(yīng)用中，光的目的都不是illumination的概念，但仍然是lighting的概念。

照明學(xué)科除照明本身的科學(xué)與技術(shù)問題外，也包括照明的物質(zhì)基礎(chǔ)即光源。

二、本學(xué)科報(bào)告主要關(guān)注LED照明技術(shù)的理由

作為照明物質(zhì)基礎(chǔ)的光源，主要有熒光燈、白熾燈、金鹵燈、高壓鈉燈、鹵鎢燈及LED等。在原理上可大類分為熱輻射光源、低氣壓放電光源、高強(qiáng)度放電光源及固態(tài)照明光源四類。

第一類，熱輻射光源。其光效及壽命都大大低于其他光源，但這類光源由于其光譜為普朗克光譜，具有在可見光范圍內(nèi)的全部連續(xù)光譜成分，因而光色柔和，因此仍然在一些場合有一定的應(yīng)用。在發(fā)光效率上，盡管近年來有研究采用紅外反射膜的方法實(shí)現(xiàn)光譜中紅外成分的一定程度的再利用，效率雖然也有一定程度的提高，但總體來講仍然不高，且進(jìn)一步提高的空間有限。因此，作為一個(gè)整體的光源類，在注重節(jié)能減排的時(shí)代背景下，熱輻射光源在全世界范圍內(nèi)正被逐步淘汰。

第二類，低氣壓放電光源。主要是低氣壓熒光燈類光源，包括節(jié)能燈、管型熒光燈及冷陰極熒光燈等。這類光源與白熾燈相比優(yōu)勢明顯，包括光效與壽命。但是光效與壽命都比LED差，且這類光源的機(jī)理決定了他們的發(fā)光效率很難超過LED，而壽命也受熒光粉等材料的限制不可能有很大的提高。另一方面，汞是這類光源必不可少的用材，而汞是污染環(huán)境的。因此，近年來這類光源在研究與產(chǎn)業(yè)化方面的工作主要集中于如下三個(gè)方面：(1)低汞熒光燈，即減少單位功率所需的汞含量，并獲得一定的進(jìn)展，但徹底擺脫汞材料在理論是不可能的;(2)通過改善工藝，提高光源的壽命，這方面的工作有一定的進(jìn)展，有國外報(bào)道熒光燈壽命最長的有3萬小時(shí)以上;(3)影響熒光燈類光源光效的理論瓶頸是253.7nm的紫外線光子二次激發(fā)可見光光子有55%左右的stokes損失，因此，所謂的“雙光子”技術(shù)一直是一個(gè)夢寐以求的技術(shù)線路，即希望一個(gè)紫外線光子打出二個(gè)可見光光子。但是，該技術(shù)路線理論與實(shí)際都沒有大的進(jìn)展。因此，目前在與LED的競爭中，冷陰極熒光燈已經(jīng)接近被淘汰，而節(jié)能燈、日光燈,也包括作為熒光燈的一個(gè)變種的無極熒光燈等都受到LED的強(qiáng)有力挑戰(zhàn)。

第三類，高強(qiáng)度放電燈(HID)。HID實(shí)際上是很多種光源的統(tǒng)稱。陶瓷金鹵燈是其中的優(yōu)秀代表，具有較高的光效與很好的顯色性。與LED相比，在大功率燈具上，具有較大的價(jià)格優(yōu)勢，這主要是因?yàn)?/span>LED價(jià)格幾乎與功率成正比，而HID光源價(jià)格對(duì)功率是很不敏感的。但是，這類光源與LED相比，光效低，且發(fā)展空間有限，同時(shí)壽命與光譜靈活性是沒法與LED相比的。因此，目前的研究主要集中于提高光效、提高壽命、通過改變燈泡內(nèi)部的發(fā)光材料以獲得不同光譜及改變激發(fā)源以獲得更佳的燈泡性能,但總體進(jìn)展緩慢。

第四類，固態(tài)照明光源,包括LED與OLED。固態(tài)照明光源,包括LED與OLED。其基本原理都是通過電注入,把電子和空穴從相反的方向注入到特定發(fā)光區(qū)域，即發(fā)光層，并在發(fā)光層復(fù)合發(fā)光。其中OLED主要用于顯示領(lǐng)域，在照明領(lǐng)域也有很大的應(yīng)用空間。但由于它是面光源，將不適合做定向照明的光源，這點(diǎn)與LED恰恰成為可以互補(bǔ)的兩種光源?？傮w上，相對(duì)于LED來說，OLED技術(shù)發(fā)展相對(duì)滯后，因此，本學(xué)科發(fā)展報(bào)告基本不涉及。

LED有很多優(yōu)點(diǎn)，如壽命長、高光效、環(huán)保、低電壓等等。但是這些不構(gòu)成對(duì)傳統(tǒng)光源的本質(zhì)優(yōu)勢，比如效率高，其實(shí)到現(xiàn)在也高得不多，壽命長也就跟無極熒光燈等差不多。LED的最主要優(yōu)勢是如下三個(gè)方面：

(1)體積小

LED發(fā)光原理決定了LED可以做得很小，目前0.5mm*0.5mm是很容易做到的。由于體積小，因此，在立體空間這個(gè)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(gè)基本的元素，用這個(gè)元素可以拼湊出任何形狀的發(fā)光體。也就是說，LED在立體形狀上幾乎是無限可能的。LED體積小的另一個(gè)優(yōu)勢是，由于LED體積小，發(fā)光點(diǎn)更小，這在光學(xué)設(shè)計(jì)上幾乎可以理解為點(diǎn)光源，而點(diǎn)光源的二次光學(xué)設(shè)計(jì)是很方便的，因此，也就決定了LED幾乎可以滿足任何的配光要求。

(2)光譜窄

從LED發(fā)光原理上說，LED本質(zhì)上是發(fā)射單色光譜的，但由于光譜展寬而有一定的寬度，一般為20 nm～30nm。且目前已經(jīng)具備了各種波段的單色LED。由于LED的這種單色性，因此，在光譜這個(gè)空間，采用多個(gè)LED幾乎可以組裝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(gè)一維空間，具備了作為一個(gè)基本元素的概念，以無限的可能實(shí)現(xiàn)各種需求。交通信號(hào)燈、RGB方式的背光源是典型的應(yīng)用。

(3)LED開關(guān)時(shí)間短

LED的開關(guān)時(shí)間都是ns的數(shù)量級(jí)，幾乎可以認(rèn)為是0。因此，這相當(dāng)于在時(shí)間這個(gè)空間，LED具備了作為照明的基本元素的功能，也就是說，在時(shí)間刻度上，LED是任意的。

小體積、窄光譜、開關(guān)時(shí)間短這三點(diǎn)，造就了LED在尺度空間、光譜空間、時(shí)間空間這三個(gè)空間，LED就像“原子”一樣，可以去構(gòu)成各種各樣的燈具。就是LED在這三個(gè)空間的無限靈活性，造成了LED無限的應(yīng)用可能，這是傳統(tǒng)光源沒有的。但是，這種可能性要變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的應(yīng)用需要具備多個(gè)條件：如光效足夠高及價(jià)格合理等。實(shí)際上，近來LED的發(fā)展已經(jīng)足夠證明LED的這種潛力。這也是本學(xué)科發(fā)展報(bào)告主要關(guān)注LED照明技術(shù)的主要原因。

三、本次學(xué)科發(fā)展報(bào)告的主要架構(gòu)

作為一本較全面的照明學(xué)科發(fā)展報(bào)告,我們力求比較客觀、準(zhǔn)確地反映當(dāng)前照明技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r。全文的綜合報(bào)告部分試圖對(duì)目前LED照明技術(shù)有一個(gè)比較全局性的闡述,包括當(dāng)前LED照明技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,國內(nèi)外比較以及發(fā)展趨勢。同時(shí)報(bào)告另分7個(gè)專題,對(duì)相關(guān)方向進(jìn)行專題闡述。這7個(gè)專題包括:

(1)半導(dǎo)體照明材料與芯片的發(fā)展研究;

(2)半導(dǎo)體照明封裝發(fā)展研究;

(3)半導(dǎo)體照明系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展研究;

(4)半導(dǎo)體照明視覺應(yīng)用發(fā)展研究;

(5)半導(dǎo)體照明非視覺應(yīng)用發(fā)展研究;

(6)半導(dǎo)體照明的計(jì)量與測試技術(shù)發(fā)展研究;

(7)半導(dǎo)體照明標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展研究。

7個(gè)專題基本上按照LED的產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行安排。其中第一個(gè)專題闡述與LED相關(guān)的材料與芯片的內(nèi)容,屬于LED的上游產(chǎn)業(yè)鏈;第二個(gè)專題闡述LED器件的封裝,屬于LED的產(chǎn)業(yè)鏈的中游，之后的幾個(gè)專題都屬于產(chǎn)業(yè)鏈的下端;第三專題闡述LED形成應(yīng)用系統(tǒng)及其關(guān)鍵的幾個(gè)技術(shù),包括光學(xué)、散熱、電學(xué)驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù);第四、五專題闡述LED器件的應(yīng)用,分別是第四專題的LED用于視覺應(yīng)用,包括LED用于顯示與各種視覺照明應(yīng)用及第五專題的LED用于非視覺領(lǐng)域包括農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、通信等領(lǐng)域的應(yīng)用。特別一提的是,本次特別將LED的應(yīng)用分為兩個(gè)專題進(jìn)行闡述,因?yàn)榫帉懡M認(rèn)為LED的非視覺應(yīng)用將為LED的前景開辟廣闊的空間,是很有潛力的方法。第六、七專題分別闡述LED相關(guān)的測試技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn),主要是因應(yīng)LED與傳統(tǒng)光源的差別帶來的測試與評(píng)價(jià)技術(shù)的發(fā)展。