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刘木清LED让照明学科发生的新变化

发布时间:2019-06-16 12:55:42

刘木清:LED让照明学科发生的新变化

LED是如何颠覆照明行业的?LED整个基础、技术路线您认为将是什么思路?

刘木清:照明是一门科学。作为一门科学有其本质的东西,这些东西是不能被颠覆的。比如说,大到光度学、色度学的基本理论,小到道路照明的要求,室内照明的要求。这些是照明学科的基本东西。随着技术的发展会进一步的发展,但是不会被颠覆。但是,这些都是视觉照明的概念,LED会让照明学科发生很大的变化,这主要体现在:

1.照明学科的发展将向更宽广的领域发展。应该说,传统光源的限制,使得照明学科主要是研究视觉照明的,因为光源的主要用途也就是用作人眼看清世界,尽管也有少量的其它用途,但是相比视觉应用,那是小很多的。因此,实际上,照明学科很多年来一直是视觉照明的学科。CIE在此领域是世界的权威,垄断该领域的发言权。

在英文里, 有关照明的词有两个,分别是lighting与illumination,这两个词,即使是英语为母语的人也说不清楚它们的差别。我曾经特意请教CIE前主席Van Bommel教授,但是得到的答案是不明确的。再请教国际电光源委员会主席英国的Devonshire博士,热情的该博士给我很长的email,基本意思是(1)lighting本意是light加上ing,光在传播中;(2)illumination与lighting同为照明的意思,但多少年来一直指视觉照明,原因是多少年来照明基本上就是视觉照明,非视觉照明的东西很少。但是illumination基本上是专业研究人员使用,而lighting是大众使用的词;(3)基于词根的意思,illumination指视觉照明是合适的,而lighting指所有的照明是合适的。

因此,未来照明学科的发展将是真正的照明概念,即包括视明与非视明。

2.作为照明的物质基础的光源,传统的光源不会消亡,但是会淡出,可能在不久的将来,LED将是主流光源,这点10年前基本不这样说, 但是现在估计很少有人不相信了。LED作为主流光源的影响表面上是对行业的影响,下文将叙述。但是对照明学科的发展同样很大。

由于LED之前,主流的光源是热辐射光源、低气压放电光源与高强度放电光源,而光源的主要用途也就是视觉照明(为了与现有说法一致,本段下文将视觉照明简称照明)。这些光源由于在尺度、光谱及时间等空间的不灵活性,造就了照明学科的重心是照明的物质基础光源,在光源的研究成熟之后,照明学科基本也就没有大的发展。我们看到,照明学科在20世纪前半叶有很多研究成果,但是在CIE1931、CIE1964及CIE1976的色度系统,1974年一次大的进展即显色指数确定下来之后,照明学科基本没有大的进展,甚至快接近照明工程了。这主要是,照明的物质基础光源太不灵活了,换言之, 就是那么几种光源,把他们的应用研究透了就可以了。因此,在此之后的主要研究就是研发新的光源,而作为热辐射光源之后的主流气体放电光源,研究的重心寻找新的发光物质,或者二次发光方法。但是LED变为照明的主流光源,将使这种局面有很大的变化:

(1)LED器件的主要指标与价格尚未达到技术成熟时,特别是绿光LED有待进一步技术进步。因此,在一段时间内,发展LED技术仍然会是我们照明学科的一个重要部分。但是,目前LED已经发展到可以在很多领域获得应用。因此,照明学科的重心将逐步回归到照明,即光源的应用,而是不是光源本身。

(2)LED的高度灵活性将造就了未来照明学科的巨大研究机会。因为,LED的高度灵活性将造就LED的广阔应用领域,而在各种应用领域中,又是由于LED的高度灵活性而存在一个的应用选择,这是学术的问题,即研究机会。典型的例子是LED植物补光,与人眼存在由于不同的波长 V()值不同类似,植物补光也存在不同波长的补光效率不同,即存在所谓的光配方的概念。目前的这个研究还处于初始阶段。

说完了照明学科, 再回头来说照明产业,这个是相对产业界的问题。我可以从技术的发展角度说一下看法。

D将成为主流光源这点毋庸置疑。因为,LED已经显现出许多优势,目前除了技术指标上的优势外,更重要的是LED的无限灵活性。这点为LED无限的应用空间造就了基础。但是目前LED的价格还较高,这点会延缓而不是阻碍LED的应用。因为, 价格问题迟早会解决,近年来价格的快速下降也证明了这一点。

延缓LED应用的推广的因素除价格外,还有一个很重要的是对LED的应用评价。由于视明的评价体系完全是基于传统光源建立起来的,完全有可能不适合某些情况的LED视明应用,而非视明的应用总体上来说研究滞后。典型的例子是LED造成的目前采用Ra显色指数进行光源显色性评价的有效性争论。但是这一点不会阻碍LED应用的推广,只会延缓。而这,再一次的得益于LED的无限灵活性。

D的非视明应用是一个巨大的应用空间。目前非视明应用基本上处于研究与少量的应用阶段,主要包括农业照明、医疗照明等。近来很热的LED可见光通信,是LED的一个非常特殊的应用,它以LED发出的光为载体进行信号无线传输,严格的说这个通信的目的不是照明,但是由于它与照明使用同一个发光体,一次,或许可以叫做通信照明吧。

D白光的技术路线

目前LED的白光技术路线主要有三种,即RGB方式、紫色LED加红绿蓝三色荧光粉、但是,在目前绿光LED光电效率总体很低的情况下,目前LED产生白光的主流方法是兰光LED加黄光荧光粉。这种方法的理论上所能达到的光效(辐射光效)约为280lm/W,且光谱的灵活性大大减弱。而采用红色、蓝色、绿色LED的所谓RGB方式,所能获得的理论光效可达到360lm/W以上,且由于光谱是由RGB三色或者更多的单色LED组成,因而具有很大的灵活性。且采用RGB方式实现白光LED,配合LED的控制技术,很容易实现对LED的调光与调色等应用。因此,绿光LED光效的大幅提高,将成就LED在光谱方面真正的、实用的无限灵活性,作为这种无限灵活性的一个特例,就是未来白光LED技术转向RGB方式。

4.绿光光谱光效的大幅提升造就的LED光谱无限灵活性,也将附带的开启很多学术的研究机会。这个对产业界的影响是评价体系。由于光谱无限灵活性的可实现,在LED的各种应用中,将出现那个光谱的理论问题。在这些理论问题中,与光谱相关的显色指数的学术问题将再次成为研究与争论的热点。即,在一定的应用中,显色性(Ra、CQS等)的评价是否合理?多高的数值是合适的?而这将对产业界有一定的影响。

D的Droop效应及其对产业的影响。LED的Droop效应指芯片电流密度增加时,LED的光效快速下降。Droop效应决定了单个LED所能工作的电流,因而要实现大光通量被迫采用多颗LED或多芯片,或者通过采用增加芯片的面积的方式而减少电流密度的方法,也将大幅增加LED器件的价格。因此, 实际上Droop效应是增加了LED器件的价格。幸运的是,目前在LED灯具中,LED器件的成本已经快速下降到大多数灯具中总成本的10% 左右,按照目前的灯具模式,LED器件成本的下降对灯具总成本的下降贡献越来越低。因此,Droop效应的突破,在使LED器件价格下降到灯具中总成本的很低的情况下,技术研发将转向降低LED之外其它部件的成本,而这,这将开启另外一扇大门,就是灯具形式的创新。因为,LED在器件尺度、光谱与时间上的无线灵活性,已经为这种创新准备好了条件。

6.以传感器技术、自动控制技术为核心的智能照明系统将具有很大的应用前景。但这会带来一个值得研究的问题,就是LED与智能控制系统如何结合?是两个分离的器件/子系统,还是一个完整的器件?

7.而在产品的评价上将更加注重产品的光度、色度等综合性能而非仅仅追求高光效,同时能效将是重要的评价指标。

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