照明篇

作为视觉系统中必不可少的LED照明,其在开发过程中经历了各种形状及方法。
通过发光原理理解其特点,可实现更加稳定的检测,因此,下面介绍照明从诞生到现状的发展历程。

光的历史(照明)

从耀眼的阳光到朦胧的月光,自然光是 生存唯一能够使用的照明方式。 随着时间的推移,人造照明技术开始出现,这些技术(篝火、火把、灯塔和烛光)照亮了漆黑的夜晚,带给人们更多的生活时间。

随后,许多不同的照明方式如雨后春笋般不断涌现出来。 方便的油灯为人们提供了明亮的光线,取代了以篝火和火把为主要光源的照明方式。 紧接着问世的是煤气灯和电灯,这两种照明方式在工业革命期间得以实际使用。 由于这两项技术是同时出现的,因而在煤气灯与电灯之间曾经发生过一场争夺市场主导地位的战争。

光的历史:从篝火到 LED

从弧光灯到白炽灯

炭棒弧光灯是电灯的一种早期类型,它那“亮如白昼”般的光线曾深深折服了人们。 随后,托马斯爱迪生发明了白炽灯(发出黄光的碳丝灯泡),之后又发明了更小更亮的钨丝灯泡(发出白光)。 接下来,爱迪生采用日本竹子作为碳灯灯丝材料,并将熔点较高的金属作为钨灯的灯丝。

紧接着,两位日本人对钨丝灯泡进行了改进,他们是 Junichi Miura 与 Kitsuzi Fuwa。 Miura 发明了一种将灯丝以螺旋状进行布置的线圈式结构。 Fuwa 成功地以磨砂方式处理了玻璃灯泡,使灯光发散并且变得柔和(内磨砂)。 这两种改进使灯泡的照明效率和质量都得到了很大提高,进一步加快了人们对电灯不断上升的需求。

电灯的进化:弧光灯、碳灯泡、钨灯泡

冷光时代(荧光)

白炽灯在照明市场上的统治地位被荧光灯取代了。 自从美国工程师 George E. Inman 在 1938 年发明了荧光灯以来,人们对它的认可程度逐渐提高。 将两个电极在汞蒸汽中因放电而产生的紫外光(不可见光)通过附着在玻璃管内表面的荧光物质转化为可见光,这便是当时荧光灯的工作原理。 虽说这之后,这一工艺中所用的元素从汞换成了发光效率更高的金属,但发光的基本原理没有改变。 “省电、能发明亮白光”的荧光灯在20 世纪 60 年代得到了广泛使用。 这要归功于荧光灯发热能耗较小,在相同输入的情况下,荧光灯的输出是白炽灯的 3 到 5 倍。

油灯、煤气灯以及白炽灯利用生成热量(辐射热)来发光,而荧光灯则利用放电产生的冷光来照明。 冷光时代就这样开始了。

早期荧光灯的机制与发光方法

从“数量”到“质量”的转变

在荧光灯满足了照明市场上对于“数量”的需求之后,重点就开始转向了“质量”。 除了长条型与环形荧光灯外,还开发了诸如三波长荧光灯等其他类型。 这些类型的光源除了具有较高的发光效率以及高显色属性外,灯泡的外形也很紧凑,功耗也较低。

在其他(非荧光)领域,人们也开始了对于高质量照明的追求。 HID(高强度放电)灯所发出的光要比荧光灯的亮度高出几十倍,因此广泛应用于室外照明,包括路灯、建筑照明以及运动场照明。 此外,在白炽灯领域,已开发出了高效、持久的卤素及氪灯泡。 白炽灯据说是最接近阳光的人造光源。 白炽灯温暖的颜色可有效刺激食欲并能创造舒适的氛围。

形状各异的光源

LED 的出现

LED(发光二极管)是比白炽灯和荧光灯更加节能的下一代照明系统。 LED 由 P(正极)与 N(负极)两种类型的半导体组成,电流通过这两极时便会发光。 红绿双色 LED 自 20 世纪 60 年代起就得以应用,而高亮度蓝色 LED 则是在 1993 年出现的。 1996 年,白色 LED 的问世创造出了各种应用可能。

LED 主要分为壳型和贴片型两种。 壳型 LED 发出的光较为平直(从正前方看很明亮),而贴片型 LED 则是向水平方向散射光线。 前者通常用于交通信号灯,而后者主要用于手机 LCD 屏幕的背光照明。 除了这些类型外,还有一种在方向性和散射性方面有较好平衡的平面型 LED。 LED 具备低功耗、使用寿命长(约 40,000 小时)、CO2 排放低、发光元件小如米粒等多重优势。 这些优势使 LED 还适合于减小物品的尺寸及重量。

此外,由于其发出的紫外光和红外光较少,因此 LED 有利于环境保护。 由于 LED 具备较高的抗冲击性与耐久性,因此 H-2 转移飞行器(给空间站提供补给的太空船)还将其用于内部照明。

各种光源的机制与特性
发光二极管的类型与特性

未来的照明类型:LED、电致发光与自然光

未来照明方式的研发将不仅仅局限于使用 LED,还会拓展到有机EL(电致发光)。EL 是一种可提供表面照明的薄片式光源,这与点光源式的 LED 不同。

由于其具备重量轻、可弯曲的特性,因此它的应用已经扩展到电子纸和显示器等领域。未来,也可能会研制出发光墙和天花板。

此外,有效利用自然光(即照明光的始祖)的日光照明系统也取得了较大的进步。自然光被视为终极的清洁能源,能够创造舒适的照明空间。 此外,人们也越来越重视先进的“光子学技术”(如 LED、有机 EL 以及激光束)之间的协同应用。

有机 EL(电致发光)的机制

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