電光源的功效及其測算

邁克·伍德

【摘 要】 經(jīng)由電光源的輻射光譜和人眼明視覺曲線，探討與測算電光源的功效及其最大值。

【關(guān)鍵詞】 電光源；功效；效率；明視覺曲線；LED

文章編號： 10.3969/j.issn.1674-8239.2016.06.005

【Abstract】This paper analyzes and calculates the visual efficacy and maximum value of electric light， on the basis of the radiation spectrum of electric light and photopic visual curve of human eyes.

【Key Words】electric light； efficacy； efficiency； photopic visual curve； LED

2014年某月，筆者曾作過一次講座，談?wù)摰桨坠夤庠吹淖畲蠊πб呀?jīng)達到約250 lm/W（流明每瓦），當時有一位聽眾提醒筆者，就在那個月Cree公司發(fā)布了一則新聞稿說，它們的新型LED的功效已經(jīng)突破了300 lm/W的界限。筆者該如何將自己剛剛所說的與Cree公司新聞發(fā)布稿中所提及的兩個功效數(shù)值相調(diào)和呢？這兩個數(shù)值中肯定有一個出了毛?。ú谎远鞯氖沁@個差錯最可能出于筆者自己）。

很幸運，筆者看見了相同的新聞發(fā)布稿，知道了Cree突破性進展的情況，并能夠解釋為什么這兩個數(shù)值都是正確的，而這種解釋或許是有趣的。

1 功效與效率

本文的討論從考慮功效意味著什么開始。當談?wù)撾姽庠磳㈦娔苻D(zhuǎn)換成光能時它有多么高效，為什么使用功效（efficacy）一詞而不用效率（efficiency）一詞？因為該問題常常牽連著光度學，所以每當談?wù)摴獾膯栴}時，必須涉及到人眼以及我們能夠看見什么。光測量不是絕對的，但總是參考一般觀察者的能力。以瓦特計量電功率，同樣地也以瓦特計量電磁輻射。然而，瓦特本身并沒有說明，看見那個輻射能有多好的視覺效果。例如，人們可以感受到很多瓦特的紫外電磁輻射能量，但是仍然不能看見它們。因此，在這種情況下，對人眼而言，沒有引發(fā)視覺的能量。對應(yīng)于瓦特的視覺單位的名稱是“流明”。使用流明這個詞，明確地意味著人眼能夠看見光的功率，而不包含任何其他的能量。如果沒能看見光，那么按照定義它沒有發(fā)射流明，不管有多少不可見的紅外線、紫外線或微波能量由它發(fā)射出來。當筆者試圖計算出電光源工作得多好時，所感興趣的是它消耗的電能與它發(fā)射的可見光能之間的關(guān)系。如果那些能量都能用相同的單位來測量，那么我們可以將這個結(jié)果稱為效率。例如，電動機的效率可能與取自于電源的能量有關(guān)，以瓦特計量，相對于產(chǎn)生于輸出軸的機械能，同樣也以瓦特計量。如果馬達消耗100 W電能而產(chǎn)生75 W機械能，那么它的效率是75 W/100 W = 75%。然而，在光的情況中，輸入能量用瓦特計量，而輸出則用流明計量。由于這些單位不同，所以不能只是用一個量除以另一個量以得出一個百分比，那是毫無意義的。而仍然用輸出能量除以輸入能量，但是使單位保持各自不同并將它稱為“功效”以示區(qū)別。和電機相類似的電光源，可能消耗相同的100 W功率，而發(fā)射出7 500 lm的光。那么我們說其功效是7 500 lm/100 W=75 lm/W。

2 電光源功效的最大值

效率和功效之間的區(qū)別關(guān)鍵是，在電動機的效率情況中其上限值一定是顯而易見的。永恒運動是不可能的，因此輸出能量不可能大于輸入能量，因為測量單位是相同的，由此得出其效率不可能大于100%。上述情況同樣也適用于電光源，電光源發(fā)出的光能一定少于輸入的能量，但是多大功效最為接近100%最高點位？多少流明每瓦代表它是完美的電光源，將每個電子都變成了可見的光子？

2.1 人眼明視覺曲線

由于流明測量依賴于人眼視覺靈敏度，以及人眼觀察不同色彩或波長的反應(yīng)有巨大的差異，光源的最大功效也依賴于波長或波長的混合。圖1應(yīng)該是讀者熟悉的，是目前常用的CIE1924明視覺曲線。它代表了人眼對不同色彩的視覺靈敏度。

注釋：筆者幾乎討厭使用CIE1924明視覺曲線，而寧愿使用更能精確代表人類視覺的更新的ANSI E1.48曲線，但在本文中筆者并沒選擇更新了的曲線，是因為在這里所引用的Cree產(chǎn)品以及其他產(chǎn)品都使用了CIE1924曲線。堅持改變曲線的使用將是沒有禮儀的行為，并會引起混淆迷惑。如果使用ANSI E1.48明視覺曲線，在這里討論的一切同樣可適用的（雖然在數(shù)字上有些變化）。

從短波開始考察，人眼對UV（紫外線）的靈敏度為0，人們觀看藍光而產(chǎn)生的視感相當弱，進入綠色波長，人眼靈敏度逐漸增加。明視覺曲線的波峰位于黃綠色的555 nm，而后進入紅色波長，人眼靈敏度再一次下降，直至不可見的IR（紅外線）。流明是這樣定義的，即明視覺曲線波峰555 nm單色的1 W綠光將引發(fā)人眼相當于583 lm的光。這個定義本質(zhì)上是硬性規(guī)定的，但是形成了所有顏色光度學測定的基礎(chǔ)?，F(xiàn)在，可以由此從視覺曲線的中心向兩側(cè)擴展，觀看1 W 650 nm的光將引發(fā)約68 lm，而1 W 500 nm的光則引發(fā)約200 lm。這為理解光源100%效能意味著什么，已打下了基礎(chǔ)。

對于555 nm的綠光，100%的效能將意味著583 lm/W，而對于650 nm的紅光，68 lm/W恰好代表其100%的功效，而對于500 nm的藍綠光，其100%將是230 lm/W。100%所對應(yīng)的最大功效并不是唯一的答案！因為功效依賴于流明，而流明又依賴于人眼視覺，最大功效隨波長或色彩而變化。

作為單波長的單色光，其100%的功效意味著多少流明每瓦，那是相對簡單的，而對于寬波段的包含著許多不同色彩的電光源，或許它是連續(xù)光譜的電光源，那又該怎么估算？對于白光光源又該怎么樣評價？

不得不做的事是概念性地將電光源光譜分解成許許多多單個波長，算出每個波長的功效，而后以適當?shù)谋壤賹⑺鼈兝奂悠饋恚ㄔ跀?shù)學上，這等同于明視覺曲線所包含的光譜區(qū)域）。幸運的是數(shù)學不是那么太復(fù)雜，Excel很容易掌握。讓我們看看幾個實際電光源的例子以及每個電光源的最大可能的功效。

2.2 低壓鈉燈（LPS）的最大功效

第一個電光源是低壓鈉燈（LPS），我們對其非常熟悉，在老舊的停車場呈現(xiàn)糟糕的黃光。這是一個微不足道的極簡例子，因為它本質(zhì)上由單一譜線組成（實際上有兩條緊挨著的譜線），所以這種簡單模型給予我們直接了當?shù)慕Y(jié)果。

圖2顯示疊加在點線式的明視覺曲線上的單一橙色尖峰以供參考。在這個波長，100%高效的燈泡將產(chǎn)生517 lm/W。也就是說，燈泡消耗每瓦功率將產(chǎn)生517 lm的可見光輻射。聽起來這是非常好的結(jié)果，但是其實低壓鈉燈（LPS）的顯色性是很差的。

2.3 白熾燈泡的最大功效

白熾燈泡是大家所熟悉的，它具有極好的顯色性，但不幸的是，它在人眼不可見的光譜區(qū)域內(nèi)輻射大量的能量。如圖3，即使將光譜分析范圍限制在400 nm和700 nm之間，仍然可獲得153 lm/W，但與LPS相比，這個結(jié)果相當?shù)牡汀?/p>

換言之，在制造新光源上無論做得多么好，如果它們具有白熾燈泡一樣的光譜，那么它們決不會獲得高于153 lm/W的功效。

注釋：這沒什么，只與基礎(chǔ)技術(shù)有關(guān)，這是我們談?wù)摰陌谉霟艄庾V，不是白熾燈技術(shù)，具有這種相同的光譜的LED或其他的光源仍然會受限于153 lm/W。

2.4 標準日光的最大功效

如圖4，日光的功效比247 lm/W略好一些。確實，約250 lm/W的數(shù)字常常被引用作為白光光源標準的最高功效，也是筆者在講座中談?wù)摰降臄?shù)字。那么Cree制造的白光LED光源已具有300 lm/W如何看待？那新聞發(fā)布稿是否僅僅是市場營銷的說辭？

為獲得高于250 lm/W的功效，可以做的是終止考察連續(xù)光譜，尤其是那些不能很好看見的光譜區(qū)域，反之要集中于我們能最佳看見產(chǎn)生光的波長，并試圖使其看起來是白光?；貋碓倏磮D1，在明視覺曲線內(nèi)，我們要設(shè)計光源以使它們響應(yīng)最大化。

圖5顯示典型熒光粉轉(zhuǎn)換型白光LED的光譜，藍泵LED和寬光譜黃色熒光粉產(chǎn)生了熟悉的雙峰型光譜。

觀察那黃色波峰的形狀，在明視覺曲線中模擬這個波峰是被仔細選擇的，在人眼靈敏度最高的黃綠色產(chǎn)生最大的光輸出，而在靈敏度低的那些區(qū)域只有較少的能量損失。通過設(shè)計這樣的光譜曲線，如果其他一切都很完美，就可獲得最大可能的功效：336 lm/W。其燈光看上去仍是白光，但是已經(jīng)突破了250 lm/W的界限。顯色性不是很完美（從來不會是完美的——我們不得不放棄一些東西以獲得高功效，而顯色性則是不幸的犧牲品。）但在許多情況中是可以接受的。Cree沒有同時發(fā)布其300 lm/W產(chǎn)品的光譜細節(jié)，但是筆者可以確定它看上去如同圖5一樣的光譜曲線。

難道新聞發(fā)布稿僅僅是市場營銷說辭？

2.5 LED光源的最大功效

Cree制造的熒光粉轉(zhuǎn)換型白光LED的功效已經(jīng)達到將要獲得的300 lm/W嗎？是的，不完全是。通過系統(tǒng)的博弈，甚至可以獲得更高的功效。說來有趣，借助使用熟悉的RGB陣列的3種光源和選擇3種色彩，以使它們將來自視覺曲線的回報我們能夠獲得的光輸出最大化，其功效可達400 lm/W以上。圖6顯示接近最佳結(jié)果404 lm/W的一個例子。

為了實現(xiàn)這個結(jié)果，每一個發(fā)射器將不得不以100%高效地發(fā)射它們各自的色光；紅色發(fā)光器將必須在610 nm以100%高效發(fā)光，在綠色和藍色波段的發(fā)光功效同樣如此。當再一次放棄顯色性以獲取高功效，為了節(jié)能準備放棄顯色性。然而要準備接受的顯色性，無論它如何差，因為要制造高于400 lm/W的白光光源是不可能的。那是絕對上限。將其置于上下文考量，Cree和其他LED制造商達到的300 lm/W，對于筆者而言，更加令人欽佩。與粗略最大值400 lm/W相比，這個裝置產(chǎn)生了最大可能的白光的約75%。這令人震驚！在非常短暫的時間里，我們始于白熾燈泡15 lm/W功效（或最大可能功效的10%）提升到300 lm/W功效（最大可能功效的75%）。其結(jié)果也暗示了藍光加黃熒光粉通用的白光LED很可能是短命的設(shè)計，最終將被三色或三色以上的LED混光模式所替代。

在現(xiàn)實世界，這意味著什么？當前出廠產(chǎn)品距離400 lm/W，甚至在實驗室取得的300 lm/W還有很長一段路，然而200 lm/W器件已經(jīng)產(chǎn)品化（美國能源部基于它們最初的200 lm/W目標作為理論上可能的400 lm/W的50%高效率照明，這是明智的目標）。最近十年，我們查看過的難以置信的LED陡峭曲線變得越來越好，變得越來越平緩，越來越亮。筆者對此充滿期盼，因為LED發(fā)展將轉(zhuǎn)移到更好的品質(zhì)、更低廉的價格，而不僅僅是提升原始的功率。

（本文編譯自美國《Protocol》雜志2014年夏季刊《Efficacy-How good can it get ？》一文）

（編輯 張冠華）