计算普通光源的发射光谱

2016年 1月 14日

我很喜欢一年前购买的飞利浦 Hue照明系统。该系统允许使用智能手机为多达18个灯泡设置数百万种不同的颜色和数千种亮度级别。你也可以通过编程让系统在你接近住处时自动开启,这被称为“地理定位”,或者在一天中的特定时间自动开启。那么,与其他照明技术相比,它的光质量如何呢?

家庭照明系统

飞利浦Hue系统的工作原理是改变输出的蓝光、绿光和红光量,可以直接从智能手机上进行设置。如果对某种特定颜色的光很敏感,就可以简单地避开它。你还可以根据自己的心情设置灯光,以帮助集中精力,为自己充电、阅读或放松心情。该系统存在一种“集中”模式,该模式优先输出更多的蓝光,以增强人体集中的能力。在晚上放松时,我使用“日落”模式,该模式会提供更多的红色和橙色色调。

在使用该系统一段时间后,我还发现了一些长期优势:

  • 与使用老式荧光灯相比,我晚上更容易入睡。
  • 自从升级系统以后,我的电费每月减少了约21美元。这是因为12 W的发光二极管(LED)灯泡可以产生与60 W白炽灯泡相同的光输出。

 

飞利浦Hue照明系统柔和的白色背景的照片。
显示照明系统红色设置的照片。
显示将照明系统设置为蓝色设置的照片。

比较我公寓里的一些照明系统的设置。左:柔和的白色。中:红色。右:蓝光。

 

我曾试图说服我的父母购买该系统,但我的推销说辞并未打动他们。我最近给他们买了这个系统作为圣诞礼物,当我为他们演示该系统时,我听到的第一条评论是:“哇,光感如此自然。”这促使我思考为什么会这样,是否可以使用 COMSOL Multiphysics® 软件研究其中蕴含的基础物理学。简单来说答案就是:高效LED灯泡产生的发射光谱。通过比较自然光的发射光谱与白炽灯、荧光灯和LED灯泡产生的光谱,我们可以更好地理解这种现象。

在 COMSOL Multiphysics 中绘制发射光谱

下图绘制了自然光、白炽灯、荧光灯和LED灯泡的发射光谱。如你所见,不同灯光的发射光谱是非常不同的,它们中的任何一个都无法完美地复制自然光。

自然光

让我们从太阳光到达地球表面开始。目前还没有办法用人造光源再现自然光的发射光谱。但是,可以使用 光导管 将进入的自然光重新定位到地下(如地铁站中)。其中一个例子就是将光定位到了柏林的地下火车站。一根光导管从车站上方伸出(如下方左图所示)并收集光线,该光线通过一根特殊的管道传输并进入地下车站(如下方右图所示)。

 

火车站入口处的灯管。
柏林火车站内的一根光导管。

左:柏林火车站入口处的光导管。图片由 Dabbelju 自己的作品制作。通过 Wikimedia Commons 在 CC BY-SA 3.0 下获得许可。右:光导管将光传输到地下终端。图片由 Till Krech-Flickr提供。通过 Wikimedia Commons 在 CC BY 2.0下获得许可。

白天,光导管为火车站提供了更自然的照明。这种方法一个明显的缺点是它无法在夜间工作,因此需要一种模仿自然光的人造光。

自然光的发射光谱通常在光谱的可见部分,且遵循普朗克分布,如下图所示。尽管强度在浅蓝色区域(约460 nm)处最高,但没有一种颜色比其他颜色更突出。

绘制自然日光发射光谱的图表。
从太阳到达地球表面的可见光的发射光谱。

白炽灯泡

白炽灯泡里含有钨丝,当电流通过时,钨丝会被电阻加热。在2000 K(约1727摄氏度)左右的温度下,灯丝开始发出可见光。为了防止钨丝烧毁,灯泡里要充满一种气体,通常是氩气。灯丝中产生的热量通过辐射、对流和传导传递到周围环境中。白炽灯泡发出的红光比例大于自然光。发射甚至延伸到电磁波谱的红外部分,这浪费了能量且降低了灯泡的整体效率。

 

典型白炽灯泡的发射光谱图。
一个普通白炽灯泡可见范围内的发射光谱。

荧光灯泡

荧光灯通常由一根长玻璃管组成,该玻璃管中包含有低压汞和稀有气体(如氩气)的混合物。在该管内部,产生了非平衡放电(等离子体)。这意味着电子温度与周围气体混合物的温度不同。电子温度可以超过20,000 K(约19727摄氏度),但是气体温度保持在相对接近室温300 K(27摄氏度)的水平上。由于等离子体处于非平衡状态,电子碰撞反应会改变气体混合物的化学成分,以碰撞过程控制的方式。这些碰撞会产生电子激发的中性粒子,这些中性粒子随后会产生特定波长的光子自发辐射。

可见光是由两种机制产生的:直接由放电产生的光发射,或由激发管表面的磷光体产生的光发射。荧光灯通常会给患有称为 Irlen 综合征视觉障碍的人带来麻烦,而且长时间暴露在荧光灯下时,人们经常会抱怨头痛和偏头痛。

如下图所示,荧光灯光源的发射光谱看起来很奇怪。这种量子化或者是由于等离子体的直接发射,或者是由于荧光粉的作用。但对人眼来说,发出的光看起来仍然是白色的。和白炽灯泡一样,荧光灯泡的效率也很低,因为需要维持等离子体,而且它发出的辐射在不可见的范围内。

该图显示了COMSOL Multiphysics中荧光灯的发射光谱。
一个普通荧光灯的发射光谱。

LED灯泡

LED正在给照明行业带来一场革命,因为与传统的白炽灯技术相比,LED灯的发光效率更高且耐用性更强。普通的家用LED灯泡在发光时所需的功率只有同等亮度白炽灯的10%到20%。LED灯泡的使用寿命超过25,000小时,相比之下白炽灯泡只有1000小时。

LED具有比白炽灯泡更高的效率,因为它们以完全不同的原理发光。LED(发光二极管)是一种半导体器件,当导带中的电子与价带中的空穴通过辐射复合跃过带隙时发光。与白炽灯泡不同,LED可以在非常窄的波长范围内发光。

最初,红色、绿色和黄色 LED 在20世纪50年代和60年代发展起来。然而,正是 蓝色LED 的发明导致了新型高效白光光源的产生。此类LED发出的蓝光可用于刺激LED外壳周围的磷光体层发出更宽的光谱,或者可直接与红色和绿色LED组合以产生白光。

如下图所示,黄色荧光粉设置的LED光谱更接近自然光。蓝光比白炽灯要多,并且几乎所有能量都在可见光谱范围内发射。

白色LED灯泡的发射光谱图。
一个普通 LED 灯泡在温暖白色环境下的发射光谱。

组合光源

不同的发射光谱绘制在下面同一个轴上。尽管没有一个灯泡能够完全重现自然光,但 LED 灯泡显然是最好的近似光源。所有的发射都在可见光范围内,这使得设备非常高效。

不同光源的发射光谱组合图的图形。
来自自然光、白炽灯、荧光灯和 LED 灯泡的发射光谱。

通常,白炽灯和荧光灯有固定的光输出,还有固定发射光谱的LED灯泡。通过绘制不同光源的发射光谱,我们可以推断出LED灯泡最接近自然光。

探索更多的光源模拟方法

正如我们在这篇文章中所看到的,有许多不同的方法来创建人造光。上面描述的所有方法都可以使用带有半导体、等离子体、传热或射线光学模块的COMSOL Multiphysics上模拟。

PHILIPS是 Koninklijke Philips NV及其附属公司的注册商标。

 

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