[发明专利]光源装置及光能光谱调谐方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光源装置和方法，尤其涉及一种光能光谱分布可调的光源装置及光能光谱调谐方法。

背景技术

光源是人们日常工作和生活中不可或缺的一部分。自从18世纪末期白炽灯诞生以来，目前常用于日常照明的光源包括卤素灯、荧光灯、高强度气体放电灯和LED光源等多种。白炽灯一般由玻璃、钨丝、惰性气体、灯座、电导线几部分组成，钨丝由电流加热到一定的温度而散发白光，白光光谱的波长成分包括可见光以及近红外部分，光谱的能量分布是连续的。白炽灯具有简单、成本低廉、亮度容易调整和控制、显色性好等优点，但同时也存在着使用寿命短和发光效率低(仅有12％-18％可转化为光能，而其余部分都以热能的形式散失)的致命缺点。

为了提高白炽灯的发光效率并延长白炽灯的寿命，人们又发明了卤素灯，它是白炽灯的一种变种。卤素灯和白炽灯最大差别在于卤素灯的玻璃外壳中充有一些碘或溴等卤族元素气体，当灯丝加热后，钨原子会蒸发朝玻璃管壁方向移动，当接近玻璃管壁时，钨蒸气被冷却并和卤素原子反应结合形成卤化钨。随后，卤化钨又继续向玻璃管中央移动，重新回到被氧化的灯丝上，由于卤化钨遇热后又会重新分解成卤素蒸气和钨，使得钨原子又在灯丝上沉积下来弥补被蒸发掉的部分。通过这种再生循环过程，卤素灯的寿命被延长，而由此通过提高灯丝的工作温度来获得较大的发光效率。

到19世纪初期，人们又发明了荧光灯。荧光灯发光机理完全不同于白炽灯和卤素灯，它不是通过加热而产生白光的，而是通过受激发能级跃迁而产生白光的。荧光灯一般由密封的玻璃管、氩气汞蒸气混合物、荧光粉、电极、镇流器和启辉器几部分组成。荧光粉附着在玻璃管内壁，当电极被击穿时，电极发出一束电子束穿过氩气汞蒸气混合物，使得电子与汞蒸气发生作用并激发汞原子。当汞原子跃迁到非激发态时，它们发出紫外光光子，此时紫外光光子撞击到玻璃管内壁的荧光粉从而产生可见光。与白炽灯相比，荧光灯的发热量较少，使用寿命较长，发光效率更高。然而，荧光灯是频率与驱动电压的频率有关的闪烁光源，会产生闪光灯效应，而且荧光灯管内有水银成份，对人体有害，并对环境造成污染。高强度气体放电灯是继荧光灯之后的一种发光效率更高的光 源，包括水银灯、金属卤化物灯、高压钠灯以及氙灯等类型。和荧光灯类似，高强度气体放电灯的发光元件是一颗由启动器触发并维持置于耐高温灯管内电弧放电器，放电器发射高压电弧，激发灯管内的气体，在气体的帮助下将金属加热达到等离子态而发光。凭借能效和强度方面的优势，高强度气体放电灯大面积区域且需要高品质的光线的场合。然而，由于和荧光灯一样发出大量紫外线，高强度气体放电灯的安全性依然是一个隐患。

近年来，固态LED光源自19世纪六十年代诞生以来取得快速的发展，并在很多方面呈现取代传统光源的趋势。LED光源是一种半导体二极管电子器件，只容许电流在单一方向流通。二极管将两种不同的材料组合在一起形成PN节，P节中包含较多的正电荷，而N节包含较多的负电荷。当一个正向电压加在PN节的两端，负电荷会从N节向P节移动，正电荷会从P节向N节移动，正负电荷相撞融合而发出光能。LED光源具有光效高、低能耗、环保、寿命长以及响应速度快等优点，按照光源输出光谱颜色的不同，目前LED光源包括红、橙、绿、蓝等多种，几乎覆盖整个可见光谱范围甚至到红外、紫外波段，而且光谱的半波带宽也包括窄带和宽带两种。由此，多个LED光源可以组合起来产生一种特定光谱分布的光源，如文献“A spectrally tunable solid-state source for radiometric，photometric，and colorimetric applications”，“The Design of a Spectrally Tunable Light Source”以及专利文献“Programmable LED spectral light source”所述，采用多个窄带的LED光源以及宽带的LED光源并配备恒温设备以及程序可控的电源，由一种混光装置可以产生指定光谱分布的光源，如标准D65日光光源，A光源等。然而，此类光源体积庞大，安装不方便，而且只适应于一些大型空间中的照明应用。

发明内容

本发明的目的在于针对现有光源的局限性，提供一种光源装置及光能光谱调谐方法。