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    人类照明的发展历史
    发表日期:2022/12/16 18:06:04    点击量:1455 次

                        人类照明的发展历史

     

    人类用同位素测定:地球的年龄是45.6亿年。当然,太阳与地球是同时形成的,因此,阳光是一直围绕地球的。不过,月球作为太阳行星的年龄,月球对日的年龄为60亿年;月球成为地球卫星的年龄,月球对地的年龄为1.738亿年。因此,月光是很晚才照耀地球的。当然,即使是1.738亿年的月光,也足够了,因为人类的历不足1000万年。

    人类仅仅靠自然光照明是不够的,黑夜和冬季是漫长的。现代人推测:在某场雷电劈中森林后,浑身长毛的祖先们偶然学会了用火,火不仅带来了烤熟的食物,更可以照亮夜晚,进而驱逐野兽,带来温暖。从自然光到“热辐射光源”的跨越,就这样完成了。据考古资料,早在距今约70万至20万年前,旧石器时代的北京猿人已经开始将火用于生活之中。

    以篝火、火堆形式存在的“热辐射光源”不便于移动,于是人们拿起一根燃烧的树枝,在树枝另一段绑上更多的可燃物,蘸上油脂――火把就这样诞生了。早期的油脂,主要是动物脂肪,又肥又不好吃,就用来照明;其次就是松树油脂;鸢训睦,可能有上百万年。

    从1954年至1998年陆续发掘的位于福建闽侯县甘蔗镇昙石村西北侧的“昙石山文化遗址”,距今4500-5500年,属新石器时代晚期。遗址中出土了保存完好的陶瓷做的油灯,有多个防风孔,比外国的同类灯早了1000多年,这是我国最早的油灯,也是世界上最早的油灯,被誉为“中华神灯”。

    人类使用油灯照明的历特别长。在这期间,油灯经过了多次改进。油灯用油从动物油改为植物油,最后(20世纪)又被煤油取代。灯芯也经历了草、棉线、多股棉线的变化过程。为了防止风把火吹灭,人们给油灯加上了罩。早期的罩是用纸糊的,很不安全,后来改用玻璃罩。这样的油灯不怕风吹,在户外也照样使用,而且燃烧充分,不冒黑烟。

    中国最早的太阳能利用,其历可追溯到2700年前。远在 3000多年前的西周时代(公元前 11世纪),就已有了“阳燧取火”技术的记载,所谓“阳隧”,就是形似凹面镜的金属圆盘,对着太阳聚光,在聚光点点燃艾绒等易燃物,取得火种。这是一种最古老的太阳能聚光器。沈括《梦溪笔谈》中对阳燧的原理作了科学的论述。

    国外认为阿基米德是利用太阳能最早的人之一。约在公元前 215-210年间,古罗马帝国的舰队侵占了西西里岛,派了一支舰队攻打?庠,著名的学者阿基米德,为了保卫家乡,他让每个士兵用擦亮的铜盾,排列在城堡上,把太阳光聚集反射到入侵的罗马舰船上,结果使舰船起火,敌人仓惶逃跑。

    根据大英百科全书记载,在公元3000年前(据今5000年),埃及和希腊就有蜡烛的相关纪录,古代的蜡烛皆以动物脂肪制造。1358年,在英国伦敦,人们用蜂蜡来制造蜡烛照明。1830年,K. V. Reichenbach在实验室中从煤炭沥青中分离出石蜡。1934年,Fischer·Tropsch(费歇尔·托晋希)蜡的商业化生产,开始合成蜡的制造历。

    在中国,商代(公元前1766年-前1111年)的甲骨文中也未见灯、烛之类的字样。西周(公元前1097年-公元前771年)时,在人们日常生活中出现的“烛”应是最早的照明用器的记载。西周时“烛”应是一种由易燃材料制成的火把,用于执持的已被点燃的火把,称之为烛;放在地上的用来点燃的成堆细草和树枝叫做燎;燎置于门外的称大烛,门内的则称庭燎。

    汉字“灯”,则是从“豆”演变而来。战国时期(公元前403年-前221年)的《楚辞·招魂》有记载。一个小小的、表面坑坑洼洼的陶碗,碗的底部有一个把手支撑,简单的造型,粗糙的工艺,放在一般人眼里,就是一件不值钱的陶器。这“豆”是碗形的照明工具,就是“灯”。

    在中国的灯具上,成就最高的灯是出现在西汉(公元前202年-公元9年)。这种灯是供宫廷贵族使用的青铜灯,灯的火苗上方带有连着烟管的烟罩,灯烟可以经由罩和管排入蓄水的灯身里达到“取光藏烟”的环保效果。其中最著名的灯就是1968年河北省满城县出土的“长信宫灯”。

    公元1-2世纪,就已有关于生物发光的记载。但直至1887年,才由法国R.杜布凡开创对生物发光物质的科学研究。20世纪60年代以前,为荧光素-荧光酶系统的概念占优势的时期,主要是观测研究生物发光的器官、组织和生理,其代表性著作有美国E.N.哈维1952年出版的《生物发光》。60年代以后,随着观测仪器和萃取技术的改善,在发光物质的合成及其结构、量子产量测定以及发光反应机制等方面,都获得了许多新进展,特别是“发光蛋白”型系统的发现,标志着对生物发光的研究进入了新阶段。该时期的代表性著作有1978年英国P.J.赫林主编的《生物发光作用》。生物性冷光有多种用途,如发光菌灯可作为火药库的安全照明。

    利用夜间可以发光的萤火虫作为光源,是中国人的发明。晋朝时期(265年-420年),有个名叫车胤的人,从小好学不倦,连夜晚的时间也不肯白白放过。但是由于家里很穷,买不起点灯的油,所以每到夏夜,他就抓来许多萤火虫,放在有小洞的囊内,利用萤火虫的光来看书。结果苦学的车胤终于出人头地,最后官至吏部尚书。此外,古书《古今秘苑》也曾经记载:“取羊膀胱吹胀晒干,入萤百余枚,系于罾足底纹,群鱼不拘大小,各奔其光,聚而不动,捕之必多!闭馐抢糜┗鸪娴牧凉獠队愕墓适。

    1780年,瑞士物理学家与化学家Aimé Argand (1750年7月5日-1803年10月14日)发明了阿尔冈灯(Argand lamp)。它是自油灯和蜡烛发明以来第一个重大进步。这种油灯的亮度,相当于6-10根蜡烛。

    1792年,出现了煤气灯。世界上第一盏煤气灯是苏格兰人威廉·默多克发明的。他于1792年将灯装在了他在英国康沃尔的家中。1828年,瑞典化学家贝采利乌斯发现了钍,二氧化钍在高温下受到激发,会射出白色的光。人们利用它的这一特性,制造可以提供更大区域照明的煤气灯。1865年12月18日,作为道路交通的重要配套设施,煤气灯、电灯先后试验成功,并最先在道路两旁使用。

    1809年,英国化学家戴维曾以两千多组伏打电池为电源,发明了在两根碳棒之间进行强电流放电的弧光灯。这是人类最早利用电照明的成功尝试。但戴维的弧光灯,成本太高,光线太强,只能用于灯塔或公共场合的照明,不可能大规模推向民用。

    1835年,英国物理学家和化学家法拉第对气体放电进行了研究。在1907年至1910年期间,科学家克洛德和林德发明了液态空气分馏。利用这一发明,在霓虹灯内充入一定的惰性气体,这样就明显减缓了气体在灯管内部的消耗速度,颜色也丰富了,可产生红、绿、蓝、黄等颜色。第二次世界大战前夕,光致发光的材料被研制出来了。这种材料不仅能发出各种颜色的光,而且发光效率也高,我们称之为荧光粉。荧光粉被应用在霓虹灯制作中后,霓虹灯的亮度不仅有了明显提高,而且灯管的颜色也更加鲜艳夺目,变化多端,同时也简化了制灯的工艺。故在第二世界大战结束后,霓虹灯得到了迅猛的发展。

    1854年亨利·戈培尔使用一根炭化的竹丝,放在真空的玻璃瓶下通电发光。他的发明今天看来是首个有实际效用的白炽灯。他当时试验的灯泡已可维持400小时,但是并没有实时申请设计专利。

    1850年,英国人约瑟夫·威尔森·斯旺(Joseph Wilson Swan)开始研究电灯。1878年,他以真空下用碳丝通电的灯泡得到英国的专利,并开始在英国建立公司,在各家庭安装电灯。

    19世纪中叶,F.塔尔博特首次应用火花隙放电作为高速摄影的曝光光源,这是最早的人造脉冲光源(是利用贮存的电能或化学能,在极短时间内发生高强度闪光的氙气灯雏形)。以后出现了惰性气体脉冲放电光源(即氙气灯),才使脉冲光源真正进入实用阶段。

    1874年,加拿大的两名电气技师申请了一项电灯专利。他们在玻璃泡之下充入氮气,以通电的碳杆发光。但是他们无足够财力继续发展这发明,于是在1875年把专利卖给了爱迪生。

    爱迪生买下专利后,尝试改良使用的灯丝。1879年他改以碳丝造灯泡,成功维持13个小时。到了1880年,他造出的炭化竹丝灯泡曾成功在实验室维持1200小时。但是在英国,约瑟夫·威尔森·斯旺控告爱迪生侵犯专利,并且获得胜诉。爱迪生在英国的电灯公司被迫让斯旺加入为合伙人。但后来斯旺把他的权益及专利都卖了给爱迪生。在美国,爱迪生的专利亦被挑战。美国专利局曾判决他的发明已有前科,属于无效。最后经过多年的官司,爱迪生才取得碳丝白炽灯的专利权。

    1892年,爱迪生通用电气公司和汤姆森-休斯顿电气公司合并,创立通用电气公司(General Electric Company,GE)。

    爱迪生的最大发明是使用钨代替碳作为灯丝。之后在1906年,通用电器发明一种制造电灯钨丝的方法。最终廉价制造钨丝的方法得到解决,钨丝电灯泡被使用至今。

    1907年,Henry Joseph Round第一次在一块碳化硅里观察到电致发光现象。

    1930年,照相闪光灯问世,取代了专业摄影师之前使用的闪光粉。

    1930年,低压钠灯问世。1932年,荷兰飞利浦公司首次将低压钠灯商品化。它是利用低压钠蒸气(工作蒸气压不超过几个帕)放电产生可见光的电光源。蒸汽灯出现,是由密封在玻璃管里的各种元素蒸汽通以电流而发光的。其光效是荧光灯的2倍,卤钨灯的10倍。蒸汽灯有水银蒸汽灯和钠蒸汽灯。

    30年代,场致发光灯(Electro-luminescent lamp,EL),又称平面电致发光技术开始研究。80年代中期,EL发光器件在国内外高科技电子产品中开始逐步推广应用,如用于液晶背照明、飞机与汽车仪表等。

    1934年,汞灯问世,第一个高压气体放电灯。

    1938年,美国GE(General Electric Company)的科学家伊曼发明了荧光灯(日光灯)――第一个真正的低压放电灯。他在真空管内壁上涂上荧光粉,然后充进一定量的水银(蒸汽),管的两端各有一个灯丝做电极。当接通电源后,荧光物质就将水银蒸汽发出的光线转化为荧光。这种荧光灯比白炽灯更亮,光线柔和,而且省电。

    20世纪40年代初,联邦德国奥斯兰公司发展研究中心实验室率先研究了稀有气体短弧光源的特性。经多年研制和改进,于1951年正式向市场推出超高压短弧氙灯。

    HID就是High intensity Discharge――“高压气体放电灯”的英文缩写,可称为重金属灯或氙气灯。它的原理是在UV-cut抗紫外线水晶石英玻璃管内,以多种化学气体充填,其中大部份为氙气(Xenon)与碘化物等惰性气体,然后再透过增压器(Ballast)将车上12伏特的直流电压瞬间增压至23000伏特的电流,经过高压震幅激发石英管内的氙气电子游离,在两电极之间产生光源,发出高达5000 K色温的光芒,这不但是传统卤素灯所难以达到的光度,5000 K其实也是最接近正午日光的色温,最能让人眼感觉舒服的光度。目前的HID有高压钠灯、(荧光)高压汞灯、氙气灯、金属卤化物灯等。

    1945年,Circline? 荧光灯问世,它可以在小空间里发出最多的荧光。

    气体放电型电光源包括荧光灯,金属卤化灯、高压钠灯、高压水银灯等等。它们都是通过高压或低压气体的放电来发光的。由于发光效率高,因此是目前应用最为广泛的电光源。但是气体放电型电光源由于其放电机制,使其在正常工作区往往具有负电阻特性:即随着电流的增加,电压反而减;反之亦然。因此如果将气体放电灯直接接到电压源,将会因电流迅速增大到超过极限而烧毁,因此必须使用镇流器串联在电路中对其电流进行限制。

    1959年,卤素灯问世。卤素灯泡(Halogen lamp),亦称钨卤灯泡,是白炽灯的一种,使白炽灯的技术达到了一个新境界。原理是在灯泡内注入碘或溴等卤素气体。在高温下,蒸发的钨丝与卤素进行化学作用,蒸发的钨会重新凝固在钨丝上,形成平衡的循环,避免钨丝过早断裂。

    1961年,高压钠灯问世。节能灯、荧光灯和低压钠灯属于低压气体放电灯,而汞蒸气灯、金属卤化物灯和高压钠灯(HPS)属于高压气体放电灯。

    节能灯,又称为省电灯泡、电子灯泡、紧凑型荧光灯及一体式荧光灯,是指将荧光灯与镇流器(安定器)组合成一个整体的照明设备。

    1962年,金属卤化物灯问世。

    1962年,第一盏LED(发光二极管灯)灯(红色)问世,由GE(General Electric Company)发明。在半导体材料的固体水晶内部,将电能转化为光。

    1970年美国人发明的电磁感应灯,走出了实验室,这项了不起的发明是世界上第一项使用电磁感应原理走向照明领域里的新光源。这是无极感应灯的前身。第二项无灯丝、无电极电磁耦合感应灯――无极灯是美国1991年的发明专利,与第一项发明专利电磁感应灯只相距21年的时间。2000年后世界各国申报的利用电磁感应原理的无极灯、电磁感应灯的专利相继问世,并进行了量产与实例应用。

    1970年,美国康宁公司研制出最早的石英玻璃光导纤维。石英玻璃光导纤维主要是使用在光信息传输。我们现在使用的光纤是采用(聚甲基丙烯酸甲酯)作为芯体材料这是一种特殊的、高纯度树脂。光线在光导纤维全程依次全反射至终端,从而使光纤达到改变光直线传输的物理特性,把光线按我们的需要和设计引导到期望的位置。光纤照明作为一种特殊的传导光能的形式,近年来被广泛应用。端发光POF灯具可用于宾馆、会堂、大厅和饭店的天花装饰,具有星光闪烁、光彩璀璨、色彩动态变化和富丽堂皇的特征。

    1974年,荷兰弗斯特根(JMP Jverstegen)等人用三种荧光粉制成了光效达80 lm/W、显色指数为85的40W荧光灯,从而解决了长期以来用卤磷酸盐荧光粉制成荧光灯后存在的光效与显色指数之间的矛盾。后来又出现了各种紧凑型荧光灯,如H灯、2D灯等。

    1976年,绿色LED灯问世。

    1983年,荧光灯(日光灯)电子镇流器(台湾称为安定器)问世,由荷兰飞利浦公司首先研制成功。相对于原来的电感式镇流器和电子式镇流器,具有更多优点。现在我们常用的荧光灯主要有日光灯、高流明单端荧光灯、节能灯(紧凑型荧光灯)以及最新型T5+T8管中管节能灯环。

    1986年,Biax? 荧光灯问世,是一种高效节能的40 W荧光灯,适用于住宅。

    1990年,2D? 荧光灯问世,独特的小型轮廓灯,扩展了荧光灯的应用场合。

    1993年,蓝色LED灯问世。

    1993年 2月 4日,格林威治时间 5点多,俄罗斯“进步”号宇宙飞船所携带的一面直径为 22米的镀铝箔圆形反射镜像伞一样打开,它把太阳光反射到地球背阳一面的欧洲里昂、日内瓦、伯尔尼、慕尼黑等 4公里宽的地区达6分钟之久。这面反射镜用凯夫拉纤维制成,厚度仅 5微米,加上反射镜骨架总重 40千克,它反射到地面的阳光相当于日光的 2-3倍。

    据科学家测算,如果建一个实用型太空太阳能照明系统,约需要 80万美元,但由此节省的电费却高达 3500万美元。如果制造多个类似反射镜的照明系统,并采用定点式照射,那么其亮度可达 40-50个满月强度,地球上将出现真正的“不夜城”。

    1994年,飞利浦CDM灯(防爆型陶瓷金卤灯)问世。

    1994年,GE公司推出第一只紧凑型无极感应灯――“Genura”。它自身带有控制电路,工作电压为市电电压,电路的工作频率为2.6MHz。最新型号的无极感应灯,理论寿命6万小时。Genura灯可瞬时启动和再启动,灯内有几层涂层。在凹腔融封前边壳内涂敷一层透明的导电层,用于降低EMI。在凹腔和泡壳的颈部涂敷一层二氧化钛反射层,最后在?巧贤恳徊闳夥。

    绝大多数传统光源的寿命局限在于电极,那是否可以去掉电极呢?随着科学技术的发展,人们终于发现了光、电、磁之间的相互联系,随着深一步的了解和大胆创新的构想,科学家们终于成功研发了电磁感应灯(无极灯感应灯)。其采用的是电磁感应原理,先由电产生磁场,再由磁场产生感应电流,再应用藕合震荡原理将产生的高频电压注入到真空的?腔虿9芾!与三基色荧光粉及惰性气体作用发光,从而避免了电极损耗的问题。由于没有电极,一般来说,电磁感应灯的寿命可以达到6万小时以上。

    1996年,ConstantColor? CMH?灯问世,具有新型混合HID技术,高效且性能高级。

    1998年,Starcoat XL? 和 Ecolux XL? 高级荧光灯问世,寿命延长。

    1999年,白色LED灯问世。

    2000年,T5荧光灯问世,荧光灯直径更小,在多种应用场合提供了一种节能解决方案。

    2000年,LED应用于室内照明。2000年,由于氮化镓的发现,科学家开发出用于照明的新型发光二极管灯泡。这种灯泡具有效率高、寿命长的特点,可连续使用10万小时,比普通白炽灯泡长100倍。LED的开发是继白炽灯照明发展历120年以来的第二次革命。

    2001年,Reveal? I白炽灯问世,钕玻璃将黄光滤出,从而提供更丰富而鲜明的彩色。

    2003年,300/320 W CMH? 第一个双功率陶瓷金卤灯问世,可在两个不同的镇流器上进行操作,并具有相同的彩色再现性。

    2004年12月22日,中国人发明的第三项无灯丝、无电极的“磁能灯”发明专利与美国在1991年发明的无极灯仅仅相隔了13年时间。

    中国的第四项无灯丝、无电极高光效环保型的“磁能灯”发明专利在2007年5月16日问世,与中国在2004年12月22日发明的第三项无灯丝、无电极的“磁能灯”发明专利相隔了两年半时间。中国的第五项用电磁感应原理发明的无灯丝电极的U形磁能灯的发明专利,于2009年7月18日在中国问世,与中国第四项磁能灯发明专利仅仅相隔了两年的时间。

    2008年,中国科学院上海技术物理研究所研制的“神舟七号出舱活动照明灯”将为航天员出舱行走以及太空图像拍摄提供照明。这是世界上首次使用LED(发光二极管)光源作为载人航天器的照明系统,也是我国首个用于太空舱外的照明系统。LED技术的特点是发光效率高,可靠性强,抗震性能好,使用寿命上理论上长达10万小时,光的颜色、结构都能够灵活调整。

    2008年,日本东京的龙谷大学已经开发了一种黑暗中发光的材料,可以发出全彩色的可见光,即赤橙黄绿青蓝紫七色光,甚至还能发出白光。他们可以用这种材料提供照明和清楚易读的紧急信号灯,且不需要电。在光照下,磷光性材料能吸收能量;而在没有光照的情况下,它就会释放能量。好的蓝和绿二色磷光复合材料已经出现一段时间了,但红光现在还只能持续发光几分钟而不是小时。于是,研究人员将红色染料添加到绿色和蓝色磷光体中,进而研究出这种能发出全彩光的材料。

    2009年,太阳能LED照明灯问世。太阳能LED照明集成了太阳能与LED的优点。当阳光照射在太阳能电池阵列上时转换成电能;电流通过二极管,同时送到可充电电池和灯泡闪光装置中。在白天,即有光照情况下,有充中的电能供闪光装置工作;在夜间,即光照停止后,则由存储在中的电能供电。只有当长时间无光照以致电池中的电能用完时,这个装置才停止工作。2010年,太阳能LED路灯问世。

    2010年5月,杭州纳晶科技有限公司美国全资子公司NNCrystal 在美国拉斯维加斯5月12日举行的第14届国际灯展展会上推出最新照明技术。这是NNCrystal首次推出高端照明产品,这两个系列的全新产品是基于NNCrystal独家发展的两个用于商业照明的全新技术,Qshift Coral*和Qshift Lucid*。

    Qshift Coral使用传统的半导体纳米晶(量子点)材料, 通过对光的可控调制来实现对照明光源颜色的精确控制。Qshift Coral技术通过使照明光变得温暖和增加显色指数来改善光源的质量,同时与传统的荧光粉产生的固态照明暖白光相比, 在等同光输出的基础上大大降低能耗。Qshift Lucid是一个不含重金属、基于高性能掺杂量子点的独特专利技术。与现有稀土荧光粉材料相比,Qshift Lucid具有无色透明的特点。Qshift Lucid代表了照明行业的一种新的商业模式,它提供了绝佳的光学性能和更大的设计灵活性,同时避免了有毒物质,如镉和汞的使用。

    2010年11月,台湾的苏博士研究发现,给树木注射的金纳米粒子可以诱导植物叶子发出红光。比起目前较为经济的LED照明来说,这种植物发光过程不会散发出像荧光粉之类的有毒化学物质。如能将该技术推广,那么街道照明不仅可以节约能源,还能增加植物吸收二氧化碳的机会,有助于改善城市居住环境。如果该技术应用于室内照明,墙壁和天花板都可以挂满植物了,真正的绿色居室!

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