人類照明的發展曆史

 

 

人類用同位素測定：地球的年齡是45.6億年。當然，太陽與地球是同時形成的，因此，陽光是一直圍繞地球的。不過，月球作為太陽行星的年齡，月球對日的年齡為60億年；月球成為地球衛星的年齡，月球對地的年齡為1.738億年。因此，月光是很晚才照耀地球的。當然，即使是1.738億年的月光，也足夠了，因為人類的曆史不足1000萬年。

 

人類僅僅靠自然光照明是不夠的，黑夜和冬季是漫長的。現代人推測：在某場雷電劈中森林後，渾身長毛的祖先們偶然學會了用火，火不僅帶來了烤熟的食物，更可以照亮夜晚，進而驅逐野獸，帶來溫暖。從自然光到“熱輻射光源”的跨越，就這樣完成了。據考古資料，早在距今約70萬至20萬年前，舊石器時代的北京猿人已經開始將火用於生活之中。

 

以篝火、火堆形式存在的“熱輻射光源”不便於移動，於是人們拿起一根燃燒的樹枝，在樹枝另一段綁上更多的可燃物，蘸上油脂――火把就這樣誕生了。早期的油脂，主要是動物脂肪，又肥又不好吃，就用來照明；其次就是鬆樹油脂。火把的曆史，可能有上百萬年。

 

從1954年至1998年陸續發掘的位於福建閩侯縣甘蔗鎮曇石村西北側的“曇石山文化遺址”，距今4500－5500年，屬新石器時代晚期。遺址中出土了保存完好的陶瓷做的油燈，有多個防風孔，比外國的同類燈早了1000多年，這是我國最早的油燈，也是世界上最早的油燈，被譽為“中華神燈”。

 

人類使用油燈照明的曆史特別長。在這期間，油燈經過了多次改進。油燈用油從動物油改為植物油，最後（20世紀）又被煤油取代。燈芯也經曆了草、棉線、多股棉線的變化過程。為了防止風把火吹滅，人們給油燈加上了罩。早期的罩是用紙糊的，很不安全，後來改用玻璃罩。這樣的油燈不怕風吹，在戶外也照樣使用，而且燃燒充分，不冒黑煙。

 

中國最早的太陽能利用，其曆史可追溯到2700年前。遠在 3000多年前的西周時代（公元前 11世紀），就已有了“陽燧取火”技術的記載，所謂“陽隧”，就是形似凹麵鏡的金屬圓盤，對著太陽聚光，在聚光點點燃艾絨等易燃物，取得火種。這是一種最古老的太陽能聚光器。沈括《夢溪筆談》中對陽燧的原理作了科學的論述。

 

國外認為阿基米德是利用太陽能最早的人之一。約在公元前 215－210年間，古羅馬帝國的艦隊侵占了西西裏島，派了一支艦隊攻打希庫紮港，著名的學者阿基米德，為了保衛家鄉，他讓每個士兵用擦亮的銅盾，排列在城堡上，把太陽光聚集反射到入侵的羅馬艦船上，結果使艦船起火，敵人倉惶逃跑。

 

根據大英百科全書記載，在公元3000年前（據今5000年），埃及和希臘就有蠟燭的相關紀錄，古代的蠟燭皆以動物脂肪製造。1358年，在英國倫敦，人們用蜂蠟來製造蠟燭照明。1830年，K. V. Reichenbach在實驗室中從煤炭瀝青中分離出石蠟。1934年，Fischer·Tropsch（費歇爾·托晉希）蠟的商業化生產，開始合成蠟的製造曆史。

 

在中國，商代（公元前1766年－前1111年）的甲骨文中也未見燈、燭之類的字樣。西周（公元前1097年－公元前771年）時，在人們日常生活中出現的“燭”應是最早的照明用器的記載。西周時“燭”應是一種由易燃材料製成的火把，用於執持的已被點燃的火把，稱之為燭；放在地上的用來點燃的成堆細草和樹枝叫做燎；燎置於門外的稱大燭，門內的則稱庭燎。

 

漢字“燈”，則是從“豆”演變而來。戰國時期（公元前403年－前221年）的《楚辭·招魂》有記載。一個小小的、表麵坑坑窪窪的陶碗，碗的底部有一個把手支撐，簡單的造型，粗糙的工藝，放在一般人眼裏，就是一件不值錢的陶器。這“豆”是碗形的照明工具，就是“燈”。

 

在中國的燈具史上，成就最高的燈是出現在西漢（公元前202年－公元9年）。這種燈是供宮廷貴族使用的青銅燈，燈的火苗上方帶有連著煙管的煙罩，燈煙可以經由罩和管排入蓄水的燈身裏達到“取光藏煙”的環保效果。其中最著名的燈就是1968年河北省滿城縣出土的“長信宮燈”。

 

公元1－2世紀，就已有關於生物發光的記載。但直至1887年，才由法國R.杜布凡開創對生物發光物質的科學研究。20世紀60年代以前，為熒光素-熒光酶係統的概念占優勢的時期，主要是觀測研究生物發光的器官、組織和生理，其代表性著作有美國E.N.哈維1952年出版的《生物發光》。60年代以後，隨著觀測儀器和萃取技術的改善，在發光物質的合成及其結構、量子產量測定以及發光反應機製等方麵，都獲得了許多新進展，特別是“發光蛋白”型係統的發現，標誌著對生物發光的研究進入了新階段。該時期的代表性著作有1978年英國P.J.赫林主編的《生物發光作用》。生物性冷光有多種用途，如發光菌燈可作為火藥庫的安全照明。

 

利用夜間可以發光的螢火蟲作為光源，是中國人的發明。晉朝時期（265年－420年），有個名叫車胤的人，從小好學不倦，連夜晚的時間也不肯白白放過。但是由於家裏很窮，買不起點燈的油，所以每到夏夜，他就抓來許多螢火蟲，放在有小洞的囊內，利用螢火蟲的光來看書。結果苦學的車胤終於出人頭地，最後官至吏部尚書。此外，古書《古今秘苑》也曾經記載：“取羊膀胱吹脹曬幹，入螢百餘枚，係於罾足底紋，群魚不拘大小，各奔其光，聚而不動，捕之必多。”這是利用螢火蟲的亮光捕魚的故事。 

 

1780年，瑞士物理學家與化學家Aimé Argand （1750年7月5日－1803年10月14日）發明了阿爾岡燈（Argand lamp）。它是自油燈和蠟燭發明以來第一個重大進步。這種油燈的亮度，相當於6－10根蠟燭。

 

1792年，出現了煤氣燈。世界上第一盞煤氣燈是蘇格蘭人威廉·默多克發明的。他於1792年將燈裝在了他在英國康沃爾的家中。1828年，瑞典化學家貝采利烏斯發現了釷，二氧化釷在高溫下受到激發，會射出白色的光。人們利用它的這一特性，製造可以提供更大區域照明的煤氣燈。1865年12月18日，作為道路交通的重要配套設施，煤氣燈、電燈先後試驗成功，並最先在道路兩旁使用。

 

1809年，英國化學家戴維曾以兩千多組伏打電池為電源，發明了在兩根碳棒之間進行強電流放電的弧光燈。這是人類最早利用電照明的成功嚐試。但戴維的弧光燈，成本太高，光線太強，隻能用於燈塔或公共場合的照明，不可能大規模推向民用。

 

1835年，英國物理學家和化學家法拉第對氣體放電進行了研究。在1907年至1910年期間，科學家克洛德和林德發明了液態空氣分餾。利用這一發明，在霓虹燈內充入一定的惰性氣體，這樣就明顯減緩了氣體在燈管內部的消耗速度，顏色也豐富了，可產生紅、綠、藍、黃等顏色。第二次世界大戰前夕，光致發光的材料被研製出來了。這種材料不僅能發出各種顏色的光，而且發光效率也高，我們稱之為熒光粉。熒光粉被應用在霓虹燈製作中後，霓虹燈的亮度不僅有了明顯提高，而且燈管的顏色也更加鮮豔奪目，變化多端，同時也簡化了製燈的工藝。故在第二世界大戰結束後，霓虹燈得到了迅猛的發展。

 

1854年亨利·戈培爾使用一根炭化的竹絲，放在真空的玻璃瓶下通電發光。他的發明今天看來是首個有實際效用的白熾燈。他當時試驗的燈泡已可維持400小時，但是並沒有實時申請設計專利。

 

1850年，英國人約瑟夫·威爾森·斯旺（Joseph Wilson Swan）開始研究電燈。1878年，他以真空下用碳絲通電的燈泡得到英國的專利，並開始在英國建立公司，在各家庭安裝電燈。

 

19世紀中葉，F.塔爾博特首次應用火花隙放電作為高速攝影的曝光光源，這是最早的人造脈衝光源（是利用貯存的電能或化學能，在極短時間內發生高強度閃光的氙氣燈雛形）。以後出現了惰性氣體脈衝放電光源（即氙氣燈），才使脈衝光源真正進入實用階段。

 

1874年，加拿大的兩名電氣技師申請了一項電燈專利。他們在玻璃泡之下充入氮氣，以通電的碳杆發光。但是他們無足夠財力繼續發展這發明，於是在1875年把專利賣給了愛迪生。

 

愛迪生買下專利後，嚐試改良使用的燈絲。1879年他改以碳絲造燈泡，成功維持13個小時。到了1880年，他造出的炭化竹絲燈泡曾成功在實驗室維持1200小時。但是在英國，約瑟夫·威爾森·斯旺控告愛迪生侵犯專利，並且獲得勝訴。愛迪生在英國的電燈公司被迫讓斯旺加入為合夥人。但後來斯旺把他的權益及專利都賣了給愛迪生。在美國，愛迪生的專利亦被挑戰。美國專利局曾判決他的發明已有前科，屬於無效。最後經過多年的官司，愛迪生才取得碳絲白熾燈的專利權。

 

1892年，愛迪生通用電氣公司和湯姆森－休斯頓電氣公司合並，創立通用電氣公司（General Electric Company，GE）。

 

愛迪生的最大發明是使用鎢代替碳作為燈絲。之後在1906年，通用電器發明一種製造電燈鎢絲的方法。最終廉價製造鎢絲的方法得到解決，鎢絲電燈泡被使用至今。

 

1907年，Henry Joseph Round第一次在一塊碳化矽裏觀察到電致發光現象。

 

1930年，照相閃光燈問世，取代了專業攝影師之前使用的閃光粉。

 

1930年，低壓鈉燈問世。1932年，荷蘭飛利浦公司首次將低壓鈉燈商品化。它是利用低壓鈉蒸氣（工作蒸氣壓不超過幾個帕）放電產生可見光的電光源。蒸汽燈出現，是由密封在玻璃管裏的各種元素蒸汽通以電流而發光的。其光效是熒光燈的2倍，鹵鎢燈的10倍。蒸汽燈有水銀蒸汽燈和鈉蒸汽燈。

 

30年代，場致發光燈（Electro-luminescent lamp，EL），又稱平麵電致發光技術開始研究。80年代中期，EL發光器件在國內外高科技電子產品中開始逐步推廣應用，如用於液晶背照明、飛機與汽車儀表等。

 

1934年，汞燈問世，第一個高壓氣體放電燈。

 

1938年，美國GE（General Electric Company）的科學家伊曼發明了熒光燈（日光燈）――第一個真正的低壓放電燈。他在真空管內壁上塗上熒光粉，然後充進一定量的水銀（蒸汽），管的兩端各有一個燈絲做電極。當接通電源後，熒光物質就將水銀蒸汽發出的光線轉化為熒光。這種熒光燈比白熾燈更亮，光線柔和，而且省電。

 

20世紀40年代初，聯邦德國奧斯蘭公司發展研究中心實驗室率先研究了稀有氣體短弧光源的特性。經多年研製和改進，於1951年正式向市場推出超高壓短弧氙燈。

 

HID就是High intensity Discharge――“高壓氣體放電燈”的英文縮寫，可稱為重金屬燈或氙氣燈。它的原理是在UV-cut抗紫外線水晶石英玻璃管內，以多種化學氣體充填，其中大部份為氙氣（Xenon）與碘化物等惰性氣體，然後再透過增壓器（Ballast）將車上12伏特的直流電壓瞬間增壓至23000伏特的電流，經過高壓震幅激發石英管內的氙氣電子遊離，在兩電極之間產生光源，發出高達5000 K色溫的光芒，這不但是傳統鹵素燈所難以達到的光度，5000 K其實也是最接近正午日光的色溫，最能讓人眼感覺舒服的光度。目前的HID有高壓鈉燈、（熒光）高壓汞燈、氙氣燈、金屬鹵化物燈等。

 

1945年，Circline™ 熒光燈問世，它可以在小空間裏發出最多的熒光。

 

氣體放電型電光源包括熒光燈，金屬鹵化燈、高壓鈉燈、高壓水銀燈等等。它們都是通過高壓或低壓氣體的放電來發光的。由於發光效率高，因此是目前應用最為廣泛的電光源。但是氣體放電型電光源由於其放電機製，使其在正常工作區往往具有負電阻特性：即隨著電流的增加，電壓反而減小；反之亦然。因此如果將氣體放電燈直接接到電壓源，將會因電流迅速增大到超過極限而燒毀，因此必須使用鎮流器串聯在電路中對其電流進行限製。

 

　　1959年，鹵素燈問世。鹵素燈泡（Halogen lamp），亦稱鎢鹵燈泡，是白熾燈的一種，使白熾燈的技術達到了一個新境界。原理是在燈泡內注入碘或溴等鹵素氣體。在高溫下，蒸發的鎢絲與鹵素進行化學作用，蒸發的鎢會重新凝固在鎢絲上，形成平衡的循環，避免鎢絲過早斷裂。

 

1961年，高壓鈉燈問世。節能燈、熒光燈和低壓鈉燈屬於低壓氣體放電燈，而汞蒸氣燈、金屬鹵化物燈和高壓鈉燈（HPS）屬於高壓氣體放電燈。

 

節能燈，又稱為省電燈泡、電子燈泡、緊湊型熒光燈及一體式熒光燈，是指將熒光燈與鎮流器（安定器）組合成一個整體的照明設備。

 

1962年，金屬鹵化物燈問世。

 

1962年，第一盞LED（發光二極管燈）燈（紅色）問世，由GE（General Electric Company）發明。在半導體材料的固體水晶內部，將電能轉化為光。

 

1970年美國人發明的電磁感應燈，走出了實驗室，這項了不起的發明是世界上第一項使用電磁感應原理走向照明領域裏的新光源。這是無極感應燈的前身。第二項無燈絲、無電極電磁耦合感應燈――無極燈是美國1991年的發明專利，與第一項發明專利電磁感應燈隻相距21年的時間。2000年後世界各國申報的利用電磁感應原理的無極燈、電磁感應燈的專利相繼問世，並進行了量產與實例應用。

 

1970年，美國康寧公司研製出最早的石英玻璃光導纖維。石英玻璃光導纖維主要是使用在光信息傳輸。我們現在使用的光纖是采用（聚甲基丙烯酸甲酯）作為芯體材料這是一種特殊的、高純度樹脂。光線在光導纖維全程依次全反射至終端，從而使光纖達到改變光直線傳輸的物理特性，把光線按我們的需要和設計引導到期望的位置。光纖照明作為一種特殊的傳導光能的形式，近年來被廣泛應用。端發光POF燈具可用於賓館、會堂、大廳和飯店的天花裝飾，具有星光閃爍、光彩璀璨、色彩動態變化和富麗堂皇的特征。

 

1974年，荷蘭弗斯特根（JMP Jverstegen）等人用三種熒光粉製成了光效達80 lm/W、顯色指數為85的40W熒光燈，從而解決了長期以來用鹵磷酸鹽熒光粉製成熒光燈後存在的光效與顯色指數之間的矛盾。後來又出現了各種緊湊型熒光燈，如H燈、2D燈等。

 

　　1976年，綠色LED燈問世。

 

1983年，熒光燈（日光燈）電子鎮流器（台灣稱為安定器）問世，由荷蘭飛利浦公司首先研製成功。相對於原來的電感式鎮流器和電子式鎮流器，具有更多優點。現在我們常用的熒光燈主要有日光燈、高流明單端熒光燈、節能燈（緊湊型熒光燈）以及最新型T5+T8管中管節能燈環。

 

1986年，Biax® 熒光燈問世，是一種高效節能的40 W熒光燈，適用於住宅。

 

1990年，2D® 熒光燈問世，獨特的小型輪廓燈，擴展了熒光燈的應用場合。

 

1993年，藍色LED燈問世。

 

1993年 2月 4日，格林威治時間 5點多，俄羅斯“進步”號宇宙飛船所攜帶的一麵直徑為 22米的鍍鋁箔圓形反射鏡像傘一樣打開，它把太陽光反射到地球背陽一麵的歐洲裏昂、日內瓦、伯爾尼、慕尼黑等 4公裏寬的地區達6分鍾之久。這麵反射鏡用凱夫拉纖維製成，厚度僅 5微米，加上反射鏡骨架總重 40千克，它反射到地麵的陽光相當於日光的 2－3倍。

 

據科學家測算，如果建一個實用型太空太陽能照明係統，約需要 80萬美元，但由此節省的電費卻高達 3500萬美元。如果製造多個類似反射鏡的照明係統，並采用定點式照射，那麽其亮度可達 40－50個滿月強度，地球上將出現真正的“不夜城”。

 

1994年，飛利浦CDM燈（防爆型陶瓷金鹵燈）問世。

 

1994年，GE公司推出第一隻緊湊型無極感應燈――“Genura”。它自身帶有控製電路，工作電壓為市電電壓，電路的工作頻率為2.6MHz。最新型號的無極感應燈，理論壽命6萬小時。Genura燈可瞬時啟動和再啟動，燈內有幾層塗層。在凹腔融封前邊殼內塗敷一層透明的導電層，用於降低EMI。在凹腔和泡殼的頸部塗敷一層二氧化鈦反射層，最後在玻殼上塗一層三基色熒光粉。

 

絕大多數傳統光源的壽命局限在於電極，那是否可以去掉電極呢？隨著科學技術的發展，人們終於發現了光、電、磁之間的相互聯係，隨著深一步的了解和大膽創新的構想，科學家們終於成功研發了電磁感應燈（無極燈感應燈）。其采用的是電磁感應原理，先由電產生磁場，再由磁場產生感應電流，再應用藕合震蕩原理將產生的高頻電壓注入到真空的玻殼或玻管裏！與三基色熒光粉及惰性氣體作用發光，從而避免了電極損耗的問題。由於沒有電極，一般來說，電磁感應燈的壽命可以達到6萬小時以上。

 

1996年，ConstantColor® CMH®燈問世，具有新型混合HID技術，高效且性能高級。

 

1998年，Starcoat XL® 和 Ecolux XL® 高級熒光燈問世，壽命延長。

 

1999年，白色LED燈問世。

 

2000年，T5熒光燈問世，熒光燈直徑更小，在多種應用場合提供了一種節能解決方案。

 

　　2000年，LED應用於室內照明。2000年，由於氮化镓的發現，科學家開發出用於照明的新型發光二極管燈泡。這種燈泡具有效率高、壽命長的特點，可連續使用10萬小時，比普通白熾燈泡長100倍。LED的開發是繼白熾燈照明發展曆史120年以來的第二次革命。

 

2001年，Reveal® I白熾燈問世，釹玻璃將黃光濾出，從而提供更豐富而鮮明的彩色。

 

2003年，300/320 W CMH® 第一個雙功率陶瓷金鹵燈問世，可在兩個不同的鎮流器上進行操作，並具有相同的彩色再現性。

 

2004年12月22日，中國人發明的第三項無燈絲、無電極的“磁能燈”發明專利與美國在1991年發明的無極燈僅僅相隔了13年時間。

 

中國的第四項無燈絲、無電極高光效環保型的“磁能燈”發明專利在2007年5月16日問世，與中國在2004年12月22日發明的第三項無燈絲、無電極的“磁能燈”發明專利相隔了兩年半時間。中國的第五項用電磁感應原理發明的無燈絲電極的U形磁能燈的發明專利，於2009年7月18日在中國問世，與中國第四項磁能燈發明專利僅僅相隔了兩年的時間。

 

2008年，中國科學院上海技術物理研究所研製的“神舟七號出艙活動照明燈”將為航天員出艙行走以及太空圖像拍攝提供照明。這是世界上首次使用LED（發光二極管）光源作為載人航天器的照明係統，也是我國首個用於太空艙外的照明係統。LED技術的特點是發光效率高，可靠性強，抗震性能好，使用壽命上理論上長達10萬小時，光的顏色、結構都能夠靈活調整。

 

2008年，日本東京的龍穀大學已經開發了一種黑暗中發光的材料，可以發出全彩色的可見光，即赤橙黃綠青藍紫七色光，甚至還能發出白光。他們可以用這種材料提供照明和清楚易讀的緊急信號燈，且不需要電。在光照下，磷光性材料能吸收能量；而在沒有光照的情況下，它就會釋放能量。好的藍和綠二色磷光複合材料已經出現一段時間了，但紅光現在還隻能持續發光幾分鍾而不是小時。於是，研究人員將紅色染料添加到綠色和藍色磷光體中，進而研究出這種能發出全彩光的材料。

 

2009年，太陽能LED照明燈問世。太陽能LED照明集成了太陽能與LED的優點。當陽光照射在太陽能電池陣列上時轉換成電能；電流通過二極管，同時送到可充電電池和燈泡閃光裝置中。在白天，即有光照情況下，有充中的電能供閃光裝置工作；在夜間，即光照停止後，則由存儲在中的電能供電。隻有當長時間無光照以致電池中的電能用完時，這個裝置才停止工作。2010年，太陽能LED路燈問世。

 

2010年5月，杭州納晶科技有限公司美國全資子公司NNCrystal 在美國拉斯維加斯5月12日舉行的第14屆國際燈展展會上推出最新照明技術。這是NNCrystal首次推出高端照明產品，這兩個係列的全新產品是基於NNCrystal獨家發展的兩個用於商業照明的全新技術，Qshift Coral*和Qshift Lucid*。

 

Qshift Coral使用傳統的半導體納米晶（量子點）材料, 通過對光的可控調製來實現對照明光源顏色的精確控製。Qshift Coral技術通過使照明光變得溫暖和增加顯色指數來改善光源的質量，同時與傳統的熒光粉產生的固態照明暖白光相比, 在等同光輸出的基礎上大大降低能耗。Qshift Lucid是一個不含重金屬、基於高性能摻雜量子點的獨特專利技術。與現有稀土熒光粉材料相比，Qshift Lucid具有無色透明的特點。Qshift Lucid代表了照明行業的一種新的商業模式，它提供了絕佳的光學性能和更大的設計靈活性，同時避免了有毒物質，如鎘和汞的使用。

 

2010年11月，台灣的蘇博士研究發現，給樹木注射的金納米粒子可以誘導植物葉子發出紅光。比起目前較為經濟的LED照明來說，這種植物發光過程不會散發出像熒光粉之類的有毒化學物質。如能將該技術推廣，那麽街道照明不僅可以節約能源，還能增加植物吸收二氧化碳的機會，有助於改善城市居住環境。如果該技術應用於室內照明，牆壁和天花板都可以掛滿植物了，真正的綠色居室！

 

 

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