电光源的功效及其测算

迈克·伍德

【摘 要】 经由电光源的辐射光谱和人眼明视觉曲线，探讨与测算电光源的功效及其最大值。

【关键词】 电光源；功效；效率；明视觉曲线；LED

文章编号： 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，笔者曾作过一次讲座，谈论到白光光源的最大功效已经达到约250 lm/W（流明每瓦），当时有一位听众提醒笔者，就在那个月Cree公司发布了一则新闻稿说，它们的新型LED的功效已经突破了300 lm/W的界限。笔者该如何将自己刚刚所说的与Cree公司新闻发布稿中所提及的两个功效数值相调和呢？这两个数值中肯定有一个出了毛病（不言而喻的是这个差错最可能出于笔者自己）。

很幸运，笔者看见了相同的新闻发布稿，知道了Cree突破性进展的情况，并能够解释为什么这两个数值都是正确的，而这种解释或许是有趣的。

1 功效与效率

本文的讨论从考虑功效意味着什么开始。当谈论电光源将电能转换成光能时它有多么高效，为什么使用功效（efficacy）一词而不用效率（efficiency）一词？因为该问题常常牵连着光度学，所以每当谈论光的问题时，必须涉及到人眼以及我们能够看见什么。光测量不是绝对的，但总是参考一般观察者的能力。以瓦特计量电功率，同样地也以瓦特计量电磁辐射。然而，瓦特本身并没有说明，看见那个辐射能有多好的视觉效果。例如，人们可以感受到很多瓦特的紫外电磁辐射能量，但是仍然不能看见它们。因此，在这种情况下，对人眼而言，没有引发视觉的能量。对应于瓦特的视觉单位的名称是“流明”。使用流明这个词，明确地意味着人眼能够看见光的功率，而不包含任何其他的能量。如果没能看见光，那么按照定义它没有发射流明，不管有多少不可见的红外线、紫外线或微波能量由它发射出来。当笔者试图计算出电光源工作得多好时，所感兴趣的是它消耗的电能与它发射的可见光能之间的关系。如果那些能量都能用相同的单位来测量，那么我们可以将这个结果称为效率。例如，电动机的效率可能与取自于电源的能量有关，以瓦特计量，相对于产生于输出轴的机械能，同样也以瓦特计量。如果马达消耗100 W电能而产生75 W机械能，那么它的效率是75 W/100 W = 75%。然而，在光的情况中，输入能量用瓦特计量，而输出则用流明计量。由于这些单位不同，所以不能只是用一个量除以另一个量以得出一个百分比，那是毫无意义的。而仍然用输出能量除以输入能量，但是使单位保持各自不同并将它称为“功效”以示区别。和电机相类似的电光源，可能消耗相同的100 W功率，而发射出7 500 lm的光。那么我们说其功效是7 500 lm/100 W=75 lm/W。

2 电光源功效的最大值

效率和功效之间的区别关键是，在电动机的效率情况中其上限值一定是显而易见的。永恒运动是不可能的，因此输出能量不可能大于输入能量，因为测量单位是相同的，由此得出其效率不可能大于100%。上述情况同样也适用于电光源，电光源发出的光能一定少于输入的能量，但是多大功效最为接近100%最高点位？多少流明每瓦代表它是完美的电光源，将每个电子都变成了可见的光子？

2.1 人眼明视觉曲线

由于流明测量依赖于人眼视觉灵敏度，以及人眼观察不同色彩或波长的反应有巨大的差异，光源的最大功效也依赖于波长或波长的混合。图1应该是读者熟悉的，是目前常用的CIE1924明视觉曲线。它代表了人眼对不同色彩的视觉灵敏度。

注释：笔者几乎讨厌使用CIE1924明视觉曲线，而宁愿使用更能精确代表人类视觉的更新的ANSI E1.48曲线，但在本文中笔者并没选择更新了的曲线，是因为在这里所引用的Cree产品以及其他产品都使用了CIE1924曲线。坚持改变曲线的使用将是没有礼仪的行为，并会引起混淆迷惑。如果使用ANSI E1.48明视觉曲线，在这里讨论的一切同样可适用的（虽然在数字上有些变化）。

从短波开始考察，人眼对UV（紫外线）的灵敏度为0，人们观看蓝光而产生的视感相当弱，进入绿色波长，人眼灵敏度逐渐增加。明视觉曲线的波峰位于黄绿色的555 nm，而后进入红色波长，人眼灵敏度再一次下降，直至不可见的IR（红外线）。流明是这样定义的，即明视觉曲线波峰555 nm单色的1 W绿光将引发人眼相当于583 lm的光。这个定义本质上是硬性规定的，但是形成了所有颜色光度学测定的基础。现在，可以由此从视觉曲线的中心向两侧扩展，观看1 W 650 nm的光将引发约68 lm，而1 W 500 nm的光则引发约200 lm。这为理解光源100%效能意味着什么，已打下了基础。

对于555 nm的绿光，100%的效能将意味着583 lm/W，而对于650 nm的红光，68 lm/W恰好代表其100%的功效，而对于500 nm的蓝绿光，其100%将是230 lm/W。100%所对应的最大功效并不是唯一的答案！因为功效依赖于流明，而流明又依赖于人眼视觉，最大功效随波长或色彩而变化。

作为单波长的单色光，其100%的功效意味着多少流明每瓦，那是相对简单的，而对于宽波段的包含着许多不同色彩的电光源，或许它是连续光谱的电光源，那又该怎么估算？对于白光光源又该怎么样评价？

不得不做的事是概念性地将电光源光谱分解成许许多多单个波长，算出每个波长的功效，而后以适当的比例再将它们累加起来（在数学上，这等同于明视觉曲线所包含的光谱区域）。幸运的是数学不是那么太复杂，Excel很容易掌握。让我们看看几个实际电光源的例子以及每个电光源的最大可能的功效。

2.2 低压钠灯（LPS）的最大功效

第一个电光源是低压钠灯（LPS），我们对其非常熟悉，在老旧的停车场呈现糟糕的黄光。这是一个微不足道的极简例子，因为它本质上由单一谱线组成（实际上有两条紧挨着的谱线），所以这种简单模型给予我们直接了当的结果。

图2显示叠加在点线式的明视觉曲线上的单一橙色尖峰以供参考。在这个波长，100%高效的灯泡将产生517 lm/W。也就是说，灯泡消耗每瓦功率将产生517 lm的可见光辐射。听起来这是非常好的结果，但是其实低压钠灯（LPS）的显色性是很差的。

2.3 白炽灯泡的最大功效

白炽灯泡是大家所熟悉的，它具有极好的显色性，但不幸的是，它在人眼不可见的光谱区域内辐射大量的能量。如图3，即使将光谱分析范围限制在400 nm和700 nm之间，仍然可获得153 lm/W，但与LPS相比，这个结果相当的低。

换言之，在制造新光源上无论做得多么好，如果它们具有白炽灯泡一样的光谱，那么它们决不会获得高于153 lm/W的功效。

注释：这没什么，只与基础技术有关，这是我们谈论的白炽灯光谱，不是白炽灯技术，具有这种相同的光谱的LED或其他的光源仍然会受限于153 lm/W。

2.4 标准日光的最大功效

如图4，日光的功效比247 lm/W略好一些。确实，约250 lm/W的数字常常被引用作为白光光源标准的最高功效，也是笔者在讲座中谈论到的数字。那么Cree制造的白光LED光源已具有300 lm/W如何看待？那新闻发布稿是否仅仅是市场营销的说辞？

为获得高于250 lm/W的功效，可以做的是终止考察连续光谱，尤其是那些不能很好看见的光谱区域，反之要集中于我们能最佳看见产生光的波长，并试图使其看起来是白光。回来再看图1，在明视觉曲线内，我们要设计光源以使它们响应最大化。

图5显示典型荧光粉转换型白光LED的光谱，蓝泵LED和宽光谱黄色荧光粉产生了熟悉的双峰型光谱。

观察那黄色波峰的形状，在明视觉曲线中模拟这个波峰是被仔细选择的，在人眼灵敏度最高的黄绿色产生最大的光输出，而在灵敏度低的那些区域只有较少的能量损失。通过设计这样的光谱曲线，如果其他一切都很完美，就可获得最大可能的功效：336 lm/W。其灯光看上去仍是白光，但是已经突破了250 lm/W的界限。显色性不是很完美（从来不会是完美的——我们不得不放弃一些东西以获得高功效，而显色性则是不幸的牺牲品。）但在许多情况中是可以接受的。Cree没有同时发布其300 lm/W产品的光谱细节，但是笔者可以确定它看上去如同图5一样的光谱曲线。

难道新闻发布稿仅仅是市场营销说辞？

2.5 LED光源的最大功效

Cree制造的荧光粉转换型白光LED的功效已经达到将要获得的300 lm/W吗？是的，不完全是。通过系统的博弈，甚至可以获得更高的功效。说来有趣，借助使用熟悉的RGB阵列的3种光源和选择3种色彩，以使它们将来自视觉曲线的回报我们能够获得的光输出最大化，其功效可达400 lm/W以上。图6显示接近最佳结果404 lm/W的一个例子。

为了实现这个结果，每一个发射器将不得不以100%高效地发射它们各自的色光；红色发光器将必须在610 nm以100%高效发光，在绿色和蓝色波段的发光功效同样如此。当再一次放弃显色性以获取高功效，为了节能准备放弃显色性。然而要准备接受的显色性，无论它如何差，因为要制造高于400 lm/W的白光光源是不可能的。那是绝对上限。将其置于上下文考量，Cree和其他LED制造商达到的300 lm/W，对于笔者而言，更加令人钦佩。与粗略最大值400 lm/W相比，这个装置产生了最大可能的白光的约75%。这令人震惊！在非常短暂的时间里，我们始于白炽灯泡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%）。其结果也暗示了蓝光加黄荧光粉通用的白光LED很可能是短命的设计，最终将被三色或三色以上的LED混光模式所替代。

在现实世界，这意味着什么？当前出厂产品距离400 lm/W，甚至在实验室取得的300 lm/W还有很长一段路，然而200 lm/W器件已经产品化（美国能源部基于它们最初的200 lm/W目标作为理论上可能的400 lm/W的50%高效率照明，这是明智的目标）。最近十年，我们查看过的难以置信的LED陡峭曲线变得越来越好，变得越来越平缓，越来越亮。笔者对此充满期盼，因为LED发展将转移到更好的品质、更低廉的价格，而不仅仅是提升原始的功率。

（本文编译自美国《Protocol》杂志2014年夏季刊《Efficacy-How good can it get ？》一文）

（编辑 张冠华）