一、LED的應(yīng)用
LED的特點(diǎn)決定了它除了視覺用途外，還有很多其他的應(yīng)用，即非視覺應(yīng)用。目前所知的主要包括農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域，若把光在這些領(lǐng)域的應(yīng)用稱作廣義的照明學(xué)科，那照明學(xué)科的內(nèi)涵將獲得極大的發(fā)展。
1、LED 在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用
LED在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用主要用于植物的補(bǔ)光，而植物生長則依靠太陽光的光合作用。生物學(xué)統(tǒng)計(jì)表明，大部分植物為綠色植物，其中都含有葉綠素a與葉綠素b，而葉綠素a與葉綠素b對光譜是選擇性吸收的。含有葉綠素a與葉綠素b的植物，對綠光的吸收是很少的，其主要的吸收峰分別在650nm與440nm附近，且葉綠素a與葉綠素b吸收峰不同但比較接近。因此，可以認(rèn)為植物的生長主要是依靠這些光譜進(jìn)行光合作用。進(jìn)一步的研究也表明，不同的植物對不同波長光的吸收與光合作用也不一樣，這個(gè)從不同的植物有不同的顏色(即反射太陽光部分)也可以理解。
由于LED具有很大的光譜靈活性，因此我們可以針對不同的植物選擇合適的光譜進(jìn)行照射，可以想象，這樣的植物補(bǔ)光將具有比傳統(tǒng)光源更大的效率優(yōu)勢。在這種LED應(yīng)用中，建立不同植物的光譜光合作用效率曲線是提高效率的基礎(chǔ)。因此，與目前的視覺科學(xué)對應(yīng)，是否將產(chǎn)生植物光合作用科學(xué)?
LED在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用還包括殺蟲，抗菌等。如一些特定的光譜對某些蟲類、菌類有抑制作用，那么研究這種抑制作用一樣具有很大的意義，而這將誕生另一類照明科學(xué)研究。
此外，LED在動物養(yǎng)殖上也有很大的用途。其主要應(yīng)用是為動物營造一個(gè)優(yōu)選的照明光環(huán)境問題，這也是照明科學(xué)有待研究的課題。
2、LED在醫(yī)療上的應(yīng)用
LED在醫(yī)療上的應(yīng)用主要包括光治療與康復(fù)、保健等。
光照療法(light therapy)的原理是：特定波長的單色光具有影響細(xì)胞生物學(xué)行為的能力，且無明顯的損傷作用。長期以來，激光作為照射光源，由于其體積大、價(jià)格昂貴，無法照射大面積的傷口等問題使得激光在醫(yī)療上的應(yīng)用受到限制。
與激光相比，LED光源體積小、價(jià)格相對便宜且具有各種光譜，還可采用多個(gè)LED排成陣列應(yīng)用于大面積傷口照射，同時(shí)通過選用不同波長的LED可實(shí)現(xiàn)光治療的波長優(yōu)選，加上LED的高效率，使得LED在光治療上有很大的應(yīng)用潛力，LED在醫(yī)療保健與康復(fù)上的應(yīng)用也基于同樣的原理。
在這些LED醫(yī)療應(yīng)用中，同樣存在LED光照的優(yōu)選問題，即針對某一種治療，哪一類光譜最合適?怎樣的強(qiáng)度，怎樣的照射方式(脈沖方式/穩(wěn)態(tài)方式)最合適?照射周期怎樣最好?這些都是廣義的照明學(xué)科范疇，值得科學(xué)研究的。
LED在醫(yī)療上的應(yīng)用與農(nóng)業(yè)略有不同。在醫(yī)療應(yīng)用中，由于人體內(nèi)具有各種組織，那么LED光源不僅要考慮對某些組織生長的促進(jìn)作用，還要考慮對其他多種組織的破壞作用。因此，LED在醫(yī)學(xué)上的研究將復(fù)雜的多。
隨著LED技術(shù)的發(fā)展，除上述之外，LED還將誕生出各種應(yīng)用，而這些應(yīng)用的研究，也將極大的豐富照明學(xué)科的研究內(nèi)涵。
值得一提的是，LED與通信技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生的LED可見光通信技術(shù)，將有很大的應(yīng)用前景。但是，在LED通信中，LED只是一個(gè)載體。因此，盡管未來這是與照明相關(guān)的一個(gè)交叉學(xué)科，但是，嚴(yán)格的說，這個(gè)不屬于照明學(xué)科的范疇，而是通信學(xué)科的一部分。
二、LED改變照明學(xué)科的重心
照明學(xué)科是以光度學(xué)、色度學(xué)為學(xué)科基礎(chǔ)的，其中光度學(xué)是由科學(xué)家朗伯(Lambert)在1760年創(chuàng)立;而色度學(xué)則經(jīng)歷過比較漫長的過程，從CIE1931、 CIE1964、CIE1976多次對CIE色度系統(tǒng)進(jìn)行修正才完善;1974年，顯色性的評價(jià)指數(shù)基本確定下來。在此之后的近四十年里，照明學(xué)科本身沒有大的發(fā)展。究其原因，作為照明的物質(zhì)基礎(chǔ)的光源，包括熱輻射光源、氣體放電光源在光譜等基本形態(tài)上沒有大的變化，而以光度學(xué)、色度學(xué)為基礎(chǔ)的照明學(xué)科又能基本上滿足采用這些光源的照明實(shí)踐需要。
20世紀(jì)80年代，國外廠家首先發(fā)明了緊湊型熒光燈。之后近十年里各國都投身在其光效、顯色性、壽命研究中，并取得了較大進(jìn)展，以至于CFL成為目前室內(nèi)照明的最主要光源。而作為60年代的HID光源，一直是光源研究的熱點(diǎn)，并在燈具光效、顯色性、壽命等方面為此，該領(lǐng)域誕生了照明領(lǐng)域另一個(gè)重要的國際會議及其組織，即LS:XX會議及FAST-LS，并使LS會議成為照明領(lǐng)域除CIE之外的最重要國際會議。
一直以來，照明學(xué)科的重心是作為照明的物質(zhì)基礎(chǔ)的光源，而不是照明本身，LED的出現(xiàn)將改變這種局面。
近年來，LED技術(shù)快速發(fā)展，其中最重要的指標(biāo)之一—光效已從十年前的10lm/W左右提高到目前的市售產(chǎn)品的130lm/W，而實(shí)驗(yàn)室的樣品已達(dá)到300lm/W以上，而價(jià)格也很親民。同時(shí)由于LED器件的壽命、可靠性等都有了很大的提高，使得LED在尺度空間、光譜空間、時(shí)間空間的無限靈活性正凸顯出優(yōu)勢。目前LED在信號、顯示等領(lǐng)域已經(jīng)成為主流的光源;在視覺照明領(lǐng)域(室內(nèi)、室外等)，占據(jù)著領(lǐng)導(dǎo)地位;在農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、通信等領(lǐng)域，近年來也在快速增長中。
在以上LED應(yīng)用前景中，都是基于LED三個(gè)無限靈活性。然而，目前LED的發(fā)展未能完全實(shí)現(xiàn)LED的這種靈活性，特別是LED光譜的無限靈活性。一般來說，LED的光譜半寬度為20~30nm，且可通過改變LED材料的摻雜實(shí)現(xiàn)可見光范圍的大部分光譜，由于可實(shí)現(xiàn)的各個(gè)中心波長的LED光電效率不同，特別是綠光LED的效率很低，目前商業(yè)產(chǎn)品仍然低于20%。因此，提高綠光LED的光電效率將是實(shí)現(xiàn)LED真正的光譜無限靈活性的必要條件。在LED綠光的效率尚未獲得較大發(fā)展之前，研究提高綠光LED的光電效率將是照明學(xué)科的一個(gè)研究重點(diǎn)。
三、 LED視覺科學(xué)內(nèi)容需要完善與補(bǔ)充
如前文所說，廣義的照明學(xué)科實(shí)際上包括視覺科學(xué)與非視覺科學(xué)部分。LED的靈活性決定了它廣泛的應(yīng)用前景，并拓展了照明學(xué)科中的非視覺部分;另一方面，LED也將促使照明學(xué)科中的視覺科學(xué)部分進(jìn)一步完善與修正。例如：
1、脈沖光的視覺照明學(xué)科問題
光度學(xué)、色度學(xué)都是建立在傳統(tǒng)光源基礎(chǔ)上，由于傳統(tǒng)光源包括光度學(xué)建立時(shí)的蠟燭等非電光源及色度學(xué)建立時(shí)的熱輻射光源與氣體放電光源等，都是基本穩(wěn)定的，我們姑且稱之為穩(wěn)態(tài)光源。而LED由于開關(guān)時(shí)間短，且在調(diào)光使用時(shí)采用PWM的調(diào)光方式，開關(guān)非常方便，相當(dāng)于LED在非穩(wěn)態(tài)的情況下工作。那么，直接的問題是，建立在穩(wěn)態(tài)光條件下的照明科學(xué)(視覺科學(xué))是否適合于非穩(wěn)態(tài)下的照明?目前對此尚無定論。如果最后研究發(fā)現(xiàn)脈沖光下相關(guān)視覺照明具有不一樣的現(xiàn)象，那么至少應(yīng)該誕生“脈沖光度學(xué)”，“脈沖色度學(xué)”。
2、光源顯色性的評價(jià)方法
對光源的顯色性被普遍接受的評價(jià)方式是顯色指數(shù)。按照顯色指數(shù)的物理意義：光源照射下產(chǎn)生物體本來顏色的能力，所謂的物體本來顏色即指太陽光照射下或者標(biāo)準(zhǔn)黑體照射下的顏色。在進(jìn)行定量計(jì)算時(shí)，用14塊標(biāo)準(zhǔn)色板，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)光源與被測光源分別照射下的顏色差異以獲得顯色指數(shù)。
在LED之前，主要的電光源有白熾燈、熒光燈、高壓鈉燈、金鹵燈等。盡管可以通過改變燈內(nèi)填充成分適當(dāng)?shù)馗淖児庾V，但是總體上光譜形式是有限的。因此，計(jì)算顯色指數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式符合這幾種光源就行。然而，LED的出現(xiàn)，將使這種近似表征出現(xiàn)問題。由于LED光譜的靈活性，可通過多個(gè)LED器件組裝出任何光譜，與此同時(shí)光源的流明光效也一定程度降低。如果人類有一天可以接受適當(dāng)?shù)慕档托?，那么，建立一個(gè)“類標(biāo)準(zhǔn)燈指數(shù)”或者“類太陽光譜指數(shù)”可能是最好的表征顯色性的方法。
3、視覺照明應(yīng)用中評價(jià)指標(biāo)的再審視
照明學(xué)科的發(fā)展是基于其物質(zhì)基礎(chǔ)光源的，而可獲得的光源的特性決定了照明評價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)。例如，高壓鈉燈的顯色指數(shù)是20左右，在傳統(tǒng)光源的光效中較為不錯，而道路等室外照明要求相對較低，因此，我們自然接受了道路照明顯色指數(shù)很低的事實(shí)。同時(shí)LED在尺度空間、光譜空間、時(shí)間空間的無限靈活性，可以說“一切皆有可能”，那么，未來我們是否能接受顯色指數(shù)低的道路照明標(biāo)準(zhǔn)?
目前，得益于白光LED主流的蘭光+黃光熒光粉的技術(shù)路線，使得LED顯色指數(shù)達(dá)到70以上，未來道路照明的顯色指數(shù)達(dá)到70以上是遲早的事。但是，隨著綠光LED效率的大幅度提高，RGB白光方式(可進(jìn)一步引申為多光譜混色)理論上將成就LED的更大效率及調(diào)光譜、調(diào)色的無限可能，因而未來的白光技術(shù)路線將轉(zhuǎn)向RGB方式。屆時(shí)，顯色指數(shù)與效率這一對矛盾的折中將在道路照明的顯色性指標(biāo)上形成爭論，即多高的顯色指數(shù)是合適的?相信不會是20，也不會是70。
由于LED的高度靈活性， 因而在未來的很多視覺照明評價(jià)指標(biāo)上，需要照明學(xué)科的新的研究與探索。
LED的特點(diǎn)決定了它除了視覺用途外，還有很多其他的應(yīng)用，即非視覺應(yīng)用。目前所知的主要包括農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域，若把光在這些領(lǐng)域的應(yīng)用稱作廣義的照明學(xué)科，那照明學(xué)科的內(nèi)涵將獲得極大的發(fā)展。
1、LED 在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用
LED在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用主要用于植物的補(bǔ)光，而植物生長則依靠太陽光的光合作用。生物學(xué)統(tǒng)計(jì)表明，大部分植物為綠色植物，其中都含有葉綠素a與葉綠素b，而葉綠素a與葉綠素b對光譜是選擇性吸收的。含有葉綠素a與葉綠素b的植物，對綠光的吸收是很少的，其主要的吸收峰分別在650nm與440nm附近，且葉綠素a與葉綠素b吸收峰不同但比較接近。因此，可以認(rèn)為植物的生長主要是依靠這些光譜進(jìn)行光合作用。進(jìn)一步的研究也表明，不同的植物對不同波長光的吸收與光合作用也不一樣，這個(gè)從不同的植物有不同的顏色(即反射太陽光部分)也可以理解。
由于LED具有很大的光譜靈活性，因此我們可以針對不同的植物選擇合適的光譜進(jìn)行照射，可以想象，這樣的植物補(bǔ)光將具有比傳統(tǒng)光源更大的效率優(yōu)勢。在這種LED應(yīng)用中，建立不同植物的光譜光合作用效率曲線是提高效率的基礎(chǔ)。因此，與目前的視覺科學(xué)對應(yīng)，是否將產(chǎn)生植物光合作用科學(xué)?
LED在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用還包括殺蟲，抗菌等。如一些特定的光譜對某些蟲類、菌類有抑制作用，那么研究這種抑制作用一樣具有很大的意義，而這將誕生另一類照明科學(xué)研究。
此外，LED在動物養(yǎng)殖上也有很大的用途。其主要應(yīng)用是為動物營造一個(gè)優(yōu)選的照明光環(huán)境問題，這也是照明科學(xué)有待研究的課題。
2、LED在醫(yī)療上的應(yīng)用
LED在醫(yī)療上的應(yīng)用主要包括光治療與康復(fù)、保健等。
光照療法(light therapy)的原理是：特定波長的單色光具有影響細(xì)胞生物學(xué)行為的能力，且無明顯的損傷作用。長期以來，激光作為照射光源，由于其體積大、價(jià)格昂貴，無法照射大面積的傷口等問題使得激光在醫(yī)療上的應(yīng)用受到限制。
與激光相比，LED光源體積小、價(jià)格相對便宜且具有各種光譜，還可采用多個(gè)LED排成陣列應(yīng)用于大面積傷口照射，同時(shí)通過選用不同波長的LED可實(shí)現(xiàn)光治療的波長優(yōu)選，加上LED的高效率，使得LED在光治療上有很大的應(yīng)用潛力，LED在醫(yī)療保健與康復(fù)上的應(yīng)用也基于同樣的原理。
在這些LED醫(yī)療應(yīng)用中，同樣存在LED光照的優(yōu)選問題，即針對某一種治療，哪一類光譜最合適?怎樣的強(qiáng)度，怎樣的照射方式(脈沖方式/穩(wěn)態(tài)方式)最合適?照射周期怎樣最好?這些都是廣義的照明學(xué)科范疇，值得科學(xué)研究的。
LED在醫(yī)療上的應(yīng)用與農(nóng)業(yè)略有不同。在醫(yī)療應(yīng)用中，由于人體內(nèi)具有各種組織，那么LED光源不僅要考慮對某些組織生長的促進(jìn)作用，還要考慮對其他多種組織的破壞作用。因此，LED在醫(yī)學(xué)上的研究將復(fù)雜的多。
隨著LED技術(shù)的發(fā)展，除上述之外，LED還將誕生出各種應(yīng)用，而這些應(yīng)用的研究，也將極大的豐富照明學(xué)科的研究內(nèi)涵。
值得一提的是，LED與通信技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生的LED可見光通信技術(shù)，將有很大的應(yīng)用前景。但是，在LED通信中，LED只是一個(gè)載體。因此，盡管未來這是與照明相關(guān)的一個(gè)交叉學(xué)科，但是，嚴(yán)格的說，這個(gè)不屬于照明學(xué)科的范疇，而是通信學(xué)科的一部分。
二、LED改變照明學(xué)科的重心
照明學(xué)科是以光度學(xué)、色度學(xué)為學(xué)科基礎(chǔ)的，其中光度學(xué)是由科學(xué)家朗伯(Lambert)在1760年創(chuàng)立;而色度學(xué)則經(jīng)歷過比較漫長的過程，從CIE1931、 CIE1964、CIE1976多次對CIE色度系統(tǒng)進(jìn)行修正才完善;1974年，顯色性的評價(jià)指數(shù)基本確定下來。在此之后的近四十年里，照明學(xué)科本身沒有大的發(fā)展。究其原因，作為照明的物質(zhì)基礎(chǔ)的光源，包括熱輻射光源、氣體放電光源在光譜等基本形態(tài)上沒有大的變化，而以光度學(xué)、色度學(xué)為基礎(chǔ)的照明學(xué)科又能基本上滿足采用這些光源的照明實(shí)踐需要。
20世紀(jì)80年代，國外廠家首先發(fā)明了緊湊型熒光燈。之后近十年里各國都投身在其光效、顯色性、壽命研究中，并取得了較大進(jìn)展，以至于CFL成為目前室內(nèi)照明的最主要光源。而作為60年代的HID光源，一直是光源研究的熱點(diǎn)，并在燈具光效、顯色性、壽命等方面為此，該領(lǐng)域誕生了照明領(lǐng)域另一個(gè)重要的國際會議及其組織，即LS:XX會議及FAST-LS，并使LS會議成為照明領(lǐng)域除CIE之外的最重要國際會議。
一直以來，照明學(xué)科的重心是作為照明的物質(zhì)基礎(chǔ)的光源，而不是照明本身，LED的出現(xiàn)將改變這種局面。
近年來，LED技術(shù)快速發(fā)展，其中最重要的指標(biāo)之一—光效已從十年前的10lm/W左右提高到目前的市售產(chǎn)品的130lm/W，而實(shí)驗(yàn)室的樣品已達(dá)到300lm/W以上，而價(jià)格也很親民。同時(shí)由于LED器件的壽命、可靠性等都有了很大的提高，使得LED在尺度空間、光譜空間、時(shí)間空間的無限靈活性正凸顯出優(yōu)勢。目前LED在信號、顯示等領(lǐng)域已經(jīng)成為主流的光源;在視覺照明領(lǐng)域(室內(nèi)、室外等)，占據(jù)著領(lǐng)導(dǎo)地位;在農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、通信等領(lǐng)域，近年來也在快速增長中。
在以上LED應(yīng)用前景中，都是基于LED三個(gè)無限靈活性。然而，目前LED的發(fā)展未能完全實(shí)現(xiàn)LED的這種靈活性，特別是LED光譜的無限靈活性。一般來說，LED的光譜半寬度為20~30nm，且可通過改變LED材料的摻雜實(shí)現(xiàn)可見光范圍的大部分光譜，由于可實(shí)現(xiàn)的各個(gè)中心波長的LED光電效率不同，特別是綠光LED的效率很低，目前商業(yè)產(chǎn)品仍然低于20%。因此，提高綠光LED的光電效率將是實(shí)現(xiàn)LED真正的光譜無限靈活性的必要條件。在LED綠光的效率尚未獲得較大發(fā)展之前，研究提高綠光LED的光電效率將是照明學(xué)科的一個(gè)研究重點(diǎn)。
三、 LED視覺科學(xué)內(nèi)容需要完善與補(bǔ)充
如前文所說，廣義的照明學(xué)科實(shí)際上包括視覺科學(xué)與非視覺科學(xué)部分。LED的靈活性決定了它廣泛的應(yīng)用前景，并拓展了照明學(xué)科中的非視覺部分;另一方面，LED也將促使照明學(xué)科中的視覺科學(xué)部分進(jìn)一步完善與修正。例如：
1、脈沖光的視覺照明學(xué)科問題
光度學(xué)、色度學(xué)都是建立在傳統(tǒng)光源基礎(chǔ)上，由于傳統(tǒng)光源包括光度學(xué)建立時(shí)的蠟燭等非電光源及色度學(xué)建立時(shí)的熱輻射光源與氣體放電光源等，都是基本穩(wěn)定的，我們姑且稱之為穩(wěn)態(tài)光源。而LED由于開關(guān)時(shí)間短，且在調(diào)光使用時(shí)采用PWM的調(diào)光方式，開關(guān)非常方便，相當(dāng)于LED在非穩(wěn)態(tài)的情況下工作。那么，直接的問題是，建立在穩(wěn)態(tài)光條件下的照明科學(xué)(視覺科學(xué))是否適合于非穩(wěn)態(tài)下的照明?目前對此尚無定論。如果最后研究發(fā)現(xiàn)脈沖光下相關(guān)視覺照明具有不一樣的現(xiàn)象，那么至少應(yīng)該誕生“脈沖光度學(xué)”，“脈沖色度學(xué)”。
2、光源顯色性的評價(jià)方法
對光源的顯色性被普遍接受的評價(jià)方式是顯色指數(shù)。按照顯色指數(shù)的物理意義：光源照射下產(chǎn)生物體本來顏色的能力，所謂的物體本來顏色即指太陽光照射下或者標(biāo)準(zhǔn)黑體照射下的顏色。在進(jìn)行定量計(jì)算時(shí)，用14塊標(biāo)準(zhǔn)色板，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)光源與被測光源分別照射下的顏色差異以獲得顯色指數(shù)。
在LED之前，主要的電光源有白熾燈、熒光燈、高壓鈉燈、金鹵燈等。盡管可以通過改變燈內(nèi)填充成分適當(dāng)?shù)馗淖児庾V，但是總體上光譜形式是有限的。因此，計(jì)算顯色指數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式符合這幾種光源就行。然而，LED的出現(xiàn)，將使這種近似表征出現(xiàn)問題。由于LED光譜的靈活性，可通過多個(gè)LED器件組裝出任何光譜，與此同時(shí)光源的流明光效也一定程度降低。如果人類有一天可以接受適當(dāng)?shù)慕档托?，那么，建立一個(gè)“類標(biāo)準(zhǔn)燈指數(shù)”或者“類太陽光譜指數(shù)”可能是最好的表征顯色性的方法。
3、視覺照明應(yīng)用中評價(jià)指標(biāo)的再審視
照明學(xué)科的發(fā)展是基于其物質(zhì)基礎(chǔ)光源的，而可獲得的光源的特性決定了照明評價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)。例如，高壓鈉燈的顯色指數(shù)是20左右，在傳統(tǒng)光源的光效中較為不錯，而道路等室外照明要求相對較低，因此，我們自然接受了道路照明顯色指數(shù)很低的事實(shí)。同時(shí)LED在尺度空間、光譜空間、時(shí)間空間的無限靈活性，可以說“一切皆有可能”，那么，未來我們是否能接受顯色指數(shù)低的道路照明標(biāo)準(zhǔn)?
目前，得益于白光LED主流的蘭光+黃光熒光粉的技術(shù)路線，使得LED顯色指數(shù)達(dá)到70以上，未來道路照明的顯色指數(shù)達(dá)到70以上是遲早的事。但是，隨著綠光LED效率的大幅度提高，RGB白光方式(可進(jìn)一步引申為多光譜混色)理論上將成就LED的更大效率及調(diào)光譜、調(diào)色的無限可能，因而未來的白光技術(shù)路線將轉(zhuǎn)向RGB方式。屆時(shí)，顯色指數(shù)與效率這一對矛盾的折中將在道路照明的顯色性指標(biāo)上形成爭論，即多高的顯色指數(shù)是合適的?相信不會是20，也不會是70。
由于LED的高度靈活性， 因而在未來的很多視覺照明評價(jià)指標(biāo)上，需要照明學(xué)科的新的研究與探索。
