从普通光源计算发射光谱

我喜欢我一年前购买的飞利浦色调照明系统。该系统允许您使用智能手机设置数百万种不同的颜色和数千个亮度级别，以供多达18个灯泡。您还可以对系统进行编程，以便在接近住所（称为地理申请）或在一天中的特定时间时自动打开。但是，光质量与其他照明技术相比如何？

直观的家庭照明系统

飞利浦色调系统通过改变输出的蓝色，绿色和红灯的量来工作，您可以直接从智能手机设置。如果您对特定颜色的光敏感，则只需避免它即可。您可以根据自己的心情来设置照明，以帮助集中，精力充沛，阅读或放松。例如，有一种“浓缩”模式优先输出更多的蓝光，该模式已显示出可以增强浓缩能力的能力。在晚上放松时，我会使用“日落”模式，该模式提供了更多的红色和橙色。

在系统中生活了一段时间后，我也发现了一些长期优势：

• 与我的旧荧光灯相比，晚上，我倾向于在晚上更容易入睡。
• 自升级该系统以来，我的电费每月下降了约21美元。这是因为12 W发光二极管（LED）灯泡可以产生与60 W白炽灯泡相同的光输出。

比较我公寓中某些照明系统的设置。左：柔软的白色。中间：红色。右：蓝色雨。

我试图说服我的父母购买该系统，但我的销售投入并没有摇摆。我最近给他们买了该系统作为圣诞礼物，因为我是个好儿子。我演示该系统时听到的第一个评论是：“哇，光线如此自然。”这促使我研究了为什么，以及是否可以使用ComsolMultiphysics®软件来研究基础物理。答案在于高效LED灯泡产生的发射光谱。通过将自然光的发射光谱与白炽灯，荧光和LED灯泡产生的发射光谱进行比较，我们可以更好地理解这种现象。

在comsol多物理学中绘制发射光谱

下面绘制了自然日光以及白炽，荧光和LED灯泡的发射光谱。如您所见，发射光谱是非常不同的，并且它们都无法完美地复制自然日光。

自然日光

让我们从阳光到达地球表面的日光开始。目前尚无人造光源再现发射光谱的方法。然而，轻型管道（或轻型管）可用于将进入的日光重定向到地下位置，例如地铁站。一个例子是柏林的地下火车站。一条灯管延伸到车站上方（如下所示，在左图中）并收集光线，该光线通过特殊管道传输到地下站（如下所示，在右侧）。

左：柏林火车站入口处的轻型管。Dabbelju的图像 - 自己的作品。获得许可CC BY-SA 3.0， 通过Wikimedia Commons。右：光管将光线传输到地下端子。图片由Thilk Krech -Flickr。获得许可CC由2.0， 通过Wikimedia Commons。

轻型管会在白天对火车站产生更自然的照明。这种方法的明显缺点是，它在夜间不起作用，从而需要模仿自然日光的人造光形式。

自然光的发射光谱通常遵循频谱可见部分的普朗克分布，如下所示。尽管强度在浅蓝色区域（约460 nm）中，但没有颜色极为偏爱另一个颜色。

可见光的发射光谱从太阳到达地球表面。

白炽灯泡

白炽灯泡包含钨丝，当电流通过其进行电流时，该钨丝会被电阻加热。在2000 K左右的温度下，细丝开始发出可见光。为了防止钨丝燃烧，灯泡充满了气体，通常是氩气。细丝中产生的热通过辐射传输到周围环境，对流和传导。白炽灯泡比自然日光发出的红光比例更大。发射甚至延伸到电磁光谱的红外部分，从而浪费能量并降低灯泡的整体效率。

典型白炽灯泡的可见范围内的发射光谱。

荧光灯

荧光灯通常由长的玻璃管组成，该玻璃管含有低压混合物的汞和稀有气体，例如氩气。在该试管内部，产生非平衡放电（等离子体）。这意味着电子温度与周围气体混合物的温度不同。例如，电子温度可以在20,000 k的顺序上，但气温保持相对接近室温，为300 k。由于等离子体不处于平衡状态，因此电子撞击反应改变了气体混合物的化学成分以碰撞过程控制的方式。这些碰撞会产生电子激发的中性色，随后可以在特定波长下自发发射光子。

可见光是由两种机制产生的：直接从放电中或在管表面上的刺激磷光器产生的光发射。荧光灯通常会给患有irlen综合征的视觉障碍的患者引起问题，并且在长时间暴露于荧光灯时，人们经常抱怨头痛和偏头痛。

正如您在下图中看到的那样，荧光源中的发射光谱看起来很奇怪。量化要么是由于血浆或磷光器的直接发射，但在人眼中，发出的光似乎仍然是白色的。像白炽灯泡一样，荧光灯可能会效率低下，因为需要维持血浆，并且在不可见日的范围内发射辐射。

典型荧光球体的发射光谱。

LED灯泡

LED正在彻底改变照明行业，因为它们在发光功效方面通常更有效，并且比传统的白炽灯技术更耐用。例如，典型的消费者LED灯泡的运行量的10-20％，使亮度可比亮度的白炽灯泡所需的功率。他们的生命还超过25,000小时，而白炽灯泡只有1000小时。

LED比白炽灯泡更有效，因为它们以截然不同的方式起作用。LED是半导体设备，当传导带中的电子通过辐射带与价带中的孔散射到带隙的传导带中的电子。与白炽灯泡不同，LED在非常狭窄的波长范围内发出光。

最初，红色，绿色和黄色的LED是在1950年代和1960年代开发的。但是，这是蓝色LED这导致创建了新的，有效的白光来源。从此类LED发出的蓝光可用于刺激LED外壳周围磷光层的更广泛的发射，也可以直接与红色和绿色LED合并以产生白光。

如下图所示，黄色磷光器设置的LED光谱更接近自然日光。蓝光比白炽灯泡多，几乎所有功率都在可见光谱中发出。

典型的LED灯泡的发射光谱在温暖的白色设置上。

合并的光源

在下面的相同轴上绘制了不同的发射光谱。尽管没有一个灯泡完全繁殖天然日光，但LED灯泡显然是最好的近似值。所有发射都发生在可见的范围内，使设备非常有效。

从日光和典型的白炽灯，荧光和LED灯泡的发射光谱。

通常，白炽灯和荧光灯灯泡具有固定的光输出。还提供具有固定发射光谱的LED灯泡。通过绘制不同光源的发射光谱，我们可以推断出最紧密地复制自然日光的LED灯泡。

发现更多模拟光源的方法

正如我们在这篇博客文章中看到的那样，创建人造光的方法有许多不同的方法。上述所有方法都可以使用具有半导体，等离子体，传热或射线光学模块的COMSOL多物理学以各种详细程度进行建模。

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