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光明視界

光是一種因為電磁作用而產生的「電磁波」,人類眼睛看得到的「可見光」,只是整個電磁波頻譜中的一小段而已。當你看到這篇文章的時候,你就看到了光!
 
 
 
「視覺」是我們認識這個世界最直接且最重要的方式,我們的眼睛靠著接收外界傳來的「光」而看到這個世界。光是一種因為電磁作用而產生的「電磁波」,人類眼睛看得到的「可見光」,只是整個電磁波頻譜中的一小段而已。除了可見光之外,還有依波長順序排列的無線電波、微波、紅外線、紫外線、X光、γ 光等。

人靠著所謂「五感」–視覺(眼)、聽覺(耳)、嗅覺(鼻)、味覺(舌)及觸覺(身)–來閱讀這個世界。而視覺是五感中最有效率的方式,如果各位閉上眼睛,嘗試單腳站立並保持平衡,就能體會此說不假。

眼睛接收到的光可以由物體本身產生,像太陽、各式的電燈、燒紅的鐵塊、爐火、螢火蟲等;也可以是反射其他物體所發的光。其實大多數的物體都不會自己發光,而是靠著反射陽光或燈光才能被我們看到。

古人過著「日出而作、日落而息」的生活,那是因為白天看東西很清楚,所以活動方便;可是到了晚上什麼都看不清楚,只好回家睡大覺。後來的人們用火把、營火、蠟燭、油燈照亮了夜晚的世界,於是開展了豐富多采的夜生活。夜間照明已經是現在生活中非常重要的一環。

「照明」或者說發光的方式有很多種,從遠古的火把、螢火蟲的小屁屁、愛迪生的電燈泡(白熾燈)、家中的日光燈(瑩光燈),到現在最熱門的 LED(發光二極體)。它們雖然都會發光,可是發光的原理及發出的光的特性卻各有千秋。底下就來看一看這些光是如何地不同。

熱輻射發光

愛迪生發明電燈泡的故事,大家都已經耳熟能詳。但其實在他之前就有人發明了類似的東西,只是他的頭腦較靈光,讓電燈普及到全美及世界各地。當時他使用的碳絲燈泡稱為「白熾燈」,其發光原理跟火爐裡的木炭或煉鐵爐火紅的鐵塊是一樣的,因為它們都是經由高溫而發出「熱輻射」成為光源。

一般對於「溫度」的印象,就是傳統水銀溫度計上的水銀柱或是現代耳溫槍上的數字。雖然水銀溫度計與耳溫槍都可用來量測體溫,可是在它們的刻度或數字背後的原理卻是截然不同的。

水銀溫度計的刻度代表的是分子的「動能」。當溫度越高時,分子振動會越激烈,反過來說,就是「分子振動得越激烈,溫度就越高」。當水銀溫度計靠近高溫的物體時,由於熱傳作用,物體把能量傳給水銀分子,於是水銀分子運動的更激烈,分子之間需要的空間更大,水銀的體積就會變大。結果就是膨脹的水銀被擠到上方的細管中,呈現出溫度計指標上升的現象。

耳溫槍的功能雖然也是用來測溫度,但是它不需要直接接觸標的,運用的原理就是測量「熱輻射」。所謂熱輻射,是指物體因為溫度而發出的電磁波,或者更精確地說是物體分子互相碰撞時,因為彼此間的作用而放出的電磁波。由於每個分子的運動方向和速度都不一樣,因此每一次碰撞的情況與發出的電磁波能量都不同。如果收集物體發出的各種電磁波,會發現這些電磁波的能量呈現一種中間高兩邊低的分布,這種分布稱為普朗克分布。

德國科學家維恩發現這種曲線的峰頂位置會隨著溫度而變,因此只要測量物體發出的熱輻射中強度最強的是哪一個波長,就可以根據維恩的公式查出對應的表面溫度。像我們現在知道太陽表面溫度是 5,800K,當然不可能是送一根水銀溫度計到太陽上去測量得到的,而是比較太陽發出的各個波段的強度之後,發現最強的是在可見光部分,因此知道太陽表面溫度大約是 5,800K。

我們的正常體溫大約在攝氏 37 度(~310K)上下,耳溫槍就是測量這個溫度發出來的 7 ~ 14 微米的中紅外線,換算後就知道你的體溫是多少了。許多港口或機場都裝設了熱影像儀來檢查旅客的體溫,這也是利用人體發出的熱輻射測出來的。

傳統燈泡的鎢絲一般只能耐熱到 3,000K 左右,在這個溫度所發出的熱輻射有 90% 以上是眼睛看不到的紅外線,可見光只占不到 10%,因此能源使用效率非常低。此外,發光的同時有更多的能量是用於發熱,於是室內就會因變熱而需要把冷氣開得更強。這種一邊耗電發熱,一邊再用更多電來冷卻散熱的方式,當然非常不經濟。不過,這種白熾燈倒也不是一無是處,像以前的農家在冬天需要幫剛孵化的小雞或小鴨保溫時,只要在籠子裡點個鎢絲燈泡就有相當於電暖爐的效果。

我們看到昏黃的燈光時常有「溫暖」的感覺,這其實是人類長久歷史留下來的一種「溫馨的記憶」。因為壁爐、碳火堆或鎢絲燈泡的發熱比發光多,所以看到這種昏黃的燈光時,同時也接收了十倍或數十倍於可見光的紅外線,因此會覺得光線柔和而溫暖。但是,現在常用的日光燈(包含省電燈泡)或 LED 燈發出的光裡面,其實是沒有這些紅外線的,因此標榜「暖色燈」的燈管或省電燈泡,其實只能夠溫暖你的心靈,它們是無法溫暖你的肉體的。

白熾燈後來衍生出一種稱為「鹵素燈泡」的變種,經常用在博物館或美術館照明上。它是利用充填鹵素氣體使氣化的鎢凝結回燈絲上,這樣便可以使燈絲耐高溫並延長壽命,發光效率可以提高到約 15%,顏色也更接近陽光的原色,因此很多美術館或博物館會用這種燈泡來照明。可是能夠耐這樣高溫的石英玻璃,卻不能隔絕紫外線中的 UV-C(短波紫外線),這會對使用者或文物造成傷害,因此必須再加一層可以隔絕 UV-C 的一般玻璃來隔絕紫外線。

此外,這種燈泡的發熱量還是很大,其實並不適合用在怕熱或怕紫外線的文物上。後來又有人想出了把鹵素燈泡放在外頭,然後用光纖把光傳進文物展示箱中的方法,這樣就可以把可見光傳進去而把紫外線跟熱留在外面。許多博物館在展出貴重文物時,都會使用這種照明方式以保護文物。

激發輻射

除了加熱物體產生熱輻射之外,還有很多方式可以發光,日常生活中較常見的還有激發輻射(瑩光燈)和半導體(發光二極體 LED)兩種方式。一般瑩光燈會先利用高電壓來發射電子,再經由撞擊把氣體分子的電子激發到高能階或游離態,當電子落回低能階時,會把能量以光的方式輻射出來。這種激發輻射產生的光並不像熱輻射一樣是連續光譜,它們只會產生某些特定波長的光,至於發出的光波波長,則依所充填的氣體而異。

「激發輻射」這個名詞聽起來好像很高深艱澀,可是它在生活中的應用幾乎是無所不在。現在家庭、學校和各種公共場所使用的日光燈、省電燈泡及馬路上的路燈,幾乎都是用激發輻射的方式發光。不過一般激發輻射一開始產生的大多是紫外線,像普通日光燈最初產生的主要是對細胞有殺傷力的 UV-C,這種光不只不能用於照明,還對人體有害。因此必須先在燈管內壁塗上瑩光劑把紫外線轉換成可見光,再用玻璃把殘餘的 UV-C 隔絕掉。

以目前最普遍使用的日光燈(或稱瑩光燈(註 1))為例,裡面充填的水銀在高電壓下會氣化並且被激發,一開始放出的主要是波長 253.7 奈米的 UV-C,之後還要靠燈管管壁內塗的瑩光劑才會轉換成可見光。有些洗衣粉為了讓衣服看起來更白而加進含磷的瑩光劑,由於瑩光劑可以把光線中的紫外線轉換成可見光,因此衣服反射的可見光總量甚至可以超過入射的可見光,於是衣服看起來就非常白。

如果衣料或洗衣粉中加了瑩光劑,衣服在黑光燈(UV-A,長波紫外線)下就會變得明亮耀眼。日光燈內部發出的 UV-C,雖然能量高到可以用於殺菌,不過大部分會被瑩光劑吸收轉換成可見光。此外,日光燈管所用的一般玻璃本身也會隔絕 UV-C,不會有紫外線外漏造成人類傷害的問題。

由於這種方式發出的光集中在少數波長,不像白熾燈泡會產生分散的連續光譜,因此照明的效率比傳統燈泡高了三、四倍以上。在能源短缺的未來,把傳統燈泡換成日光燈或省電燈泡是一種省電又環保的選擇(註 2)。到目前為止,瑩光燈的發光效率在常見燈具中是比較高的(高於 100 流明∕瓦)。至於其他發光方式,如近來極被看好的發光二極體(LED),目前發光效率只略高於 80 流明∕瓦,尚不如瑩光燈。

不過用激發輻射來照明的缺點是顏色不漂亮,常常被批評發出的光線冷硬而令人不舒服。甚至市井傳說有些「色溫」偏高(顏色偏藍)的瑩光燈,會發出紫外線傷害眼睛,這其實是似是而非的說法。

所謂的「色溫」是一種模擬的說法。熱輻射光源發出的是包含各種波長的連續光譜,因此由各種色光的強弱比例就可以換算成溫度。可是一般日光燈發出的白光是由紅、綠、藍3種色光混合而成的,既沒有橙、黃、靛、紫,也沒有紅外線和紫外線,甚至這些色光還只是紅、綠、藍光的一小段波長而已,它們根本就不是因為溫度而產生的,也不應該有「溫度」這一回事。

但是照明工業為了顯示燈光的顏色特徵,從熱輻射那邊借用了「色溫」的觀念。他們把紅、綠、藍 3 種色光的強度比例「附會」到熱輻射的普朗克分布圖形上,看哪一種溫度的紅藍色光比例和量到的燈光一樣,就說這一種燈光的「色溫」是多少度。

可是,不管是哪一種色溫,這些分布曲線是根據紅綠藍3種色光的比例「附會」上去的,並不代表圖上的所有色光都會真的出現。因此,色溫高的燈只是藍光比較強而已,並不會因為這樣就產生紫外線而傷害眼睛。不過,燈光的色溫如果和正常日光差太多,使用者容易因為顏色偏差而感到不舒服,眼睛也容易疲倦,因此不宜用於學校、辦公室等需要長時間閱讀的工作場合。

由於各種燈光都無法發出和太陽完全一樣的光譜,因此在不同燈光下看到的物品色澤會不一樣。有些玉石或布料在陽光下看來灰撲撲的一點都不起眼,在特殊的燈光下卻會發出神t美麗吸引人的光澤。珠寶業者之間就流傳一句「燈下不觀玉」的警語,以免不小心看走了眼。

除了色溫的問題之外,瑩光燈的另一個問題是光線會隨著交流電的頻率(每秒 60 次)而閃爍。雖然我們的眼睛最高只能看到每秒十幾次的閃爍,但是如果遇到像風扇、螺旋槳等高速旋轉的東西時,這種閃爍現象有時會使人產生靜止的錯覺而發生危險。因此在使用高速旋轉機具的特殊工作場合,瑩光燈就不適合了。此外,由於瑩光燈必須靠內部的水銀蒸氣來發出紫外線,而且管壁大多會塗上瑩光劑,使用後如果隨意棄置,會對環境造成污染。

除了日光燈之外,還有一類稱為高強度氣體放電(HID)的燈也是利用激發輻射的原理發光。這種燈通常用在需要高亮度、體積小、光線集中的場合,像常用於路燈的鈉燈、水銀燈及汽車頭燈、短弧氙氣燈等。

HID 燈是利用超高電壓把氙、氬氣和數種金屬鹵化物(調整顏色用,例如鈉—橘色、鉈—綠色、錮—青色、鈧—白色等)氣化、激發到電漿狀態後,直接發出可見光。但是 HID 燈因為沒有塗瑩光塗料而無法吸收 UV-C,而且使用的是不能隔絕 UV-C 的石英玻璃,必須再加一個普通玻璃外殼,因此很少用在近距離直接照射人員的場合。

除了前面講到的高壓放電激發的發光方式之外,還有一種完全不需要電的激發發光方式,就是「螢火蟲」的發光方式!我們對螢火蟲的印象是一閃一閃滿天亂飛,其實「螢火蟲」可以說是會自己發光的昆蟲的通稱。會發光的動物有很多種,像海裡的「安康魚」也可以自己發光。

螢火蟲的發光方式,是在身體裡產生一些稱為「瑩光素」和「瑩光素酶」的化學物質,當需要發光時,就把這些瑩光素、氧和瑩光素酶在細胞中混合,化學反應就會激發瑩光素中的電子然後發光。這種發光方式稱為「化學發光」,發光效率可以高達 90% 以上,相對地,發熱量就非常少,因此螢火蟲會發光卻不會燒死自己。

在演唱會或夜間釣魚常見的「瑩光棒」,就是學習螢火蟲的發光方式製造的。瑩光棒裡面裝有瑩光素跟一根裝了雙氧水的玻璃管,當扭折瑩光棒弄破玻璃管之後,瑩光素會被氧化而釋放能量。

這種氧化反應和一般反應不同的是,它是以發光而非發熱為主。這種反應過程中產生的熱非常少,用於發光的能量可以達到 95%,遠高於其他的發光方式。可惜目前技術上尚無法大量製造、儲存、運輸及運用,致使價格高昂,而且使用的化學成分具有毒性,再加上各色光混成白光的技術還不成熟,因此尚無法廣泛用於居家或公眾照明。

半導體激發發光

「半導體發光」聽起來好像很有學問,其實就是現在到處都看得到的發光二極體(LED)。半導體發光是未來在節能環保方面,非常被看好的一種照明發光方式。

LED 是 1950 年代末期發明出來的發光二極體(light emitting diode)的簡寫,當時的 LED 只有紅色一種,因為顏色單調且價錢昂貴,所以沒有普遍使用。後來陸續開發出黃光、綠光的 LED,甚至在 1992 年開發出藍光 LED,而達到可以混合出白光的條件,之後 LED 工業才快速發展。近年來的技術發展使得 LED 可以量產降價,而且品質穩定,壽命又長,目前已經廣泛使用在我們的生活中。像許多的交通號誌燈都已經換成 LED 燈了,未來甚至可能取代白熾燈泡或日光燈,成為家庭及公共場所的主要照明方式。

LED 被眾人看好的主因,在於其發光原理。基本上LED是把P型和N型的兩種半導體放在一起而做成的(PN 二極體)。N極那一邊因為電子太多了,因此多餘的電子一直想離家出走,P極那一邊則是有太多的電洞,當兩種半導體接在一起並通電時,N極那一邊的電子就會跑到P極與電洞相會,兩者結合就會發光。

由於不同材質的電子與電洞間的能量差並不一樣,兩者結合時發出的光線顏色自然有別。因此利用不同材質做成的二極體,可以發出不同顏色的光線,適當調配後就可以組合出各種顏色的光。

以前 LED 未能大量運用除了價格高之外,另一個主因是缺乏短波長的藍光 LED,以致無法組合出正確的白光。當時的 LED 光線顏色偏黃、紅,使用者容易因為顏色不正確而產生不適。一直到 1992 年藍光 LED 研發成功之後,組合白光所需的三原色光才算全部到齊,而可以應用於一般照明。

由於 LED 不需要加熱到數千度的高溫,也不需要用高電壓激發,只要很低的電壓(約兩、三伏特)就可以發光,因此用在發光的能量多而發熱的能量少,連帶地冷氣也就不需要開太強。在油價高漲、能源短缺的未來,LED 絕對是一種既環保又省錢的選擇。

然而目前 LED 的亮度不夠高,發光效率也還不如日光燈,如果硬要提高亮度,會使 PN 介面發熱,反而使發光效率大幅降低,就失去節能的意義了,因此短期內還不足以取代日光燈。不過 LED 的廠商都在努力克服這些困難,LED 照明的未來發展應該是指日可待的。

此外,由於 LED 使用的電壓及發熱量都不大,因此壽命可達到白熾燈的 10 倍以上,一般可以到5至 10 萬小時,連帶地也就節省了維修成本及減少廢燈管造成的污染,是未來非常看好的一種照明。不過 LED 雖然可以使用數萬小時,但是亮度會在數千小時之後就明顯衰減。而且目前的白光 LED 有 3 種顏色亮度衰減不一的困擾,一段時間之後,顏色就會開始偏掉,因此短期內還是無法取代日光燈做為普遍、廉價而穩定的照明。

若單純比較發光效率,目前瑩光燈當然比 LED 和白熾燈高出許多。但是燈具的選擇並不是單以發光效率做為標準,如何針對環境的特色選擇適當的燈具,就是一門大學問。

舉例來說,根據臺電的報告,瑩光燈每次啟動的耗電相當於這燈具一直亮 20 分鐘,且開開關關也會造成耗損而減短壽命,需要常常開關的交通號誌燈、廣告霓虹燈等就不適合使用瑩光燈了。而 LED 雖然發光效率比較差且亮度會衰減,但是因為開開關關不會增加耗電又不會減短壽命,相較之下就佔了上風。因此許多紅綠燈和廣告看板,都已經換成 LED 了。

照明是人類文明發展中很重要的一環,它提供了人們安全、舒適及更寬廣的生活時空,但也是自然資源消耗中很重要的一項。由於地球人口越來越多,資源越來越短缺,未來不可能再允許沒有效率地使用能源,開發更有效率的照明科技是必要的趨勢。每種燈具各有其優缺點,適用的場合也不是一成不變的,如果可以充分了解每一種燈具的原理及特性,就可靈活變化做出最佳的搭配,為地球資源的運用做出有效的選擇。

註1:一般的日光燈也稱為螢光燈、熒光燈或瑩光燈。但是其中「螢光」的說法並不正確,因為其光激發轉換的原理跟螢火蟲的化學激發其實不一樣。至於「瑩光」,則是來自自然界中一種叫做「瑩石」的礦物受紫外線激發發光的現象,其原理和日光燈一樣。而「熒光」只是指發光現象而不涉及原理,因此沒有對錯的問題。

註2:省電燈泡雖然樣子圓圓的很像傳統白熾燈,其實它是一種偽裝成電燈泡的日光燈。
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