照明的明天:什么是熱點(diǎn)

Wout Van Bommel 徐紅妹譯

(1.復(fù)旦大學(xué)，上海 200433;2.復(fù)旦大學(xué)電光源研究所，上海 200433)

1 引言

由于“外部世界”日新月異，且技術(shù)革新潛力無(wú)限，故研究和開(kāi)發(fā)的焦點(diǎn)亦應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)。我們就照明所進(jìn)行的探討，須是未來(lái)數(shù)年的“熱點(diǎn)”。同時(shí)也要指出，過(guò)去有些內(nèi)容非常重要，但隨環(huán)境的變化已失去其重要性。我們將從三個(gè)視角，社會(huì)視角、產(chǎn)品視角和應(yīng)用視角，以舉例的方式，展開(kāi)本文討論的內(nèi)容。

2 社會(huì)視角

2.1 可持續(xù)性

1972年，來(lái)自外交、產(chǎn)業(yè)、學(xué)術(shù)和民間社團(tuán)的國(guó)際專(zhuān)家匯聚于羅馬俱樂(lè)部，提出一份名為“增長(zhǎng)的極限”的報(bào)告。該報(bào)告首次揭示了資源有限的世界與無(wú)限增長(zhǎng)的消費(fèi)之間的矛盾。世界照明界對(duì)此反應(yīng)緩慢，過(guò)了一段時(shí)間之后，才開(kāi)始重新審視照明標(biāo)準(zhǔn)，并著手開(kāi)發(fā)更多的節(jié)能照明產(chǎn)品。舉例而言，市場(chǎng)上第一個(gè)替代白熾燈的小型節(jié)能熒光燈，到1980年才出現(xiàn)，此時(shí)距發(fā)表羅馬報(bào)告已逾8年之久。當(dāng)然，此后人們便學(xué)會(huì)了快速應(yīng)對(duì)，尤其是上世紀(jì)90年代，因?yàn)榇藭r(shí)出現(xiàn)了能源危機(jī)，而且二氧化碳排放對(duì)氣候也產(chǎn)生了日益明顯的負(fù)面影響。如今，可持續(xù)性已經(jīng)成為流行術(shù)語(yǔ)。

2.2 能源與使用壽命

在專(zhuān)業(yè)照明領(lǐng)域，人們已經(jīng)開(kāi)始從節(jié)能和使用壽命的角度來(lái)探討可持續(xù)性。在氣體放電燈和最新的固態(tài)照明中，這一方面有了重大進(jìn)展。目前，總安裝設(shè)計(jì) (燈具、光源、照明設(shè)備和敷設(shè))已經(jīng)向使用壽命長(zhǎng)、節(jié)能的方向發(fā)展。智能裝置能夠優(yōu)化實(shí)際照明應(yīng)用，會(huì)進(jìn)一步降低能耗。

2.3 從搖籃到搖籃 (材料循環(huán)利用)

除了節(jié)能和延長(zhǎng)使用壽命外，其他領(lǐng)域采取的再循環(huán)措施同樣令人印象深刻。這一切的最終目標(biāo)，是要形成“從搖籃到搖籃”的設(shè)計(jì)，換做更實(shí)用的話(huà)，就是要?jiǎng)?chuàng)建一種效率高且無(wú)廢物的系統(tǒng)。正如最早提出該名詞的麥克唐納和布勞恩加特(McDonough and Braungart)［1］所說(shuō):我們需要為此“重塑我們制作產(chǎn)品的方式”。在照明領(lǐng)域，這一“最新的社會(huì)主題”尚未充分發(fā)展。玻璃、汞和熒光粉的再循環(huán)利用，只能被視為重要的起步，若從照明裝置整體來(lái)看待該問(wèn)題，更是如此。

3 產(chǎn)品視角

3.1 固態(tài)照明

1879年，第一盞白熾燈初次使用，1917年最后對(duì)此燈進(jìn)行了重要改進(jìn) (采用螺旋燈絲的白熾燈)，此后，直到1932年才出現(xiàn)了全新的光源技術(shù):氣體放電燈 (第一個(gè)型號(hào):低氣壓鈉燈)。而出于研究和實(shí)用照明的目的開(kāi)發(fā)下一個(gè)全新光源，歷經(jīng)的時(shí)間跨度更長(zhǎng)。到上世紀(jì)和本世紀(jì)之交，用于照明的固態(tài)光源才進(jìn)入市場(chǎng)。今天，LED已真正成為“熱點(diǎn)”，并仍在全方位地開(kāi)發(fā)，以求獲得效率更高、色質(zhì)更佳的產(chǎn)品?，F(xiàn)階段，若要開(kāi)發(fā)出高品質(zhì)的LED照明產(chǎn)品，仍然有一些問(wèn)題亟待解決。

3.2 正確數(shù)據(jù)

在傳統(tǒng)照明領(lǐng)域，照明產(chǎn)品和設(shè)計(jì)的供應(yīng)商，基本上都能就其產(chǎn)品和設(shè)計(jì)提供正確數(shù)據(jù)。但是，令人不安的是，在固態(tài)照明方面并沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)程序。究其原因，可能是因?yàn)楫a(chǎn)品和設(shè)計(jì)通常不符合終端用戶(hù)的需要。供應(yīng)商的行為令固態(tài)照明的新用戶(hù)感到不滿(mǎn)，結(jié)果妨礙了高質(zhì)量的固態(tài)照明產(chǎn)品和裝置迅速而成功地打入實(shí)用和專(zhuān)業(yè)市場(chǎng)。例如:荷蘭計(jì)量測(cè)試研究所VSL在2009年2月測(cè)試了5款不同品牌的LED燈具。燈具上標(biāo)示其瓦數(shù)相當(dāng)于白熾燈的25瓦～40瓦，但是實(shí)際測(cè)量的結(jié)果卻低于或者遠(yuǎn)低于15瓦［2］。設(shè)計(jì)方面也是如此，有時(shí)設(shè)計(jì)者聲稱(chēng)其設(shè)計(jì)已達(dá)到傳統(tǒng)裝置的水平，但實(shí)際上，無(wú)論在照明水平、色彩均勻性還是眩光控制方面均未達(dá)標(biāo)。

3.3 眩光

單個(gè)LED令人關(guān)注的特點(diǎn)之一，是其尺寸非常小。這使照明能夠進(jìn)行傳統(tǒng)大型光源無(wú)法做到的全新布局。全新布局也相應(yīng)促進(jìn)了新型照明設(shè)計(jì)。用近似平行光束的LED線(xiàn)條裝飾紀(jì)念碑和大樓的室外照明設(shè)計(jì)，就典型體現(xiàn)了新布局的潛力和見(jiàn)所未見(jiàn)的戲劇性效果。然而，小發(fā)光表面的這一特性，應(yīng)用到其他場(chǎng)合，也會(huì)造成眩光。因此急需新的燈具光學(xué)設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在，人們充分認(rèn)識(shí)到，如果把眩光控制包括進(jìn)來(lái)對(duì)一項(xiàng)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估是很困難的事情，因?yàn)槲覀兡壳暗难９庠u(píng)價(jià)體系基本上都不適用LED光源，對(duì)它來(lái)說(shuō)甚至是無(wú)效的。

在室內(nèi)照明方面，眩光評(píng)估所用的是UGR體系。UGR體系所立足的基礎(chǔ)，是上世紀(jì)50年代末60年代初美國(guó)和歐洲的經(jīng)驗(yàn)研究 (即 Luckiesh，Hopkinson，Guth，Sollner，Bodmann，F(xiàn)ischer)。在當(dāng)時(shí)的研究中，根本未考慮小光源和鏡面光學(xué)。我們目前所用的有關(guān)道路照明眩光控制的TI評(píng)價(jià)體系，是基于上世紀(jì)30年代的研究而發(fā)展起來(lái)的 (即Holladay，Stiles)，在60年代和70年代初，通過(guò)對(duì)使用長(zhǎng)管低壓鈉燈和泡形高壓汞燈的裝置進(jìn)行評(píng)估，已經(jīng)重新界定了有關(guān)路燈照明的概念 (即De Boer，Schreuder，Adrian，F(xiàn)isher，S?rensen)。人們已經(jīng)注意到，將TI體系用于細(xì)管高壓鈉燈，有時(shí)會(huì)得到與實(shí)際眩光不相符的結(jié)果。最終，室外體育照明也產(chǎn)生了其眩光評(píng)價(jià)體系:GR體系。該體系的建立，基于上世紀(jì)80年代對(duì)使用高功率金屬鹵化燈的訓(xùn)練場(chǎng)地和體育館所進(jìn)行的評(píng)估試驗(yàn) (Van Bommel，Tekelenburg)。

對(duì)傳統(tǒng)照明而言，這三個(gè)體系效果尚可。但鑒于LED和LED模組的特殊性質(zhì)，這三個(gè)眩光體系能否有效地評(píng)價(jià)使用LED的裝置，急需進(jìn)行評(píng)估。這也為建立適用于所有應(yīng)用領(lǐng)域的通用體系提供了機(jī)會(huì)。也許，有關(guān)面部肌肉對(duì)眩光反應(yīng)的新知識(shí)，也能在這一系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中發(fā)揮一定的作用。人們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了能夠形成肌動(dòng)電流圖的眼睛壓力監(jiān)視器，對(duì)不舒適眩光進(jìn)行研究［3］。

3.4 白光質(zhì)量

不需要采用濾色片，LED就能有效地產(chǎn)生所有色彩。然而，在許多室內(nèi)照明環(huán)境的應(yīng)用中，LED必須要產(chǎn)生性能穩(wěn)定的高品質(zhì)白光。為取得光的一致性，制造商們采用了分級(jí)程序:試驗(yàn)所產(chǎn)生的所有白色LED，根據(jù)白色色調(diào)進(jìn)行分級(jí)。目標(biāo)當(dāng)然是減少分級(jí)的過(guò)程，直至最后完全不需分級(jí)。用固體陶瓷替代熒光粉，就是減少LED分選的方向之一。

就白光光質(zhì)而言，我們寧愿使用目前提供的標(biāo)準(zhǔn)緊湊型熒光燈 (Ra＞80)作為普通室內(nèi)照明，也不會(huì)接受顯色較差的 LED。由于目前還沒(méi)有關(guān)于LED燈的標(biāo)準(zhǔn)，我們也許應(yīng)該考慮確定一種顯色標(biāo)準(zhǔn)，其要高于目前的標(biāo)準(zhǔn)緊湊型熒光燈的標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)緊湊型熒光燈在室內(nèi)環(huán)境下有時(shí)會(huì)導(dǎo)致顯色缺陷。當(dāng)然，這可能意味著要在一定程度上要降低光效，但是鑒于LED在高光效方面有巨大的發(fā)展?jié)摿?，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看這不是什么大問(wèn)題。

要使人們?cè)谑覂?nèi)照明中普遍接受LED，讓光照的效果基本達(dá)到白熾燈的水平同樣至關(guān)重要。我們今天面臨的問(wèn)題是高色溫 (藍(lán)富白光)LED的生產(chǎn)效率要高于低色溫LED。但盡管如此，我們還是應(yīng)該堅(jiān)持這樣的要求。

自從2002年在人眼視網(wǎng)膜中發(fā)現(xiàn)了第3類(lèi)感光細(xì)胞后，我們進(jìn)一步了解了照明的非視覺(jué)生物效應(yīng)。我們明白了，早晨的高色溫光和睡前晚上的低色溫光，都能有效地保持我們正確的生物鐘韻律。就此而言，開(kāi)發(fā)一種用于室內(nèi)照明的特殊LED燈，讓它相應(yīng)地自動(dòng)調(diào)整色溫，是非常有意義的。

3.5 固態(tài)照明:下一步是什么?

我們可能會(huì)問(wèn)自己這樣的問(wèn)題，是否有可能通過(guò)新方法發(fā)明一種人造光，使它真正有別于白熾燈、氣體放電和固態(tài)照明?也許我們要學(xué)會(huì)如何捕捉和儲(chǔ)存自然光，一直儲(chǔ)存到要用它作為“人工光”為止。也就是說(shuō)， “把光放在一個(gè)盒子里，待我們需要時(shí)再釋放它”［4］。納米物理與光子晶體的研究表明，光確實(shí)可以作為 “光”來(lái)存儲(chǔ)［5］。

4 照明應(yīng)用視角

4.1 非視覺(jué)生物效應(yīng)

4.1.1 自然生理韻律效果

專(zhuān)業(yè)照明界真正著手探討光的非視覺(jué)生物效應(yīng)這一課題，僅有十年左右的時(shí)間。2002年，在人眼視網(wǎng)膜中發(fā)現(xiàn)了第三類(lèi)感光細(xì)胞，該細(xì)胞與我們大腦中的生物鐘相連，而生物鐘反過(guò)來(lái)又與松果腺相連，后者則會(huì)調(diào)節(jié)分泌荷爾蒙的組織。某些荷爾蒙能產(chǎn)生能量 (產(chǎn)生葡萄糖的皮質(zhì)醇)，有些則讓人困倦 (褪黑激素)。我們現(xiàn)在明白了，為什么24小時(shí)自然晝夜的韻律，決定著我們白天的敏捷和活力以及晚上的睡眠質(zhì)量。

當(dāng)日光不夠用時(shí)，就用人工光來(lái)替代。新型感光細(xì)胞通過(guò)短波長(zhǎng)而獲得最大敏感度。因此，有效地使用人工光的方法，就是在早晨提供冷白光而在下午和晚上提供暖白光?；诖?，我們可以通過(guò)不同的方式，在辦公室和工業(yè)照明裝置中使用智能動(dòng)態(tài)照明裝置。然而，這方面仍然缺乏國(guó)際準(zhǔn)則。隨著LED燈進(jìn)入消費(fèi)市場(chǎng)，應(yīng)為那些不易出門(mén)享受陽(yáng)光的人開(kāi)發(fā)自動(dòng)調(diào)色系統(tǒng)。因此，無(wú)論在專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域還是消費(fèi)應(yīng)用領(lǐng)域，智能動(dòng)態(tài)照明都將是“熱點(diǎn)”所在。

4.1.2 照明治療

有關(guān)照明非視覺(jué)效應(yīng)的知識(shí)清楚地表明，光線(xiàn)可以用作照明治療，以減少因生物鐘失調(diào)而出現(xiàn)的問(wèn)題。生物鐘失調(diào)會(huì)因某些疾病而出現(xiàn)，也會(huì)因生活習(xí)慣而造成。就前者而言，最典型的例子就是SAD(季節(jié)性失調(diào)和冬季抑郁)，就后者而言，最典型的就是時(shí)差和倒班工作。有關(guān)照明治療在其他方面的應(yīng)用，也已經(jīng)有所研究并有了明確程序。對(duì)此，人們可以有更多期待，甚至能夠期待它替代藥物治療。我們可以對(duì)目前應(yīng)用照明治療所診治的疾病進(jìn)行歸納:SAD，老年抑郁癥、失眠、老年癡呆癥患者的醒—睡周期問(wèn)題、精神崩潰和多動(dòng)癥。這一名單也應(yīng)包括:時(shí)差、輪班工作和頂級(jí)運(yùn)動(dòng)員高峰期的優(yōu)化，這些都與我們的生活方式有關(guān)。

4.1.3 神經(jīng)學(xué)和道路照明

道路照明的神經(jīng)學(xué)影響也開(kāi)始得到關(guān)注。在實(shí)地測(cè)試中，以長(zhǎng)距離駕駛的車(chē)手為對(duì)象，對(duì)他的大腦活動(dòng) (EEG)進(jìn)行測(cè)算。這類(lèi)研究的目的，是考察路燈是否能夠減少夜行司機(jī)瞌睡的次數(shù)。如果果真如此，那么接下來(lái)自然是何種路燈最為有效的問(wèn)題。一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了此類(lèi)研究的重要性:以一位在未設(shè)置固定路燈的道路上夜行了415公里的司機(jī)為對(duì)象，對(duì)他的大腦活動(dòng)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，其瞌睡的時(shí)間累計(jì)長(zhǎng)達(dá)6分多種［6］。因此我們現(xiàn)在有了一個(gè)定義路燈需求和質(zhì)量的全新方法，它與傳統(tǒng)的視覺(jué)性能和視覺(jué)舒適參數(shù)完全不同。

4.2 道路照明

4.2.1 能見(jiàn)度

上世紀(jì)早期，瓦爾德拉姆 (Waldram)以小物體的能見(jiàn)度為基準(zhǔn)定義了“剪影原則”，即在設(shè)有路燈道路上，相對(duì)于路面的光亮背景，大多數(shù)物體都被視作黑色的剪影。這一原則相應(yīng)成為設(shè)定路燈亮度概念的關(guān)鍵，而且至今仍在使用。同樣在早期，人們認(rèn)識(shí)到路燈和汽車(chē)照明的組合效果是一種反向組合，因?yàn)檐?chē)燈產(chǎn)生的垂直照度降低了剪影效果。然而，為了減少對(duì)面車(chē)射來(lái)的眩光，車(chē)燈的光束并不能射向很遠(yuǎn)的前方，所以，反向“綜合效果”因?yàn)槭艿较拗埔部梢院雎圆挥?jì)。隨著先進(jìn)的前照燈系統(tǒng)的出現(xiàn) (AFS)，這一現(xiàn)象大為改觀。這種智能、自動(dòng)的汽車(chē)照明系統(tǒng)，可以產(chǎn)生城區(qū)的、高速公路的和“弧形的”多種光型，能夠射到遠(yuǎn)方，甚至射到“拐角處”。它們使物體的能見(jiàn)度大大增加，因而依靠先進(jìn)的汽車(chē)照明系統(tǒng)本身，一般就能保證有效的能見(jiàn)度。紅外夜視系統(tǒng)也已發(fā)明出來(lái)，它可借助可視紅外發(fā)射器在儀表盤(pán)上顯示出所記錄的影像。就能見(jiàn)度方面而言，這種夜視系統(tǒng)可以大大突出汽車(chē)系統(tǒng)自身的重要性。就固定路燈而言，道路上物體的能見(jiàn)度已明顯不再是“熱點(diǎn)”。固定路燈的作用已經(jīng)發(fā)生變化，越來(lái)越多用來(lái)指示信號(hào)、交通流，或者用來(lái)減少瞌睡以及提供現(xiàn)代人更加看重的人身安全。因此我們不得不捫心自問(wèn)，我們關(guān)于亮度的概念還正確嗎?也許更加三維的照明概念更為合適。

4.2.2 路燈照明和中間視覺(jué)

在一段時(shí)間里，路燈和中間視覺(jué)，促使人們熱議何種燈光光譜在低照明水平上具有視覺(jué)優(yōu)勢(shì)?！爸虚g視覺(jué)”這一概念是這次討論的關(guān)鍵。目前這樣的討論尤其重要，因?yàn)橛肔ED，各種光色以及所有不同色調(diào)的白光都能夠生產(chǎn)出來(lái)。也許今年CIE可以發(fā)行一本內(nèi)容詳盡的出版物，集中討論中間視覺(jué)的離線(xiàn)視覺(jué)內(nèi)容。它不僅有助于引導(dǎo)這些討論沿著正確的方向進(jìn)行，也標(biāo)志著，當(dāng)某些讀者不再關(guān)注全貌的時(shí)候，它也不應(yīng)再成為永久的“熱點(diǎn)”。全貌是通過(guò)下列要素而定義的:

●在線(xiàn)視覺(jué)是由明視覺(jué)光度學(xué)所決定的。

●離線(xiàn)視覺(jué)則是由暗視覺(jué)光度學(xué)所決定的。

●在中間視覺(jué)光度學(xué)中，需要確定實(shí)際的調(diào)節(jié)狀態(tài)。來(lái)自路燈、對(duì)面汽車(chē)、窗戶(hù)的光和反射眩光，要與道路表面的亮度一同考慮。

●顏色識(shí)別對(duì)臉部辨認(rèn)的作用 (對(duì)安全至關(guān)重要)

●老人眼中短波長(zhǎng) (藍(lán)色和綠色)視覺(jué)的喪失。

本人在最近發(fā)表的論文中詳細(xì)描繪了其整體框架。依據(jù)人們目前所了解的知識(shí)，結(jié)論一清二楚，最有效的光應(yīng)該是暖白光。其中色彩識(shí)別和老人短波長(zhǎng)視覺(jué)的喪失，在其中發(fā)揮著決定性的作用。

既然老人參與的活動(dòng)越來(lái)越多，我們必須在所有照明應(yīng)用中認(rèn)真考慮他們的需求:這是另外一個(gè)熱點(diǎn)話(huà)題。

［1］McDonough，W;Braungart，M．“Cradle to cradle”，North Point press(2002)

［2］Koek，W．“LED'sbehonest;thepath tomarket acceptance”，Green lighting event，F(xiàn)rankfurt(2009)

［3］Murray，I．J．，Plainis，S．;Carden，D．“The ocular stress monitor:a new device for measuring discomfort glare”． Lighting Res． Technol．34，3pp．231 ～ 242(2002)

［4］Knoop，M，“Light out of the box”．International Lighting Review．Yearbook(2007)

［5］Flück，E．．Hammer，M．Vos，W．L．Hulst van，N．F．Kuipers，L．“Near-field probing of photonic crystals”．Photonics and Nanostructures-Fundamentals and Applications，2(2)．pp．127～135(2004)

［6］Mollard， R．．“Hypovigilance and micro-sleep while driving a stretch of motorway”．Road Lighting Symposium，Brussels(2003)