照明的明天:什么是熱點

Wout Van Bommel 徐紅妹譯

(1.復旦大學，上海 200433;2.復旦大學電光源研究所，上海 200433)

1 引言

由于“外部世界”日新月異，且技術革新潛力無限，故研究和開發的焦點亦應與時俱進。我們就照明所進行的探討，須是未來數年的“熱點”。同時也要指出，過去有些內容非常重要，但隨環境的變化已失去其重要性。我們將從三個視角，社會視角、產品視角和應用視角，以舉例的方式，展開本文討論的內容。

2 社會視角

2.1 可持續性

1972年，來自外交、產業、學術和民間社團的國際專家匯聚于羅馬俱樂部，提出一份名為“增長的極限”的報告。該報告首次揭示了資源有限的世界與無限增長的消費之間的矛盾。世界照明界對此反應緩慢，過了一段時間之后，才開始重新審視照明標準，并著手開發更多的節能照明產品。舉例而言，市場上第一個替代白熾燈的小型節能熒光燈，到1980年才出現，此時距發表羅馬報告已逾8年之久。當然，此后人們便學會了快速應對，尤其是上世紀90年代，因為此時出現了能源危機，而且二氧化碳排放對氣候也產生了日益明顯的負面影響。如今，可持續性已經成為流行術語。

2.2 能源與使用壽命

在專業照明領域，人們已經開始從節能和使用壽命的角度來探討可持續性。在氣體放電燈和最新的固態照明中，這一方面有了重大進展。目前，總安裝設計 (燈具、光源、照明設備和敷設)已經向使用壽命長、節能的方向發展。智能裝置能夠優化實際照明應用，會進一步降低能耗。

2.3 從搖籃到搖籃 (材料循環利用)

除了節能和延長使用壽命外，其他領域采取的再循環措施同樣令人印象深刻。這一切的最終目標，是要形成“從搖籃到搖籃”的設計，換做更實用的話，就是要創建一種效率高且無廢物的系統。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:我們需要為此“重塑我們制作產品的方式”。在照明領域，這一“最新的社會主題”尚未充分發展。玻璃、汞和熒光粉的再循環利用，只能被視為重要的起步，若從照明裝置整體來看待該問題，更是如此。

3 產品視角

3.1 固態照明

1879年，第一盞白熾燈初次使用，1917年最后對此燈進行了重要改進 (采用螺旋燈絲的白熾燈)，此后，直到1932年才出現了全新的光源技術:氣體放電燈 (第一個型號:低氣壓鈉燈)。而出于研究和實用照明的目的開發下一個全新光源，歷經的時間跨度更長。到上世紀和本世紀之交，用于照明的固態光源才進入市場。今天，LED已真正成為“熱點”，并仍在全方位地開發，以求獲得效率更高、色質更佳的產品?，F階段，若要開發出高品質的LED照明產品，仍然有一些問題亟待解決。

3.2 正確數據

在傳統照明領域，照明產品和設計的供應商，基本上都能就其產品和設計提供正確數據。但是，令人不安的是，在固態照明方面并沒有標準程序。究其原因，可能是因為產品和設計通常不符合終端用戶的需要。供應商的行為令固態照明的新用戶感到不滿，結果妨礙了高質量的固態照明產品和裝置迅速而成功地打入實用和專業市場。例如:荷蘭計量測試研究所VSL在2009年2月測試了5款不同品牌的LED燈具。燈具上標示其瓦數相當于白熾燈的25瓦～40瓦，但是實際測量的結果卻低于或者遠低于15瓦［2］。設計方面也是如此，有時設計者聲稱其設計已達到傳統裝置的水平，但實際上，無論在照明水平、色彩均勻性還是眩光控制方面均未達標。

3.3 眩光

單個LED令人關注的特點之一，是其尺寸非常小。這使照明能夠進行傳統大型光源無法做到的全新布局。全新布局也相應促進了新型照明設計。用近似平行光束的LED線條裝飾紀念碑和大樓的室外照明設計，就典型體現了新布局的潛力和見所未見的戲劇性效果。然而，小發光表面的這一特性，應用到其他場合，也會造成眩光。因此急需新的燈具光學設計?，F在，人們充分認識到，如果把眩光控制包括進來對一項設計進行評估是很困難的事情，因為我們目前的眩光評價體系基本上都不適用LED光源，對它來說甚至是無效的。

在室內照明方面，眩光評估所用的是UGR體系。UGR體系所立足的基礎，是上世紀50年代末60年代初美國和歐洲的經驗研究 (即 Luckiesh，Hopkinson，Guth，Sollner，Bodmann，Fischer)。在當時的研究中，根本未考慮小光源和鏡面光學。我們目前所用的有關道路照明眩光控制的TI評價體系，是基于上世紀30年代的研究而發展起來的 (即Holladay，Stiles)，在60年代和70年代初，通過對使用長管低壓鈉燈和泡形高壓汞燈的裝置進行評估，已經重新界定了有關路燈照明的概念 (即De Boer，Schreuder，Adrian，Fisher，S?rensen)。人們已經注意到，將TI體系用于細管高壓鈉燈，有時會得到與實際眩光不相符的結果。最終，室外體育照明也產生了其眩光評價體系:GR體系。該體系的建立，基于上世紀80年代對使用高功率金屬鹵化燈的訓練場地和體育館所進行的評估試驗 (Van Bommel，Tekelenburg)。

對傳統照明而言，這三個體系效果尚可。但鑒于LED和LED模組的特殊性質，這三個眩光體系能否有效地評價使用LED的裝置，急需進行評估。這也為建立適用于所有應用領域的通用體系提供了機會。也許，有關面部肌肉對眩光反應的新知識，也能在這一系統的開發中發揮一定的作用。人們已經開發了能夠形成肌動電流圖的眼睛壓力監視器，對不舒適眩光進行研究［3］。

3.4 白光質量

不需要采用濾色片，LED就能有效地產生所有色彩。然而，在許多室內照明環境的應用中，LED必須要產生性能穩定的高品質白光。為取得光的一致性，制造商們采用了分級程序:試驗所產生的所有白色LED，根據白色色調進行分級。目標當然是減少分級的過程，直至最后完全不需分級。用固體陶瓷替代熒光粉，就是減少LED分選的方向之一。

就白光光質而言，我們寧愿使用目前提供的標準緊湊型熒光燈 (Ra＞80)作為普通室內照明，也不會接受顯色較差的 LED。由于目前還沒有關于LED燈的標準，我們也許應該考慮確定一種顯色標準，其要高于目前的標準緊湊型熒光燈的標準。標準緊湊型熒光燈在室內環境下有時會導致顯色缺陷。當然，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展潛力，從長遠來看這不是什么大問題。

要使人們在室內照明中普遍接受LED，讓光照的效果基本達到白熾燈的水平同樣至關重要。我們今天面臨的問題是高色溫 (藍富白光)LED的生產效率要高于低色溫LED。但盡管如此，我們還是應該堅持這樣的要求。

自從2002年在人眼視網膜中發現了第3類感光細胞后，我們進一步了解了照明的非視覺生物效應。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，開發一種用于室內照明的特殊LED燈，讓它相應地自動調整色溫，是非常有意義的。

3.5 固態照明:下一步是什么?

我們可能會問自己這樣的問題，是否有可能通過新方法發明一種人造光，使它真正有別于白熾燈、氣體放電和固態照明?也許我們要學會如何捕捉和儲存自然光，一直儲存到要用它作為“人工光”為止。也就是說， “把光放在一個盒子里，待我們需要時再釋放它”［4］。納米物理與光子晶體的研究表明，光確實可以作為 “光”來存儲［5］。

4 照明應用視角

4.1 非視覺生物效應

4.1.1 自然生理韻律效果

專業照明界真正著手探討光的非視覺生物效應這一課題，僅有十年左右的時間。2002年，在人眼視網膜中發現了第三類感光細胞，該細胞與我們大腦中的生物鐘相連，而生物鐘反過來又與松果腺相連，后者則會調節分泌荷爾蒙的組織。某些荷爾蒙能產生能量 (產生葡萄糖的皮質醇)，有些則讓人困倦 (褪黑激素)。我們現在明白了，為什么24小時自然晝夜的韻律，決定著我們白天的敏捷和活力以及晚上的睡眠質量。

當日光不夠用時，就用人工光來替代。新型感光細胞通過短波長而獲得最大敏感度。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。基于此，我們可以通過不同的方式，在辦公室和工業照明裝置中使用智能動態照明裝置。然而，這方面仍然缺乏國際準則。隨著LED燈進入消費市場，應為那些不易出門享受陽光的人開發自動調色系統。因此，無論在專業領域還是消費應用領域，智能動態照明都將是“熱點”所在。

4.1.2 照明治療

有關照明非視覺效應的知識清楚地表明，光線可以用作照明治療，以減少因生物鐘失調而出現的問題。生物鐘失調會因某些疾病而出現，也會因生活習慣而造成。就前者而言，最典型的例子就是SAD(季節性失調和冬季抑郁)，就后者而言，最典型的就是時差和倒班工作。有關照明治療在其他方面的應用，也已經有所研究并有了明確程序。對此，人們可以有更多期待，甚至能夠期待它替代藥物治療。我們可以對目前應用照明治療所診治的疾病進行歸納:SAD，老年抑郁癥、失眠、老年癡呆癥患者的醒—睡周期問題、精神崩潰和多動癥。這一名單也應包括:時差、輪班工作和頂級運動員高峰期的優化，這些都與我們的生活方式有關。

4.1.3 神經學和道路照明

道路照明的神經學影響也開始得到關注。在實地測試中，以長距離駕駛的車手為對象，對他的大腦活動 (EEG)進行測算。這類研究的目的，是考察路燈是否能夠減少夜行司機瞌睡的次數。如果果真如此，那么接下來自然是何種路燈最為有效的問題。一項實驗說明了此類研究的重要性:以一位在未設置固定路燈的道路上夜行了415公里的司機為對象，對他的大腦活動進行分析，結果表明，其瞌睡的時間累計長達6分多種［6］。因此我們現在有了一個定義路燈需求和質量的全新方法，它與傳統的視覺性能和視覺舒適參數完全不同。

4.2 道路照明

4.2.1 能見度

上世紀早期，瓦爾德拉姆 (Waldram)以小物體的能見度為基準定義了“剪影原則”，即在設有路燈道路上，相對于路面的光亮背景，大多數物體都被視作黑色的剪影。這一原則相應成為設定路燈亮度概念的關鍵，而且至今仍在使用。同樣在早期，人們認識到路燈和汽車照明的組合效果是一種反向組合，因為車燈產生的垂直照度降低了剪影效果。然而，為了減少對面車射來的眩光，車燈的光束并不能射向很遠的前方，所以，反向“綜合效果”因為受到限制也可以忽略不計。隨著先進的前照燈系統的出現 (AFS)，這一現象大為改觀。這種智能、自動的汽車照明系統，可以產生城區的、高速公路的和“弧形的”多種光型，能夠射到遠方，甚至射到“拐角處”。它們使物體的能見度大大增加，因而依靠先進的汽車照明系統本身，一般就能保證有效的能見度。紅外夜視系統也已發明出來，它可借助可視紅外發射器在儀表盤上顯示出所記錄的影像。就能見度方面而言，這種夜視系統可以大大突出汽車系統自身的重要性。就固定路燈而言，道路上物體的能見度已明顯不再是“熱點”。固定路燈的作用已經發生變化，越來越多用來指示信號、交通流，或者用來減少瞌睡以及提供現代人更加看重的人身安全。因此我們不得不捫心自問，我們關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

在一段時間里，路燈和中間視覺，促使人們熱議何種燈光光譜在低照明水平上具有視覺優勢?！爸虚g視覺”這一概念是這次討論的關鍵。目前這樣的討論尤其重要，因為用LED，各種光色以及所有不同色調的白光都能夠生產出來。也許今年CIE可以發行一本內容詳盡的出版物，集中討論中間視覺的離線視覺內容。它不僅有助于引導這些討論沿著正確的方向進行，也標志著，當某些讀者不再關注全貌的時候，它也不應再成為永久的“熱點”。全貌是通過下列要素而定義的:

●在線視覺是由明視覺光度學所決定的。

●離線視覺則是由暗視覺光度學所決定的。

●在中間視覺光度學中，需要確定實際的調節狀態。來自路燈、對面汽車、窗戶的光和反射眩光，要與道路表面的亮度一同考慮。

●顏色識別對臉部辨認的作用 (對安全至關重要)

●老人眼中短波長 (藍色和綠色)視覺的喪失。

本人在最近發表的論文中詳細描繪了其整體框架。依據人們目前所了解的知識，結論一清二楚，最有效的光應該是暖白光。其中色彩識別和老人短波長視覺的喪失，在其中發揮著決定性的作用。

既然老人參與的活動越來越多，我們必須在所有照明應用中認真考慮他們的需求:這是另外一個熱點話題。

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

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