照明的明天:什么是热点

Wout Van Bommel 徐红妹译

(1.复旦大学，上海 200433;2.复旦大学电光源研究所，上海 200433)

1 引言

由于“外部世界”日新月异，且技术革新潜力无限，故研究和开发的焦点亦应与时俱进。我们就照明所进行的探讨，须是未来数年的“热点”。同时也要指出，过去有些内容非常重要，但随环境的变化已失去其重要性。我们将从三个视角，社会视角、产品视角和应用视角，以举例的方式，展开本文讨论的内容。

2 社会视角

2.1 可持续性

1972年，来自外交、产业、学术和民间社团的国际专家汇聚于罗马俱乐部，提出一份名为“增长的极限”的报告。该报告首次揭示了资源有限的世界与无限增长的消费之间的矛盾。世界照明界对此反应缓慢，过了一段时间之后，才开始重新审视照明标准，并着手开发更多的节能照明产品。举例而言，市场上第一个替代白炽灯的小型节能荧光灯，到1980年才出现，此时距发表罗马报告已逾8年之久。当然，此后人们便学会了快速应对，尤其是上世纪90年代，因为此时出现了能源危机，而且二氧化碳排放对气候也产生了日益明显的负面影响。如今，可持续性已经成为流行术语。

2.2 能源与使用寿命

在专业照明领域，人们已经开始从节能和使用寿命的角度来探讨可持续性。在气体放电灯和最新的固态照明中，这一方面有了重大进展。目前，总安装设计 (灯具、光源、照明设备和敷设)已经向使用寿命长、节能的方向发展。智能装置能够优化实际照明应用，会进一步降低能耗。

2.3 从摇篮到摇篮 (材料循环利用)

除了节能和延长使用寿命外，其他领域采取的再循环措施同样令人印象深刻。这一切的最终目标，是要形成“从摇篮到摇篮”的设计，换做更实用的话，就是要创建一种效率高且无废物的系统。正如最早提出该名词的麦克唐纳和布劳恩加特(McDonough and Braungart)［1］所说:我们需要为此“重塑我们制作产品的方式”。在照明领域，这一“最新的社会主题”尚未充分发展。玻璃、汞和荧光粉的再循环利用，只能被视为重要的起步，若从照明装置整体来看待该问题，更是如此。

3 产品视角

3.1 固态照明

1879年，第一盏白炽灯初次使用，1917年最后对此灯进行了重要改进 (采用螺旋灯丝的白炽灯)，此后，直到1932年才出现了全新的光源技术:气体放电灯 (第一个型号:低气压钠灯)。而出于研究和实用照明的目的开发下一个全新光源，历经的时间跨度更长。到上世纪和本世纪之交，用于照明的固态光源才进入市场。今天，LED已真正成为“热点”，并仍在全方位地开发，以求获得效率更高、色质更佳的产品。现阶段，若要开发出高品质的LED照明产品，仍然有一些问题亟待解决。

3.2 正确数据

在传统照明领域，照明产品和设计的供应商，基本上都能就其产品和设计提供正确数据。但是，令人不安的是，在固态照明方面并没有标准程序。究其原因，可能是因为产品和设计通常不符合终端用户的需要。供应商的行为令固态照明的新用户感到不满，结果妨碍了高质量的固态照明产品和装置迅速而成功地打入实用和专业市场。例如:荷兰计量测试研究所VSL在2009年2月测试了5款不同品牌的LED灯具。灯具上标示其瓦数相当于白炽灯的25瓦～40瓦，但是实际测量的结果却低于或者远低于15瓦［2］。设计方面也是如此，有时设计者声称其设计已达到传统装置的水平，但实际上，无论在照明水平、色彩均匀性还是眩光控制方面均未达标。

3.3 眩光

单个LED令人关注的特点之一，是其尺寸非常小。这使照明能够进行传统大型光源无法做到的全新布局。全新布局也相应促进了新型照明设计。用近似平行光束的LED线条装饰纪念碑和大楼的室外照明设计，就典型体现了新布局的潜力和见所未见的戏剧性效果。然而，小发光表面的这一特性，应用到其他场合，也会造成眩光。因此急需新的灯具光学设计。现在，人们充分认识到，如果把眩光控制包括进来对一项设计进行评估是很困难的事情，因为我们目前的眩光评价体系基本上都不适用LED光源，对它来说甚至是无效的。

在室内照明方面，眩光评估所用的是UGR体系。UGR体系所立足的基础，是上世纪50年代末60年代初美国和欧洲的经验研究 (即 Luckiesh，Hopkinson，Guth，Sollner，Bodmann，Fischer)。在当时的研究中，根本未考虑小光源和镜面光学。我们目前所用的有关道路照明眩光控制的TI评价体系，是基于上世纪30年代的研究而发展起来的 (即Holladay，Stiles)，在60年代和70年代初，通过对使用长管低压钠灯和泡形高压汞灯的装置进行评估，已经重新界定了有关路灯照明的概念 (即De Boer，Schreuder，Adrian，Fisher，Sörensen)。人们已经注意到，将TI体系用于细管高压钠灯，有时会得到与实际眩光不相符的结果。最终，室外体育照明也产生了其眩光评价体系:GR体系。该体系的建立，基于上世纪80年代对使用高功率金属卤化灯的训练场地和体育馆所进行的评估试验 (Van Bommel，Tekelenburg)。

对传统照明而言，这三个体系效果尚可。但鉴于LED和LED模组的特殊性质，这三个眩光体系能否有效地评价使用LED的装置，急需进行评估。这也为建立适用于所有应用领域的通用体系提供了机会。也许，有关面部肌肉对眩光反应的新知识，也能在这一系统的开发中发挥一定的作用。人们已经开发了能够形成肌动电流图的眼睛压力监视器，对不舒适眩光进行研究［3］。

3.4 白光质量

不需要采用滤色片，LED就能有效地产生所有色彩。然而，在许多室内照明环境的应用中，LED必须要产生性能稳定的高品质白光。为取得光的一致性，制造商们采用了分级程序:试验所产生的所有白色LED，根据白色色调进行分级。目标当然是减少分级的过程，直至最后完全不需分级。用固体陶瓷替代荧光粉，就是减少LED分选的方向之一。

就白光光质而言，我们宁愿使用目前提供的标准紧凑型荧光灯 (Ra＞80)作为普通室内照明，也不会接受显色较差的 LED。由于目前还没有关于LED灯的标准，我们也许应该考虑确定一种显色标准，其要高于目前的标准紧凑型荧光灯的标准。标准紧凑型荧光灯在室内环境下有时会导致显色缺陷。当然，这可能意味着要在一定程度上要降低光效，但是鉴于LED在高光效方面有巨大的发展潜力，从长远来看这不是什么大问题。

要使人们在室内照明中普遍接受LED，让光照的效果基本达到白炽灯的水平同样至关重要。我们今天面临的问题是高色温 (蓝富白光)LED的生产效率要高于低色温LED。但尽管如此，我们还是应该坚持这样的要求。

自从2002年在人眼视网膜中发现了第3类感光细胞后，我们进一步了解了照明的非视觉生物效应。我们明白了，早晨的高色温光和睡前晚上的低色温光，都能有效地保持我们正确的生物钟韵律。就此而言，开发一种用于室内照明的特殊LED灯，让它相应地自动调整色温，是非常有意义的。

3.5 固态照明:下一步是什么?

我们可能会问自己这样的问题，是否有可能通过新方法发明一种人造光，使它真正有别于白炽灯、气体放电和固态照明?也许我们要学会如何捕捉和储存自然光，一直储存到要用它作为“人工光”为止。也就是说， “把光放在一个盒子里，待我们需要时再释放它”［4］。纳米物理与光子晶体的研究表明，光确实可以作为 “光”来存储［5］。

4 照明应用视角

4.1 非视觉生物效应

4.1.1 自然生理韵律效果

专业照明界真正着手探讨光的非视觉生物效应这一课题，仅有十年左右的时间。2002年，在人眼视网膜中发现了第三类感光细胞，该细胞与我们大脑中的生物钟相连，而生物钟反过来又与松果腺相连，后者则会调节分泌荷尔蒙的组织。某些荷尔蒙能产生能量 (产生葡萄糖的皮质醇)，有些则让人困倦 (褪黑激素)。我们现在明白了，为什么24小时自然昼夜的韵律，决定着我们白天的敏捷和活力以及晚上的睡眠质量。

当日光不够用时，就用人工光来替代。新型感光细胞通过短波长而获得最大敏感度。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，我们可以通过不同的方式，在办公室和工业照明装置中使用智能动态照明装置。然而，这方面仍然缺乏国际准则。随着LED灯进入消费市场，应为那些不易出门享受阳光的人开发自动调色系统。因此，无论在专业领域还是消费应用领域，智能动态照明都将是“热点”所在。

4.1.2 照明治疗

有关照明非视觉效应的知识清楚地表明，光线可以用作照明治疗，以减少因生物钟失调而出现的问题。生物钟失调会因某些疾病而出现，也会因生活习惯而造成。就前者而言，最典型的例子就是SAD(季节性失调和冬季抑郁)，就后者而言，最典型的就是时差和倒班工作。有关照明治疗在其他方面的应用，也已经有所研究并有了明确程序。对此，人们可以有更多期待，甚至能够期待它替代药物治疗。我们可以对目前应用照明治疗所诊治的疾病进行归纳:SAD，老年抑郁症、失眠、老年痴呆症患者的醒—睡周期问题、精神崩溃和多动症。这一名单也应包括:时差、轮班工作和顶级运动员高峰期的优化，这些都与我们的生活方式有关。

4.1.3 神经学和道路照明

道路照明的神经学影响也开始得到关注。在实地测试中，以长距离驾驶的车手为对象，对他的大脑活动 (EEG)进行测算。这类研究的目的，是考察路灯是否能够减少夜行司机瞌睡的次数。如果果真如此，那么接下来自然是何种路灯最为有效的问题。一项实验说明了此类研究的重要性:以一位在未设置固定路灯的道路上夜行了415公里的司机为对象，对他的大脑活动进行分析，结果表明，其瞌睡的时间累计长达6分多种［6］。因此我们现在有了一个定义路灯需求和质量的全新方法，它与传统的视觉性能和视觉舒适参数完全不同。

4.2 道路照明

4.2.1 能见度

上世纪早期，瓦尔德拉姆 (Waldram)以小物体的能见度为基准定义了“剪影原则”，即在设有路灯道路上，相对于路面的光亮背景，大多数物体都被视作黑色的剪影。这一原则相应成为设定路灯亮度概念的关键，而且至今仍在使用。同样在早期，人们认识到路灯和汽车照明的组合效果是一种反向组合，因为车灯产生的垂直照度降低了剪影效果。然而，为了减少对面车射来的眩光，车灯的光束并不能射向很远的前方，所以，反向“综合效果”因为受到限制也可以忽略不计。随着先进的前照灯系统的出现 (AFS)，这一现象大为改观。这种智能、自动的汽车照明系统，可以产生城区的、高速公路的和“弧形的”多种光型，能够射到远方，甚至射到“拐角处”。它们使物体的能见度大大增加，因而依靠先进的汽车照明系统本身，一般就能保证有效的能见度。红外夜视系统也已发明出来，它可借助可视红外发射器在仪表盘上显示出所记录的影像。就能见度方面而言，这种夜视系统可以大大突出汽车系统自身的重要性。就固定路灯而言，道路上物体的能见度已明显不再是“热点”。固定路灯的作用已经发生变化，越来越多用来指示信号、交通流，或者用来减少瞌睡以及提供现代人更加看重的人身安全。因此我们不得不扪心自问，我们关于亮度的概念还正确吗?也许更加三维的照明概念更为合适。

4.2.2 路灯照明和中间视觉

在一段时间里，路灯和中间视觉，促使人们热议何种灯光光谱在低照明水平上具有视觉优势。“中间视觉”这一概念是这次讨论的关键。目前这样的讨论尤其重要，因为用LED，各种光色以及所有不同色调的白光都能够生产出来。也许今年CIE可以发行一本内容详尽的出版物，集中讨论中间视觉的离线视觉内容。它不仅有助于引导这些讨论沿着正确的方向进行，也标志着，当某些读者不再关注全貌的时候，它也不应再成为永久的“热点”。全貌是通过下列要素而定义的:

●在线视觉是由明视觉光度学所决定的。

●离线视觉则是由暗视觉光度学所决定的。

●在中间视觉光度学中，需要确定实际的调节状态。来自路灯、对面汽车、窗户的光和反射眩光，要与道路表面的亮度一同考虑。

●颜色识别对脸部辨认的作用 (对安全至关重要)

●老人眼中短波长 (蓝色和绿色)视觉的丧失。

本人在最近发表的论文中详细描绘了其整体框架。依据人们目前所了解的知识，结论一清二楚，最有效的光应该是暖白光。其中色彩识别和老人短波长视觉的丧失，在其中发挥着决定性的作用。

既然老人参与的活动越来越多，我们必须在所有照明应用中认真考虑他们的需求:这是另外一个热点话题。

［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)