LED照明發(fā)展中五個亟待解決的問題

LED照明發(fā)展中五個亟待解決的問題
——色溫范圍、照明標準、亮度范圍、照明總均勻度和眩光控制

　　引 言

　　在白熾燈、高壓鈉燈的年代，人們對照明燈具的色溫沒有選擇的余地，只好默默地接受與適應(yīng)。但是，進入了可以選擇色溫的LED照明燈具時代，選擇什么樣的LED照明燈具色溫，就變成了一個亟待對它有明確清醒看法的問題了。這是事關(guān)節(jié)能與照明品質(zhì)的大事，容不得我們馬虎應(yīng)對。

　　有一種說法，傾向于搬用歐洲的嗜好，選擇2700-3200K的色溫范圍。據(jù)說這是歐洲人偏愛的色溫范圍。對此，本人有不同的看法，謹提出來與大家商討：

　　1、人腦對事物的識別與應(yīng)答機制

　　人腦通過眼睛得到外界事物影象的第一反應(yīng)，就是把所獲取的影象與原本存儲在大腦記憶體中影象信息相比對而識別，接著馬上做出相應(yīng)的應(yīng)答動作。如果所獲取的影象信息與原存儲信息越接近，識別的速度就越快，應(yīng)答也越敏捷。駕駛員晚上如果在與白天自然光相差越遠的低色溫燈光下，對所獲取的影象的識別就越費力，識別速度就越慢，應(yīng)答速度也跟著越慢。應(yīng)答速度減慢0.1秒的結(jié)果就足以讓事故發(fā)生率猛然突增。為補償這種晝夜色溫差別照明所帶來的缺陷，唯一的辦法就是加大照明強度，以提高在低色溫下的識別速度，這就意味著增加能耗。

　　從動物進化到人類的數(shù)十萬年漫長過程當中，人類一直都是生活在太陽的自然光底下，進行著一切生產(chǎn)與社會活動。漫長的自然選擇與進化的結(jié)果，使得人類的眼睛最適應(yīng)的色溫范圍就是太陽自然白光的色溫范圍（5500-7500K）。人類的眼睛在這個色溫范圍內(nèi)，對動、靜物體的辨識能力最強；在這個色溫范圍內(nèi)，人類對外界事物的應(yīng)答能力也最敏捷。因為，人們大腦記憶信息庫里面所儲存的物體影象信息，大都是在自然白光的照射下形成的。所以，最合適的LED照明燈具的色溫范圍，應(yīng)該是接近太陽自然白光的色溫范圍，才是最科學的選擇。

　　2、歐洲人喜歡低色溫的生物、地理原因

　　那末，為什么歐洲人喜歡低色溫呢？這是有其人種與地理上的原因的。歐洲人為白皮膚人種，白色的光線會使白皮膚的人顯得蒼白。甚至有夸張的說法，就像死人的顏色，所以他們偏愛暖色調(diào)是很自然的。但是我們是黃種人啊，太陽自然白光的色調(diào)并不會使我們顯得蒼白。還有，歐洲大部分地區(qū)地處高緯度、氣溫較低的地帶，這也是促成他們偏愛暖色調(diào)的地理原因。但是，我們是地處四季分明的溫帶，并沒有漫長的寒冷冬季，跟隨歐洲人選擇太暖的色調(diào)，就有點大可不必了。

　　3、黃光雨霧穿透能力的合適應(yīng)用場合

　　還有一種說法，就是低色溫的黃色光穿透雨霧的能力較好，所以應(yīng)該選擇它。我們并不否認黃光對雨霧的穿透能力比白光好這個事實。但是，我們應(yīng)該明白，大量的道路路燈，是工作在晴天占絕大部分時間的條件下，雨霧天氣畢竟占的比例比較少。選擇適應(yīng)雨霧天氣的暖色溫燈具，豈不是喧賓奪主、本末倒置？在特定的場合，比如多霧的港口場合，才是選擇低色溫照明燈具的合理做法。普通道路的照明燈具，還是應(yīng)該選擇接近太陽自然白光的色溫范圍，才是既科學又節(jié)能的做法。

　　上面，我們僅從人腦的識別與應(yīng)答機制來說明照明色溫應(yīng)該選擇接近自然白光的理由。下面，我們再進一步從顯色指數(shù)的角度，來對這個論點做進一步剖析。

　　4、自然白光的高顯色指數(shù)優(yōu)點

　　太陽的自然白光，經(jīng)過三菱鏡的折射，可以分解成紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等連續(xù)光譜、波長380nm-760nm的七種光線。太陽自然白光含有完整連續(xù)的可見光譜。

　　人眼之所以能看到物體，是因為從物體發(fā)散或者反射出來的光線，進入了我們的眼睛而感知。照明的基本機理就是把光線照射到物體上，經(jīng)過物體的吸收與反射，然后從物體的外表面反射進入到人眼中來，讓人們感知到該物體的顏色與外貌。但是，如果這束照明的光線只是某單一顏色的光線，那末，我們所能看到的也就僅是帶有該種顏色的物體。不言而喻，如果該束光線是帶有完整連續(xù)光譜的光線，那末，物體所顯現(xiàn)出來的容貌，就會與我們在自然白光下所觀察到的，一樣色彩逼真的容與貌。

　　這里就得引出了一個顯色指數(shù)（Ra-color rendering index / CRI）的概念。太陽的自然白光含有完整的連續(xù)光譜，物體在太陽自然白光的照射下，由于各色光線的共同作用，因而可以顯示出物體的真實顏色與外貌。所以我們把太陽自然白光的顯色指數(shù)定義為100，意味著它能百分之一百地顯示出物體原來的真實色彩。這也是根據(jù)人眼在太陽自然白光下，所觀察到的物體的色彩為基準，而制定的標準。

　　從嚴格意義上講，在自然標準白光的照射下，每一條看似平淡普通的物體的輪廓線，都可以分解成標準色標板所顯示的各種色標。也就是說，如果我們用標準的白光去照射任何顏色的一個物體，我們看到的它的輪廓線最為“濃密”清晰。但是，如果使用單色光，或者色彩不是很豐富的，偏離標準太陽自然光的燈光去照射該物體，那么，它的輪廓線，就會由于光源的“先天不足”而顯得不“濃密”清晰，甚至模糊。

　　傳統(tǒng)高壓鈉燈的主導光譜為589.2nm和589.6nm，是兩條非?？拷淖V線，接近于單色光。高壓鈉燈的顯色指數(shù)只有20-30。所以，高壓鈉燈下的各種物體，才會顯得模模糊糊。為了使人們看清物體的真實原貌，就需要加強燈具照明的強度，才能夠達到使人眼努力看清物體真實原貌的需求。加強照度，就意味著增加能量的消耗。即使如此，鈉燈下觀察物體的清晰度與真實色彩，是永遠無法達到自然白光下的真實效果的。這就是大量的夜間購物者，到白天時才發(fā)現(xiàn)夜間所購物品，并非他們所喜愛的顏色，大呼上當，始作俑者，正是低顯色指數(shù)的燈光所為也。街邊鈉燈下夜市燈光的低顯色性弱點，更是喜歡逛夜市的人必須第一注意的要點哦。

　　5，低色溫的低顯色指數(shù)代價

　　太陽光從早到晚照射地球，并非每個時刻我們所感受到的太陽光，都必然是自然白光的。因為它還要受到厚度不一的云層的吸收與折射、反射的干擾，構(gòu)成自然白光的各種譜線的成分與比例，就會發(fā)生變化的。早晚的太陽光，更要受到厚重云層、照射角度與折射的嚴重影響，因而此時段的金色陽光，其顯色指數(shù)已經(jīng)遠離了100，就更不能算是自然白光了。

　　按照Kevlin的色溫定義，2800K-10000K都屬于太陽光的色溫范圍，這就是廣義的太陽光的色溫定義范圍。但是，只有色溫6500K的光線（也稱D65）被訂為白光的標準色溫，它也就是CIE的標準照明體D65。色溫6500K的光線所含的光譜最齊全，最接近于自然白光。偏離自然白光色溫越遠的光源，它的顯色指數(shù)就越低。

　　很明顯，色溫越低的LED，其顯色指數(shù)就會比白光的LED來得更低。在低顯色指數(shù)的燈光下，要看清楚物體的真實原貌，就需要較高的燈光照度來彌補顯色指數(shù)的不足。這就意味著人們得加大光源能量的輸入，才能獲得接近自然白光下所顯示的物體的真實原貌。

　　實踐證明，使用接近自然白光的光源，僅需要遠小于其他光源的照度，就可以讓人們真實地感知物體的真實色彩與原貌。低照度就意味著低的能量輸入，就意味著節(jié)能。所以我們建議采用接近自然白光的光源作為我們的照明光源。

　　6、低色溫LED的光強度下降代價

　　由于LED封裝技術(shù)上的原因，參雜了紅黃色素的LED，其光衰比起白光LED更快，也即其發(fā)光強度必然比白光LED下降得更快。彌補這種光強下降損失的代價，就是增加燈具LED的組裝數(shù)量，也就是意味著成本與能量的增加，這也是很無奈的結(jié)果。

　　7、修改照明標準的時代必然性

　　照明的最終目的就是要讓人們獲得對動、靜物體真實影像的觀察清晰度。如今有顯色指數(shù)達70-90、接近太陽自然白光的LED燈具的出現(xiàn)，正是我們提高照明品質(zhì)，降低能耗的一個很好的契機。

　　高壓鈉燈的顯色指數(shù)僅為20-30。在以它主導路燈系統(tǒng)的年代，為了達到獲得在其燈光下對物體觀察的辨識力與清晰度，就只能用加大照度值的辦法來努力達到目的。建設(shè)部的《城市道路照明設(shè)計標準》，就是基于低顯色指數(shù)的鈉燈為主導照明光源的背景下制定的，這些標準原本是無可厚非的。但是，到了以高顯色指數(shù)的LED為照明光源的條件下，這個標準就顯得過高了。因為，在高顯色指數(shù)的LED光源下，要獲得對物體真實影像的辨識與觀察的清晰度，僅需遠小于對高壓鈉燈的照度要求的標準。按照我們多年的實踐經(jīng)驗，只需要小于建設(shè)部《城市道路照明設(shè)計標準》30%的照度強度，就能達到與高壓鈉燈一樣，甚至更好的辨識與清晰度的照明效果。

　　采用與高壓鈉燈一樣的照度標準來規(guī)范LED光源，就意味著能量的無謂浪費。過高強度的LED照明，甚至還會引來LED燈光過于“刺眼”的投訴；降低了照射強度，不但可以獲得能量的節(jié)約，還可以獲得“柔和”的燈光環(huán)境。

　　對于高壓鈉燈與LED燈具這兩種顯色指數(shù)相差2-3倍的燈具，照度標準的修改肯定是必然的結(jié)局。在我們的國家尚未對道路照明標準實行修改的情況下，唯有提請實施的專家們注意這個問題了。在不冒犯現(xiàn)有國家照明標準的前提下，建議還是采用該標準的低檔值為明智。

　　因此，LED照明燈具色溫范圍與照明標準的選擇，與照明品質(zhì)及節(jié)能降耗息息相關(guān)。選擇接近太陽自然白光色溫的LED照明燈具和適當?shù)恼彰鳂藴?，才是明智與科學、符合節(jié)能原則的選擇。

　　8、照明亮度越高越好嗎

　　目前，大多數(shù)國內(nèi)城市照明的亮度，都超過國家規(guī)定的數(shù)倍之多，好像這樣才能顯示出該城市的特色，其實這是非常浪費能源的錯誤做法。

　　請先看看國際照明委員會（CIE，2003-2007)主席范.波莫工程師（Ir. W.J.M. van Bommel）對平均亮度與可見度的研究結(jié)果吧：

　圖一，路面平均亮度與顯示能力RP的關(guān)系

　　這是一條路面平均亮度與顯示能力(RP)的關(guān)系曲線。顯示能力RP是指人眼能夠看到路面上障礙物的概率，也就是通常所說的可見度。

　　上面的研究曲線清楚地向我們傳遞了這樣的信息：

　　通常情況下，當路面平均亮度為0.6cd/m2時，顯示能力RP只有10%； 當平均亮度達到2cd/m2時，RP可達到80%。而當?shù)孛嫫骄炼仍偻咸岣咭槐兜?cd/ m2時，可見度才達到91.5%，也就是說，能量多消耗一倍，但是可見度只提高11.5%。即使地面上的平均亮度提高到五倍，讓地面平均亮度達到10cd/m2，可見度也只能提高到95%。多花四倍的能耗，才能提高可見度15%。從經(jīng)濟學的角度上看，這是非常不合算的。從優(yōu)選法的角度看，平均亮度0.6-2cd/m2才是最優(yōu)化的經(jīng)濟選擇。

　　漫反射表面的亮度與照度的關(guān)系L =ρE/π，是一個與地面反射系數(shù)ρ和照度乘積正相關(guān)的數(shù)學關(guān)系。這就說明，平均照度也不是越高越好的，也是服從上述曲線所體現(xiàn)的基本規(guī)律的。

　　明白了這條曲線的變化規(guī)律之后，我們的決策者就會很自然地選擇0.6-2cd/m2的路面平均亮度范圍，而不會也不應(yīng)該一味追求越亮越好了。

　　9、追求高效率照明的主攻方向

　　首先，再讓我們先看看國際照明委員會主席范.波莫先生在同一篇研究論著里面，向我們揭示的另一組曲線的關(guān)系圖吧：

圖二，照明總均勻度對顯示能力RP的影響

　　這是一組研究照明亮度總均勻度對顯示能力RP影響的關(guān)系曲線。圖表顯示，當眩光的閥值增量同樣處在7%，同時照明平均亮度L=1cd/m2不變的條件下，當照明總均勻度U0從0.2提高一倍到0.4時，顯示能力RP就由5%提高到75%。也就是說，當照明均勻度提高一倍時，可見度提高了15倍！這就說明照明總均勻度，比起平均亮度重要得多。它是提高照明品質(zhì)的關(guān)鍵因數(shù)。這就向我們揭示了一個非常重要的節(jié)能途徑：

　　要降低能耗，而又不影響照明可見度這個最終目標的前提下，最重要的主攻方向就是努力提高照明的總均勻度。良好的照明總均勻度，就可以適當?shù)亟档驼彰鞯钠骄炼?，這樣能達到同樣的識別辨認物體的視覺效果，同時又能達到節(jié)能降耗的目的。

　　再把照明總均勻度這個概念說清楚一些?？偩鶆蚨龋傅氖钦麠l路面的照明總均勻度，尤其是指路面中心線的總均勻度，而非僅指單個燈具的照明均勻度而已。當然，總均勻度是由多個單一燈具的均勻度來構(gòu)筑的。這里就向我們提出了另一個路面燈具布設(shè)設(shè)計的技術(shù)問題。一味地追求大的燈具間距，以為這樣才能節(jié)省能耗，這是一種得不償失的錯誤做法，因為它必然損害到照明總均勻度這個比照明亮度更為重要的指標。在單個燈具的均勻照明范圍無法再擴大的情況下，我們只能適當縮小燈具布設(shè)的間距來與之配合，這樣才不會影響道路照明的總均勻度。道路照明設(shè)計者第一需要照顧的參數(shù)，應(yīng)該是照明總均勻度。

　　在LED還沒有出現(xiàn)的單一光源作為燈具的唯一光源的年代，要提高照明的均勻度，只能在燈光反射罩上去做文章。但是，進入了LED這個由多個小光源構(gòu)成整體燈具的年代，我們就應(yīng)該改變思維，對這些單個小光源做起文章來了。如何通過調(diào)控這些個體小光源，來達到提高照明均勻度的目的，就應(yīng)該列為燈具制造者的主攻方向了。

　　10、另一條提高照明效率的捷徑

　　還是讓我們再先看看范.波莫先生的另一個研究成果吧：

圖三，相對閾值增量與顯示能力RP的關(guān)系

　　這是一組揭示眩光等級的相對閥值增量與顯示能力RP關(guān)系的曲線。先解釋一下兩個概念：
　　1、失能眩光 disability glare 降低視覺對象的可見度，但不一定產(chǎn)生不舒適感覺的眩光。
　　2、閾值增量 threshold increment（TI）失能眩光的度量。表示在存在眩光源時，為了達到同樣看清物體的目的，在物體及其背景之間的亮度對比所需要增加的百分比。
　　這組曲線向我們顯示了，在照明總均勻度均為0.4時，在不同的眩光閾值增量TI條件下，顯示能力RP的變化情況。比如，在相同平均亮度（L=1cd/m2）時，眩光等級由TI=30%降低為7%時，那末，顯示能力RP則由25%提高到75%。可見度提高了3倍！這又是一條提高照明效率的捷徑，那就是盡量地降低眩光，就能成倍地增加可見度，從而可以相應(yīng)適當?shù)亟档驼彰髁炼?，就能達到同樣的照明視覺效果。

　　降低眩光分量，本身就是降低能耗，消除光污染的一條重要措施。它又能提高照明的品質(zhì)，還可以進而適當調(diào)低照明亮度，進一步節(jié)能，是一種正效益累加過程，可不要輕易地放棄它哦。

　　所以，選取平均亮度0.5-2cd/m2作為道路的正常照明標準，是最經(jīng)濟的優(yōu)化選擇，過度地追求高亮度照明，是既耗能又得不到多大實際照明效果，并且會產(chǎn)生眩光與光污染的錯誤做法。致力于追求提高照明總均勻度與降低眩光，才是節(jié)能降耗最重要的主攻方向。

　　11、歸納

　　本文所提到的色溫范圍、照度標準、亮度范圍、照明總均勻度和眩光控制等五大問題，必將制約著我們LED照明運動的發(fā)展，及早在理論上和實踐上解決它們，才能讓我們一直緊緊握住LED照明運動發(fā)展的主動權(quán)，引領(lǐng)潮流發(fā)展，而不是被動地受制于自然發(fā)展的內(nèi)在規(guī)律。