LED照明发展中五个亟待解决的问题

LED照明发展中五个亟待解决的问题
——色温范围、照明标准、亮度范围、照明总均匀度和眩光控制

　　引 言

　　在白炽灯、高压钠灯的年代，人们对照明灯具的色温没有选择的余地，只好默默地接受与适应。但是，进入了可以选择色温的LED照明灯具时代，选择什么样的LED照明灯具色温，就变成了一个亟待对它有明确清醒看法的问题了。这是事关节能与照明品质的大事，容不得我们马虎应对。

　　有一种说法，倾向于搬用欧洲的嗜好，选择2700-3200K的色温范围。据说这是欧洲人偏爱的色温范围。对此，本人有不同的看法，谨提出来与大家商讨：

　　1、人脑对事物的识别与应答机制

　　人脑通过眼睛得到外界事物影象的第一反应，就是把所获取的影象与原本存储在大脑记忆体中影象信息相比对而识别，接着马上做出相应的应答动作。如果所获取的影象信息与原存储信息越接近，识别的速度就越快，应答也越敏捷。驾驶员晚上如果在与白天自然光相差越远的低色温灯光下，对所获取的影象的识别就越费力，识别速度就越慢，应答速度也跟着越慢。应答速度减慢0.1秒的结果就足以让事故发生率猛然突增。为补偿这种昼夜色温差别照明所带来的缺陷，唯一的办法就是加大照明强度，以提高在低色温下的识别速度，这就意味着增加能耗。

　　从动物进化到人类的数十万年漫长过程当中，人类一直都是生活在太阳的自然光底下，进行着一切生产与社会活动。漫长的自然选择与进化的结果，使得人类的眼睛最适应的色温范围就是太阳自然白光的色温范围（5500-7500K）。人类的眼睛在这个色温范围内，对动、静物体的辨识能力最强；在这个色温范围内，人类对外界事物的应答能力也最敏捷。因为，人们大脑记忆信息库里面所储存的物体影象信息，大都是在自然白光的照射下形成的。所以，最合适的LED照明灯具的色温范围，应该是接近太阳自然白光的色温范围，才是最科学的选择。

　　2、欧洲人喜欢低色温的生物、地理原因

　　那末，为什么欧洲人喜欢低色温呢？这是有其人种与地理上的原因的。欧洲人为白皮肤人种，白色的光线会使白皮肤的人显得苍白。甚至有夸张的说法，就像死人的颜色，所以他们偏爱暖色调是很自然的。但是我们是黄种人啊，太阳自然白光的色调并不会使我们显得苍白。还有，欧洲大部分地区地处高纬度、气温较低的地带，这也是促成他们偏爱暖色调的地理原因。但是，我们是地处四季分明的温带，并没有漫长的寒冷冬季，跟随欧洲人选择太暖的色调，就有点大可不必了。

　　3、黄光雨雾穿透能力的合适应用场合

　　还有一种说法，就是低色温的黄色光穿透雨雾的能力较好，所以应该选择它。我们并不否认黄光对雨雾的穿透能力比白光好这个事实。但是，我们应该明白，大量的道路路灯，是工作在晴天占绝大部分时间的条件下，雨雾天气毕竟占的比例比较少。选择适应雨雾天气的暖色温灯具，岂不是喧宾夺主、本末倒置？在特定的场合，比如多雾的港口场合，才是选择低色温照明灯具的合理做法。普通道路的照明灯具，还是应该选择接近太阳自然白光的色温范围，才是既科学又节能的做法。

　　上面，我们仅从人脑的识别与应答机制来说明照明色温应该选择接近自然白光的理由。下面，我们再进一步从显色指数的角度，来对这个论点做进一步剖析。

　　4、自然白光的高显色指数优点

　　太阳的自然白光，经过三菱镜的折射，可以分解成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等连续光谱、波长380nm-760nm的七种光线。太阳自然白光含有完整连续的可见光谱。

　　人眼之所以能看到物体，是因为从物体发散或者反射出来的光线，进入了我们的眼睛而感知。照明的基本机理就是把光线照射到物体上，经过物体的吸收与反射，然后从物体的外表面反射进入到人眼中来，让人们感知到该物体的颜色与外貌。但是，如果这束照明的光线只是某单一颜色的光线，那末，我们所能看到的也就仅是带有该种颜色的物体。不言而喻，如果该束光线是带有完整连续光谱的光线，那末，物体所显现出来的容貌，就会与我们在自然白光下所观察到的，一样色彩逼真的容与貌。

　　这里就得引出了一个显色指数（Ra-color rendering index / CRI）的概念。太阳的自然白光含有完整的连续光谱，物体在太阳自然白光的照射下，由于各色光线的共同作用，因而可以显示出物体的真实颜色与外貌。所以我们把太阳自然白光的显色指数定义为100，意味着它能百分之一百地显示出物体原来的真实色彩。这也是根据人眼在太阳自然白光下，所观察到的物体的色彩为基准，而制定的标准。

　　从严格意义上讲，在自然标准白光的照射下，每一条看似平淡普通的物体的轮廓线，都可以分解成标准色标板所显示的各种色标。也就是说，如果我们用标准的白光去照射任何颜色的一个物体，我们看到的它的轮廓线最为“浓密”清晰。但是，如果使用单色光，或者色彩不是很丰富的，偏离标准太阳自然光的灯光去照射该物体，那么，它的轮廓线，就会由于光源的“先天不足”而显得不“浓密”清晰，甚至模糊。

　　传统高压钠灯的主导光谱为589.2nm和589.6nm，是两条非常靠近的谱线，接近于单色光。高压钠灯的显色指数只有20-30。所以，高压钠灯下的各种物体，才会显得模模糊糊。为了使人们看清物体的真实原貌，就需要加强灯具照明的强度，才能够达到使人眼努力看清物体真实原貌的需求。加强照度，就意味着增加能量的消耗。即使如此，钠灯下观察物体的清晰度与真实色彩，是永远无法达到自然白光下的真实效果的。这就是大量的夜间购物者，到白天时才发现夜间所购物品，并非他们所喜爱的颜色，大呼上当，始作俑者，正是低显色指数的灯光所为也。街边钠灯下夜市灯光的低显色性弱点，更是喜欢逛夜市的人必须第一注意的要点哦。

　　5，低色温的低显色指数代价

　　太阳光从早到晚照射地球，并非每个时刻我们所感受到的太阳光，都必然是自然白光的。因为它还要受到厚度不一的云层的吸收与折射、反射的干扰，构成自然白光的各种谱线的成分与比例，就会发生变化的。早晚的太阳光，更要受到厚重云层、照射角度与折射的严重影响，因而此时段的金色阳光，其显色指数已经远离了100，就更不能算是自然白光了。

　　按照Kevlin的色温定义，2800K-10000K都属于太阳光的色温范围，这就是广义的太阳光的色温定义范围。但是，只有色温6500K的光线（也称D65）被订为白光的标准色温，它也就是CIE的标准照明体D65。色温6500K的光线所含的光谱最齐全，最接近于自然白光。偏离自然白光色温越远的光源，它的显色指数就越低。

　　很明显，色温越低的LED，其显色指数就会比白光的LED来得更低。在低显色指数的灯光下，要看清楚物体的真实原貌，就需要较高的灯光照度来弥补显色指数的不足。这就意味着人们得加大光源能量的输入，才能获得接近自然白光下所显示的物体的真实原貌。

　　实践证明，使用接近自然白光的光源，仅需要远小于其他光源的照度，就可以让人们真实地感知物体的真实色彩与原貌。低照度就意味着低的能量输入，就意味着节能。所以我们建议采用接近自然白光的光源作为我们的照明光源。

　　6、低色温LED的光强度下降代价

　　由于LED封装技术上的原因，参杂了红黄色素的LED，其光衰比起白光LED更快，也即其发光强度必然比白光LED下降得更快。弥补这种光强下降损失的代价，就是增加灯具LED的组装数量，也就是意味着成本与能量的增加，这也是很无奈的结果。

　　7、修改照明标准的时代必然性

　　照明的最终目的就是要让人们获得对动、静物体真实影像的观察清晰度。如今有显色指数达70-90、接近太阳自然白光的LED灯具的出现，正是我们提高照明品质，降低能耗的一个很好的契机。

　　高压钠灯的显色指数仅为20-30。在以它主导路灯系统的年代，为了达到获得在其灯光下对物体观察的辨识力与清晰度，就只能用加大照度值的办法来努力达到目的。建设部的《城市道路照明设计标准》，就是基于低显色指数的钠灯为主导照明光源的背景下制定的，这些标准原本是无可厚非的。但是，到了以高显色指数的LED为照明光源的条件下，这个标准就显得过高了。因为，在高显色指数的LED光源下，要获得对物体真实影像的辨识与观察的清晰度，仅需远小于对高压钠灯的照度要求的标准。按照我们多年的实践经验，只需要小于建设部《城市道路照明设计标准》30%的照度强度，就能达到与高压钠灯一样，甚至更好的辨识与清晰度的照明效果。

　　采用与高压钠灯一样的照度标准来规范LED光源，就意味着能量的无谓浪费。过高强度的LED照明，甚至还会引来LED灯光过于“刺眼”的投诉；降低了照射强度，不但可以获得能量的节约，还可以获得“柔和”的灯光环境。

　　对于高压钠灯与LED灯具这两种显色指数相差2-3倍的灯具，照度标准的修改肯定是必然的结局。在我们的国家尚未对道路照明标准实行修改的情况下，唯有提请实施的专家们注意这个问题了。在不冒犯现有国家照明标准的前提下，建议还是采用该标准的低档值为明智。

　　因此，LED照明灯具色温范围与照明标准的选择，与照明品质及节能降耗息息相关。选择接近太阳自然白光色温的LED照明灯具和适当的照明标准，才是明智与科学、符合节能原则的选择。

　　8、照明亮度越高越好吗

　　目前，大多数国内城市照明的亮度，都超过国家规定的数倍之多，好像这样才能显示出该城市的特色，其实这是非常浪费能源的错误做法。

　　请先看看国际照明委员会（CIE，2003-2007)主席范.波莫工程师（Ir. W.J.M. van Bommel）对平均亮度与可见度的研究结果吧：

　图一，路面平均亮度与显示能力RP的关系

　　这是一条路面平均亮度与显示能力(RP)的关系曲线。显示能力RP是指人眼能够看到路面上障碍物的概率，也就是通常所说的可见度。

　　上面的研究曲线清楚地向我们传递了这样的信息：

　　通常情况下，当路面平均亮度为0.6cd/m2时，显示能力RP只有10%； 当平均亮度达到2cd/m2时，RP可达到80%。而当地面平均亮度再往上提高一倍到4cd/ m2时，可见度才达到91.5%，也就是说，能量多消耗一倍，但是可见度只提高11.5%。即使地面上的平均亮度提高到五倍，让地面平均亮度达到10cd/m2，可见度也只能提高到95%。多花四倍的能耗，才能提高可见度15%。从经济学的角度上看，这是非常不合算的。从优选法的角度看，平均亮度0.6-2cd/m2才是最优化的经济选择。

　　漫反射表面的亮度与照度的关系L =ρE/π，是一个与地面反射系数ρ和照度乘积正相关的数学关系。这就说明，平均照度也不是越高越好的，也是服从上述曲线所体现的基本规律的。

　　明白了这条曲线的变化规律之后，我们的决策者就会很自然地选择0.6-2cd/m2的路面平均亮度范围，而不会也不应该一味追求越亮越好了。

　　9、追求高效率照明的主攻方向

　　首先，再让我们先看看国际照明委员会主席范.波莫先生在同一篇研究论著里面，向我们揭示的另一组曲线的关系图吧：

图二，照明总均匀度对显示能力RP的影响

　　这是一组研究照明亮度总均匀度对显示能力RP影响的关系曲线。图表显示，当眩光的阀值增量同样处在7%，同时照明平均亮度L=1cd/m2不变的条件下，当照明总均匀度U0从0.2提高一倍到0.4时，显示能力RP就由5%提高到75%。也就是说，当照明均匀度提高一倍时，可见度提高了15倍！这就说明照明总均匀度，比起平均亮度重要得多。它是提高照明品质的关键因数。这就向我们揭示了一个非常重要的节能途径：

　　要降低能耗，而又不影响照明可见度这个最终目标的前提下，最重要的主攻方向就是努力提高照明的总均匀度。良好的照明总均匀度，就可以适当地降低照明的平均亮度，这样能达到同样的识别辨认物体的视觉效果，同时又能达到节能降耗的目的。

　　再把照明总均匀度这个概念说清楚一些。总均匀度，指的是整条路面的照明总均匀度，尤其是指路面中心线的总均匀度，而非仅指单个灯具的照明均匀度而已。当然，总均匀度是由多个单一灯具的均匀度来构筑的。这里就向我们提出了另一个路面灯具布设设计的技术问题。一味地追求大的灯具间距，以为这样才能节省能耗，这是一种得不偿失的错误做法，因为它必然损害到照明总均匀度这个比照明亮度更为重要的指标。在单个灯具的均匀照明范围无法再扩大的情况下，我们只能适当缩小灯具布设的间距来与之配合，这样才不会影响道路照明的总均匀度。道路照明设计者第一需要照顾的参数，应该是照明总均匀度。

　　在LED还没有出现的单一光源作为灯具的唯一光源的年代，要提高照明的均匀度，只能在灯光反射罩上去做文章。但是，进入了LED这个由多个小光源构成整体灯具的年代，我们就应该改变思维，对这些单个小光源做起文章来了。如何通过调控这些个体小光源，来达到提高照明均匀度的目的，就应该列为灯具制造者的主攻方向了。

　　10、另一条提高照明效率的捷径

　　还是让我们再先看看范.波莫先生的另一个研究成果吧：

图三，相对阈值增量与显示能力RP的关系

　　这是一组揭示眩光等级的相对阀值增量与显示能力RP关系的曲线。先解释一下两个概念：
　　1、失能眩光 disability glare 降低视觉对象的可见度，但不一定产生不舒适感觉的眩光。
　　2、阈值增量 threshold increment（TI）失能眩光的度量。表示在存在眩光源时，为了达到同样看清物体的目的，在物体及其背景之间的亮度对比所需要增加的百分比。
　　这组曲线向我们显示了，在照明总均匀度均为0.4时，在不同的眩光阈值增量TI条件下，显示能力RP的变化情况。比如，在相同平均亮度（L=1cd/m2）时，眩光等级由TI=30%降低为7%时，那末，显示能力RP则由25%提高到75%。可见度提高了3倍！这又是一条提高照明效率的捷径，那就是尽量地降低眩光，就能成倍地增加可见度，从而可以相应适当地降低照明亮度，就能达到同样的照明视觉效果。

　　降低眩光分量，本身就是降低能耗，消除光污染的一条重要措施。它又能提高照明的品质，还可以进而适当调低照明亮度，进一步节能，是一种正效益累加过程，可不要轻易地放弃它哦。

　　所以，选取平均亮度0.5-2cd/m2作为道路的正常照明标准，是最经济的优化选择，过度地追求高亮度照明，是既耗能又得不到多大实际照明效果，并且会产生眩光与光污染的错误做法。致力于追求提高照明总均匀度与降低眩光，才是节能降耗最重要的主攻方向。

　　11、归纳

　　本文所提到的色温范围、照度标准、亮度范围、照明总均匀度和眩光控制等五大问题，必将制约着我们LED照明运动的发展，及早在理论上和实践上解决它们，才能让我们一直紧紧握住LED照明运动发展的主动权，引领潮流发展，而不是被动地受制于自然发展的内在规律。