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绿色照明、SSL及蓝光危害之我见(上) 2013/4/2 15:43:38
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绿色照明、SSL及蓝光危害之我见

文/周太明

说明:因篇幅过长,本文分成三段呈现,第一部分:什么样的照明才是绿色照明;第二部分:绿色照明对光源的要求第三部分: SSL是对传统光源的一场革命。 本文乃第一部分:

  一、什么样的照明才是绿色照明

  由中国科学协会主编、中国照明学会编著的《照明科学与技术学科发展研究报告(2010-2011)》[1] 中关于绿色照明,有这样一段定义:“绿色照明是指通过科学的照明设计,采用效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明电器产品 ( 电光源、灯用电器附件、灯具、配线器材,以及调光控制设备和控光器件 ),并充分利用自然光来最终达到高效、舒适、安全、经济、有益环境和改善提高人们工作、学习、生活条件和质量,以及有益于人们身心健康并体现现代文明的照明。其内涵体现以人为本,体现科学技术的进步,达到节约能源、保护生态环境的目的。”这一定义是甘子光教授和很多照明专家经过仔细研究才得出的,且经受了时间和实复旦大学光源与照明工程系 周太明教授践的考验。绿色照明的核心是提供节能、环保和有利于人们福 的光环境。怎样才能营造这样的光环境呢?下面先从照明的双重功能说起。

  1.照明的视觉功能

  照明的一大功能是使人们能够看清被照的客体。评价照明的视觉功能有一些可以计量的参数,如照度 / 亮度、色温、显色指数、对比度、眩光评价指数和立体感等等。良好的照明光环境要求有好的空间亮度分布,有适宜的色温和好的显色性能,有合适的对比度,没有影响我们视觉的眩光,被照的客体有很好的立体感。对这些参数的具体要求随时间、空间和观察者不同而有所不同。例如,在热带地区人们比较偏爱色温较高的光,而在严寒的国度人们则喜欢暖色调的光; 又比如,要看清同样的客体,老年人需要的照度要比年轻人高得多。

  另外,从节能的角度考虑,对这些参数的要求要适当。西欧的学者在荧光灯照明的条件下研究发现,室内工作满意的水平照度范围为 1000 ~ 2000lx[2]。然而,为了节能,实际上世界各国的照明标准都低于此数值;只有对从事诸如钟表修理等精细工作的场所才采用这么高的照度。对于显色性的要求也根据实际需要而定。一般而言,灯的光效和显色性两者之间是矛盾的。要节能就要采用高光效灯,显色性就不可能非常好。所以,只有在对诸如美术馆和需要进行高清彩电转播等场合才采用显色性很好的照明,而对于一般工厂车间的照明,显色性的要求就不必很高。因此,为了节能,我们进行照明时会适当降低对某些参数的要求;当然不是以牺牲人的健康为代价。然而,需要强调的是在照明中,节能是我们非常关注的重点,节能对于维护我们人类的长远健康具有战略意义。照明节能的重要性,在以下内容中还要重点说明。

  2.照明的非视觉生物功能

  长期以来 , 人们认为在我们的视网膜上只有锥状和杆状两种感光细胞,它们分别在明视觉和暗视觉时起主要作用,介于两者之间的是中间视觉。这两种感光细胞对光的灵敏度都随波长而变。锥状细胞对波长为 555nm 的光最敏感,而杆状细胞的最大灵敏度发生在507nm。前者集中在视网膜的中央,后者分布在其周边,它们分别对应于中心视觉和周边视觉。

  2002 年 美 国 Brown 大 学 的 David Berson 发现了一种新的感光细胞 , 它是视网膜上的神经节细胞(Retinal Ganglion Cells,RGCs) [3,4]。 但是这种感光细胞与视觉并无关系。它不是连接到脑皮层,而是直接连接到下丘脑的松果体,亦即人体的”生物钟”上,影响人的生理功能(见图 1)。

  

图 1 照明的视觉功能和照明的生物功能(源自 Wout van Bommel 教授)

  与锥状细胞和杆状细胞一样,这种神经节细胞对于不同波长光的灵敏度也是不同的。图 2 中的 Ae 曲线就是它的光谱灵敏度曲线,其峰值波长位于 460nm 蓝光附近。

  

图 2 明视觉和暗视觉的光谱光效率 V 和 V’ 以及神经节细胞的感光灵敏,度曲线 Ae(源自 Wout van Bommel 教授)

  这第三种感光细胞影响着人体的生物功能。清晨,周围的光环境处于高色温的状态,蓝色光的成分比较丰富,刺激着视网膜上的神经节细胞,使我们体内皮质醇的浓度增高,并抑制褪黑色素的分泌。这样,一早起来,我们的身体就充满了活力,精力充沛地开始一天的工作。到黄昏时,周围的光环境逐渐变为低色温的状态,蓝色光的成分很少,使体内皮质醇的分泌减少,褪黑色素的浓度增高,因而我们渐渐感到疲劳,需要休息和睡眠(见图3)。天然光就是这样通过神经节细胞来控制我们体内的生物钟,使我们的生理活动适应昼夜和四季的节奏变化。

  

图 3 皮质醇和褪黑色激素昼夜强度的变化(取自飞利浦公司资料)

  由上面的论述可知,照明的视觉功能和生物功能是由锥状 - 杆状细胞和神经节细胞分别完成的。乍一看到“司辰视觉”这一新词时,感到十分困惑。“司辰”意味着控制人的生理节律,那当然是指神经节细胞的作用;而“视觉”则肯定是与锥状和杆状细胞有关。“司辰视觉”则意味着神经节细胞兼有生理和视觉双重功能。我想了很长时间,但对此还是百思不得其解。最近,我看到一篇文章,说盲人也能通过神经节细胞感受到蓝光[5],调节生理节律。显然,这与视觉是完全没有关联的。对于流转颇广的“司辰视觉”这一提法是否妥当,我认为值得商榷。

  综上所述,在充分考虑节能和环保等基础上,我们的照明一定要兼顾人的视觉功能和生物功能这两个方面。为此,国际上许多学者提出了“动感照明”(Dynamic Lighting)[6] 和“可调节的照明”(Tunable Lighting)[5] 的理念。这种照明是适应人的生理节律和良好视觉的需求,适时地调节色温和照度,而不是只改变照度(即以前所说的调光Dimming)。图 4 是这种照明的一个范例。早晨上班时,采用高色温照明,照度较高,使人精力充沛地开始一天的工作;到中午时,照度降低,且光变成暖色,以便午餐和休息;下午恢复工作,又升高色温和照度;下班时,再度降低色温和照度。这种可调节的照明才能真正营造有益于人们福祉的光环境。我感到,可调节的照明将会成为未来照明的主流。

  

图 4  办公室照明的一种可调节照明方案。红线表示照度;蓝色代表高色[6]温,黄色代表低色温 。

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【本文乃博主原创,已经刊登于《半导体照明》2013年第二刊,在此仅作探讨和分享,用于出版以及商业用途请联系博主。转载须注明作者与出处】

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