用LED照明實現(xiàn)模擬日光變化：談世博會圣保羅城市館日光室的照明實現(xiàn)

呂慶峰 史進紅

(上海鼎晟照明科技有限公司，上海 200091)

2010年上海世博會已經(jīng)圓滿結(jié)束。這一屆的世博會，是眾多新技術(shù)，新科技，新發(fā)明，新創(chuàng)造的集中展示和應(yīng)用。尤其在照明應(yīng)用領(lǐng)域，LED新光源的開發(fā)、應(yīng)用成為一個亮點。為今后的照明方面節(jié)能，環(huán)保，科技的發(fā)展，作出了很好的嘗試。

我們有幸參建了世博會的城市案例館——圣保羅館的建設(shè)。在LED照明如何模擬日光色溫方面作出一定的嘗試，取得了一定的效果 。在此文中，我將加以介紹、闡述。

1 太陽光的色溫變化

太陽的光，是地球上人類得以生存的基本條件。人們已經(jīng)在每一天的生活中，熟悉了太陽的升起、落下，第二天重復(fù)的升起、落下……。這已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠帧纳饡r的金紅色，到正午的藍白色，到落山時的金黃色，呈現(xiàn)出不同的顏色表現(xiàn)的同時，也給我們各種不同冷暖的感知。

太陽光中，從波長380納米到780納米的區(qū)域，屬于可見光區(qū) (如圖1)。我們每日能夠通過眼睛感知的就是這一部份的光線。而380納米和780納米以外的光線，屬于紅外區(qū)和紫外區(qū)，則不屬于本文討論的范圍。

圖1 可見光譜圖

我們看到的太陽光的顏色變化，在物理上用色溫來表述，就是從大致2200K～6200K的范圍。(K，開爾文，一個溫度的國際單位)，其對應(yīng)的顏色變化如圖2所示。

圖2 開爾文色溫表

2 LED的特點及LED照明

LED是新興的一種光源。其原理是通過半導(dǎo)體PN結(jié)的發(fā)光，形成特定波長的可見光線，比如580納米的黃色光線。正是因為其只能產(chǎn)生單一波長光線的原因，我們可以使用LED來模擬太陽的可見光區(qū)中380～780范圍內(nèi)的任意一個波長的光線。LED發(fā)光原理的PN結(jié)示意如圖3所示。

圖3 PN結(jié)示意圖

因為LED可以產(chǎn)生我們需要的可見光，它就可以在一定的范圍內(nèi)，代替我們現(xiàn)在常用的如白熾燈、熒光燈、金鹵燈等光源。同時，由于其發(fā)光原理的特點，電能可以最大程度的轉(zhuǎn)化成光能。從而比現(xiàn)在傳統(tǒng)的光源更加節(jié)能。現(xiàn)在已知的LED的最大發(fā)光效率已經(jīng)達到:208lm/W，而我們目前已經(jīng)投入使用的常規(guī)LED光源的發(fā)光效率已經(jīng)達到85lm/W，相當于金鹵燈的發(fā)光效率，其開發(fā)前景及其廣闊(如圖4)。

圖4 光源光效趨勢圖

3 圣保羅館的照明要求

巴西的圣保羅市，是南美洲的一個非常美麗的城市。為了展示城市美麗的風(fēng)貌，讓參觀者有一種如置身圣保羅之感，圣保羅館有一個獨特的玻璃展廳。玻璃縱橫交錯排列在過道的兩側(cè)，每塊玻璃分為三層，兩層透明玻璃之間夾的是圣保羅城市大幅照片噴繪。室內(nèi)設(shè)計師特別要求采用全新的照明手段，希望在玻璃的底面和頂面都裝有嵌入式燈具(如圖5)，通過控制這些燈具顏色的變化，使城市照片出現(xiàn)顏色的變化，從而給身臨其境的參觀者創(chuàng)造出城市日出到日落的全部體驗。

圖5 燈具布置圖 (左圖為地面布置圖，右圖為頂面布置圖)

為達到這樣的照明效果，我們和來自巴西的設(shè)計師進行研究，分析陽光一天的色溫變化。發(fā)現(xiàn)早上的色溫要偏冷，隨著太陽升起色溫慢慢變暖，到中午感覺到熱了，晚上色溫將又慢慢回暖冷。利用陽光給人的這種感受，同時我們希望設(shè)計了一種暖光源LED和一種冷光源LED進行混光，將這兩種光源隨控制變化按照一定比例混合，來模擬日光色溫一天中的變化。之后，我們提出了對LED燈具的要求，能夠在規(guī)定的時間內(nèi)模擬出日光從2300K～5000K的色溫變化以及明暗變化。具體要求如下:

1)色溫變化范圍:2700K～6500K;

2)照度變化:0 lx～500 lx;

3)顯色指數(shù)要求:Ra＞=80;

4)采用DMX控制，以實現(xiàn)非常細膩的色溫過渡。

4 燈具設(shè)計

根據(jù)上述的要求以及我們對LED和照明控制的理解，鼎晟照明公司 (TeamsLitek)特別設(shè)計了一款定制的LED燈具 (圖6)。

圖6 定制的LED燈具

根據(jù)現(xiàn)場的尺寸，燈具有制作成1000mm和500mm兩種規(guī)格。綜合考慮到電源、散熱以及安裝條件等因素決定將橫截面大小設(shè)計在50mm×50mm之內(nèi)。以500mm的為例，光源選用Cree生產(chǎn)的12顆單顆為1瓦的大功率白色LED，其中6顆光源的色溫為2700K，另6顆光源的色溫為6500K，間隔分布，即一顆暖色一顆冷色。同時，此款燈具分為兩個控制通道，通道一為暖色溫，控制色溫為2700K的6顆LED;通道二為冷色溫，控制色溫為6500K的6顆LED。LED燈具光源的透鏡選用25度的透鏡，使兩種光色在混合時顯得更加均勻。

5 控制實現(xiàn)

DMX控制器在編程時也只設(shè)有兩個通道，冷(2700K)通道和暖 (6500K)通道，與每個燈具的通道相對應(yīng)。考慮參觀者游覽速度和總長度計算，自動控制程序?qū)⒁粋€完整變化控制在5分鐘內(nèi)，同時在此時間內(nèi)均勻?qū)崿F(xiàn)兩種色溫、強度的升降變化(如圖7)。程序共需要84組CUE，在5分鐘內(nèi)其光強按照圖7內(nèi)的配比均勻過渡。程序剛開始時為6500K冷色LED 100%的強度，2700K暖色LED 0%的強度，出現(xiàn)程序中最冷的光，意旨早上最冷的那個時間點 (如圖8左);慢慢的暖色溫開始按照一定強度比例上升，冷色溫也按照同樣的比例開始下降，意旨太陽慢慢升起，天空回暖 (如圖8中);直到回暖到中午最暖的時刻，即6500K冷色LED 0%的強度，2700K暖色LED 100%的強度(如圖8右)。然后再恢復(fù)到起始程序，模擬晚間的冷色溫，如此往復(fù)循環(huán)。考慮到不是每天都會是晴天，所以我們增加了幾個降低強度且同樣變化的程序選擇。即整體降低90%的強度，80%的強度和70%的強度，這樣控制的色溫不會變化，但亮度會有所降低。

圖7 DMX程序控制圖表

圖8 燈具混光實驗 (燈具為500mm規(guī)格，左圖偏暖，中圖為適中，右圖偏冷)

在實際的場景變化過程中，燈光用冷到暖的變化模擬了城市早上到中午再到晚上的變化，一天的光線的色溫就這樣被完全模擬出來的 (如圖9)。如此，特別設(shè)計并生產(chǎn)的燈具及其控制方法，達到了最初的設(shè)計要求。當參觀者靜靜在欣賞一副城市的照片時，就好像在感受這座城市的每日的變遷一樣。

圖9 燈具現(xiàn)場效果 (左圖為早晚的效果，右圖為中午的效果)

6 結(jié)語

LED光源，由于其自身的特點，使照明創(chuàng)造產(chǎn)生了很多新的可能。這種模擬日光的方法，可以用在某些特殊場合，如地下建筑、地下隧道等。用LED照明這種新穎的模式，在照亮區(qū)域的同同時，也創(chuàng)造出太陽光的變化。體現(xiàn)更深層次的人文關(guān)懷。

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