用LED照明实现模拟日光变化：谈世博会圣保罗城市馆日光室的照明实现

吕庆峰 史进红

(上海鼎晟照明科技有限公司，上海 200091)

2010年上海世博会已经圆满结束。这一届的世博会，是众多新技术，新科技，新发明，新创造的集中展示和应用。尤其在照明应用领域，LED新光源的开发、应用成为一个亮点。为今后的照明方面节能，环保，科技的发展，作出了很好的尝试。

我们有幸参建了世博会的城市案例馆——圣保罗馆的建设。在LED照明如何模拟日光色温方面作出一定的尝试，取得了一定的效果 。在此文中，我将加以介绍、阐述。

1 太阳光的色温变化

太阳的光，是地球上人类得以生存的基本条件。人们已经在每一天的生活中，熟悉了太阳的升起、落下，第二天重复的升起、落下……。这已经成为我们日常生活的一部分。从升起时的金红色，到正午的蓝白色，到落山时的金黄色，呈现出不同的颜色表现的同时，也给我们各种不同冷暖的感知。

太阳光中，从波长380纳米到780纳米的区域，属于可见光区 (如图1)。我们每日能够通过眼睛感知的就是这一部份的光线。而380纳米和780纳米以外的光线，属于红外区和紫外区，则不属于本文讨论的范围。

图1 可见光谱图

我们看到的太阳光的颜色变化，在物理上用色温来表述，就是从大致2200K～6200K的范围。(K，开尔文，一个温度的国际单位)，其对应的颜色变化如图2所示。

图2 开尔文色温表

2 LED的特点及LED照明

LED是新兴的一种光源。其原理是通过半导体PN结的发光，形成特定波长的可见光线，比如580纳米的黄色光线。正是因为其只能产生单一波长光线的原因，我们可以使用LED来模拟太阳的可见光区中380～780范围内的任意一个波长的光线。LED发光原理的PN结示意如图3所示。

图3 PN结示意图

因为LED可以产生我们需要的可见光，它就可以在一定的范围内，代替我们现在常用的如白炽灯、荧光灯、金卤灯等光源。同时，由于其发光原理的特点，电能可以最大程度的转化成光能。从而比现在传统的光源更加节能。现在已知的LED的最大发光效率已经达到:208lm/W，而我们目前已经投入使用的常规LED光源的发光效率已经达到85lm/W，相当于金卤灯的发光效率，其开发前景及其广阔(如图4)。

图4 光源光效趋势图

3 圣保罗馆的照明要求

巴西的圣保罗市，是南美洲的一个非常美丽的城市。为了展示城市美丽的风貌，让参观者有一种如置身圣保罗之感，圣保罗馆有一个独特的玻璃展厅。玻璃纵横交错排列在过道的两侧，每块玻璃分为三层，两层透明玻璃之间夹的是圣保罗城市大幅照片喷绘。室内设计师特别要求采用全新的照明手段，希望在玻璃的底面和顶面都装有嵌入式灯具(如图5)，通过控制这些灯具颜色的变化，使城市照片出现颜色的变化，从而给身临其境的参观者创造出城市日出到日落的全部体验。

图5 灯具布置图 (左图为地面布置图，右图为顶面布置图)

为达到这样的照明效果，我们和来自巴西的设计师进行研究，分析阳光一天的色温变化。发现早上的色温要偏冷，随着太阳升起色温慢慢变暖，到中午感觉到热了，晚上色温将又慢慢回暖冷。利用阳光给人的这种感受，同时我们希望设计了一种暖光源LED和一种冷光源LED进行混光，将这两种光源随控制变化按照一定比例混合，来模拟日光色温一天中的变化。之后，我们提出了对LED灯具的要求，能够在规定的时间内模拟出日光从2300K～5000K的色温变化以及明暗变化。具体要求如下:

1)色温变化范围:2700K～6500K;

2)照度变化:0 lx～500 lx;

3)显色指数要求:Ra＞=80;

4)采用DMX控制，以实现非常细腻的色温过渡。

4 灯具设计

根据上述的要求以及我们对LED和照明控制的理解，鼎晟照明公司 (TeamsLitek)特别设计了一款定制的LED灯具 (图6)。

图6 定制的LED灯具

根据现场的尺寸，灯具有制作成1000mm和500mm两种规格。综合考虑到电源、散热以及安装条件等因素决定将横截面大小设计在50mm×50mm之内。以500mm的为例，光源选用Cree生产的12颗单颗为1瓦的大功率白色LED，其中6颗光源的色温为2700K，另6颗光源的色温为6500K，间隔分布，即一颗暖色一颗冷色。同时，此款灯具分为两个控制通道，通道一为暖色温，控制色温为2700K的6颗LED;通道二为冷色温，控制色温为6500K的6颗LED。LED灯具光源的透镜选用25度的透镜，使两种光色在混合时显得更加均匀。

5 控制实现

DMX控制器在编程时也只设有两个通道，冷(2700K)通道和暖 (6500K)通道，与每个灯具的通道相对应。考虑参观者游览速度和总长度计算，自动控制程序将一个完整变化控制在5分钟内，同时在此时间内均匀实现两种色温、强度的升降变化(如图7)。程序共需要84组CUE，在5分钟内其光强按照图7内的配比均匀过渡。程序刚开始时为6500K冷色LED 100%的强度，2700K暖色LED 0%的强度，出现程序中最冷的光，意旨早上最冷的那个时间点 (如图8左);慢慢的暖色温开始按照一定强度比例上升，冷色温也按照同样的比例开始下降，意旨太阳慢慢升起，天空回暖 (如图8中);直到回暖到中午最暖的时刻，即6500K冷色LED 0%的强度，2700K暖色LED 100%的强度(如图8右)。然后再恢复到起始程序，模拟晚间的冷色温，如此往复循环。考虑到不是每天都会是晴天，所以我们增加了几个降低强度且同样变化的程序选择。即整体降低90%的强度，80%的强度和70%的强度，这样控制的色温不会变化，但亮度会有所降低。

图7 DMX程序控制图表

图8 灯具混光实验 (灯具为500mm规格，左图偏暖，中图为适中，右图偏冷)

在实际的场景变化过程中，灯光用冷到暖的变化模拟了城市早上到中午再到晚上的变化，一天的光线的色温就这样被完全模拟出来的 (如图9)。如此，特别设计并生产的灯具及其控制方法，达到了最初的设计要求。当参观者静静在欣赏一副城市的照片时，就好像在感受这座城市的每日的变迁一样。

图9 灯具现场效果 (左图为早晚的效果，右图为中午的效果)

6 结语

LED光源，由于其自身的特点，使照明创造产生了很多新的可能。这种模拟日光的方法，可以用在某些特殊场合，如地下建筑、地下隧道等。用LED照明这种新颖的模式，在照亮区域的同同时，也创造出太阳光的变化。体现更深层次的人文关怀。

［1］Hecht，Eugene．Optics(4th ed．)．Pearson Education．2001.ISBN 0-8053-8566-5．

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［4］李春茂．LED结构原理与应用技术［M］．机械工业出版社．2011．

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