光纤照明布光设计.pdf

2009年9月第20卷 第3期照明工程学报ZHAOMING G ONGCHENG XUEBAOSep.2009Vol120No13江 源 陈 强(中材科技南京玻璃纤维研究设计院,南京 210012)摘 要:光纤作为光的载体,既可进行输出光强的调节、角度的调节和动态彩光照明装饰,还可以进行输出光色彩、输出光光强和输出光位的频闪,并且,通过无源红外传感器PIR和超声波传感器,光纤照明可实现照明节电控制;而从光源能源与环保因素考虑,使用陶瓷金卤灯作为光纤照明光源既节能又环保。光纤照明设计是光和空间的有效融合,光纤照明布光设计具有造型设计的可控性和创造性。关键词:光纤;光纤照明;布光;设计Light Distribution Design of Optical Fiber LightingJiang YuanChen Qiang(Sinoma Nanjing fiberglass research and design institute,Nanjing210012)AbstractOptical fiber is a carrier of light.Not only the luminous intensity,leam angle and dynamic color light can beadjusted,but also stroboflash of light color,luminous intensity and lighting position can be realized.By way ofpassive infrared sensor or ultrasonic sensor,fiber lighting could achieve power saving control.Out ofconsideration for energy saving and environmental protection,ceramic metal halide lamp is used for fiber lighting.The design of fiber lighting compromises light and space perfectly.Light distribution design of optical fiberlighting possesses controllable and creative features.Key words:optical fiber;optical fiber lighting;light distribution;design1 前言光纤照明不仅有常规的可见光照明,还有紫外光照明和红外光照明。光纤照明设计涉及到光源种类、光源功率、光源色温和输出光颜色的选择,以及所用光纤种类、光纤长度和光纤直径的确定,还有所用输出装置种类、数量和分布及其照明角度的确立,因此光纤照明是一种设计自由度大、灵活性高的照明方式,并且光纤照明能与照明环境融为一体,光纤照明设计同常规照明设计有许多相似之处,但也有其特殊的地方,下面就介绍光纤照明的布光设计1,这包括主光与辅光的组合设计、彩色光设计、光纤光输出强度调节设计、光纤光输出角度的调节设计、光频闪动态组合设计、空间组合设计、光造型的可控性设计、光源选择与能源和环保匹配设计、光纤照明的节电控制设计和光纤照明工程的性价比等。2 光纤照明的布光设计211 主光与辅光的组合设计主光是设计陈列照明中最强的光线,具有明确的方向性,是陈列照明的主要塑型光,突出展品的质地、色泽和立体感等,凸现展品最精彩部分,实现理想的展示效果。主光使照明具有层次感,观者可分辨出照明物的亮部、高光、阴影和最暗面的反光。1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.辅光亦称次光,一般是各种环境中的反光和低于主光功率的辅助光源输出光,实现对展品的均匀照明,表现展品质感和肌理,尤其以表现阴影部分的质感为最佳,主光与辅光须有机结合,否则会出现因辅助光过强而出现两个阴影的现象;而若无辅光照明,展品暗部细节则无法淋漓尽致地展现。主光与辅助光照度的高低决定展品明暗强弱的变化,一般情况下,主光强,辅助光弱;主光刚,辅助光柔。在主光亮度不变的情况下,辅助光减弱,展品的阴暗反差增大,对比度增大;反之,辅助光增强,展品的明暗反差缩小。主光照明面积大,次光照明面积小;主光显现展品的主要形态、线条、质地、色彩和纹饰,辅光则补充其不足。另一方面,考虑到光源位置和投射方向的不同,光线的强弱与刚柔会发生变化;如在陈列照明中,室内环境基本照明可暗些,如100150lx,展柜内照度可高些,宜为15003000lx,柜内重点主光照明可为30007000lx2。从人体工程学的角度,人的心理有着向光性效应,不论什么场合或环境下,人们总会自觉或不自觉地被视野中亮光源所吸引,陈列照明的艺术设计也正是利用这一特性,用全光将展品充分展现,艺术地显现展品科学价值和审美特征。对于立体造型特征的展品,如浮雕、石像、陶瓷器、金银器和青铜器等适合于主光与次光反差较大的刚性光照明,既能突出浮雕中凹凸造型变化的精巧,通过黑、白、灰及反光生动再现其艺术形象及内涵。平面造型的绘画、壁画、丝绸、文献及拓片等适合用反差小的柔性光照明,展现平面造型色彩、肌理、纹饰、线条、文字和图案等,比刚性照明更有细致入微的表现力,且符合人们的视觉习惯,故柔性光照明在陈列中使用最为普遍。光纤照明既可作为主照明,也可作为辅助照明。光纤照明作为主照明时,主要应用在博物馆文物照明、商店珠宝首饰照明等处,这是由于博物馆中丝织品、绘画书法、漆器、玉器等文物对展示环境的温度、湿度、紫外线、红外线及照度有极其严格的控制要求。光纤照明作为一种辅助照明已逐渐推广应用,主要应用于宾馆、饭店和酒吧的照明装饰,而在特定的环境中,如酒吧和迪厅等光线较暗照度不高的场所,光纤照明可同LED及霓虹灯作为主照明方式。因此,光纤照明应用于装饰照明领域时,既可充分发挥光纤照明的柔性传输、光电分离等照明优点,光纤照明还是主照明方式的重要补充,甚至实现纯光纤照明的主次光组合照明或平面照明,这在博物馆照明中可充分体现。212 彩色光设计光是构建物象的一种虚体材料和手段,它具有自由、灵活和多变特征。光在设计中所展现的色彩是多样的,并最具表现魅力,利用色光的特点和移动的轨迹,可构成各式各样的色彩造型,展现流畅、悠扬、梦幻的神奇世界3;而且彩色光具有视觉冲击的力量,彩色光照明组合展示设计可改变原本平淡的表面,营造特殊的视觉精彩,并使展品具有全新的形象。光纤照明是实现彩色光照明的能手,利用光源输出光色彩变化,变换不同色彩,实现动态彩光照明装饰,营造或突出环境的温馨或富丽堂皇或典雅庄重的气氛,提升宾馆、饭店、酒吧的视觉环境档次。光纤照明的色调使用要与主场景的色调相匹配,在宾馆、酒店和会馆大厅照度较高的环境下,要根据主光源的色调决定光纤照明的色调,环境主光通常为白色或暖白色的黄光,故光纤照明光选择蓝色、绿色和紫色等与主光源存在明显对比关系的色调,起到调节环境氛围的作用,以突出光纤照明优雅的特征4,若光纤照明光为白色和黄色光等,则光纤照明光湮没于明亮的主照明光中,没有画龙点睛的作用。通过对音乐的频率、振幅、音色和节拍等主要音乐要素进行实时跟踪、采集、分解处理并转换成模拟量或数字量信号,不仅可同步控制彩色光的变换,调整变换速度,而且还可控制不同光强的彩色光输出;同时,还要强调的是在进行彩色光照明设计时,不能滥用色彩,避免产生杂乱和视觉污染。213 光纤光输出强度调节设计为保证照明环境的照度,避免照明环境出现眩光及照度过高或过低的现象,光纤光输出强度可参照如下方式进行调节。21311 光纤光输出强度除了改变光源灯功率外,还可采用机械调光装置、电子调光方式或相位电压来实现对卤钨灯光源功率的调节;但对高强度气体放54第20卷第3期江 源等:光纤照明布光设计 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.电灯来说,就不能用相位电压调节的方法进行调光,但可采用电子镇流器或机械调光装置调光,即通过光源色盘或光阑进行光输出强度调节。21312 当有多个光纤照明输出装置共同照明展品时,增加或降低光纤输出装置间的距离可调节光输出照度,当光纤输出装置间距离降低时,各输出装置照明区域会重叠,从而提高重叠照明区照度。在一定的区域内,增加或减少光纤照明系统的数量,实际就是降低或增加光纤输出装置间的距离,如图1所示,当光纤输出装置间的距离从2S减少至S时,也就相当于在两个光纤输出装置间增加一个光纤输出装置,出现了重叠照明区S1和S2,其照度比未重叠区高。图1 光纤照明及其重叠区照明示意图21313 当光源功率一定,光纤输入端光斑大于光纤直径时,减小或增大照明光纤或光缆直径可调节光输出强度,增大光纤或光缆直径相当于提高光纤端面受光面积,从光源那里获得更多的光通量,提高光纤输出光强度;对于侧面发光光纤而言,在一定范围内增大光纤直径可提高侧面发光强度;对于端面发光光纤而言,在一定范围内增大光纤或传光束直径可提高端面发光强度,因此当要求某一区域有一定的照度值时,配用不同直径的光纤或光缆所使用的长度是不同的。在实际使用过程中,为了照明布局的需要,光斑输出要求通常不同,有些输出光斑要求小一些,有些输出光斑要求大一些,故所配用的光纤或光缆直径不必相同,可根据需要配用不同光纤直径的光纤,如在光纤吊顶的应用中,星座的输出光斑可大一些,光输出强度高一些,而星星的输出光斑可小一些,光输出强度低一些,因而星座可从众多星光中突显出来。21314 改变光纤照明距离可调节照明区域光照度,光纤照明的合适距离为119213m,增大或减小照明距离则增大或减小照明区域,降低或提高照明区光照度,同时室内的高度也会影响照明效果。214 光纤光输出角度的调节设计聚合物光纤POF输出光出射角大约为60,石英光纤输出光出射角大约为45,不同组成的多组份玻璃光纤输出光出射角可在3070 变化。光纤输出端配用透镜等光纤输出装置,可自如地控制配光,不同输出装置可改变光输出的角度、光输出强度及其分布,从而实现聚焦或扩束的作用;在输出光通量一定的条件下,降低输出光的角度,意味着小区域照明光强提高;而增大输出光的角度,意味着在大区域照明光强降低。当光纤照明应用于装饰照明工程时,光纤输出端可配用多种类型的光输出装置,如微型的投光照明输出装置、定向照明输出装置、可调焦式输出装置、防水型输出装置和标示照明输出装置等,当用于室内照明时选用调焦式照明输出装置和形形色色的水晶输出装置,当用于室外照明时,可选用防水型调焦投光照明输出装置,光出射角可在545 之间调节5。215 光频闪动态组合设计光频闪动态组合设计是指利用光源发出间隔连续光而产生动态照明效果。光频闪是光纤照明的一种重要形式,光纤照明不仅可实现光输出强度变化的频闪,而且也易实现光输出颜色的频闪。人在频闪光下所见物体运动是不连续的,光照时有视像,光灭时则无像或有视像的短暂停留,因而频闪对人的刺激很大,只适用于热烈环境中的气氛渲染,持久的光频闪易使人疲劳。延时的频闪可模拟自然界闪电的光效,配合音响及色彩变幻,展现声、光、色动态场景。在展示64 照明工程学报2009年9月 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.照明设计中,这种光频闪动态组合可将展示空间延伸到四维,将展示内容附加时间和速度的内涵,这种特殊的光动态方式可在一些自然类、科技类或综合性博物馆的局部展区加以应用,但不宜过多。通过光频闪设计,光纤照明可营造出星光闪烁、流星飞逝或某种神秘意境的效果,光纤照明可通过输出光色彩频闪、输出光光强的频闪和输出光位变化频闪,并配上音响效果,使照明场景更别致和神秘,给人亦真亦幻的感觉,这种光频闪效果比较适合歌厅、舞厅、酒吧和咖啡厅等休闲娱乐场所,不适宜于宾馆、酒店大厅,以及单位办公室、会议室和比较私人化的休息空间,因为长时间的闪烁光会使人心烦气燥,产生一种疲惫感4。216 空间组合设计光展示设计是一种空间光的再组合设计。用光来构造虚拟空间,是当今展示的新趋势,而三维空间的压缩、扩张给观众无穷的新鲜和刺激,光纤在某一环境中具备营造特殊的环境空间能力,结合现代声光电技术,可逼真地进行空间演示。如在天文博物馆中,采用光纤特殊设计实现虚拟空间展示,在星光点点的浩瀚银河中,可看到众多星星及星座,如猎户座、天蟹座、牛郎织女星和流星等,实现星座模拟、流星演示。因此,光纤照明设计不仅要同环境协调一致,而且要同空间相结合一致,展现光纤照明的功能性。217 光造型的可控性设计光造型的可控性是通过各种技术手段来控制光线的强弱、方向和色彩变化,从而使得光的造型更为丰富,对于照明光学技术研究可增加光造型,并增强光的装饰效果。光造型的随机性是指一种可控的随机,它的随机性是指对于光的利用可以根据不同空间、时间、场合和气氛的需要而选择不同的照明效果,因而对光的利用,其可控性的方式是多种多样的。实际上,人们对于光所营造的装饰性效果的感受是多方位的,首先是视觉空间感受,其次是色温感受,最后是由外到内的精神体验,因光造型的交互结果具有随意性的6。光纤照明给光的可控性设计提供了一个新设计平台,光纤作为光的载体,它具有多种特性,光纤照明设计实际上是充分运用和展现光纤的多个特点,因此光纤照明既具有可控性,又具有随意性。218 光源选择与能源和环保匹配设计光纤照明光源包括卤钨灯、金卤灯、荧光灯和LED等,每种灯都有不同的照明特性,宜根据使用要求而配用不同的光源,如橱窗展示照明等对显色性要求高的场合可选用陶瓷管金卤灯;需暖色调照明效果时使用卤钨灯和陶瓷金卤灯;需冷色调照明效果时可选用高色温金卤灯;对低照度场所可使用卤钨灯和LED;对照度中等以上的场所则应使用高光强光源如金卤灯6。在照明环保方面,下表1主要比较了卤钨灯、陶瓷金卤灯和节能荧光灯能耗及温室气体排放量,其中光源在全寿命过程中所提供的能源服务ES计算参见公式17。能源服务ES=光源发出的光通量 光源的额定寿命 106(1)上式(1)中,能源服务ES的单位是106lmh,设106lmh为L。表1 三种电光源灯能源服务及耗电量的对比光源种类光源实测功率(原功率)/W光源实测光通量/lm每只灯寿命期内所消耗的电量/kWh能源服务/106lmh每1个能源服务单位对应的耗电量/kWh卤钨灯49(50)77519611631163128节能荧光灯2513052501221310519118322100320122211512547(42)26984701222717142陶瓷金卤灯39(35)33004681733916111848562001020173741413172 从上表1可以看出,若对比每产生1单位能源服务所对应的耗电量,50W的卤钨灯最高,为63128kWh,其值是42W节能荧光灯的17142kWh的316倍,也是35W陶瓷金卤灯11184kWh的513倍,因而获得相同的能源服务,三种电光源灯耗电量顺序为:卤钨灯节能荧光灯陶瓷金卤灯。表2列出了每1单位能源服务所对应的污染物排放量,污染物排放量是根据灯管的汞含量及采用火力发电产生的污染物计算的。74第20卷第3期江 源等:光纤照明布光设计 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.表21单位能源服务所对应的污染物排放量光源种类实测功率/WCO2/kgSO2/kgNOx/kg发电产生的Hg污染/mg总的Hg污染/mg卤钨灯49691610157012810144101442521110117010831163199节能荧光灯3216178011401072152216647191160116010821872198陶瓷金卤灯3913102011101051195210885151090112010521262133 从上表5可以看出,若对比每产生一单位106lmh能源服务所产生的污染量,无论是CO2、SO2、NOx还是Hg,若按污染量大小排序,其排序依旧是卤钨灯节能荧光灯陶瓷金卤灯,因而从光源能源与环保因素考虑,使用陶瓷金卤灯既节能又环保,相对而言卤钨灯就差多了7。但在光纤照明中,光源的实际选择主要考虑成本问题,卤钨灯依旧会大量使用,但要意识到卤钨灯应用的危害,优先考虑陶瓷金卤灯是优化光纤照明的必然之路,而陶瓷金卤灯及其镇流器价格的降低是金卤灯广泛应用重要保证。219 光纤照明的节电控制设计光纤在室内照明应用时,为了避免在无人时光纤照明全功率使用,可采用节电措施:临时减少光源点亮的个数或者降低光源的功率,也即是工作人员或参观者在离开观赏区域时,光纤照明自动调低照度或关闭,实现这一目的光纤照明系统须配用延时控制器或探测仪,所谓延时控制是当灯接通,计时器开始计时,到某一设定时间输出信号,改变光源功率;当配用探测仪时,若室内有人活动,照明系统就会开启,可防止参观者停下来观看展品时灯熄灭,具有即时控制的特点。这种探测仪包括无源红外传感器PIR和超声波传感器,其中无源红外传感器PIR是对能源产生反应,它借助对人体及其背景发散出不同热量值进行探测得出的差值,显示是否有人需要使用照明的要求。这种传感器对探测范围的横向移动物体灵敏度比来回移动的物体灵敏度高;同时人离传感器距离越远,因探测区域的扩大,就会降低探测的灵敏度,只能探测出较大的人体动作;而人离探测仪越近,传感器越容易探测出手的动作。PIR传感器可安装在墙上或顶棚上,也可安装在门附近的照明开关旁的墙上,当有人从房间内走进走出时,传感器将一个低电压信号发送到电气开关箱上的开关元件启动照明光源。大多数PIR传感器使用过零继电器以避免低谐波THD电子镇流器固有的启动冲量问题。而超声波传感器是另一种可选用的传感器,负责检测高频声音的变化,发射和接收频率超出人听力范围,它是采用多普勒原理检测反射波的频率偏移,这种超声传感器的传感范围为360,探测范围在36m内,即使很小的移动超声传感器也很敏感,当离超声传感器1215m,传感器的灵敏度则会降低,超声波传感器与开关器件间可用低压导线连接实现对光源的控制8。2110 光纤照明工程的性价比现今,光纤照明主要集中应用在宾馆、饭店、酒吧、卡拉OK厅、珠宝首饰及文物展厅照明和市民广场景观照明工程上,光纤照明工程设计不仅要求充分展示光纤照明特点,而且要考虑光纤照明的价格,光纤照明的成本有时会比常规照明方式成本高,但其安全,维护成本低,所营造的艺术效果是直接采用电光源照明的方式所难以企及的。光纤照明工程的成本不仅包括光纤方案的设计、光源、光纤或光缆、输出装置及其他配件的选用数量及价格,而且还包括光纤照明工程的安装成本,如制作光纤地面满天星时,需要在地砖上钻孔,光缆需要在地下布线,并确定光源位置和放置方式以及人员工资等;光纤照明要根据方案确定成本和成本确定方案之间寻找到平衡点,因此光纤照明的设计要根据工程投资、环境条件设计确定合适的光纤照明方案。2111 光纤照明设计其他事项在确定光纤照明装置安装场所时,光源设置应尽可能靠近被照明目标,以免过长的光纤导致光纤输出光强的下降;每种光纤都有最小的弯曲半径,超过这一值时光纤会在弯曲侧面漏光,降低光纤的传光性能;另外,当光纤照明光源功率高时需要强制风冷却,光源放置场所通常需要一定的空气循环空间,并尽量降低光源噪音;为展现物品立方体感,可用几根光纤传光束从被照物不同方向进行照射6。3 结语光纤作为光的载体,既具有可控性,又具有随意性,既可进行输出光强的调节、角度的调节和动84 照明工程学报2009年9月 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.态彩光照明装饰,还可以进行输出光色彩频闪、输出光光强的频闪和输出光位的频闪,并且,通过无源红外传感器PIR和超声波传感器,光纤照明可实现照明节电控制,而从光源能源与环保因素考虑,使用陶瓷金卤灯作为光纤照明光源既节能又环保,实现纯光纤照明的主次光组合照明或平面照明。总之,光纤照明设计必须以适应人的心理与生理为前提,提供给人最佳的视野、舒适明暗变化、合理的对比度和恰当的视觉色彩,注意色彩给人的心理感受,避免出现眩光和视错觉。光纤照明设计是光和空间的有效融合,是空间、光色彩和物体色彩协调一致的过程,具有造型设计的可控性和创造性。参 考 文 献 1 江源,殷志东.光纤照明及应用M.北京:化学工业出版社,2009:87291 2 赵振民.商业照明设计J.照明工程学报,1997,8(1):59271 3 李尚婕,李季.设计教育中光效色彩的拓展研究J.美术大观,2007,(1):139 4 金家宁.浅析光纤照明应用的误区J.中国照明,2006,(1):22224 5 王尔镇.光纤照明的发展和应用C.中国照明学会,首届光导纤维及光导管在照明领域应用科技研讨会,北京:2000.522161 6 左沐涟.现代室内照明采光的装饰性设计浅谈J.山西建筑,2007,33(11):2292230 7 严永红.商场常用光源能耗及全寿命周期环境影响研究J.照明工程学报,2006,17(2):51255 8 任会会.感应式照明控制器J.国际照明与灯饰,2003,(12):59262中国照明学会 照明工程学报LED路灯增刊出版发行 由中国照明学会 照明工程学报 全力打造的LED路灯增刊近期已出版发行。全书20万字,涵盖了LED光源、灯具、芯片、驱动电源以及LED路灯的应用,由中国照明学会及相关研究机构的知名专家撰写论文,内容涉及道路照明的视觉研究、LED路灯的技术及标准,LED路灯的配光与测试,LED路灯的灯具设计,LED路灯的应用分析及LED路灯企业技术论坛。增刊还选登了台湾工研院教授的有关台湾LED路灯研究的学术论文。增刊征集到50余家LED路灯生产企业的产品信息,产品水平代表着中国LED路灯的较高水平。该书是一本LED路灯生产、使用部门,有关城市照明管理部门极具价值的参考书。订购热线:0102655010688586037294第20卷第3期江 源等:光纤照明布光设计 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.