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大泡泡的好物清单 篇二十二：你家的灯具合格吗——灯光捕手色温照度计晒单&家居照明灯光设计浅谈
2022-03-20 10:06:10
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说到家居灯光你会想到什么？我能想到的是吊顶射灯吸顶灯，暖色白色全彩色。
如果要购买一张灯具，你会考虑哪些参数？对我来说就是要亮，也就是功率要大；颜色要准，也就是 RA 值要高。
其实大部分人对家居灯光的理解也就这些了——买个品牌的灯具，装上。
其实灯光设计也是一门学问，不同的光给人的感受完全不一样，也催生了「照明设计师」这一职业。
跟其他工业设计软件一样，灯光设计也有专业的软件，无处不在的「光」是可以量化的，初次了解这些的我感觉打开了新世界的大门。
本文并不涉及具体的住宅灯光设计，只是谈一谈光的基础知识，以及如何评价一盏灯具和照明环境。
一、「灯光捕手」色温照度计 晒单
事情的起因是我总觉得卧室的灯不够亮，色温调节不够准，手机拍出来的照片放在电脑上看总觉得偏色，于是打算买个仪器测试下。
我的需求是想测试下吸顶灯的亮度、色温和显指，调研了下，能测显指的只有手持光谱仪，最便宜的也要大几千块，基本关于灯光的一切参数都能测出来。
要么就是几十块钱的只能测亮度的照度计。
其实手机上有 APP 可以利用自带的光线传感器测量光强，我用 iPhone13 和小米 11 分别测量了同一环境，数值差距太大，只有相对参考的价值。
最终搜到一款能同时测量色温和照度的机器——灯光捕手色温照度计，这是我找到的唯一一款能测色温的照度计，活动价 338，能接受。
参数为：色温测量范围 2000-7000K，照度测量范围 10-10000lx，误差 1.6%。
灯光捕手是一家“照明+互联网”的互联网企业「云知光」推出的硬件产品，这家公司致力于照明产业的升级和泛照明产业教育培训。这款色温照度计勾起了我对室内照明领域的强烈兴趣，于是就顺便学习了下灯光设计方面的知识。
首先来看下这台设备。
灯光捕手的外观很简洁，正面中心是光线传感器，上面有一颗连接指示灯，需要连接手机 APP 才能查看色温与照度的数值。
背面是电池仓，需要拧下螺丝才能装电池，或者采用 micro usb 供电，电源开关设计有 BUG，拨到一边是电池供电，拨到另外一边是 USB 供电，插上 USB 之后是无法关机的。
硬件电路非常简单，主要是一颗高集成度的蓝牙通讯 SOC 和一颗色温照度传感器。
不知道为啥没有其他厂家使用这颗传感器设计色温测量仪。
这颗传感器应该占了硬件成本的大头，此外每个仪器应该会是独立校准的，也需要一定的成本。
APP 界面简洁，首页显示照度和色温值，第二页可以单点测量，第三页是实时数据采样（2s）曲线。
更详细的晒单可以见站内这篇晒单。
仪器先放一边，跟大家聊一聊最近学习的灯光设计方面的一些知识。
二、光的基础
建筑师高迪曾说：“一切的美好都源自于光”。
从理工男的角度来说，光就是电磁波；在摄影师心中，光是一门艺术；在建筑师眼里，光是除了水泥、钢材、玻璃之外的第四种建材。
具体到一盏灯具或者一个环境，普通消费者如何评价光线好不好呢？主要从以下几个维度：照度（亮不亮），色温（冷暖），显指（颜色准不准），频闪（闪不闪），眩光（晃不晃眼），蓝光危害（伤不伤眼睛）。
这些概念是不是似懂、非懂？别急，往下看。
三、光的数量
我们通常说一盏灯亮不亮，那么如何定性的描述光的强度呢，需要了解一些概念：
1.光通量（lm）
一个光源输出的所有光算在一起，就是光通量，单位为流明（lm）。
购买强光手电时要看的参数之一就是流明，数值越大，手电越亮。
2.照度（lx）
光通量是光源发出的光，我们实际上得到的光用照度（勒克斯 lx，Lux）来衡量。
光照度是指落在单位面积上光通量的大小：
1 lx=1 lm / m^2 ，勒克斯=流明/平方米。
照度也就是日常所说的亮不亮，照度跟光强和距离有关，所以不能单纯用光通量来衡量。
晴天户外阳光直射下光照度达到 100000lx，遮阳雨篷下有 6000lx，采光较好的窗户内有 2500lx，室内中央就剩下 300lx。
国标《建筑照明设计标准 GB50034-2013》规定了图书馆/办公建筑/商店建筑等公共场所的照明标准值，比如说办公室的照度应当在 300-500lx。
对于住宅，国标也给出了建议，卧室照度为 150lx，需要书写和阅读的环境照度建议 300lx。
购买灯具时不光要看它够不够亮（照度），还得看照度均匀度，也就是规定区域内最大照度与最小照度之比，照度均匀度是一个大于 1 的数，越接近 1，就代表着均匀度越高。
国标《读写作业台灯性能要求》就是对照度和照度均匀度设定了标准，分为国 AA 和国 A，照度均匀度要求 ≤3。
3.光强（cd）与亮度（nit）
照度是描述单位面积的光通量（二维），还可以用发光强度（坎德拉 cd）来描述单位立体角内的光通量（三维）。
1 cd = 1 lm/sr （sr 为立体角），1 坎德拉强度的光源发出的总光通量是 4π流明。
对于面光源，用亮度（尼特 nit）描述，亮度是指光源在给定方向上单位面积单位立体角内所发出的光通量，单位为 cd/m^2，也是人眼对光强度的实际感受，移动设备的屏幕亮度就用尼特来衡量。
1 nit =1 cd/m^2 。
光源发出的光的数量（光通量，lm），在某一方向以一定的强度（光强，cd）入射到某一表面，此时可测得这一表面获得的光有多少（照度，lx），照度可以用照度计直接测量。该表面会反射光线，可能是镜面反射，也可能是漫反射，当我们站在某一位置观察受照面的时候，我们就感觉到了这个表面的明亮程度（亮度，nit）。
4.光的效能
光源是把电能转换成光的器件，灯具发出的总光通量与其所输入的功率之比就是发光效能(LPW)，单位为流明每瓦特(lm/W)。
白炽灯被淘汰的原因之一就是光效太低。现在普遍使用的 LED 灯具的光效都比较高、寿命长，绿色环保节能。
在白炽灯和荧光灯年代，选灯具主要看功率，而在选 LED 灯具时，首先看的是光通量参数，因为厂家提高功率很简单，而且 LED 的功率可以任意调节。
光通量也不是越高越好，光通量与驱动电流不是线性关系，功率（电流）翻倍，光通量只增加了 30%，由下图可以看出该 LED 在一倍驱动电流时 LED 光效较高。
照明功率密度 (LPD)是指 单位面积上一般照明的安装功率(包括光源、镇流器或变压器等附属用电器件)，单位为瓦特每平方米(W/m2)。国标也对照明节能提出了要求，采用照明功率密度(LPD)作为建筑照明节能评价指标。
以普通办公室为例，要想符合验收条件的话，照明功率密度不应该超过 9W/m^2。
什么样的地方选多大功率的灯具，灯具的数量和位置都有专业的软件来设计，下面来简单计算下某 100 平米的高档办公室选择的灯具是否合适：
首先根据高档办公室的照度标准值 500lx，选择光源的数量与功率，比如照明灯具总功率 1800W（包含整流器功率），其中装饰性灯具安装功率为 800W，按照国标规定，装饰性灯具总功率的 50%极速照明功率密度值的计算，所以该场所的实际 LPD 值为（1000+800*50%）/100=14W/m^2，符合现行值要求。
四、光的品质
1.色温
色温是照明光学中用于定义光源颜色的一个物理量，其单位为“K”（开尔文）。也就是我们常说的冷暖光。色温越高，光源色调越冷；色温越低，光源色调越暖。
日常生活中，对于色温最大感受就是一天内不同时间室外光线颜色的不同。
市面上在售的可调色温的灯具色温范围一般在 2700k-6500k 之间。
不同的色温给人的感觉是不一样的，偏暖的低色温，长时间看虽不易引起视疲劳，但容易使人精神倦怠让人犯困。偏冷的高色温虽然给人以冷静提神的感觉，但长时间看容易引起视疲劳，容易导致黄斑变性、自由基增多，是近视发生的危险因素。
介于两者之间 3300~5300K 的中性色温，给人清醒中又有温暖的感觉的感觉，既不容易引起视疲劳，又不会让人精神倦怠，所以是建议选择的最佳台灯色温。
2.显色指数
人类经过几百万年的进化，把物体在太阳光的照射下显示的颜色认为是物体真实的颜色，太阳光的显指定义为 100。但当物体在非连续光谱的气体放电灯的照射下，颜色就会有不同程度的失真。我们把光源对物体真实颜色的呈现程度称为光源的显色性。
显色指数（CRI）是指光源对物体还原阳光下给人的视觉感受能力的高低。显色性越高，显色指数值越接近 100，对物体的色彩还原能力越强，人眼区分物体颜色越轻松。比如在隧道内照明用的高亮度黄色钠灯，显示指数就很低，无法分辨出前方汽车的真实颜色。
显色指数有 15 种颜色，R1-R15，通常取前 8 种常见颜色的显色指数的平均值，记为 Ra，表征此光源显色性。Ra 值越大，光源的显色性越好。
光源对于红色的显色性是 R9，在 LED 中，特殊显指 R9 很多时候是缺失或者不合格，R9 值较大的灯光照射下的人的肤色更加好看，比较高端的灯具一般会独立标注 R9 值。
如果要衡量平均显色指数应该是取色块的平均值，取 15 种常见颜色的显色指数的平均值，记为 Re。
国标规定，长期工作或停留的房间或场所，照明光源的显色指数(Ra)不应小于 80，。
3.眩光
眩光是指视野中由于不适宜亮度分布，或在空间或时间上存在极端的亮度对比，以致引起视觉不舒适和降低物体可见度的视觉条件。
直接眩光可能有筒灯边缘的反射眩光，光源外露的眩光，还有直射的灯光。
间接眩光有镜面反射以及光幕眩光，造成目标看不清。
眩光主要与灯具的结构设计有关，为限制视野内过高亮度或亮度对比引起的直接眩光，国标规定了直接型灯具的遮光角，根据灯具表面亮度的不同，遮光角也有不同的要求
对手机电脑 ipad 等显示终端，国标也对灯具平均亮度有限制。
对于下图屏幕中反射的两盏灯光，右侧的灯具照度太强，会造成眩光。
4.光谱与蓝光危害
白光 LED 并不是直接发出白光，而是利用蓝光 LED 与荧光粉配合形成白光，所以白光 LED 的光谱在 450nm 蓝色波段都有一个峰值，第二个峰值是蓝光激发荧光粉产生的黄光。两者混合出来就是白光，蓝光多一点就是高色温的白，黄光多一点就是低色温的白。
研究人员发现，有害蓝光具有极高能量，能够穿透晶状体直达视网膜，引起引起视网膜细胞的损伤；此外蓝光的波长短，聚焦点并不是落在视网膜中心位置，而是离视网膜更靠前一点的位置，要想看清楚，眼球会长时间处于紧张状态，引起视疲劳。
传统的白炽灯/卤素灯/荧光灯各个波长的光强度都差不多，LED 的发光原理导致恰好蓝光光谱有个窄峰，于是就有了所谓的「蓝光危害」。
蓝光危害这是个名词，并不是说蓝光=危害，合格的灯具放心使用，国标也规定了 LED 筒灯色温不应该超过 4000K，4000K 以下即使灯具不合格，也不会造成太大的损伤，随着行业越来越规范，后面色温标准也会放开。
5.频闪
频闪是指电光源光通量以一定频率的波动。LED 照明产品采用 AC 转 DC 的恒压或者恒流电源驱动，光源本身并不会产生频闪，有无频闪取决于 LED 驱动电源，由于驱动器千差万别，每个 LED 产品的频闪表现也不一样。特别是有些厂家为了节约成本，使用了较为简单的驱动电路，如 AC LED，会存在较大的频闪问题。
低频频闪会造成视觉疲劳与不适，用手机对准光源看到条纹分布就是频闪（手机拍摄灯具的频闪并不完全科学，测试频闪需要用到专业设备）。
快门速度调低，可以看到我在用的两台显示器，左边老款显示器上有明显条纹，右侧新买的显示器则没有条纹。
四、灯具与照明环境评价
有了上面两节的基础知识，下面分别针对一款爆款台灯「米家台灯 1S」和我所在的教研室照明环境，看看如何评价光线是否合适。
1.米家台灯 1S
打开米家台灯的产品界面，跟灯具本身相关的主打卖点有三个：「国标 A 级」、「RA90」、「无可视频闪」，下面一项一项看。
国标 A 级：
在 3.2 节里面说过，这里的国标是指《读写作业台灯性能要求》，国 A 要求灯下 300mm 扇形范围内照度≥300lx，300-500mm 扇形范围内照度≥300lx，照度均匀度要求 ≤3。
按照米家宣传界面的说法，台灯 1S 的光通量为 520lm，中心照度 1250lx，500mm 开外也有 260lx，可以说已经达到了国标 AA 级的标准，小米谦虚了呀！
显示指数：
米家台灯 1S 的显指为 Ra90，现在品牌灯具一般都能达到这个水平了。
频闪：
米家台灯 1S 没有可视频闪，哪个灯具也不会有可视频闪，不过交流电本身就有“频闪”，无可视频闪这个说法也没问题，敢这样写的说明低亮度下频闪控制的还是不错的。
色温：
米家台灯 1S 色温调节范围为 2600K-5000K，亮度调节范围 1%-100%。
眩光：
米家台灯 1S 采用菲涅尔光学透镜，出射光线均匀自然，LED 藏在灯体里面，直视也不会产生眩光。
蓝光危害：
米家台灯 1S 无蓝光危害测试达标。
光照均匀度：
米家台灯 1S 采用的是长条形灯条设计，比圆盘设计照射的范围更广，看书学习时，灯下的光照均匀度也更高。
机械设计：
其他方面，比如外观、操控、散热和转轴设计，也是米家台灯 1S 的加分项。
总的看来，这款米家台灯 1S 确实是个不错的产品。
此时再来看这张台灯的参数表和宣传页，是不是一清二楚了？
以后再选灯具时直接看参数，就不怕被厂商花里胡哨的宣传忽悠了。
2.照明环境
我的教研室面积几十平，分为会议讨论区和 12 个工位，房顶本来安装了 4 根 80W 长条形 LED 吊灯，在我的强烈建议下（我坐在最内侧），靠墙的房顶上也安装了 2 根，一共是 6 根灯条。
首先看工位①-⑥的照度情况，只有靠近吊灯的③⑤⑥号工位桌面照度达到了 300lx 以上，而色温都接近 7000K 的量程范围，有的地方色温超过范围测不出来了，工位的平均照度为 204.8lx。
再来看看左侧会议桌 6 个点的测试数据，照度全都不到 300lx，色温全部超过 7000K，即使是在吊灯直射的 3 号位置，最大也只有 249lx。
国标规定普通办公室的照度应该大于 300lx，高档办公室照度大于 500lx，显然我们教研室是远不达标的，我自己的桌面照度实测是 130lx，日常看电脑并没有觉得很暗，看书写字确实有一点暗了，我会打开屏幕挂灯辅助照明，实测挂灯最大亮度下，桌面照度能达到 400-1200lx。
国标还规定办公区域的色温应当在 3300~5300K ，最好是 4000-5000K，我们教研室的色温 7000K+，色温太高了，容易造成视觉疲劳，影响健康（一看书就困的原因找到了！）。
此外教研室的单个 LED 灯具太亮了，安装位置又比较低，看电脑屏幕的时候远处的灯会直接找到眼睛里，两侧的玻璃墙也会反射，造成各种眩光，非常不舒服。
由于测试设备的限制，灯具的显色指数和蓝光是测不了的，用手机拍摄没有频闪，如果要通过验收的话还需要计算下照明功率密度。
我们教研室的灯具是去年室内装修完后，课题组在京东上采购的，找的电工师傅安装，根本没人考虑过灯光设计。说实话，日常生活学习并没有觉得这样的环境有啥不妥，要不是有这些数据支持，我一直以为教研室窗明几净，空间够大够亮，照明环境非常好呢。（对比其他教研室观感上确实算优秀的了）。
3.卧室照明环境改造
学校的单人间卧室的原装吸顶灯是 18W 雷士单色灯，我觉得不够亮，换成了 36W 三色灯，并加装了米家智能 LED 调光调色驱动，躺在被窝里也能开关灯。
将灯光捕手放在两位舍友的书桌上，实测原来灯具色温为 6000K，照度不到 100lx，对于学习来说照度太低了，对于休息来说色温又偏高了。也不知道当初是怎么通过验收的，或者说可能验收根本就没有光环境这一项吧。
改造后的我的宿舍光环境就较为舒适了，色温和亮度都能调整，色温 4700K 时照度为 500lx，亮度大幅提高，证明了之前觉得环境太暗不是我眼睛的问题。
总结
经过几天在学校内不同教室和房间的测试后我发现，大部分灯具的色温都偏高（>6000K），可能偏冷的白光视觉上会给人更亮的感觉，但桌面照度实测数据几乎都不达标（<300lx），看来灯光设计还没有得到重视。当我们逛 Apple 直营店的时候总觉比其他专卖店更高大上，除了空间布局外，灯光可能就是原因之一。
相信经过本文的简单介绍，你应该能够挑选一款合格的灯具，并学会评价一个环境的照明是否合适了。
总的来说，优秀的灯具/照明环境应该满足以下要求：
适合视觉任务的照度
均匀的照度
配合应用场合的舒适光色
良好的显色
低眩光
低频闪
适当的蓝光
照明环境设计还是一个较新的行业，普通人装修时一般只会考虑水电、硬装和软装，年轻人还会考虑网络和智能家居，而灯光设计是很多人不曾了解的，却是舒适生活必不可少的。
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