现代灯具产品开发基础和设计探讨

摘要:介绍灯源灯具的基本属性,分析现代灯具产品的固有属性以及应用特点,根据人机工程学、产品语义学以及视觉性文化性等因素,结合工程项目的开发实践,探讨灯具新产品开发设计的方法及原则。
关键词:基础;灯具产品;开发;设计


引言

灯具的历史古老悠久,最早可以追溯到原始人学会使用火。从火堆开始,到后来发明的油灯、煤气灯、电灯这样一个灯的发展历程,可以说灯具是人类文明进步的见证者。如今,新型光源和新型材料的发明又使灯具的设计生产进入了一个崭新的时代。以LED为主体的点光源器件不断微型化趋于纳米级尺度的技术,创造了灯具新产品开发设计的新机遇平台。本文从灯具的基础属性以及应用属性两个方面着眼,归纳和分析灯具产品设计中所涉及的光源、材料、操作方式、象征含义等设计基础要素,并结合人机工程学和产品语义学的原理,探讨新型灯具产品开发和设计的方法。

1 灯源灯具的基础属性

1.1 灯具的概念
所谓灯具,是指承载了一个或多个光源,并能够转换某种能源,使这些光源发出光线(亮)的器具。一般来说,灯具都需要具备一些其他构件来支撑、固定和保护光源,以及容纳或者连通光源工作所必需的导线。

1.2 灯具的光源特性
(1)色温
色温(Color Temperature): 是指光源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光色相同时,黑体的温度称为该光源的色温。色温是衡量光源光色的指标,色温偏低表示光色偏暖(红色),偏高则表示光色偏冷(蓝色)(见图1)。颜色实际上是视觉心理和物理上的综合结果,所有颜色感知的产生,是由于时断时续的光谱在眼睛上的反应,所以色温也可以称为对颜色的视觉印象[1]。


图1  不同色温对应的光色

(2)显色性
显色性(Color Rendering):是光源对物体颜色呈现的逼真程度。光源的显色性越好,在光源下的物体所显示出的颜色就越接近日光下物体所显示的颜色。相反的,光源的显色性越差,在光源下物体显示出的颜色就与实际颜色偏差越大。因此,显色性的高低从一定程度上决定了光源的质量。图2为同一物体在不同显色性的光源下的表现。可以看出,图a的显色指数明显高于图b,因而图a更接近物体的真实颜色。

 
图a                             /                    图b
图2 显色性差异

(3)光效
光效(Luminous Efficacy):是指光源发出的总光通量与光源消耗的电功率的比值。光效高的灯具,在产生同等亮度的情况下,所消耗的电能要比光效低的灯具少,在消耗同等电能的情况下,所产生的光源亮度要比光效低的灯具高。通常,若加大电流强度,虽然光通量会增加,但是电功率由于发热效果而大量损失,灯具的光效会下降。因此,光通量是衡量一种光源是否节能环保的一项重要指标。

(4)寿命
寿命(Life):顾名思义,就是能持续发出稳定光源的最长时间。灯具的寿命长就意味着用户不需要经常去更换,而且能节约生产一个新灯具所需要耗费的资源,普通的家用荧光灯的寿命也已经达到了10000小时左右,技术含量更高的灯具甚至可以达到80000小时,而led灯具的寿命一般在5万-10万小时之间[2]。

1.3 灯光能源型
(1)油(植物油、动物油、石油)
人类历史上最早具备承载光源和燃料能力的灯具是油灯,且持续时间漫长。在中国,油灯的使用最早可以追溯到黄帝时期。据考证[3],最古老的油灯燃料是豆脂。中国古籍亦有相关记载:灯源于豆,瓦豆谓之登。这种油灯的制作相当简易,将豆脂倒在瓦质容器中,放一根灯芯,点燃灯芯就能照明。后来,油灯的燃料经过了多次更替,从豆油改为动物油(羊油,猪油等),又从动物油回到植物油(玉米油,花生油等)。最后,在18、19世纪石油提炼的发展中,被煤油取代。

(2)蜡烛(蜂蜡、石蜡)
据记载,早在战国时期,就有用蜂蜡做成了最早的蜡烛[4]。由于生产能力和科学技术的不发达,古时蜡烛受热就会变形,外形也不是很规则。到了18世纪,由于石油工业的发展,人们从石油中提炼出了用石蜡来制作蜡烛,其受热不易变形,而且适合用机器大量生产,因而很快取代了蜂蜡,携带方便。蜡烛灯今天仍在一些场合中使用,不过其照明的基本功能作用已消失,而多为象征情感表述的意义。

(3)煤气
煤气是以煤为原料制取的气体燃料或气体原料,煤气具有可燃值高,燃烧发光明亮,不冒烟,因此是灯具的上佳燃料。

(4)电
19世纪末,爱迪生发明了电灯,这一事件标志着灯具使用的能源从燃料转变为电能。电能要比上述的任何一种燃料都要安全和洁净,通过电线传导的方式能够便捷地输送到千家万户。且通过不同技术手段,使电触发气体分子电离,而产生了五彩缤纷的灯光,使得灯具拥有了装饰作用。可以说,电是现代灯具产生和发展的先决条件,电灯是人类文明发展的一大里程碑。

1.4 发光原理
(1)燃烧发光
即燃烧如木材、动植物油、煤气或者其他可燃固体、液体、气体来产生光源。燃烧发光是较为原始的发光方法,不稳定、能量转换率低而且会产生烟雾污染环境。

(2)电光源发光
即使用电能,通过电阻、电弧、荧光粉发光等转化方式使其转变为光能。电光源发光不会产生烟雾,光源稳定且明亮,能量利用率高。
电光源发光基本原理或方法包括:电阻发光、电弧发光、气体发光、荧光粉发光等四种。
a.电阻发光,其原理是导体自身的固有电阻通电后产生热效应,达到炽热程度而发光。 如常用的白炽灯、碘钨灯等。
b.电弧发光,通过二电极的放电产生高热电弧而发光的过程,如碳精灯。
c.气体发光,这是一种在透明玻璃管内注入稀薄气体和金属蒸汽,利用二极放电使气体高热而发光,如钠灯、镝灯等。
d.荧光粉发光,在透明玻璃管内注入稀薄气体或微量金属,并在玻璃管内壁涂上一层荧光粉,借二极放电后利用气体的发光作用使荧光粉吸收能量再发出另一种光的方法,如荧光灯等。

(3)LED发光
在某些半导体材料的PN结中,注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来,从而把电能转换为光能。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管,统称LED(Light Emitting Diode )。当它处于正向工作状态时,电流从led阳极流向阴极时,半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线,光的强弱与电流有关。

1.5 灯具材料
灯具的材料丰富多彩。木材、石材、陶瓷、塑料、金属等材料均能很好地用来表现灯具型态、样式和风格。
最早的石材灯具来自新石器晚期,如图3所示。这种灯具往往一物多用,也可以作为食具、饮具。石材灯具虽然造型简单,加工粗陋,但已经具备了灯具的基本功能——即承载光源和照明。随着科技和生产力的发展,青铜灯具、玉质灯具、铁质灯具相继出现,并且都通过雕刻方式来进行装饰。工业革命以来,随着科学技术的高速发展,新型的合金和塑料也加入了灯具制作材料的队列。使用塑料制作灯具,不仅可以模仿各种材料的表面质感,而且可以设计成用其他材料难以实现的曲面造型,以适应多种不同的照明需求和装饰需求。图4为金属和塑料为材料组合典型灯具——台灯。其灯座使用塑料并且具有“夹持”(机构)功能,而灯罩则是金属外壳。

 
图3  新石器晚期原始天然石灯      /         图4  夹持式台灯

1.6照明功能
现代社会,照明是利用各种光源照亮物体、工作和生活场所的唯一、重要、不可或缺的措施或手段。照明功能是人们对灯具最基本的要求。就一般家庭装饰及使用而言,灯具产品可分为顶灯、壁灯、台灯、落地灯、地灯、便携式灯等。
随着科学技术的发展,灯具的照明能力和应用已经涉及、适应以及满足各行各业的需要。并且不仅仅是照明亮度、深度的提高,而且是色温、显色性、光效、寿命等各项指标的改善以及可调可控。新兴的LED灯具,最大的特点并不单是能照的多亮多远,而是综合性能要远胜于以前的其它型式灯具。

2 灯源灯具的应用属性

(1)光色与光照效果
光色是指光源的颜色,或者由数种光源同时照射而综合形成的一个照明环境。光色决定光照环境总的色调倾向,对表现主题帮助较大,如红色表现热烈,黄色综合表示高贵,白色表示纯洁等。不同功用的场合所应用的光色也不相同,普通家庭用灯光色还需要与墙壁、天花板、地板、家具的颜色相配合,以达到最完美和谐的效果。

(2)色温与光照效果
光源的色温不同,所产生的感觉也不同。一般来说,偏向红色的光线让人感觉“温暖”,所以被称为暖色光;而偏向蓝色的光则让人感觉“凉爽”,所以被称为“冷色光”。几乎所有的灯具设计中都需要考虑到人对色温的感受。当光源的色温大于6500K时,光源颜色大致为带蓝的白,造成一种清冷的感觉,常用的灯具为荧光灯、水银灯;当色温为3300-6500K 中间时,光源颜色接近自然光,不会产生明显心理效果,常用的灯具为荧光灯、金卤灯;色温小于3300K,颜色大致为带桔黄的白色,给人一种温暖的感觉,常用灯具为白炽灯、卤素灯(见表1)。

不同色温对于营造环境来说非常重要,比如晚宴、舞厅之类的场合,就经常使用暖色光源来使人觉得温馨舒适;而面积较小的居室、工作间之类的地方,则可以使用冷色灯具来使之看上去比较宽阔,避免压抑的感觉。

(3)显色指数与光照效果
一般来说,Ra>90,说明此灯具的显色性极好,几乎能模拟自然光的照射,适合对色彩鉴别要求极高的场所,如印刷、印染品检验等;Ra为80-90,说明显色性很好,适用于彩色电视转播、陈列的展品照明等;Ra 为65-80,说明显色性较好,一般用于室内照明;Ra为50-65,显色性中等,一般用于室外照明;Ra<50的显色性较差,完全无法达到自然光照的效果,只能用于对色彩要求不高的场所,如停车场、货场等(见表2)。

(4)光照强度与光照效果
即灯具发出的照明光线的亮度。光照强度需要根据其使用周围环境来选择和调节。就一般环境而言,太亮会让人觉得刺眼,太暗又让人无法看清物体。在特定的场合,需要明亮的环境,就应当选择光照强度大的灯具,例如足球场或者体育馆等。

3 灯具产品开发设计方法

现代灯具产品开发设计的依据、方法、目的丰富多彩。本文从灯源灯具的基本属性,使用材料,尤其是开发利用LED新型灯源材料,综合人机工程学、产品语义以及产品文化符号象征意义等因素,探讨新产品开发设计的方法原则。

3.1 灯具安装方式
(1)固定式灯具
固定式灯具即安装位置完全固定,不能变动的灯具。固定式灯具是家庭、办公、娱乐等各种场所主要选用的灯具。常用的固定灯具有吸顶灯、吊灯和壁灯。固定式灯具的优点在于照明范围大,亮度大,是室内或者室外照明装饰的主体。

(2)移动式灯具
移动式灯具即可以携身带用或放置在多处的灯具,比如手电、台灯、插式节能灯等。这些灯具体积小,方便在不同地方使用。但从安全性出发,其光照强度不宜高,故缺点在于发出的光线不够明亮,通常并不能代替固定式灯具。

(3)嵌入式灯具
嵌入式灯具即安装在其他设备上的灯具,比如电饭锅、电冰箱上的指示灯;出租车、小区围墙、大型设备、医疗检测机上的报警灯等等,使得用户能得到规范提示。嵌入式灯具,大小不一,由所安装的具体设备来决定,但一般家用电器上的嵌入式灯具体积较小,多为发光二极管。

3.2 人机操作指示
灯具的设计必须考虑其图形或其它设计符号意义,应直观的告诉用户各种操作方式与方法,让产品成为一个会说话、会表达的推销员。
灯具的操作指示,主要包括如下几种(见表3):滑、转、夹、提、按、弯 [5]。

3.3 灯光照明控制
灯具的显示方式即光源相对于被照射物体的位置。从配光的角度上来说,显示方式可以分为以下五种:①直接照明,即在物体正上方0~10%、正下方100~90%的配光,如射灯;②半直接照明,即在物体正上方10~14%、正下方90~60%的配光,如吊灯;③间接照明,即在物体正上方90~100%、正下方10~0%的配光,如壁灯;④半间接照明,即在物体正上方60~90%、正下方40~10%的配光,如门灯;⑤漫射照明,即在物体正上方40~60%、正下方60~40%的配光,如球型灯。

3.4产品象征意义
(1)仿生性象征
潜艇仿生鲸鱼,汽车仿生昆虫,船桨仿生鱼鳍……同样的,灯具从外形上可以模仿自然界的植物和动物。
a.抽象仿生和具象仿生。把人或动植物的各种生物特征通过提炼形成视觉符号,再运用到产品设计中来,具体可以分为具象仿生和抽象仿生。具象仿生,是直接将仿生对象的全部或者大部分特征转移到设计上;抽象仿生,是将产品的重要或部分特征,甚至是类比特征直接或间接地运用到产品设计中(见图5)。
b.文化仿生。文化仿生主要是对一个国家所特具的社会、民族、政治文化的特色特点进行提炼,特别是传统的视觉产品与图饰,应用到产品设计中。每个国家都有自己辉煌灿烂的文化,将自己国家所特有的文化融入到灯具中,就能够通过日常的产品灯具来进一步宣传自己国家的文化,达到独特效果(见图6)。

 
   
图a  具象仿生               /                   图b   抽象仿生
图5    具象仿生和抽象仿生

 
图a   中国文化元素(葫芦)                    图b  中国文化元素(扇子)
图6   文化仿生

(2)构成性象征
a.颜色色调
红色代表禁止,绿色代表安全……这些象征性的语义与人们平时的习惯相呼应。运用习惯性象征,可以为产品增添许多额外的感情色彩,也可以强调灯具设计的主题并且切合环境需要,甚至可以弥补灯具产品的某些不足(见图7)。


图7 明亮色与暗浊色灯具对比

b.材质纹理
用不同的材料来制作灯具,其品质以及对用户的购买、使用心理作用意义匪浅。布皮材料象征柔软、舒适,具有一种古典美;金属材料具有稳定性、现代时尚性;玻璃、水晶则象征绚丽和奢华;现代纸质灯具制作简便,造型奇异,符合喜好时尚的青年族审美倾向。即便是同一种材料,不同的生产工艺可使灯具材料透光折射率发生不同的改变,也能造成不一样的效果。折射率大的灯具明亮耀眼,带来视觉冲击,而折射率小的灯具温柔典雅,给人稳重感(见图8)。

  
a.木材       /         b.拉丝不锈钢        /          c.水晶
图8 不同材质纹理灯具

c.形状尺度
变幻无穷的灯具产品形状和尺度也会带给人不同的心理感受。圆形给人圆满完整的感觉,其曲线特性常常被赋予女性化,代表了温暖、舒适。直线条边形(尤其是三角形)通常代表着稳固、安全和平等。波浪形、螺旋形具有节奏和韵律,给人以连绵不断的感觉。(见图9)

 
a.球形            /            b.三角形     /     c. 螺旋发散形
图9不同形状灯具产品(球形、三角形、螺旋形)

(3)科技性象征
科技性是灯具新产品开发设计中,最有创意、最富生命力、最能吸引用户的内质。如果能同时对本国古代灯具技术特征进行提取再升华,则可以形成独特的科技文化性象征。在灯具设计中,可以应用多种多样的科技性象征,其中包括照明技术、材料技术和控制技术等。(见图10)

 
a 新材料工艺        /        b 新操作方式       /      c LED新型照明
图10 科技性象征

(4)文化性象征
灯具设计中文化元素的选择与应用,要考虑古典或者现代文化视觉元素中的寓意与灯具产品内在的有机联系。对具体的企业来说,灯具文化元素的选择要与企业品牌形象构建内在联系,并且要考虑到不同产品之间文化元素的构成连贯与系列变化。广大的市场还应该使得各种主题的灯具皆有一席之地,无论是中式、欧式、仿古灯具、时尚灯具,都有其独到的一面,倾注了设计人员的智慧,值得学习、参考、借鉴。(见图11)

 
图11 中式、欧式、日式、韩式灯具

3.5环境装饰功能
(1)有形装饰
灯具的有形装饰即通过对灯具外壳、光源的加工或者附加其他装饰物的方法来美化灯具。
平面装饰是简单易行的有形装饰,即通过彩绘、贴纸、油漆、雕刻或者其他简单的方式在灯具表面进行装饰,简单而多变化,制作工艺简单,成本低(见图12)。
较复杂的有形装饰方法是结构装饰,即在灯具上增加额外的结构来进行装饰,这种装饰常常在位置固定的灯具上见到(见图13)。

(2)无形装饰
灯具的无形装饰是通过光源本身的一些配置来达到装饰的效果,比如通过改变光源的颜色和亮度。还有一种要求互动的技术,即使用光影(本影和半影)与环境的交互来达到一种综合以及动态的结果(见图14)。

  
图12 平面装饰       /        图13  结构装饰图       /    图14  无形装饰

4 结论

作为伴随人类历史发展的最重要产品,灯具改变了自然的白天与黑夜,改变了人类文明的进程。灯具以其独特的基本属性和应用属性,无论是在家庭等室内场所,还是在户外的各种开放环境中,都是必不可少的存在。从古至今,虽然灯具的科技含量不断增加,艺术价值不断提升,但其核心功能始终没有改变,无论什么时代的灯具,照明都是最首先要达到的功能。现代科学技术支撑及促进了灯具在本身形式、功用,以及涉及广泛行业的纵横发展。大到高功率探照灯,小到微型指示灯,其照明应用范围可谓上天入海。而灯具的装饰功能,则随着民俗、文化、艺术、时尚、新材料等的不断变化而变化。开发和设计灯具新产品,适应最新生活节奏和社会口味。特别是在当今强调节能环保这一关于人类未来可持续发展主题的时候,灯这一非常的简单用器,已经成为在今天和未来不得不与社会发展的主流和主题融入在一起,其影响或许会改变未来的最基本产品之一。


[参考文献](References)
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[2] 路秋生.Led的照明与应用[J].灯与照明,2009,12
[3] 江源.光源发展史(二)[J].灯与照明,2010,6
[4] 回溯历史灯与火石分不开的[J].中华民居,2011,3
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[6] 王香娟.家居室内led照明光色研究[D].上海大学,2011
[7] 虞世鸣.产品创意设计[M],北京大学出版社.2011
[8] 杨彦等.LED灯具产品开发的探讨[OL].[2008-6-8], dolcn.com


The Research on the Development Foundation and the Design
Methods of Modern Lamp Products
Abstract: By introducing the basic properties of lamps and analysing the inherent attributes and application features of modern lamp products, based on the synthetic development practice of engineering projects and the induction of ergonomics, product semantics, visual effects and cultural elements, this paper researches the methods and principles of developing and designing new lamp products.Keywords: Lamp produces; Base; Development; Design

作者:杨彦、虞世鸣/上海大学机电工程与自动化学院