當代建築‧當代照明‧當代光源

□鄭惟綱／國立台灣大學化學工程學系、英國倫敦大學光與照明學研究所

一、前言

        光是生命中不可或缺的元素，它創造了地球的生命。光也是建築、橋樑、隧道等構造物中不能缺少的成份，有它，建築與構造物才有價值。建築可以用來遮風避雨，構造物創造交通便利，好的建築與構造物更能營造幸福。光的存在建立視覺，好的光線更能塑造空間、美化建築，更深刻的呈現建築的精神。
        然而，照明設計師的天職不只在營造視覺，同時也在創造黑暗，因為黑暗與明亮同等重要。沒有黑暗就沒有明亮，這是對比的真諦。適當的操控陰影才能勾勒出建築偉大的輪廓，而正確的賦予亮度才能展現出建築的與眾不同的價值。毫無疑問，成功的建築必是與光做最完美的結合。
        筆者自於台灣大學化學工程學系與高分子科學暨工程學研究所修習及開發光電半導體以來，迄今投身光電科技產業已十餘年，對LED光源之性能知之甚詳。近年來，眼看未來光電科技勢必與照明設計無縫接軌，因此又負笈英國倫敦大學修習建築照明設計。在這段時間裡，見識到倫敦街頭充滿著光與建築之美麗的結合，有感而發之餘，以照明設計師結合光學工程師的角度寫成本文，向國內讀者介紹所學所聞，與同好者分享之。

二、當代建築照明的設計思維

        回顧照明設計的歷史，19世紀初，為了提供建築師與工程師適當的亮度數值，亮度的量化系被開發出來以準確的定義亮度數值。當電氣照明 (Electric Lighting)逐漸成為照明的主流，室內設計的重要性逐日遞增。當時，水平工作面的照度 (Horizontal Working Plane)以及光均勻度 (Uniformity) 成為良好照明設計的主要訴求。視覺效能 (Visual Performance)是指仰賴視覺的工作效率的表現指數。隨著照明設計的進步，1930年後光線強度所提供的視覺效能逐漸受到重視，照明設計師開始研究依據不同的工作需求所需給予不同工作面的照度 (Task Illuminance)。於是，各國陸續針對不同的工作環境給與適當的照度需求的參考指標。截至目前為止，這仍然是照明設計師最普遍運用的設計手法。事實上，現代的照明不該只講求適當的工作面照度讀值，視覺感知亮度 (Apparent Brightness)的概念比照度更為重要。因為人眼的視覺系統並非演化來量測亮度讀值。相反的，它根據環境本能地調整感知亮度達到最舒適的狀態。試想將一塊黑色的煤碳放在陽光下與陰暗處白色的磚瓦做亮度比較。可想而知，即便黑色煤碳反射出的光強度遠遠較高，人眼仍然不會覺得它是個較明亮的物體。因此，擅用表面反射率如圖1、工作區與工作環境在亮度與顏色的對比就顯的極為重要。
        依目前的發展趨勢，下一世代的照明，設計師應將設計思維由照度逐漸轉移至輝度 (Luminance)。因為照度是光在接觸建築表面前單位面積的能量，而輝度才是光經過建築面反射後建構人眼視覺畫面的單位像素。當然，照度容易量測並簡化設計思維，但隨著電腦與光學設計軟體的不斷升級，利用輝度取代照度成為照明設計的可能性即將被實現。另外，隨著20世紀末電腦應用的崛起，一般以文書紙筆為導向的工作方式已澈底勢微。因此，以往設計師所關心的水平面照度，更應由水平面昇華為垂直面的視覺設計如圖2。於是，如何創造舒適的電腦導向的工作環境與空間感將是我們所必須更重視的。
        照明設計理念不斷的演進，不變的是良好的設計須因應使用者的需求而做正確的調整。若前人因文書紙筆而強調水平面，現在因為電腦導向強調垂直面，那醫院中躺在病床上病人的視覺面便是朝向天花板了。換句話說，成功的照明設計師是依照環境的工作機能與文化做彈性的調整。也因此，臥室用暖色系的白光讓人放鬆並感覺溫暖，辦公室用冷色系的光線卻能增加工作效率。而零售店需依據商品的種類與特性做照明設計的調整以增加光顧。博物館在清晰呈現文物的同時需同時顧及文物的保存。而學校的設計不只要減少學齡兒童近視的機會也要降低閱讀伴隨不舒適的反光。不同的應用、環境、使用者、甚至國情都有不同的光品質的要求。這也是身為照明設計師的挑戰與有趣的地方。
        接著，我認為最好的照明設計師不只考慮視覺舒適度 (Visual Amenity)，同時也需留意非視覺的生理影響。研究報告已證實460nm的光波段會造成人體褪黑激素 (Melatonin)分泌的抑制，褪黑激素分泌自人類腦部松果體(Pineal)，是促成人類生理時鐘 (Circadian Rhythm) 功能正常運作的荷爾蒙。人體的生理時鐘運作會隨褪黑激素的濃度而規律性的波動。由於現在一般電腦螢幕皆為LED背光源，而LED產生的藍光波段包含460nm波長，正是干擾生理時鐘且影響生物時鐘與睡覺品質的重要因子如圖3。雖然改變人們使用電腦的習慣是天方夜譚，但我們不得不開始重視光對於人體的健康影響。

三、照明單位與指標開發至今的反思

        強度與色彩是光最重要的兩個元素。自19世紀初光的強度單位已被開發並沿用至今，隨著照明設計的思維層次不斷提高輔以模擬軟體的進步，三維空間的輝度已經漸漸受到重視。然而，當人們以流明 (lm)為光單位為基準既而開發照度與輝度單位的同時，應用面其實已經受到了侷限。因為真正的照明效率不該是單位瓦特下能提供的光通量。對於照明，真正重要的應該是在提供足夠視覺效能下所耗損最少的能源。而目前業界普遍使用的流明以及每瓦流明(lm/W)皆是依據1924年國際照明協會 (International Commission on Illumination，CIE)訂定的明視覺視效函數 V(λ) 做為數學計算基礎。然而，這條曲線並沒有考慮到人眼短波長錐狀細胞 (S-Cone)的視覺貢獻如圖4，因此目前廣泛使用的發光效率(lm/W) 並不適合每一個視覺環境。不同的應用下應該擁有不同的視效函數，而正確的選擇才能達到良好的效果如圖5。

        相對於光的強度，近年顏色的評估亦受到相當熱烈的討論。相同的光色並不代表物體被照射後也能呈現相同的顏色。光是電磁波的可見光波段，而不同的燈種擁有不同的光的組成如圖六，稱之為頻譜 (Spectrum)。顯色指數 (Color Rendering Index)即是目前照明業界最普遍使用的量化光品質的指標，但事實上連國際照明協會也承認顯色指數對於LED光品質的判斷是不足夠的。若深入了解顯色指數的計算模型，不難發現它並不是設計作為光源喜好度的呈色指標。這個指標主要在反映人們對於光源顏色的熟悉度 (Fidelity)，定義上它是描述相對於如黑體輻射光源與日光等參考光源下人造光源顏色扭曲的程度。因此，若拿來用做好的顏色分辨能力 (Color Discrimination)、鮮艷色彩 (Vividness)、甚至光源喜好度(Color Preference)的指標，其實並不正確，也扭曲了國際照明協會定義演色指標的初衷。筆者認為，針對不同的建築材料搭配適當的光頻譜才是光源光色選擇的王道。

四、第三代照明革命˙LED

        談完現代照明，再談談現代光源。1879年愛迪生 (Thomas Edison)發明了第一顆燈絲燈泡，雖然耗能，但光色柔和、演色性完美、且價格低廉，最終造就了第一代的照明革命。接著，人類持續改善照明生活品質。二十世紀中日光燈 (Fluorescent Lamp)的普及應用，更提供了低成本、高效率且廣泛的光色需求，被稱為第二代照明革命。1993年日本中村修二 (Nakamura)成功開發第一顆藍光發光二極體 (Light Emitting Diode, LED)被稱為第三代的照明革命如圖7。固態照明的進境一日千里，LED兼具壽命長、設計靈活、驅動簡單、耗電量低、體積小、反應速度快、耐震、耐摔、冷發光等優點。
        提到LED，一般消費者聯想的必是節能環保。節能的指標是發光效率 (Efficacy)，即每一瓦輸入功率可以產生的光流明輸出 (lm/W)。LED的發光效率可以簡單分為元件效率、燈具效率、以及光使用率。元件效率一般又包含內部量子效率、外部量子效率以及螢光粉轉換效率，LED元件為LED半導體晶片搭配螢光粉組合而成的封裝結構。LED晶片以氮化銦鎵 (InGaN) 磊晶層為發光主體，內部量子效率的提升主要在於增加磊晶層中電流注入進去後電洞電子對成功複合的機率。將光從磊晶層導出磊晶材料的效率即外部量子效率，由於LED磊晶材料氮化銦鎵的折射率遠大於空氣。因此多半的光皆因為全反射而被困在元件中產生吸收。為了提高發光效率，材料設計上的搭配以及創意的結構設計即為LED晶片廠重要的課題。除此之外，減少電流路徑上的阻抗即降低LED操作時的虛功亦是增加發光效率的重要原則。
        同時，市場上的主流白光LED技術為藍光LED晶片搭配黃、紅或綠、紅螢光粉，而螢光粉本身的能量轉移效率以及史托克能量損失( Stokes Loss)亦會貢獻在元件的發光效率。有趣的是，針對光源元件效率，2009年日本日亞化 (Nichia)已於實驗室開發出249lm/W的光源元件樣品，而2012年美國大廠科銳 (CREE) 更進一步提高至254lm/W，LED的光源效率極限已超越其他各種燈源，且逼近理論上的白光光源效率極限 300lm/W。這也使LED在成熟以前就提早成為市場關注的焦點。
        延伸至元件以外的照明系統，為了將元件的光做適當的應用以營造照明效果，燈具的效率損失即是不可避免的，其中不只包含因應光學設計的能量損失，同時也必須計算電源驅動器所損失的效率。為了提供應用上理想的光形以及受限於建築結構的空間需求，元件的發光效率經常大幅度的損失。選擇適當的光源針對燈具系統做完美結果就顯的格外重要，圖8呈現照明用LED的效率分析。
        最後，我認為最重要也是最容易被遺忘的便是光的使用率，光燈具系統的發光效率固然重要，但若光並沒有被適當的安排會造成嚴重的光資源的浪費甚至環境的光害污染。除此之外，適當的安排不僅包括光系統的光形以及方向，光源的頻譜 (Spectrum)也必須一併考慮。提供批配被照物反射圖譜的光源才能營造事半功倍的效果。近年上中下游不遺餘力開發新製程系統以增加光系統光效，照明設計師必須背負極大的責任將製造商對節能環保的心血與付出妥善發揮。
        照明的需求如圖9，截至目前為止，LED對照明最大的貢獻除了節能環保，其本質上半導體照明的特性提供了相當廣泛的新興照明應用。即便較LED市售能力效率高的產品甚至不只一種。但LED提供的顏色、效率、應用性等綜合評比卻是其他所不及的。其中，它的輕薄短小就開創了不少新的照明應用。以間接照明 (Indirect Lighting)為例，LED能更有效的應用空間，給予建材漸層且不刺眼的光輝，甚至能搭配勾勒出建築的各種非直線曲線。這樣的設計將燈光設計昇華為光的設計，澈底實踐見光不見燈的精神。隨著LED的出現，我認為類似的應用只會越來越成熟且廣泛。同時，LED的出現，因為其半導體材料擁有窄頻寬的特性，造就單色光R、G、B LED 的大量應用，提供虛幻、且浪漫的情境效果。另外，LED的反應時間 (Response Time)遠遠較人眼能分辨的頻率更快，因此適當的運用LED能將視覺效果由三維延伸至四維，將靜態的照明設計昇華至動態的感官享受。

五、新的光源˙新的挑戰

        目前市面上，大部份的LED產品皆為取代性的產品。換句話說，用一樣的燈具把傳統的光源置換成LED，以我看來，只是暫時的過渡設計。LED擁有的特質是獨一無二的，從終端應用的需求思考回LED的設計才能將LED的特色發揮的淋漓盡致。舉例來說，傳統光源主要靠熱對流進行散熱，而LED因為發光表面積小(約10mil~ 45mil，即0.4mm~1mm。且固態材料的熱傳導能力普遍較佳，因此，LED 的主要散熱途徑是傳導而不是對流。這是光源與建築結合上，技術性非常大的革新，而類似的特點未來將不斷被改進並運用到目前建築設計的思維。每兩年一次的法蘭克福建築照明展(Frankfurt Light + Building)無疑是全球建築與照明的最高呈現平台之一。今年的法蘭克福建築照明展我們看到了一點轉變，以往各展位爭相展出類似取代性光源的畫面已不復存在。取而代之的，不少優異的設計廠商利用LED的特性搭配簡單的工藝技術，非常融洽的與建築做創新的結合。我認為新的光源本該有新的照明表現，既而萌生新的建築精神。對於未來LED光源應用在建築照明的發展，已經可以嗅出一點端倪。
        然而，不正確的使用LED，確會帶給LED負面的形象。早期照明用LED因技術成熟度不足與紅色螢光粉成本較高，導至部份製造商生產的LED光譜常缺乏紅色的元素，因此針對紅色物體的顯色能力較差，人的皮膚照起來也缺乏血色，消費者開始認為LED的光色不漂亮。另一個現象是部份業者急於推廣LED產品，因此使用流明不足的LED試圖取代傳統燈源，這樣的結果也導致消費者認為LED的特性是亮度不夠。這些急燥的推廣案例不僅讓消費者對LED一度失望，更將市場行情澈底破壞，種種的負面推廣皆引來LED負面的形象。好消息是隨著LED技術逐漸成熟，法規漸趨完整，許多問題已不復存在。伴隨照明應用的快速推廣，突破性的成長是可以預期的。即便LED早已廣泛的受到大眾討論與認識，但種種的跡象皆顯示LED照明時代才剛剛開始發酵。

六、照明設計的期許與未來展望

        無疑的，照明的領域，所有消費大眾都是天生的專家。人類天生就已具備光美感的評鑑的能力。而身為照明設計師，是要想到大家想不到的，顧慮大家顧慮不到的，進而創造不可能為可能。因此，一個成功的照明設計師的價值便是在於實現與創造，如何實現被認同的美感，如何創造不同以往的視覺饗宴，同時更創造建築的價值提升人類生活品質。
        科技的進步造就設計思維的轉變。新的光源，創造新的照明，激發新的建築思維，LED無庸至疑的，是關鍵的推手。LED照明時代才剛剛開始發酵，且讓我們拭目以待。

參考文獻

1.Peter R. Boyce, Human Factors in Lighting, 2003
2.Peter Raynham, SLL Code for Lighting, 2012
3.Mark S. Rea, Value Metrics, 2013
4.Peter R. Boyce & Peter Raynham, SLL Lighting Handbook, 2009