現代燈具產品開發基礎和設計探討

摘要:介紹燈源燈具的基本屬性,分析現代燈具產品的固有屬性以及應用特點,根據人機工程學、產品語義學以及視覺性文化性等因素,結合工程項目的開發實踐,探討燈具新產品開發設計的方法及原則。
關鍵詞:基礎;燈具產品;開發;設計


引言

燈具的歷史古老悠久,最早可以追溯到原始人學會使用火。從火堆開始,到后來發明的油燈、煤氣燈、電燈這樣一個燈的發展歷程,可以說燈具是人類文明進步的見證者。如今,新型光源和新型材料的發明又使燈具的設計生產進入了一個嶄新的時代。以LED為主體的點光源器件不斷微型化趨于納米級尺度的技術,創造了燈具新產品開發設計的新機遇平臺。本文從燈具的基礎屬性以及應用屬性兩個方面著眼,歸納和分析燈具產品設計中所涉及的光源、材料、操作方式、象征含義等設計基礎要素,并結合人機工程學和產品語義學的原理,探討新型燈具產品開發和設計的方法。

1 燈源燈具的基礎屬性

1.1 燈具的概念
所謂燈具,是指承載了一個或多個光源,并能夠轉換某種能源,使這些光源發出光線(亮)的器具。一般來說,燈具都需要具備一些其他構件來支撐、固定和保護光源,以及容納或者連通光源工作所必需的導線。

1.2 燈具的光源特性
(1)色溫
色溫(Color Temperature): 是指光源發射光的顏色與黑體在某一溫度下輻射光色相同時,黑體的溫度稱為該光源的色溫。色溫是衡量光源光色的指標,色溫偏低表示光色偏暖(紅色),偏高則表示光色偏冷(藍色)(見圖1)。顏色實際上是視覺心理和物理上的綜合結果,所有顏色感知的產生,是由于時斷時續的光譜在眼睛上的反應,所以色溫也可以稱為對顏色的視覺印象[1]。


圖1? 不同色溫對應的光色

(2)顯色性
顯色性(Color Rendering):是光源對物體顏色呈現的逼真程度。光源的顯色性越好,在光源下的物體所顯示出的顏色就越接近日光下物體所顯示的顏色。相反的,光源的顯色性越差,在光源下物體顯示出的顏色就與實際顏色偏差越大。因此,顯色性的高低從一定程度上決定了光源的質量。圖2為同一物體在不同顯色性的光源下的表現。可以看出,圖a的顯色指數明顯高于圖b,因而圖a更接近物體的真實顏色。

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圖a?????????????????????????????/????????????? ????? 圖b
圖2 顯色性差異

(3)光效
光效(Luminous Efficacy):是指光源發出的總光通量與光源消耗的電功率的比值。光效高的燈具,在產生同等亮度的情況下,所消耗的電能要比光效低的燈具少,在消耗同等電能的情況下,所產生的光源亮度要比光效低的燈具高。通常,若加大電流強度,雖然光通量會增加,但是電功率由于發熱效果而大量損失,燈具的光效會下降。因此,光通量是衡量一種光源是否節能環保的一項重要指標。

(4)壽命
壽命(Life):顧名思義,就是能持續發出穩定光源的最長時間。燈具的壽命長就意味著用戶不需要經常去更換,而且能節約生產一個新燈具所需要耗費的資源,普通的家用熒光燈的壽命也已經達到了10000小時左右,技術含量更高的燈具甚至可以達到80000小時,而led燈具的壽命一般在5萬-10萬小時之間[2]。

1.3 燈光能源型
(1)油(植物油、動物油、石油)
人類歷史上最早具備承載光源和燃料能力的燈具是油燈,且持續時間漫長。在中國,油燈的使用最早可以追溯到黃帝時期。據考證[3],最古老的油燈燃料是豆脂。中國古籍亦有相關記載:燈源于豆,瓦豆謂之登。這種油燈的制作相當簡易,將豆脂倒在瓦質容器中,放一根燈芯,點燃燈芯就能照明。后來,油燈的燃料經過了多次更替,從豆油改為動物油(羊油,豬油等),又從動物油回到植物油(玉米油,花生油等)。最后,在18、19世紀石油提煉的發展中,被煤油取代。

(2)蠟燭(蜂蠟、石蠟)
據記載,早在戰國時期,就有用蜂蠟做成了最早的蠟燭[4]。由于生產能力和科學技術的不發達,古時蠟燭受熱就會變形,外形也不是很規則。到了18世紀,由于石油工業的發展,人們從石油中提煉出了用石蠟來制作蠟燭,其受熱不易變形,而且適合用機器大量生產,因而很快取代了蜂蠟,攜帶方便。蠟燭燈今天仍在一些場合中使用,不過其照明的基本功能作用已消失,而多為象征情感表述的意義。

(3)煤氣
煤氣是以煤為原料制取的氣體燃料或氣體原料,煤氣具有可燃值高,燃燒發光明亮,不冒煙,因此是燈具的上佳燃料。

(4)電
19世紀末,愛迪生發明了電燈,這一事件標志著燈具使用的能源從燃料轉變為電能。電能要比上述的任何一種燃料都要安全和潔凈,通過電線傳導的方式能夠便捷地輸送到千家萬戶。且通過不同技術手段,使電觸發氣體分子電離,而產生了五彩繽紛的燈光,使得燈具擁有了裝飾作用。可以說,電是現代燈具產生和發展的先決條件,電燈是人類文明發展的一大里程碑。

1.4 發光原理
(1)燃燒發光
即燃燒如木材、動植物油、煤氣或者其他可燃固體、液體、氣體來產生光源。燃燒發光是較為原始的發光方法,不穩定、能量轉換率低而且會產生煙霧污染環境。

(2)電光源發光
即使用電能,通過電阻、電弧、熒光粉發光等轉化方式使其轉變為光能。電光源發光不會產生煙霧,光源穩定且明亮,能量利用率高。
電光源發光基本原理或方法包括:電阻發光、電弧發光、氣體發光、熒光粉發光等四種。
a.電阻發光,其原理是導體自身的固有電阻通電后產生熱效應,達到熾熱程度而發光。 如常用的白熾燈、碘鎢燈等。
b.電弧發光,通過二電極的放電產生高熱電弧而發光的過程,如碳精燈。
c.氣體發光,這是一種在透明玻璃管內注入稀薄氣體和金屬蒸汽,利用二極放電使氣體高熱而發光,如鈉燈、鏑燈等。
d.熒光粉發光,在透明玻璃管內注入稀薄氣體或微量金屬,并在玻璃管內壁涂上一層熒光粉,借二極放電后利用氣體的發光作用使熒光粉吸收能量再發出另一種光的方法,如熒光燈等。

(3)LED發光
在某些半導體材料的PN結中,注入的少數載流子與多數載流子復合時會把多余的能量以光的形式釋放出來,從而把電能轉換為光能。這種利用注入式電致發光原理制作的二極管叫發光二極管,統稱LED(Light Emitting Diode )。當它處于正向工作狀態時,電流從led陽極流向陰極時,半導體晶體就發出從紫外到紅外不同顏色的光線,光的強弱與電流有關。

1.5 燈具材料
燈具的材料豐富多彩。木材、石材、陶瓷、塑料、金屬等材料均能很好地用來表現燈具型態、樣式和風格。
最早的石材燈具來自新石器晚期,如圖3所示。這種燈具往往一物多用,也可以作為食具、飲具。石材燈具雖然造型簡單,加工粗陋,但已經具備了燈具的基本功能——即承載光源和照明。隨著科技和生產力的發展,青銅燈具、玉質燈具、鐵質燈具相繼出現,并且都通過雕刻方式來進行裝飾。工業革命以來,隨著科學技術的高速發展,新型的合金和塑料也加入了燈具制作材料的隊列。使用塑料制作燈具,不僅可以模仿各種材料的表面質感,而且可以設計成用其他材料難以實現的曲面造型,以適應多種不同的照明需求和裝飾需求。圖4為金屬和塑料為材料組合典型燈具——臺燈。其燈座使用塑料并且具有“夾持”(機構)功能,而燈罩則是金屬外殼。

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圖3? 新石器晚期原始天然石燈??????/???????? 圖4? 夾持式臺燈

1.6照明功能
現代社會,照明是利用各種光源照亮物體、工作和生活場所的唯一、重要、不可或缺的措施或手段。照明功能是人們對燈具最基本的要求。就一般家庭裝飾及使用而言,燈具產品可分為頂燈、壁燈、臺燈、落地燈、地燈、便攜式燈等。
隨著科學技術的發展,燈具的照明能力和應用已經涉及、適應以及滿足各行各業的需要。并且不僅僅是照明亮度、深度的提高,而且是色溫、顯色性、光效、壽命等各項指標的改善以及可調可控。新興的LED燈具,最大的特點并不單是能照的多亮多遠,而是綜合性能要遠勝于以前的其它型式燈具。

2 燈源燈具的應用屬性

(1)光色與光照效果
光色是指光源的顏色,或者由數種光源同時照射而綜合形成的一個照明環境。光色決定光照環境總的色調傾向,對表現主題幫助較大,如紅色表現熱烈,黃色綜合表示高貴,白色表示純潔等。不同功用的場合所應用的光色也不相同,普通家庭用燈光色還需要與墻壁、天花板、地板、家具的顏色相配合,以達到最完美和諧的效果。

(2)色溫與光照效果
光源的色溫不同,所產生的感覺也不同。一般來說,偏向紅色的光線讓人感覺“溫暖”,所以被稱為暖色光;而偏向藍色的光則讓人感覺“涼爽”,所以被稱為“冷色光”。幾乎所有的燈具設計中都需要考慮到人對色溫的感受。當光源的色溫大于6500K時,光源顏色大致為帶藍的白,造成一種清冷的感覺,常用的燈具為熒光燈、水銀燈;當色溫為3300-6500K 中間時,光源顏色接近自然光,不會產生明顯心理效果,常用的燈具為熒光燈、金鹵燈;色溫小于3300K,顏色大致為帶桔黃的白色,給人一種溫暖的感覺,常用燈具為白熾燈、鹵素燈(見表1)。

不同色溫對于營造環境來說非常重要,比如晚宴、舞廳之類的場合,就經常使用暖色光源來使人覺得溫馨舒適;而面積較小的居室、工作間之類的地方,則可以使用冷色燈具來使之看上去比較寬闊,避免壓抑的感覺。

(3)顯色指數與光照效果
一般來說,Ra>90,說明此燈具的顯色性極好,幾乎能模擬自然光的照射,適合對色彩鑒別要求極高的場所,如印刷、印染品檢驗等;Ra為80-90,說明顯色性很好,適用于彩色電視轉播、陳列的展品照明等;Ra 為65-80,說明顯色性較好,一般用于室內照明;Ra為50-65,顯色性中等,一般用于室外照明;Ra<50的顯色性較差,完全無法達到自然光照的效果,只能用于對色彩要求不高的場所,如停車場、貨場等(見表2)。

(4)光照強度與光照效果
即燈具發出的照明光線的亮度。光照強度需要根據其使用周圍環境來選擇和調節。就一般環境而言,太亮會讓人覺得刺眼,太暗又讓人無法看清物體。在特定的場合,需要明亮的環境,就應當選擇光照強度大的燈具,例如足球場或者體育館等。

3 燈具產品開發設計方法

現代燈具產品開發設計的依據、方法、目的豐富多彩。本文從燈源燈具的基本屬性,使用材料,尤其是開發利用LED新型燈源材料,綜合人機工程學、產品語義以及產品文化符號象征意義等因素,探討新產品開發設計的方法原則。

3.1 燈具安裝方式
(1)固定式燈具
固定式燈具即安裝位置完全固定,不能變動的燈具。固定式燈具是家庭、辦公、娛樂等各種場所主要選用的燈具。常用的固定燈具有吸頂燈、吊燈和壁燈。固定式燈具的優點在于照明范圍大,亮度大,是室內或者室外照明裝飾的主體。

(2)移動式燈具
移動式燈具即可以攜身帶用或放置在多處的燈具,比如手電、臺燈、插式節能燈等。這些燈具體積小,方便在不同地方使用。但從安全性出發,其光照強度不宜高,故缺點在于發出的光線不夠明亮,通常并不能代替固定式燈具。

(3)嵌入式燈具
嵌入式燈具即安裝在其他設備上的燈具,比如電飯鍋、電冰箱上的指示燈;出租車、小區圍墻、大型設備、醫療檢測機上的報警燈等等,使得用戶能得到規范提示。嵌入式燈具,大小不一,由所安裝的具體設備來決定,但一般家用電器上的嵌入式燈具體積較小,多為發光二極管。

3.2 人機操作指示
燈具的設計必須考慮其圖形或其它設計符號意義,應直觀的告訴用戶各種操作方式與方法,讓產品成為一個會說話、會表達的推銷員。
燈具的操作指示,主要包括如下幾種(見表3):滑、轉、夾、提、按、彎 [5]。

3.3 燈光照明控制
燈具的顯示方式即光源相對于被照射物體的位置。從配光的角度上來說,顯示方式可以分為以下五種:①直接照明,即在物體正上方0~10%、正下方100~90%的配光,如射燈;②半直接照明,即在物體正上方10~14%、正下方90~60%的配光,如吊燈;③間接照明,即在物體正上方90~100%、正下方10~0%的配光,如壁燈;④半間接照明,即在物體正上方60~90%、正下方40~10%的配光,如門燈;⑤漫射照明,即在物體正上方40~60%、正下方60~40%的配光,如球型燈。

3.4產品象征意義
(1)仿生性象征
潛艇仿生鯨魚,汽車仿生昆蟲,船槳仿生魚鰭……同樣的,燈具從外形上可以模仿自然界的植物和動物。
a.抽象仿生和具象仿生。把人或動植物的各種生物特征通過提煉形成視覺符號,再運用到產品設計中來,具體可以分為具象仿生和抽象仿生。具象仿生,是直接將仿生對象的全部或者大部分特征轉移到設計上;抽象仿生,是將產品的重要或部分特征,甚至是類比特征直接或間接地運用到產品設計中(見圖5)。
b.文化仿生。文化仿生主要是對一個國家所特具的社會、民族、政治文化的特色特點進行提煉,特別是傳統的視覺產品與圖飾,應用到產品設計中。每個國家都有自己輝煌燦爛的文化,將自己國家所特有的文化融入到燈具中,就能夠通過日常的產品燈具來進一步宣傳自己國家的文化,達到獨特效果(見圖6)。

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圖a? 具象仿生???????????????/?????????????????? 圖b?? 抽象仿生
圖5??? 具象仿生和抽象仿生

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圖a?? 中國文化元素(葫蘆)??????????????????? 圖b? 中國文化元素(扇子)
圖6?? 文化仿生

(2)構成性象征
a.顏色色調
紅色代表禁止,綠色代表安全……這些象征性的語義與人們平時的習慣相呼應。運用習慣性象征,可以為產品增添許多額外的感情色彩,也可以強調燈具設計的主題并且切合環境需要,甚至可以彌補燈具產品的某些不足(見圖7)。


圖7 明亮色與暗濁色燈具對比

b.材質紋理
用不同的材料來制作燈具,其品質以及對用戶的購買、使用心理作用意義匪淺。布皮材料象征柔軟、舒適,具有一種古典美;金屬材料具有穩定性、現代時尚性;玻璃、水晶則象征絢麗和奢華;現代紙質燈具制作簡便,造型奇異,符合喜好時尚的青年族審美傾向。即便是同一種材料,不同的生產工藝可使燈具材料透光折射率發生不同的改變,也能造成不一樣的效果。折射率大的燈具明亮耀眼,帶來視覺沖擊,而折射率小的燈具溫柔典雅,給人穩重感(見圖8)。

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a.木材???????/???????? b.拉絲不銹鋼????????/????????? c.水晶
圖8 不同材質紋理燈具

c.形狀尺度
變幻無窮的燈具產品形狀和尺度也會帶給人不同的心理感受。圓形給人圓滿完整的感覺,其曲線特性常常被賦予女性化,代表了溫暖、舒適。直線條邊形(尤其是三角形)通常代表著穩固、安全和平等。波浪形、螺旋形具有節奏和韻律,給人以連綿不斷的感覺。(見圖9)

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a.球形????????????/??????????? b.三角形?????/???? c. 螺旋發散形
圖9不同形狀燈具產品(球形、三角形、螺旋形)

(3)科技性象征
科技性是燈具新產品開發設計中,最有創意、最富生命力、最能吸引用戶的內質。如果能同時對本國古代燈具技術特征進行提取再升華,則可以形成獨特的科技文化性象征。在燈具設計中,可以應用多種多樣的科技性象征,其中包括照明技術、材料技術和控制技術等。(見圖10)

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

(4)文化性象征
燈具設計中文化元素的選擇與應用,要考慮古典或者現代文化視覺元素中的寓意與燈具產品內在的有機聯系。對具體的企業來說,燈具文化元素的選擇要與企業品牌形象構建內在聯系,并且要考慮到不同產品之間文化元素的構成連貫與系列變化。廣大的市場還應該使得各種主題的燈具皆有一席之地,無論是中式、歐式、仿古燈具、時尚燈具,都有其獨到的一面,傾注了設計人員的智慧,值得學習、參考、借鑒。(見圖11)

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圖11 中式、歐式、日式、韓式燈具

3.5環境裝飾功能
(1)有形裝飾
燈具的有形裝飾即通過對燈具外殼、光源的加工或者附加其他裝飾物的方法來美化燈具。
平面裝飾是簡單易行的有形裝飾,即通過彩繪、貼紙、油漆、雕刻或者其他簡單的方式在燈具表面進行裝飾,簡單而多變化,制作工藝簡單,成本低(見圖12)。
較復雜的有形裝飾方法是結構裝飾,即在燈具上增加額外的結構來進行裝飾,這種裝飾常常在位置固定的燈具上見到(見圖13)。

(2)無形裝飾
燈具的無形裝飾是通過光源本身的一些配置來達到裝飾的效果,比如通過改變光源的顏色和亮度。還有一種要求互動的技術,即使用光影(本影和半影)與環境的交互來達到一種綜合以及動態的結果(見圖14)。

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圖12 平面裝飾???????/??????? 圖13? 結構裝飾圖???????/??? 圖14? 無形裝飾

4 結論

作為伴隨人類歷史發展的最重要產品,燈具改變了自然的白天與黑夜,改變了人類文明的進程。燈具以其獨特的基本屬性和應用屬性,無論是在家庭等室內場所,還是在戶外的各種開放環境中,都是必不可少的存在。從古至今,雖然燈具的科技含量不斷增加,藝術價值不斷提升,但其核心功能始終沒有改變,無論什么時代的燈具,照明都是最首先要達到的功能。現代科學技術支撐及促進了燈具在本身形式、功用,以及涉及廣泛行業的縱橫發展。大到高功率探照燈,小到微型指示燈,其照明應用范圍可謂上天入海。而燈具的裝飾功能,則隨著民俗、文化、藝術、時尚、新材料等的不斷變化而變化。開發和設計燈具新產品,適應最新生活節奏和社會口味。特別是在當今強調節能環保這一關于人類未來可持續發展主題的時候,燈這一非常的簡單用器,已經成為在今天和未來不得不與社會發展的主流和主題融入在一起,其影響或許會改變未來的最基本產品之一。


[參考文獻](References)
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[6] 王香娟.家居室內led照明光色研究[D].上海大學,2011
[7] 虞世鳴.產品創意設計[M],北京大學出版社.2011
[8] 楊彥等.LED燈具產品開發的探討[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:楊彥、虞世鳴/上海大學機電工程與自動化學院