檯燈怎麼變得這麼厲害!
工作檯燈這樣的燈具形式從一九三零年代問世之後，其材料與結構的應用在設計師與工程師的創意巧思之下，不斷推陳出新。在材料上，不論是鐵材、銅合金或是鋁合金等各類金屬，或是木材、塑膠等材料，甚至是紙類都可以被應用在燈具設計。在結構上，則有燈臂加上轉軸、或是金屬蛇管等等不同的形式，即使是燈臂加上轉軸這種最常見的形式，設計師們也設法使用了彈簧、鋼索或是其他有趣的機構來搭配連桿設計，創造移動自如且風格獨具的形式。
英國品牌Anglepoise在一九三零年代推出的工作檯燈，其彈簧與連桿的結構設計沿用至今。
Source: twelvetwentyseven.wordpress.com
然而，在材料與結構的推陳出新之餘，作為檯燈最重要的部分–光的設計，卻是一成不變。對於使用白熾燈泡的工作檯燈而言，燈頭就是一個近似錐狀的反射罩罩著燈泡。這樣的設計用來讀本書大概夠了，事實上在標準規格的燈泡限制之下，工程師與設計師能做改變的也不多，全周發光的燈泡很大程度限制了光學設計的自由度。回顧歷史上的幾次燈源進化，不論是1938年螢光燈管的發明，或是1959年鹵素燈的出現 ，並沒有根本地改變檯燈的光學設計方式，全周發光的光源套上一個半截的蓋子作為反射罩，仍是光學設計的基本結構，直到LED光源的出現，才開始改變這一切。
設計師ateljé Lyktan於1973年設計的檯燈，採用螢光燈管加上半截反射燈罩的架構。
Source: advintage-design.blogspot.com
從模仿傳統光源的效果開始
一般而言，工作檯燈只需要朝下發光，以便照亮工作臺面。因此使用傳統全周光源的檯燈通常會藉由反射罩將全周光源裡朝上的光線往下反射，以最大化桌面的照度。然而，對於LED而言，其先天就具有的指向性讓工程師只要簡單地將LED朝下擺設，就可以達到將光線導向桌面的目的。因此，最早期的LED檯燈設計幾乎都是將LED封裝一顆顆直接朝下安排。再講究一點的，或許會在直下式的燈源之外，再罩上擴散片以便讓檯燈發出的光線更加均勻；抑或是加上透鏡，以便收攏發光角度來得到更高的中心照度。但是直下式的光學設計有兩個根本的缺點。首先，點光源的面積小，為了達到足夠的光通量需求，其輝度通常很高，直視光源時容易造成眩光。其次，如果各個LED封裝之間的間距較大時，將形成多重光源，容易在桌面上產生疊影。很快地，檯燈設計師注意到液晶螢幕所使用的背光模組或許可以改善這些缺點。液晶螢幕使用的背光模組透過導光板的設計將LED從點光源的形式轉化為面光源，這樣的做法具有幾個好處: 它將數個點光源轉化為一個完整的面光源，消除了多重光源可能產生的不均勻與疊影；同時，發光面積增大也可以降低輝度，減少直視光源時的眩光不適。但是， 背光模組的設計也有它的缺點。由於光線經過反射片與導光板的多次反射與折射，因此，它的發光效率較直下式的設計為低，同時成本則比較高。
最早的LED工作檯燈之一，由設計師Richard Sapper在2005年所設計的Halley desk lamp，採用了16顆直下發光的LED。
Source: richardsapperdesign.com
使用側向LED光源搭配導光板，可以將多點的LED光源轉化為單一均勻的面光源。
Source: www.BenQ.com.tw
因應照明需求的改變，重新思考光的分佈形式
不論是直下式的燈源安排或是導光板的應用，多數LED工作檯燈的光學設計所創造的佈光形式仍舊是朗伯光輸出(Lambertian Light Output)。就傳統書本閱讀而言，這樣的佈光形式足敷使用，然而，隨著人們的閱讀媒介逐漸從紙本轉向螢幕閱讀，中間偏強、兩側快速衰減的朗伯光輸出或許不是最適合的光分佈形式。就螢幕閱讀的照明需求來說，螢幕本身就會發光，因此，它不需要像書本般被照亮。相反的，它應該盡可能不被光線照射到，以避免在螢幕或是邊框上產生干擾閱讀的反射，這就是為什麼一般辦公室照明設計裡會建議: 螢幕的擺設角度應該避免窗外陽光或是頭頂的人工照明所造成的光線反射。擺在螢幕旁邊的檯燈也一樣，它的目的是照射桌面上的其他閱讀媒介，降低螢幕周邊環境與螢幕本身之間的亮度差異。所以，檯燈發射出的光線應該避免照射到螢幕，同時將光線盡可能均勻地往螢幕周邊放射。不論是傳統全周光源透過半截反射罩所得出的光型、或是常見的LED檯燈光學設計，並不容易達成不對稱的光輸出或是將光線盡可能往兩側推送，但是LED具備明顯的指向性，加上一顆顆的燈源位置可任意調配或是獨立調整亮度等特性，只要搭配精準的反射或是折射的光學設計，將使得光型的變化變成可能。如此一來，工程師可以設計出中間暗、兩側亮的光輸出，用以減少照射在螢幕的光線，提高螢幕兩側空間的亮度，同時也讓桌面的照度分佈更加均勻。另外，工程師也可以針對垂直於螢幕與桌面的平面之配光曲線採取特殊的設計，作出兩端不對稱且角度較大的遮光角，避免光源邊緣的光線射向螢幕或使用者的眼睛，讓光線僅僅投射在所需的桌面上。
對稱光輸出的檯燈搭配螢幕使用時，容易造成螢幕畫面或是邊框的反射眩光
除了光學設計之外，更在乎人的需求
過去幾年我們常常談到智慧照明(Smart Lighting) ，但更佳的切入角度或許是人因照明(Human Centric Lighting)。狹義的智慧照明談的是藉由無線通訊的技術與各類感應器，讓燈具變得更聰明、能做更多事。但是，到底要做那些事呢?使用手機APP讓LED作出七彩變化嗎? 還是用燈光的明滅閃爍來提醒你忘了關瓦斯? 科技可以幫我們做很多事情，但這些事情最終能不能進入到我們的日常生活中，還是得取決於它有沒有滿足人們的需求，讓我們的生活變得更好。這個需求可以是理性的、也可以是感性的，可以是生理的、也可以是心理的。人因照明所討論的，就是人們對於光的需求。除了節能的需求之外，它還包含了光線對工作效率的影響、對於視力的影響、以及對於心情的影響。回歸人類對於光最初的感受，那是來自於對自然的體驗。大自然的光是動態變化的，從晨曦到正午烈日再到夕陽，自然光的色溫與亮度一直在變化。人類作為自然的一部分，身體的運作也一樣受到自然光的影響，白天較高的色溫讓我們充滿精神，而傍晚偏暖的色溫減低了藍光光譜對於褪黑激素分泌的抑制，提醒著身體是該休息的時候了。可是，一直以來的人造光卻不是這樣的，白熾燈、螢光燈或許可以調整亮度，但它們的色溫總是固定不變的，當然，它們的光型更是難以動態調整。直到LED的出現，如今燈光設計師與工程師終於可以靈活地讓單一燈具模擬自然光線的動態變化，不論是亮度、色溫、或是光分佈的形式。
這樣的調整或是動態變化可以帶來怎樣的好處? 針對傳統的紙本閱讀，有研究發現較高的色溫可以增進視覺敏銳度(visual acuity)註一。另一方面，也有調查指出較低的色溫可以使用在美術或音樂教室裡激發學生更多元的情感註二。同時，臨床實驗則證實照射較高色溫的光線會抑制褪黑激素的分泌，進而影響睡眠。因此，一盞具備色溫調整功能的檯燈，可以讓使用者在不同的閱讀情境下調整色溫，例如: 發憤圖強時選擇較高的色溫以便專心唸書；就寢前的輕鬆閱讀則選擇溫暖的黃光以便順利入眠。此外，人們一天的作息會有精神旺盛與安靜沉寂的韻律變化，能夠動態改變發光強度與色溫的照明燈具或是系統，將可以更貼切地配合或是調適這樣的韻律。歐司朗就曾經在2011年做過實驗，讓一群受測學生連續六個星期在上午期間進入具有高色溫光線的教室裡上課，他們稱這樣的照明為生物最適化照明(biologically optimized lighting)，其目的是試圖改變該群學生的生理週期，使其在上課期間更加專心。之後進行的對照測驗裡發現，相較於使用低色溫照明教室的學生，高色溫教室裡的受測者擁有比較好的專注力與認知表現。
感知環境變化 化被動為主動
除了色溫容易控制與變化的特性之外，LED作為固態光源的一環，相較於傳統光源更容易與各類感測元件與電子電路整合。借助於光感應器、紅外線感應器或是其它的通訊模組，燈具不再僅僅只是被動地接收使用者開關燈或是調光調色的指令，而是可以主動感知環境的變化、主動調整光輸出的狀態。最常見的作法是利用紅外線感應器感知人體的活動，進而決定開燈或是關燈。這樣的設計已廣泛使用於停車場或是走道間的吸頂式燈具，有些工作檯燈也開始採用同樣的設計。其次光感應器也開始被應用於檯燈設計，它可以偵測環境的亮度或是被照物的照度，進而依據其偵測到的數據調整光輸出的強度。有些光感應器還可以同時偵測光的顏色，如此一來檯燈將可以主動調整發出光線的色溫，使其與環境光儘可能一致。除了各類感測元件之外，具備無線通訊能力的檯燈將可以藉由與其它感測裝置或是互聯網的連線，獲取更多外在環境的資訊，同時還可以與整體空間內的其他連網照明設備進行溝通與協同作業，只是這樣的系統究竟能為人們的照明體驗帶來多大的好處?現在似乎還沒有答案，但是探索已經開始…
註一
SM Bermana, M Navvabb, MJ Martinc, J Sheedyd and W Tithofe (2006). A comparison of traditional and high colour temperature lighting on the near acuity of elementary school children. Lighting Res. Technol. 38, 1 (pp. 41-52)
註二
IK-soo Eo and Keum-yeon Choi (2014), Study on the Effects of Learning by Changing the Color Temperature LED Lamp, International Journal of Multimedia and Ubiquitous Engineering, Vol. 9, No.3, (pp. 309-316)
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