光源与光源技术基础doc

1、光源与光源技术基础光的本质1. 光是电磁波电磁波长波段是通讯用无线电波，波长范围在几十千米至几毫米。2可见光谱人眼可见的光谱范围约在380780纳米（nm）之间。1nm10-6nm10-9m波长较短的约在380420nm的可见光，人的视觉感到它是紫色的，波长再长些的380106nm，这一段人眼看不到的红外线，或称为红外辐射。人的视觉中的“色觉”实际上只是可见光谱中波长不同的光被人感觉到不同的光色。因而，不同的光色或颜色的本质，只是光的波长有所不同而已。由单一波长组成的光称为单色光。实际上，严格的单色光几乎是不存在。所有的自然光源如太阳、月亮，或人工光源所发出的光，其光谱都具有叫宽广的频谱，只是

2、在不同的波段，它的辐射能量不同而已。只有激光光源发出的光谱才窄得接近于单色光谱。光是能量的一种形态。光辐射也可以像其他能量可以互相转换一样，可以变为热能，电能，化学能等。(1)热效应光产生热效应最明显的就是红外线，这已为大家熟知。大功率照明装置工作时产生大量的传到热和红外线，红外线被周围物体和空气吸收变成热能。(2)光电效应光电效应是在某些在一定波长的光照下发射电子或物质中电子的迁移。如光电管、硅光电池。光电效应器件最重要的用途之一，就是在现代测光仪器中作为光信号转换为电信号的主要传感元件。(3)光化学效应光的化学效应就是物质吸收光能产生化学或物理反应。对于人类的生存来说，最重要的就是植物叶绿

3、素的光合作用。其他，如胶片的感光、各种涂料的表面光致固化也是重要的应用。(4)光的传播特性光致发光是某些物质在一定的光的照射下，发出另一波长的光的现象。这一效应在某些电光源中应用较多，如荧光灯中荧光粉受到汞放电发出的253.7nm紫外线照射后发出可见光。3.光度量及单位光源与照明技术中，为了对光进行定量测量和研究，规定了一系列光的量和单位。由于人眼的视觉不仅与光的能量大小有关，还与光的波长有关，所以必须采用以光产生的视觉强度为基础的物理量。我们把以视觉效果作为评价光辐射的理论称为光度学。光度学的计量单位称光度量。（1） 光源辐射的能量包括紫外、可见、红外能量。不同的光源，光谱能量分布也不同。由

4、于人眼对各种不同波长的视觉灵敏度不同，故不能直接用光源的辐射能量（W）来衡量光能的大小。必须用人眼对光的相对感觉量为基准，这个量就称光通量，单位是流明，符号lm。但在国际单位制中，光度学的基本单位是坎德拉。流明是导出单位。流明的定义是：具有均匀光强度1坎德拉（cd）的均匀发光点光源，它发出的总光通量就是4lm。表1-2列出几种常见光源的额定光通量。表1-2 常见光源的额定光通量类型和功率（W）光通量（lm）类型和功率（W）光通量（lm）普通白炽灯 15110直管形荧光灯（日光色）15560普通白炽灯 25220直管形荧光灯（日光色）20960普通白炽灯 1001250直管形荧光灯（日光色）40

5、02400高压汞灯（外镇流）40020000金属卤化物灯（坑钠）36000高压汞灯 400442002. 光效发光效率简称光效。光效就是灯每消耗1瓦电能所发出的光通量，即总称光通量与光功率之比。单位是流明/瓦（lm/W）。下面列出常见光源的光效。真空普通灯泡的光效约为78 lm/W充气普通灯泡的光效约为1013 lm/W高色温卤钨灯泡的光效约为2628 lm/W日光色荧光灯泡的光效约为4065 lm/W三基色荧光灯泡的光效约为6085 lm/W荧光高压汞灯泡的光效约为4060 lm/W超高压氙灯泡的光效约为3035 lm/W高压钠灯泡的光效约为90120 lm/W金属卤化物灯泡的光效约为701

6、00 lm/W理论计算表明，1W能量如果全部转变为视见函数最高的555nm波长的时光，光效可达680lm/W。3. 光强度光通量是说明光源向各方向上发出的光的总量。但是，不同光源的光通量在空间各方向的分布也不是各向均匀的。有的方向亮些，有的方向暗些。亮的方向上，光通量密度大，暗的方向上光通量密度小。因而，照明设计时只知道光源的总光通量是不够的，还必须了解光通量在空间的分布状况。表示光通量在空间密度的量称发光强度。光源在某一方向的光强度就是该方向单位立体角内的光通量值。光强度的单位是坎德拉，符号（cd）。若一个均匀发光体在1球面度（sr）的立体角内均匀发射1 lm的光通量，在该方向的光强度就是1

7、cd。由于发光强度是光源在给定方向上单位立体角内辐射的光通量，所以如果光源在给定方向上的发光轻度为1cd，则光源在该方向上1sr的立体角内辐射的光通量为1 lm。因此：1 lm1cd sr（光强的旧单位为“蜡烛”。1948年国际计量大会决定采用铂凝固点黑体做基准后，改为坎德拉。）光源在各方向的光通分布情况，如用坐标表示，便是该光源的光强分布曲线。光源装入某种灯具后，它的光通量分布也随之变化，用坐标表示便是该灯具的光强分布曲线。4. 光照度光照度是指被光照射的平面上，单位面积所接收的光通量数值。即某以平面，被光照亮的程度。照度的单位是勒克斯（lx）。1 lx等于1lm均匀分布在lm2的表面上所产

8、生的照度。图1-6为照度定义的示意图。1lx照度很低，仅能大致分辨周围物体。表1-3列出日常情况下的照度值。图1-6 光照度定义示意图表1-3 常见情况下照度值光照情况照度值（lx）光照情况照度值（lx）夏日阳光直射下10000040W 普通白炽灯下（lm）30白天室外（无直射阳光）1000一般阅读时300500白天室外100500工作场合下5050040W 荧光灯下300夜晚满月地面上0.2有时，我们见到照度的另一单位，英尺-烛光（ftcd）。1 ftcd表示1lm均匀分布在1（ft）2上所产生的照度。所以，1 ftcd=1lm/1（ft）2。勒克斯和英尺-烛光之间的关系为：1lx=0.09

9、29ftcd1 ftcd=10.76lx照度是各类照明应用的主要参量之一。如彩色电视演播，照度为15001600lx较为适当，低于此值可看出可见的图像，但细节较差；高于此值是不必要的浪费。5. 发光亮度有些光源的发光表面很亮（如白炽灯丝），有的表面亮度较低（如荧光灯表面）。所以，发光亮度就是表征光源发光表面明亮程度的量。亮度高低还与该发光表面在与视线垂直方向上的投影面积大小有关。如果光强不变，发光面投影面积小，亮度越高，发光面投影面积越大，则亮度越低。亮度的单位为坎/平方米（cd/m2）。其定义是光源表面一点处的面元在给定方向上发光强度除以该面元在垂直于给定方向的平面上的正投影面积。表1-7为

10、亮度定义的示意图。图1-7 发光亮度定义示意图表1-4为常见发光体的亮度值。光源发光体的表面亮度主要与光学设计有关。一般来说，光强一定时，发光体越小亮度越高，较接近点光源，对光学系统的设计有利，可以使用光学系统有效高的效率。表1-4 常见的发光体的亮度值光源亮度值（cd/m2）太阳表面1.47109充气白炽灯灯丝4.5106阳光直射下的白色表面30000阳光直射下的白色表面300014.色度量及单位(1)光源的光色和显色性光源除了要求发光效率高之外，还要球其具有的良好的光色。光源的光色包括两方面，一是人眼观看光源所发出光的颜色，称为广园东色表；二是光源照到物体上后被照表面显现出来的颜色，称为光

11、源所发出光的颜色性。荧光灯及其他气体放电灯的广泛使用，使用色表面在不同的光源照射下显现出颜色不同的问题更为突出。由于人类长期在日光下生活，习惯了日光的光谱成分和能量分布为基准来分辨颜色（图1-8），所以在显色性比较中，用日光或以日光很接近的人工光源做标准，其显色性最好。典型官员的光谱能量分布如图1-9所示。某物体受某光源照射的效果与标准光源想接近，其显色性最好。典型光源的光谱显色指数高；反之，物体受照后颜色失真，则认为光源的显色性很差，显色指数低。荧光高压汞灯的光谱成分虽然与日光相近，但它的光谱能量分布与日光相差很大，如图1-9，青、蓝、绿光多而红光很少，被照物呈青灰色，显色性差。白炽灯的光谱

12、能量分布曲线是连续的，偏重于长波，如图1-9，使其色表偏黄红色，显色性较好。（2） 色温和相关色温黑体辐射是建立在热辐射基础上，黑体是假定吸收系数和辐射系数均为1的假想辐射体。这就是说，在同样的温度时，黑体的辐射和白炽灯辐射体的光能量分布均为连续光谱。光源的光色常用色温表示。在黑体辐射中，黑体的温度不同，发出的光色也不同。光源发出的光色与黑体在某一温度下所发出的光色相同，则这时黑体的温度就称为光源的色温。多数气体放电光源的光谱能量分布呈线状光谱，即在有的波长上，灯有辐射能量，而在另一些波长上，灯没有辐射能量。这种情况下，才引入相关色温的概念。气体放电光源的光色与黑体在某一温度时的光色最接近时，

13、黑体的温度就称为该气体放电光源的相关色温。色温度值采用开氏温标（K）为单位。它以绝对零度为起点，它以摄氏温标的关系为：1K=273oC无论何种光源，在测定其光谱能量分布后，就可以计算出三色刺激值X，Y，Z（或者直接用光电色度计测X,Y,Z），从而计算光源的色坐标x,y和u,v，在从图表上查出光源的（相关）色温。（3） 显色指数光源的显色性是指光源能否正确地显现物体颜色的性能。光源显色变准，便是在该物体在日光下所呈现出颜色。光源的光谱能量分布决定了光源的显色性。日光、白炽光源都是连续光谱，因而具有与日光、白炽光源相似的连续光谱的光源都有较好的显色性。为了对光源的显色性进行定量比较，引入显色指数的

14、概念。一般用日光和极近似日光光谱的人工光源作为标准光源，以显色指数最高为100表示。绝大数人工光源的显色指数值低于100. 为了准确的测定光源的显色指数，国际照明委员会（cie）于1965年制定了显色性能测试方法。该方法用了8个标准的颜色样品在标准光源和待测光源照射时产生色差，算出每一颜色样品的显色指数，称为特殊显色指数。即，如果在待测光源照射下，某一标准颜色样品在与标准光源照射时颜色无变化，则待测光源在这一颜色的特殊显色指数为100.如果上述情况下，标准颜色样品在两者比较产生了差别，则待测光源对该颜色的特殊显色指数值就小于100.这样，就可以得到待测光源的8个特殊显色指数。光源的一般显色指数

15、（又称综合显色指数），是8个特殊显色指数的算术平均值，用符号Ra表示。Ra值越接近100，则光源的显色指数越好。以下是常见源的一般显色指数值。常用光源的一般显色指数值 光源种类Ra光源种类Ra白炽灯97-99金属卤化物灯55-90氙气灯95-97高压钠灯30-50荧光灯65-80高压钠灯21-236. 电光源的分类。电光源品种很多，按照工作原理不同可分为固体发光源和气体放电发光源两大类。分类见下图电光源热辐射光源普通白炽灯真空白炽灯充气白炽灯 卤钨灯气体放电发光源辉光放电灯氖气灯、霓虹灯弧光放电灯低气压灯荧光灯光致发光源（光源低压钠灯高气压灯高压汞灯、荧光高压汞灯高压钠灯高压氙灯金属卤化物灯碳

16、弧灯光致发光光源（荧光）电致发光光源场致发光（EL)灯半导体发光（LED)灯 白炽灯是根据热辐射原理制成的。热辐就是具有一定温度的物体总是不断的地把能量以各种波长的射线形式向空间射出来。物体温度在500时，呈暗红色。温度再升高，开始热辐射出黄光，物体颜色也就由红变橙黄。当温度超过1500时，波长短的绿，蓝色光也开始辐射出来。物体发出黄白色光。普通白炽灯及各类卤钨灯均属于热辐射光源，或称白炽光源。故名思议，气体放电光源是利用气体导电发光原理制成的。正常状态下，气体是非导体。当气体原子收到具有一定能量的电子碰撞时，它就会被激发而电离发光。当放电电流很小时，放电处于辉光放电阶段。放电电流增大到一定程

17、度时，气体呈低电压、大电流放电，这就是弧光放电。根据气体放电时的气压高低，又可把气体放电分为3类。_低压气体放电放电灯内气体总压强不超过几百帕（1Torr=133.32N/m2）,即Pa（帕），相当于1%4%大气压）。高压气体放电放电灯内气体总压强在110个大气压。超高压气体放电放电灯内气体总压强大于10个大气压。属于低压气体放电光源的有荧光灯、低压纳灯、冷阴极荧光灯、霓虹灯，氖灯等。属于高压气体放电光源的有高压汞灯、高压纳灯、金属卤化物灯等。属于超高压气体放电光源的有超高压氙灯、超高压汞灯等。2.热辐射光源光源向外辐射能量，是靠光源内能的损耗而产生的。光源在辐射过程中的内能并不改变，只要通过

18、加热来维持它的温度，辐射就可以继续不断地进行下去，这种辐射称为热辐射。如让电流通过白炽灯泡的灯丝，则电功率转变称热能使灯丝处于白炽状态，从而发出强光来，只要电流不断，灯丝就可以处于一定的温度，发光就会持续下去。热辐射现象是十分普遍的，自然界一切有温度的物体都能产生热辐射。温度越高，热辐射强度越强，当温度的时候辐射出远红外或红外光，当把谈或金属加热到500oC=时才会产生暗红色的可见光，随着温度的上升，光就百年的更亮。1. 发光效率工作在接近钨的熔点（3653K）的白炽灯，如果没有热导和对流损失，理论上的光效可达到531lm/W。实际白炽灯的光效远低于此值。以额定寿命1000h的光通照明白炽灯为

19、例，其光效为821.5lm/W。白炽灯的光效之所以这样低，主要是由于它的大部分能量都变成红外辐射，可见辐射所占的比例很小，一般不到10%。2. 钨循环类白炽灯卤钨循环类白炽灯简称卤钨灯。卤钨灯循环的过程：在适当的温度条件下，从灯丝蒸发出来的钨在玻壁区域内与卤素反应，形成挥发性的卤钨化合物，由于波壁温度足够高（大于250oC）,卤钨化合物呈气态，当卤钨化合物扩散到较热的灯丝周围区域时又分解成卤素灯和钨。释放出来的钨部分回到灯丝上，而卤素则继续参与循环过程。、碘的各种卤化物都能产生钨的再生循环。它们之间的主要区别是发生循环反应所需的温度以及与灯内其他物质发生作用的程度有所不同。为了使管壁处生成的卤

20、化钨处于气态，卤钨灯的管壁温度要比普通白炽灯高的多。相应地，卤钨灯的玻壳尺寸就更小得多。例如，500W卤钨等的体积只是普通白炽灯的1%。这时普通玻璃承受不了，必须使用耐高温的石英玻璃或硬料玻璃。由于玻壳尺寸小、强度高，灯内允许气压就高，加之工作温度高，故灯内的工作气压要比普通充气灯泡高很多。既然在卤钨灯中钨的蒸发受到更有力的制，同时卤钨循环消除了玻壳的发黑，灯丝的工作温度和光效就可以大为提高，而灯的寿命并不缩短。2.1.9 常见白炽灯的外形 白炽灯的玻壳因功率大小、使用灯头不同因而外形各异。玻壳的形式很多，但一般均采取与灯泡纵横对称的形式，例如球形、圆柱形、黎形等，以求有较高的机械强度和良好的

21、工艺性。仅有很少的特殊灯泡是不对称的(如全反射灯泡的玻壳等）。玻壳的尺寸及采用的玻璃要视灯泡的功率和用途而定。玻壳一般为透明的，但一些特殊用途的灯泡则采用各种有色玻璃。为了避免灯光的炫目，玻壳可进行“磨砂”、“内涂”等处理，使其能形成漫反射；还有些灯泡为了加强在某一方向上的光强度，在玻壳上蒸镀反射铝层。2.1.10 灯头 白纸灯灯头可分为3大类：卡口灯头（B）的直径分为7、9、15或22mm等几种不同规格。灯头压缩灯座内的弹簧而推入灯座内，并稍加旋转，灯头的卡销即被灯座边上J形槽口卡住。螺口灯头（E）的直径分为5、10、12、14、17、27和40mm等几种规格。灯头的电接触除其地段与灯座接触

22、外，灯头的外壳成为另一个链接通路。预聚焦灯头（P)，用于要求严格控制灯丝位置的灯泡，如聚光灯或汽车前灯等。其精密的控制主要依靠在灯头外壳上加一凸缘，使灯丝保持准确的相对位置，或设法使灯丝与灯头或底座的某一固定部分保持准确的相对位置。预聚焦灯泡的灯丝高度（即光中心长度）与轴线间的误差一般不得超过0.5mm。预聚焦灯泡的规格大小不等，最小的如闪光灯跑所用的P13.5S，大的如灯塔用的P89S。楔形插头（W）灯泡不用一般灯头，而采用直径4.6mm和9.5mm的插头。等头上的标码数字依次表明灯头外壳或外螺纹的直径、全长、裙边直径（单位mm），所标注的字母S、d和t，分别表示单、双、3个接点。2.1.1

23、1 灯的开关对灯寿命的影响 在正常情况下，灯的开关并不严重影响白炽灯的寿命。只有当点燃后灯丝变得相当细时，由于开关造成的快速温度变化而产生的机械应力，才会使灯丝损坏。单开关灯时有一点要注意，即在灯启动的瞬间灯得电流很大。这是由于钨有正的电阻特性，在工作温度时的电阻远大于冷态（20）电阻。一般白炽灯灯丝的热电阻是冷电阻的1216倍。因此，当使用大批量白炽灯时，灯要分批启动，以免大电流对电源的冲击。调光：普通白炽灯可以调光，没有限制。调光使等死工作温度降低，从而使灯得色温降低，光效降低，但寿命延长。因此，长寿命的优点是以牺牲光效为代价的。在灯几乎被连续调光的情况下，一般说来采用功率较小的白炽灯为好

24、。当白炽灯工作在标称电压的50%以下时，灯几乎不发光。然而，此时的能量耗损依然不小。因此，当调光到这一程度时应将灯关熄。2.1.12 电源电压变化对灯特性的影响 当电源电压变化时，白炽灯的工作特性要发生较大变化。例如，当电源电压升高时，灯的工作电流和功率增大，灯丝工作温度升高，发光效率和光通量增加，寿命缩短。2.2 普通照明用白纸灯泡2.2.1 普通照明类白纸灯泡简介及主要产品类型白炽灯结构：主要部件为灯丝、支架、玻壳、填充气体和灯头。1. 灯丝 灯丝是白炽灯的发光部件，由钨丝制成。为减少钨丝与灯中填充气体的接触面积，从而减少由于热传导所引起的热损失，常将直线状钨丝绕成螺旋状。采用双螺旋灯丝的

25、白炽灯，光效更高。2. 芯柱和支架 芯柱由铅玻璃制成。这不仅由于铅玻璃有很好的绝缘性，还由于它能很好地与导电丝进行真空气密封接。导电丝由3部分组成。上面的部分即内导丝，用于与灯丝焊接（或夹接）；中间的部分是杜美丝，与铅玻璃进行气密封接；导电丝的下部，即外导丝，熔点较低，可起保险丝的作用。也可以采用铜或镀铜铁为外导丝，在其上再串接镍系合金保险丝。压封在芯柱上部的支架是由镀镍铁丝或钼丝做成，用于固定灯丝。3. 玻壳 白炽灯的灯丝被包围在一个密封的玻壳中，从而与外界空气隔绝，避免因氧化而烧毁。玻壳通常采用钠钙玻璃，大功率灯用耐热性能好的硼硅酸盐玻璃。除普通透明灯泡以外，还可根据不同的应用情况，对玻壳

26、进行一些处理。可以采用氢氟酸对玻壳内表面进行磨砂处理，以减少眩光。用彩色玻璃或采用内涂、外涂的方法使玻壳着色，做成彩色白炽灯。4. 填充气体 为了减少灯丝的蒸发，从而提高灯丝的工作温度和光效，在充气灯泡中充入合适的惰性气体。在普通充气白炽灯中充氩氮混合气氮的主要作用是防止灯泡产生放电。混合气的比例根据工作电压、灯丝温度和导入线自检的距离而定。对220V的灯，氩的比例可上升到88%95%，而氮的百分比为84%88%。氮的百分比为12%16%。对100V的灯，氩的比例可上升到88%95%，而氮的比例想将到5%12%，充气气压为8087kPa。灯工作时的气压约为1.5atm。希望提高灯得光效或延长灯

27、得寿命时可充氮气或氙气，以代替氩气。5. 灯头 灯头是白炽灯电气连接和机械连接部分常用有螺口式灯头、插口式灯头、聚焦灯头及各类特种灯头。常用螺口灯头为E10、E11、E12、E14、E27，卡口式为B15、B22等。2.2.2 普通照明类白纸灯泡主要产品类型 普通照明灯泡是用途广、用量最大的照明灯泡。国家标准GB/T10681-2004家庭和类似场合普通照明用钨丝灯性能要求给出额定电压220V和230V、功率为15200W，使用E27灯头和B22灯头两大类产品的主要性能要求。 同一规格的产品，又给出了高光通量型和正常光通量型两类。高光通量型的产品，比同功率的正常光通量型的光通量要高出7%20%

28、。 2.3 装饰用白炽灯泡装饰灯泡是除普通照明灯泡外，使用很广泛的白炽灯种类，在一些情况下它起着照明及装饰的双重作用，另一些情况下，如各类彩色装饰灯泡则起到以装饰为主的作用，广泛用于街道、门楼、商店、橱窗、舞厅等各类适用场合。2.3.1 彩色装饰灯泡（外涂） 彩色普通装饰灯泡有蓝色、绿色、黄色、红色、白色等颜色。在玻壳外面涂敷彩色涂料、光线柔和，使用于室内外装饰照明，及各种节日用装饰照明。2.3.2 彩色球形装饰泡（内涂） 彩色球形装饰灯泡，电压230V，有蓝色、绿色、黄色、红色、白色等颜色供选择。用于各种室内外装修及节日装饰用灯泡。2.3.3 烛形装饰灯泡（透明型、磨砂型） 烛形装饰灯泡也有

29、各种色彩的灯泡，单用作普通照明时以透明或磨砂型最多。2.3.4 火焰形装饰灯泡 火焰型装饰灯泡常用于多头枝形吊灯中作普通照明，同时配合灯具起到装饰作用。该灯多为透明或磨砂玻壳。2.4 卤钨灯卤钨灯与白炽灯相比，具有体积小、寿命长、光效高、光色好和光输出稳定的特点。根据应用场合的不同，卤钨灯的设计使用电压从6250V，功率从1210000W，分单短卤钨灯、双端管形卤钨灯以及带介质膜或金属反光碗的MR型卤钨灯和反射型卤钨PAR灯等。国家标准GB/T14094-2005卤钨灯（非机动车辆用）性能要求给出了普通照明、特殊照明、舞台照明、投影、摄影、泛光照明等多种用途卤钨灯的主要性能要求。2.4.1 反射型卤钨灯（卤钨PAR灯） 此类反射型卤钨灯是讲一个体积很小的卤钨灯泡代替反射型白炽灯的灯丝，整个封入灯泡中光学反射焦点位置。由于卤钨灯光效更高，因而整个灯泡的光效更强，寿命也长。更适合用于各类普通PAR型灯使用的场合。2.4.2 反射型卤钨灯（MR型） 此类产品是将一个小型单端卤钨