照明基础 光的基本知识

1、照明基础,-,光的基本知识,第一节,光的概念,?,光的本质是什么,?,可见光（,Visible light,）,?,不可见光,?,什么是光谱（,Spectrum,）,?,光与颜色,?,什么是颜色（,Color,）,?,光的本质,是电磁波。广义上，光是指所有的电磁波谱。狭,义上的光是人类眼睛可以看见的一种电磁波，也称,可见光,。,一般人的眼睛所能接受的光的波长在,400-700,纳米之间。,像红外线，紫外线，伦琴射线等都属于不可见光。红外线,频率比红光低，波长更长。紫外线，伦琴射线等频率比紫,光高，波长更短。,?,不可见光,是个比较笼统的概念，是指除可见光外其他所有,人眼所不能感知的波长的电磁波

2、，包括无线电波，微波，,红外光，紫外光，,x,射线，,射线、远红外线等。一般人的,眼睛可以感知的电磁波的波长在,400,到,700,纳米之间，但还,有一些人能够感知到波长大约在,380,到,780,纳米之间的电磁,波。,?,光谱,（,spectrum,）,光谱是复色光经过色散系统（如棱,镜、光栅）分光后，被色散开的单色光按波长（或频,率）大小而依次排列的图案，全称为光学频谱。光谱,中最大的一部分可见光谱是电磁波谱中人眼可见的一,部分，在这个波长范围内的电磁辐射被称作可见光。,自然光（日光）光谱,?,在,1666,年，牛顿把太阳光经过三棱镜折射，然后投射,到白色屏幕上，发现原来光谱色分成了红、橙

3、、黄、,绿、青、蓝、紫七种颜色。然而光谱并没有包含人类,大脑视觉所能区别的所有颜色，譬如褐色和粉红色。,颜色与光的混合,?,什么是光的三基色？,?,红，绿和蓝混合成白色,白光的其它组合：,?,蓝色和黄色混合成白色,（目前,LED,白光最主流的做法）,?,绿色和紫红色混合成白色,?,红和青绿色混合成白色,第二节,光的计量,?,光亮度（,Lightness,）,发光强度（,Intensity,）,?,光通量（,Flux,）,流明（,Lumen,）,?,光照度（,Illuminance,）,勒克斯（,Lux,）,光亮度与发光强度,?,发光强度,简称光强，,国际单位是,candela,（坎德拉）,简写

4、,cd,。坎德拉是指,(Candela) I = F/,光源在指定方,向的单位立体角内发出的光通量。,光源辐射是均匀时，,则光强为,I=F/,，,为立体角，单位为球面度（,sr,）,F,为光通量，单位是流明。,?,亮度,是指发光体（反光体）表面发光（反光）强弱的,物理量。人眼从一个方向观察光源，在这个方向上的,光强与人眼所“见到”的光源面积之比，定义为该光,源单位的亮度，即单位投影面积上的发光强度。亮度,的,单位是坎德拉,/,平方米（,cd/m2,）,亮度是人对光的,强度的感受。它是一个主观的量。光亮度表示的是发,光面明亮程度。对于一个漫散射面，尽管各个方向的,光强和光通量不同，但各个方向的亮

5、度都是相等的。,电视机的荧光屏就是近似于这样的漫散射面，所以从,各个方向上观看图像，都有相同的亮度感。,以下是部分光源的亮度值：单位,cd/m2,?,太阳：,1.5*10,；,?,日光灯：（,5,10,）,*103,；,?,月光（满月）：,2.5*103,；,?,黑白电视机荧光屏：,120,左右；,?,彩色电视机荧光屏：,80,左右。,光通量与流明,?,流明,(Lumen),是光通量的单位。是英文,lumen,的音译，,简写为,lm,。,?,光通量,指单位时间里通过某一面积的光能，称为通过,这一面积的辐射能通量。,绝对黑体在铂的凝固温度下，,从,5.305*103cm2,面积上辐射出来的光通量

6、为,1lm,。,为表,明光强和光通量的关系，发光强度为,1cd,的点光源在单,位立体角（,1,球面度）内发出的光通量为,1lm,。,?,各色光的频率不同，眼睛对各色光的敏感度也有所不,同，即使各色光的辐射能通量相等，在视觉上并不能,产生相同的明亮程度，在各色光中，,黄、绿,色光能激,起最大的明亮感觉。如果用绿色光作水准，令它的,光,通量,等于,辐射能通量,，则对其它色光来说，激起明亮,感觉的本领比绿色光为小，光通量也小于辐射能通量。,?,一只,40W,的日光灯输出的光通量大约是,2100,流明。,光照度与勒克斯,?,勒克斯,(Lux),是光照度的单位。被光均匀照射的物体，,距离该光源,1,米处

7、，在,1m2,面积上得到的光通量是,1lm,时，,它的照度是,1lux,。,?,光照度,可用照度计直接测量。光照度的单位是勒克斯，,是英文,lux,的音译，也可写为,lx,。有时为了充分利用光,源，常在光源上附加一个反射装置，使得某些方向能,够得到比较多的光通量，以增加这一被照面上的照度。,例如汽车前灯、手电筒、摄影灯等。,以下是各种环境照度值：单位,lux,?,黑夜：,0.001,0.02,；,?,月夜：,0.02,0.3,；,?,阴天室内：,5,50,；,?,阴天室外：,50,500,；,?,晴天室内：,100,1000,；,?,夏季中午太阳光下的照度：约为,10*9,次方；,?,阅读书刊

8、时所需的照度：,50,60,；,?,家用摄像机标准照度：,1400,第二章,光的照明知识,?,什么是眩光,?,什么是频闪,?,色温（,Color temperature,）,?,显色性（,Color rendering,）,?,光效,眩光,?,眩光（,glare,）是指视野中由于不适宜亮度分布，或在,空间或时间上存在极端的亮度对比，以致引起视觉不,舒适和降低物体可见度的视觉条件。视野内产生人眼,无法适应之光亮感觉，可能引起厌恶、不舒服甚或丧,失明视度。在视野中某,局部地方出现过高的亮度或,前后发生过大的亮度变化。眩光是引起视觉疲劳的重,要原因之一。,频闪,?,人们发现，长期在日光灯下看书会感到

9、不舒服，虽然,其光亮度与白天无异。这是为什么呢？经过研究，原,来这是因为日光灯的光强是随时间变化所致。也就是,光源的闪烁所致。,那什么是光源频闪呢？,?,光源频闪,就是光源发出的光随时间快速、重复的变化，,使得光源跳动且不稳定。一般在闪烁频率,50Hz,以下,，,人眼都能觉察到光源的闪烁。当频率达到一定程度时，,比如,100Hz,，人们就分辨不出光源的闪烁了，此时的,光源就发出稳定、连续的光。由于无极灯的原理是采,用频率发生器的电磁感应，其频率远远,大于,100Hz,，,因此对比传统光源是真正做到无频闪的人造光源。,那为什么无频闪好呢？,?,有时我们会发现这样一种现象，当一个物体快速运动,或转

10、动时，它们看起来好像运动得比他们实际的速率,要慢，或者出现跳跃式的运动。甚至当物体转动频率,跟光源闪烁频率相同时，物体好像静止不动。这就是,频闪光造成的，它是一种我们在日常的照明中不希望,发生的现象。事实上，由于频闪效应，人们产生错觉，,而把一些快速运转的设备看成是缓慢运转着甚至是静,止的是非常危险的。因此我们说电光源的频闪效应，,给人类生产、日常生活、身心健康造成了严重危害。,可以主要归纳为以下几个方面：,?,错觉引发工伤事故：由于频闪产生静止、倒转、旋转,缓慢，以及上述三种状态周期性重复的错误视觉引发,工伤事故。,例如，机加工行业机床操作工。,?,危害身体健康，影响工作：频闪效应会引发视觉

11、疲劳、,偏头痛。特别是普遍采用直管型日光灯的照明场合尤,为明显。例如，流水线上的插件操作工，容易因视觉,疲劳、眼花，引起偏头痛。从而生产效率低下。,?,伤害青少年的眼睛，造成近视。在我国,80,年代以后，,由于直管型日光灯的普遍应用，造成青少年视力下降,明显，近视眼显著增多。,色温（,Tc,）,?,科学定义是：通过发射体发射谱形状与最佳拟合的黑,体发射谱形状比较确定的温度。它是表示光源光色的,尺度，单位为,K,（开尔文）。色温是在摄影、录象、,出版等领域具有重要应用。光源的色温是通过对比它,的色彩和理论的热黑体辐射体来确定的。热黑体辐射,体（“黑体”即能够吸收全部外来光线而毫无反射的,理想物体

12、）与光源的色彩相匹配时的开尔文温度就是,那个光源的色温，它直接和普朗克黑体辐射定律相联,系。,?,简单来说，色温反映的就是光的色调，其温度的概念,不是冷热意义上的温度，而是给人的感觉，偏向红光,的成为暖色调，偏向蓝光的称谓冷色调。,?,不同色温下的颜色表现,显色性,?,光源对物体颜色呈现的程度称为显色性，也就是颜色,的逼真程度，显色性高的光源对颜色的再现较好，我,们所看到的颜色也就较接近自然原色，显色性低的光,源对颜色的再现较差，我们所看到的颜色偏差也较大。,?,显色性是评价光源颜色好坏的一个重要指标。通常用,“显色指数（,Ra,）”来评价。,?,Ra,值的确定，是将,DIN6169,标准中定

13、义的,8,种测试颜色,在标准光源和被测试光源下做比较，色差越小则表明,被测光源颜色的显色性越好。当光源光谱中很少或缺,乏物体在基准光源下所反射的主波时，会使颜色产生,明显的,color shift.,色差程度越大，光源对该色的显色,性越差。演色指数系数（,Kau fman,）仍为目前定义光,源显色性评价的普遍方法。,?,白炽灯的显色指数定义为,100,，视为理想的基准光源。,此系统以,8,种彩度中等的标准色样来检验，比较在测试,光源下与在同色温的基准下此,8,色的偏离（,Deviation,）程度，以测量该光源的显色指数，取平均偏差值,Ra20-100,，以,100,为最高，平均色差越大，,R

14、a,值越低。,低于,20,的光源通常不适于一般用途。,各常见光源显色指数,Ra,：,?,白炽灯,95-100,?,荧光灯,75-90,?,卤钨灯,95-99,?,高压汞灯,22-51,?,高压钠灯,20-30,?,金属卤化物灯,65-90,不同显色指数下的颜色表现,?,连续光谱下的显色性,?,黄光下的显色性（如高压钠灯）,?,不同光源下的显色性,Incandescent / Halogen,白炽灯卤素灯,Induction Lamp,无极灯,Fluorescent,直管型荧光灯,Mercury,汞灯,Metal Halide,金卤灯,HPS,高压钠灯,Low Pressure Sodium,低

15、压钠灯,Ceramic Metal Halide,陶瓷金卤灯,CIE,颜色坐标图,?,图中的黑色线条就是黑,体辐射的轨迹曲线，而,和他比较确定的就是相,关色温。一般来说，越,靠近黑体曲线和图的中,心，显色指数越高。打,个比方来说，色温和显,色指数这两个指标就相,当于确定光色质量的横,坐标与纵坐标。,光效,?,光源所发出的总光通量（流明）与该光源所消耗的电,功率（瓦）的比值，称为该光源的光效。因此光效的,单位为流明每瓦（,lm/W,）。,?,光效是描述光源技术性能优劣的物理概念。发光效率,值越高，表明照明器材将电能转化为光能的能力越强，,即在提供同等亮度的情况下，该照明器材的节能性越,强；在同等

16、功率下，该照明器材的照明性越强，即亮,度越大。因此对于光源来说，通常光效越高越好。,?,不同光源的光效对比,第三章,光的照明应用,第一节,天然光源与人工光源,?,光的天然用途可以概括为两个字：照明,?,光用来照明需要有光源。,?,自身能够发光的物体叫光源，光源分为天然光源和人,造光源。,?,天然光源：比如日光。,?,人工照明就是相对于自然光的灯光照明。,第二节,人工光源的发展,?,传统照明光源：,第一代,：以白炽灯、卤钨灯为代表的热辐射光源,第二代,：以低压钠灯、荧光灯为代表的低压气体放电灯,第三代,：以高压钠灯、金卤灯为代表的高强度气体放电灯,?,低碳照明光源：,新一代,：,LED,半导体光

17、源、低频无极灯电磁感应光源、等,离子灯（原子硫化灯）高能电离光源,第三节,传统光源,?,热辐射光源。,电流流经导电物体，使之在高温下辐射,光能的光源。,?,气体放电光源。,电流流经气体或金属蒸气，使之产生,气体放电而发光的光源。,热辐射光源,?,白炽灯,是将灯丝通电加热到白炽状态，利用热辐射发,出可见光的电光源。白炽灯的光效虽低，但光色和集,光性能好，是产量最大，应用最广泛的电光源。白炽,灯具有很多的优点：简单、成本低廉、亮度容易调整,和控制、显色性好（,Ra=100,）等等，但同时也存在着,许多致命的缺点：如使用寿命短、发光效率低（仅有,12,18,可转化为光能，而其余部分都以热能的形,式散

18、失）、色温低（,2700-3100K,）。,气体放电光源,?,气体放电有弧光放电和辉光放电两种，放电电压有低,气压、高气压和超高气压,3,种。弧光放电光源包括：荧,光灯、低压钠灯等低气压气体放电灯，高压汞灯、高,压钠灯、金属卤化物灯等高强度气体放电灯，超高压,汞灯等超高压气体放电灯，以及碳弧灯、氙灯、某些,光谱光源等放电气压跨度较大的气体放电灯。辉光放,电光源包括利用负辉区辉光放电的辉光指示光源和利,用正柱区辉光放电的霓虹灯，二者均为低气压放电灯；,此外还包括某些光谱光源。,?,高压汞灯：,充有汞和惰性气体，工作时灯内汞蒸气处,于高压状态的气体放电灯。,高压汞灯是紫外固化的标,准灯，发热大，要

19、用空气或水冷却，但功率高，适用,于要求固化速率快的光固化涂料、油墨涂覆流水线。,缺点是要求冷启动，就是说关灯后马上在开灯，是开,不了的，必须等几分钟灯管冷却下来以后才能重新开,启，这是和白炽灯是不同的。,?,高压钠灯,高压钠灯的光谱,?,由于高压钠灯发出的是黄光，因此其有效光效很低，并不,能产生相应的视觉亮度，相当于大部分光都不能被眼镜接,受，因此能量就被浪费了。不但如此，钠灯的显色指数和,色温都过低，不适合作理想光源。作为路灯也不利于道路,的合理照明。,?,除此以外，高压钠灯也存在启动慢的缺点。高压钠灯启动,后，在初始阶段是汞蒸气和氙气的低气压放电。这时候，,灯泡工作电压很低，电流很大；随着

20、放电过程的继续进行，,电弧温度渐渐上升，汞、钠蒸气压由放电管最冷端温度所,决定，当放电管冷端温度达到稳定，放电便趋向稳定，灯,泡的光通量、工作电压、工作电流和功率也处于正常工作,状态。在正常工作条件下，整个启动过程约需,10,分钟左右。,?,金卤灯,?,金卤灯是在汞和稀有金属的卤化物混合蒸气中产生电,弧放电发光的放电灯。它的主要特性和优点有：,光效可达,100,流明,/,瓦，日光色色温可达,6000K,，显色,指数可以达到,80,，可调光。,?,缺点：金卤灯的光衰很大，造成使用寿命短，通常只,有,5000-10000,小时。同时由于其光线中的紫外含量高，,紫外辐射易造成灯具老化，进一步缩短其整

21、灯的寿命。,?,传统荧光灯,?,荧光灯是利用低压汞蒸气放电产生的紫外线激发涂在,灯管内壁的荧光粉而发光的电光源。传统型荧光灯即,低压汞灯，是利用低气压的汞蒸气在放电过程中辐射,紫外线，从而使荧光粉发出可见光的原理发光，因此,它属于低气压弧光放电光源。,?,荧光灯在气体放电中消耗的电能主要（大约,63%,）转,化为紫外范围的电磁辐射，紫外辐射照射到灯管内壁,的荧光粉涂层上，紫外线的能量被荧光材料所吸收，,其中一部分转化为可见光并释放出来。一个典型的荧,光灯中发出的可见光大约相当于输入灯内能量的,28%,。,LED,?,LED,是英文,light emitting diode,（发光二极管）的缩,

22、写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置,于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，,起到保护内部芯线的作用，所以,LED,的抗震性能好。,?,LED,是商业照明、家居室内照明节能专家。,?,LED,的光谱,?,电压：,LED,使用低压电源，供电电压在,6-24V,之间，,根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更,安全的电源，特别适用于公共场所。,?,效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少,80%,?,适用性：很小，每个单元,LED,小片是,3-5mm,的正方,形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易,变的环境,?,稳定性：,5,万小时，光衰为初始的,50%,?,响应时间：其

23、白炽灯的响应时间为毫秒级，,LED,灯的,响应时间为纳秒级,?,对环境无污染：无有害金属汞,?,颜色：可实现红黄绿兰橙多色发光。改变电流可以变,色，如小电流时为红色的,LED,，随着电流的增加，可,以依次变为橙色，黄色，最后为绿色,?,价格：,LED,的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只白,炽灯的价格就可以与一只,LED,灯的价格相当，而通常,每组信号灯需由上,300,500,只二极管构成。,?,驱动：,LED,使用低压直流电即可驱动，具有负载小、,干扰弱的优点，对使用环境要求较低,?,显色性高：,LED,的显色性较高，通常能接近,80,。,第四章,新的照明理论,?,光视效率,?,视觉状态,明暗

24、视觉、中间视觉,?,瞳孔流明（,Pupil lumen,）,有效光通量,?,有效视觉光效（,VEL,）,新概念的提出,?,人怎么能看见和光对心理上的影响是学者研究的课题，,也是许多学者在讨论与深入研究多年了。把光描述成,“流明的输出”，已经是描述和定义完成各类人物所,需光数量的传统方法。可是，这并不能反映实际的人,眼视觉感知，而通孔流明就是建立在光的视觉效果和,对心理影响的结果基础上的。,?,由于光源技术的发展产生出很多类型和颜色的光源，,因此简单测量流明的方法不能够完全预测人类视觉,（看得见）的好坏程度。,?,一个最有说服力的例子就是，低压钠灯虽然能够产生,很多流明，但是它只能表现两种颜色（

25、也即黄和灰），,在这种光源下，只能显现物体的形状，而显现物体细,节及真实性的能力却丧失了。而无极灯则具有宽范围,的光谱输出，因此具有优秀的细节分辨能力。,光谱光视效率,人眼的视见效率,?,光谱,中只有处于,380-780nm,之间的电磁辐射是能被人,眼所见的，即,可见光,。人眼之所以能看见光，主要是,由于视网膜上的大量,感光细胞,的作用。,?,感光细胞,分为,杆状细胞,和,锥状细胞,两种。,?,杆状细胞,分布在视觉区域的周边、灵敏度高，在,低照度下，能感光，但不能感色。,?,锥状细胞,分布在视觉区域的中间、灵敏度较低，,在高照度条件下起作用，能感色。,?,尽管在可见光谱区域内，能区别出不同波长

26、的光有不,同的颜色，但是,人眼睛对不同颜色的光的敏感程度不,同,，就是说，人眼对能量相同的，而波长不同的光所,感觉到的明亮程度也不同。例如一个红光和一个绿光，,当它们辐射通量相同时，,人们会感觉到绿的比红的亮,得多,。,?,国际照明协会,CIE,将各种情况下人眼视觉的反应取平,均水平，得出人眼对整个,可见光波段的灵敏度函数,，,即,光谱光视效率,函数,V(,),。,光视效率曲线,V(,),视觉状态,?,明视觉,亮度超过,3,个,cd/m2,的环境，此时视觉主要,由视锥细胞起作用，最大的视觉响应在光谱蓝绿区间,的,555nm,处。,?,暗视觉,环境亮度低于,10-3 cd/m2,时的视觉，此时,视杆细胞是主要作用的感光细胞，光谱光视效率的峰,值约在,507nm,。,?,中间视觉,介于明视觉和暗视觉亮度之间，此时人,眼的视锥和视杆细胞同时响应，并且随着亮度的变化，,两种细胞的活跃程度也发生了变化。一般从白天晴朗,的太阳到晚上台灯的照明，都是在明视觉范围内的；,而道路照明和明朗的月夜下，为中间视觉照明；昏暗,的星空