照明基础-光基本知识

1、照明基础-光基本知识 照明基础照明基础-光的基本知识光的基本知识 第一节第一节 光的概念光的概念 光的本质是什么光的本质是什么 可见光（可见光（Visible light） 不可见光不可见光 什么是光谱（什么是光谱（Spectrum） 光与颜色光与颜色 什么是颜色（什么是颜色（Color） 照明基础-光基本知识 光的本质光的本质是电磁波。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

2、，波长更短。 不可见光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，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。 照明基础-光基本知识 光谱光谱（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。 照明基础-光基本知识 自

3、然光（日光）光谱 照明基础-光基本知识 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、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。 照明基础-光基本知识 颜色与光的混合颜色与光的混合 什么是光的三基色？ 照明基础-光基本知识 红，绿和蓝混合成白色 照明基础-光基本知识 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 照明基础-光基本知识 第二节第二节 光的计量光的计量 光亮度（光亮度（Lightness） 发光强度（发光强

4、度（Intensity） 光通量（光通量（Flux） 流明（流明（Lumen） 光照度（光照度（Illuminance） 勒克斯（勒克斯（Lux） 照明基础-光基本知识 光亮度与发光强度光亮度与发光强度 发光强度发光强度简称光强，国际单位是国际单位是candela（坎德拉）坎德拉） 简写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。 照明基础-光基本知识 亮度亮度是指发光体（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

5、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 的单位是坎德拉单位是坎德拉/平方米（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。 照明基础-光基本知识 以下是部分光源的亮度值：单位cd/m2 太阳：1.5*10 ； 日光灯：（510）*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

6、光屏：80左右。 照明基础-光基本知识 光通量与流明光通量与流明 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。 照明基础-光基本知识 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、绿黄、绿色光能激 起最大的明亮感

7、觉。如果用绿色光作水准，令它的光光 通量通量等于辐射能通量辐射能通量，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。 照明基础-光基本知识 光照度与勒克斯光照度与勒克斯 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，在1m2面积上得到的光通量是1lm时， 它的照度是1lux。 光照度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。

8、例如汽车前灯、手电筒、摄影灯等。 照明基础-光基本知识 以下是各种环境照度值：单位lux 黑夜：0.0010.02； 月夜：0.020.3； 阴天室内：550； 阴天室外：50500； 晴天室内：1001000； 夏季中午太阳光下的照度：约为10*9次方； 阅读书刊时所需的照度：5060； 家用摄像机标准照度：1400 照明基础-光基本知识 第二章第二章 光的照明知识光的照明知识 什么是眩光什么是眩光 什么是频闪什么是频闪 色温（色温（Color temperature） 显色性（显色性（Color rendering） 光效光效 照明基础-光基本知识 眩光眩光 眩光（glare）是指视野中由

9、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。 照明基础-光基本知识 频闪频闪 人们发现，长期在日光灯下看书会感到不舒服，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。 照明基础-光基本知识 那什么是光源频闪呢？ 光源频闪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

10、闪烁频率50Hz以下以下， 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，其频率远远大于大于100Hz， 因此对比传统光源是真正做到无频闪的人造光源。 照明基础-光基本知识 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

11、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： 照明基础-光基本知识 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

12、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。 照明基础-光基本知识 色温（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）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。 照明基础-光基本知识 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，

13、偏向红光 的成为暖色调，偏向蓝光的称谓冷色调。 照明基础-光基本知识 照明基础-光基本知识 不同色温下的颜色表现 照明基础-光基本知识 显色性显色性 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。 照明基础-光基本知识 Ra值的确定，是将DIN6169标准中定义的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

14、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。 照明基础-光基本知识 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，Ra值越低。低于 20的光源通常不适于一般用途。 照明基础-光基本知识 照明基础-光基本知识 各常见光源显色指数Ra： 白炽灯 95-

15、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 照明基础-光基本知识 照明基础-光基本知识 不同显色指数下的颜色表现 连续光谱下的显色性 照明基础-光基本知识 黄光下的显色性（如高压钠灯） 照明基础-光基本知识 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 低压钠灯 Ceramic Metal Halid

16、e 陶瓷金卤灯 照明基础-光基本知识 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。 照明基础-光基本知识 光效光效 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；在同等功率下，该照明器

17、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。 照明基础-光基本知识 不同光源的光效对比 照明基础-光基本知识 第三章第三章 光的照明应用光的照明应用 第一节第一节 天然光源与人工光源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。 照明基础-光基本知识 第二节第二节 人工光源的发展人工光源的发展 传统照明光源： 第一代第一代：以白炽灯、卤钨灯为代表的热辐射光源 第二代第二代：以低压钠灯、荧光灯为代表的低压气体放电灯 第三代第三

18、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： 新一代新一代：LED半导体光源、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 照明基础-光基本知识 第三节第三节 传统光源传统光源 热辐射光源。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。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。 照明基础-光基本知识 热辐射光源热辐射光源 白炽灯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、

19、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 1218可转化为光能，而其余部分都以热能的形 式散失）、色温低（2700-3100K）。 照明基础-光基本知识 气体放电光源气体放电光源 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

20、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。 照明基础-光基本知识 高压汞灯：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。 照明基础-光基本知识 高压钠灯高压钠灯 照明基础-光基本知识 高压钠灯的光谱 照明基础-光基本知识 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

21、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。 照明基础-光基本知识 金卤灯金卤灯 照明基础-光基本知识 金卤灯是在汞和稀有金属的卤化物混

22、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，进一步缩短其整灯的寿命。 照明基础-光基本知识 传统荧光灯传统荧光灯 照明基础-光基本知识 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

23、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%。 照明基础-光基本知识 LED LED 是英文 light emitting diode （发光二极管）的缩 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。是商业照明、家居室内照明节能专家。 照明基础-光基本知识 LED的光

24、谱 照明基础-光基本知识 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：其白炽灯的响应时间为毫秒级， LED 灯 的响应时间为纳秒级 照明基础-光基本知识 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

25、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300500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。 照明基础-光基本知识 第四章第四章 新的照明理论新的照明理论 光视效率光视效率 视觉状态视觉状态 明暗视觉、中间视觉明暗视觉、中间视觉 瞳孔流明（瞳孔流明（Pupil lumen） 有效光通量有效光通量 有效视觉光效（有效视觉光效（VEL） 照明基础-光基本知识 新概念的提出新概念的提出 人怎

26、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。 照明基础-光基本知识 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（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

27、的光谱输出，因此具有优秀的细节分辨能力。 照明基础-光基本知识 光谱光视效率光谱光视效率人眼的视见效率人眼的视见效率 光谱光谱中只有处于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感光细胞的作用。 感光细胞感光细胞分为杆状细胞杆状细胞和锥状细胞锥状细胞两种。 杆状细胞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。 照明基础-光基本知识 尽管在可见光谱区域内，能区别出不同波长的光有不 同的颜色，但是人眼睛对不

28、同颜色的光的敏感程度不人眼睛对不同颜色的光的敏感程度不 同同，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人们会感觉到绿的比红的亮 得多得多。 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可见光波段的灵敏度函数， 即光谱光视效率光谱光视效率函数V()。 照明基础-光基本知识 光视效率曲线V() 照明基础-光基本知识 视觉状态视觉状态 明视觉明视觉亮度超过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。 照明基础-光基本知识 照明基础-光基本知识 中间视觉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 的星空下就是暗视