照明设计原理

照明设计原理摘要：为了提供一个舒适的照明环境，在进行照明设计之前，必须充分了解一些照明的基本条件，其中包括：照度的大小，辉度的分布，眩光的控制，阴影的利用，光源的色温度，光源的显色性及光源的闷热感等。一.照明设计的基本要件照明的两个基本目的，一是为识别物体，二是为增进环境气氛。良好的照明不但要符合视觉的生理要求，也要达成情境的心理需求。也就是说，除了必须适当的照明数量之外，还要考虑照明品质的提升。为了提供一个舒适的照明环境，在进行照明设计之前，必须充分了解一些照明的基本条件，其中包括：照度的大小，辉度的分布，眩光的控制，阴影的利用，光源的色温度，光源的显色性及光源的闷热感等。照度的大小在照度不足的环境下，人眼对物体的辨别能力将下降，视觉所收集到的信息也会随之减少，从而影响工作效率。此外，还会给人阴暗，沉闷和压抑的感觉。反之，充足的照度会给人带来明亮，开朗和舒适的感觉。甚至提供安全的保障。通常人眼对于物体的辨别能力会随着被照物体的照度的增加而提高，但当照度提高到与白天太阳光的照度10万LUX相同时，人眼的视觉能力反而又会略而下降，因而，人工光源所能提供的照度以10万LUX为限。中**英美等国对各种场所所需的照度均订有各自的国家标准，中国所订的照度标准，以目视作业面上的水平照度来表示，并以作业面离地85CM为准，坐姿时离地面40CM，走廊与屋外则以地面为高度来计算照度。并规定全部照明之照度宜维持局部照明之照度的十分之一以上。除水平面照度外，有时对垂直面或倾斜面照度也有要求，如，办公室或会议室，人脸部的照度就是垂直照度，因而要求在办公室或会议室，垂直照度至少达200-300LUX，否则，看不出说话人面部表情，不利于产生良好的交谈气氛。在体育场，为满足彩色电视转播，垂直照度也应维持在100LUX以上。辉度的分布在照明系统中，每种物体的辉度大小取决于光源的照度分布及周围物体表面材料的反射率。这里所指的周围物体表面材料包括天花板，墙面，地面，家具等可以反射光线的材料。人眼对于视觉范围内的各种物体的辉度差异具有调节适应能力，但当明暗对比太大时，会造成人眼视线不集中，且须不断适应各种不同的辉度而导致人眼疲劳。当辉度太接近时，又会使空间感趋于平淡而缺乏活力。辉度比推荐值（美国照明学会） 办公室 工厂TOC\o"1-5"\h\z作业对象物周围邻界面（如书本与课桌）——3:1 3:1作业对象物与间隔之墙面（书本与墙面）——5:1 10:1照明灯具或窗户与其附近平面之间 20:1视界内任意场所与场所之间 40:1眩光的控制眩光（GLARE）是由辉度较高的光源，灯具或窗户等部位所造成，通常以视线为中心线，向上下左右各绘一条30度线，由这些线所围成的锥形体范围内，若有刺眼的光线存在，则会使人眼产生不舒服的感觉或造成人眼对物体的辨别能力下降。前者称为“不舒适眩光”后者称为“减能眩光”。在实际的视觉作业中，视线并非固定不动的，因此，为避免眩光的困扰，在视界范围内，应移开高辉度的光源。如：采用有遮光的灯具，提高灯具安装高度，降低灯具与周围环境的辉度比等。眩光可分为直接眩光，反射眩光两种。直接眩光是来自光源或窗外的光线，反射眩光则来自工作桌面，显示屏，玻璃窗，光滑反射面等的反射光。由轻度光滑之作业物品所产生的反射眩光，虽然损失视觉效果，但不易察觉，特称为光幕眩光。通常人的视线角度以25度内为主，在45度内均属于正常。减轻直接眩光的方法：降低照明灯具的辉度缩小不适辉度之面积调整灯具的安装位置或减少天花板辉度的变化⑷加大房间的整体辉度少用通明的落地窗或玻璃幕墙窗外加装遮阳板工作台与窗户保持适当的角度减少反射眩光大的方法：降低相关物件的反射率调整光源或工作站的位置，使反射光不进入人眼工作桌面不使用玻璃垫，电脑屏幕加装护眼屏想要消除作业面的反射眩光，对灯具的配置设计应特别注意，通常作业面接受来自光源的光线，凡其入射角低于40度者，其反射线就会进入人眼成为反射眩光.但是，利用方向性较强的点光源，照射金属，宝石，瓷器，玻璃等物体时，其光泽或晶莹剔透的质感便可以充分地被表露出来，从而提高这类物体的价值感.这就是放射光用于商业照明的重要实例。阴影的利用阴影是因受照体表面不平整，受照方向不一致所引起的。通常，间隔墙，机器，人的头部与手部等物体均会产生阴影。由此产生照度不足等视觉障碍，但也可以显示出被照物体的立体感和材质感。利用点光源从斜向加以着射，可以使被着物体因表面之细微凹凸不平所产生的阴影来凸显其材质感。当明暗之间的辉度比小于2:1时，被照物体缺乏立体感，通常明暗辉度比在3:1至6:1之间时，被照物体具有良好的立体感。扩散性较强的光源，如**光管，用于照射物体时，其产生的立体感和材质感均较差，从而给人一种单调刻板的感觉。光源的色温光色可以由光源的色温来表示，色温低，光色偏暖色，色温高，光色便冷色。在不同的照度下，选用不同色温的光源，可以获得良好的照明效果。当然，气候和地区习性也会影响人们对色温舒适度的感觉。如，热带地区的人喜欢冷色，而高寒地区的人中意暖色。光源的色温，照度与人感觉之间的关系照度(lux) 暖色(<3200K)——中间色(3200-5300K)——冷色(>5300K)<500 舒适 自然 清冷500-2000 刺激 舒适 自然>2200 闷热 刺激 舒适光源的显色性光源的光谱分布与照度大小均会影响其显色性，如：白炽灯的光谱中蓝光少，水银灯缺红色光。因此，在显色性不同的光源下，同一物体会呈现不同的颜色感觉。另外，即使某一光源的光谱分布接近太阳光，但是，如果被照体表面照度低于1000lux，那么，光源的显色性也不能充分表现出来。光源的闷热感光源的光谱分布中，如有很多红外线(色温较低)，只要被照体所受照度很高，就会产生闷热感。主要光源在1000lux时的能源密度与人感觉之间的关系光源 能源密度(W/平方M) 有闷热感的照度(lux)白炽灯——57 1，500以上高显色**光灯——10 6,000以上白色**光灯——14 8,500以上水银灯 ——12 7，000以上金卤灯——10 8，500以上高压钠灯 7 12,000以上高压钠灯 5 17,000以上二.照明设计的步骤照明设计可分为四个阶段:环境调查，基本构想，基本设计，细部设计。环境调查建筑物特性调查：建筑物用途，自然光对建筑物的影响室内环境调查：房间的用途，大小，构造。窗的位置，大小。室内表面墙体材质，颜色及反射率。设备家具的位置大小和高度。使用条件调查：作业或活动类别，使用者年龄，使用时间。其他状况调查：经济性，电源规格，法律法规。基本构想照明规划：根据室内空间的景象及内部的设施与用途来决定照明状态，使其符合相互协调之整体感照度设定：了解照明与空间的相互关系后，需要考虑适当的照明照度，并使室内光线平均分布。照明方式：一般而言，办公室可采用整体照明，以获得均匀的照度。对于特殊对象，可采用局部照明或局部照明与整体照明相集合的照明方式。基本设计光源的选定根据各种不同场合的照明目的，决定所需的光色和显色性，再考虑光源的效率，寿命，温度特性及电源特性等，最后决定所采用光源.光源的现色性可按显色性评价指数(Ra:AverageRenderingIndex)分为四个等级，在不同的照明场合，其所需光源的显色性和色温是不同的，我们可以参考下表所示的范围加以选定。等级---显色指数——暖色(<3200K) 中间色(3200-5300K)---冷色(>5300K)1级Ra>85 住宅，餐厅，旅馆 展示馆，商店，医院 纺织业，涂料业2级--Ra:70-85办公室，学校，商场--办公室，学校，商场 办公室，学校，商场2级 无尘室，寒带地区---精密工业，温带地区——精密工业，温带地区3级---Ra<70 室内空间 室内空间 室内空间S级-特别显色性 特殊用途 特殊用途 特殊用途灯具的选定选择灯具时，应配合房间的长度(A)，宽度，作业面离光源的高度(H)之间的关系。用室指数RI(RoomIndex)来表示他们的相互关系:RI=AB/(AH，若天花板较低而地面长宽相对较大，则RI较大，其照明率(或称利用系数)较大。反之，RI较小，其照明率也小。通常，办公室之作业面高度系数(指办公室离地面的高度)约为0.8M,而一般商店为1M.体育馆或走廊的视觉面为0M.投光灯具光束角度可大致分为:特宽角度180-120度，宽角度120-90度，中角度60-45度，窄角度20-15度，特窄角度10-0度，可配合室指数加以选用。分级 A B C D E F G H 1 J室指数 5---4---3--2.5--2--1.5--1.25---1---0.8---0.6A，B，C级:房间面积宽广，适合选用宽光束角的灯具H，I，J级:房间面积狭又高，适合选用窄光束角的灯具马歇尔所提出的明度大小与物体表面反射率有密切的关系，如下表：反射率与明度的关系明度3) 10--9--9.5--8--8.5--7--7.5--6--6.5--5--5.5--4--4.5--3--2--1反射率(%)--100-88--77--67--58--49--42--35--29--24--19--15--12--6--3--0.1灯数计算照度公式:E=NFUM/AE:照度A:被照面积(平方M)N:灯具数U:灯具照明率，即被照面所接受到的光束占光源输出光束的比例，(约在0.6-0.9之间，取决于灯具配光，灯具效率，室指数及被照各物体的表面反射率.M:灯具维护系数，取决于光源光束维持率，光源体残存率，灯具洁净率，室内表面反射率等，通常，密封灯具M=0.75，开放灯具M=0.65四.照明设计的精确计算可透过专用照明设计软件进行。lux勒克司（lux,法定符号lx）照度单位，为距离一个光强为led的光源，在1米处接受的照明强度，习称：烛光.米。亦即距离该光源1米处，1平方米面积接受1lm光通量时的照度。焦耳（joule,法定符号j）能或功的基本物理单位，等于1个牛顿（N）的力作用1米距离所作的功，或消耗的能。1焦耳=107尔格=1瓦特.秒牛顿（Newton,法定符号N）:力的单位，使1千克的质量每秒加速1米/秒的力。1N=105dyne（达因）瓦（特）（watt,法定符号W）:功率的单位，单位时间（1秒）所作的功等于1焦耳时的功率1W=1J/S;1j=1W.s国际单位制（SIE单位制）的光度单位光度量几何学名称符号单位英文名光强度I坎德拉Candela（ed）光照度E勒克斯Lux（lx）光亮度L尼特Nit光通量◎流明Lumen(lm)与心理学关系密切的单色光单位有：光强度光强度(luminousintensity)是光源在单位立体角内辐射的光通量，以I表示,单位为坎德拉(candela,简称cd).1坎德拉表示在单位立体角内辐射出1流明的光通量.光通量光通量(luminousflus)是由光源向各个方向射出的光功率,也即每一单位时间射出的光能量，以◎表示，单位为流明(lumen,简称lm).光照度光照度(illuminance)是从光源照射到单位面积上的光通量，以E表示,照度的单位为勒克斯(Lux,简称lx).反射系数人们观看物体时,总是要借助于反射光，所以要经常用到"反射系数”的概念.反射系数(reflectancefactor)是某物体表面的流明数与入射到此表面的流明数之比，以R表示.光亮度光亮度(luminance)是指一个表面的明亮程度，以L表示，即从一个表面反射出来的光通量.不同物体对光有不同的反射系数或吸收系数.光的强度可用照在平面上的光的总量来度量，这叫入射光(inci-dentlight)或照度(illuminance).若用从平面反射到眼球中的光量来度量光的强度，这种光称为反射光(reflectionlight)或亮度(brightness).例如，一般白纸大约吸收入射光量的20%,反射光量为80%;黑纸只反射入射光量的3%.所以，白纸和黑纸在亮度上差异很大.亮度和照度的关系如图6-2(a)所示,最常用的照度单位是1R烛光(footcandle).l叭烛光是在距离标准烛光一英尺远的一平方英尺平面上接受的光通量.如果按公制单位,则以米为标准，照度就用米烛光(metrecandle)来表示，即1米烛光是距离标准烛光一米远的一平方米面积上的照度.1米烛光等于0.0929叭烛光.从图6-2上,我们不难理解亮度和照度之间的关系，其关系为：L=R^[公式6-1]式中L为亮度,R为反射系数,E为照度.因此，当我们知道一个物体表面的反射系数及其表面的照度时,便可推算出它的亮度.亮度也有几种度量单位.亮度的单位是用一种理想化了的标准状态来定义的(如图6-2b).以一支标准蜡烛当作光源，放在一个半径为1公尺的球体的中心位置.假设这个蜡烛会均匀发散它的全部光线，则落在球体内表面一平方公尺表面积上的所有光量为1个流明(lumen).实际应用中，亮度单位用流明太小了，所以通常取其十倍的单位——毫朗伯(millilambert)来表示.比毫朗伯稍大的单位是叭朗伯(footlambert),1毫朗伯等于0.929叭朗伯.英国标准的叭朗伯是用光源的烛光数,从光源到表面积的英尺数和表面的反射率来规定的.在有些国家，普遍使用的是米制单位，是以毫朗伯为基础的［1毫朗伯（mL）=0.9291R朗伯（ftL）=3.183烛光/平方米（c/m2）=10阿普熙提（apostilbs）］.光亮度的单位还有:坎德拉/平方米（即尼特，Nit=1cd/m2）等.多年来，感光材料的感光度计算方法是以使感光材料产生一定密度值所需曝光量为计算依据的，而曝光量又是以烛光.米.秒或勒克司*秒为计量单位的。曝光量的计算公式是；H（曝光量）=E（照度）警（时间）照度与光源的发光强度（光强I）成正比：E=I（光强）^-2（D为距离）光强的单位：（旧）烛光：又名国际烛光，国际标准照明协会（CIE）早期规定的，以特定的鲸鱼油蜡烛的单位发光强度为单位，这也是烛光一词命名的由来。显然，当时主要是以光源的亮度为依据的（亮度的定义是：单位面积发光体的光强）。（新）烛光，法定名称坎德拉candela.cd,CIE（1942）定义为一平方厘米绝对黑体在金属铂的凝固温度（2045K）时发光强度的六十分之一，这个规定既确定了其亮度，又确定了其色温。新烛光=0.981旧烛光1979年，CIE又对坎德拉规定了新的标准：定义频率为540?012Hz（即波长555nm）的单色光源每单位立体角（1个球面度）辐射能为1/683W时的发光强度。这个定义把光强单位和能量绝对单位联系起来了，含义覆盖面更广了。特别规定单色光源的波长，进一步把光的波长和机械能与亮度和光强联系起来。在通常的感光测定工作中，都采用白光作为感光仪的光源和施照光，严格规定其色温和光强，并以烛光为光强单位，以勒克司lx为照度单位，以lx*s为曝光量单位，并以这些单位为基础的数据评价照相性能，计算感光材料的感光度，这无疑是很实用的常规方法。这个方法检测的数据和通常感光材料在应用时的实用性能是一致的，但是这仅适用于在实际应用时用白光曝光的感光材料。对于实际应用时，用红外线或紫外线曝光的感光材料，或只对可见光谱中某个范围曝光的感光材料，则必须采用红外线、紫外线或特定光谱成分色光作为感光测定曝光时的施照光，才能反映其在实际应用时的性能。若尚采用白光作为感光测定时曝光的施照光，则根本不能反映这类感光材料的实用性能。而在不用白光作为施照光进行曝光时，曝光量的计量单位显然不能以烛光为基点了，以红外光线为例，属不可见光线，一个很强的红外线光源（或紫外线光源），能发射很强的红外辐射能，能使红外感光胶片充分曝光，但其亮度和光强却是0cd/m2或0cd，而其曝光量，即胶片所接受的辐射能量，显然不等于零，因此必然应选定别的单位，而不是烛光单位，来计量这类辐射能了，采用机械能基本单位作为计量单位显然可以解决这个问题，也更能反映其他用特定光谱施照光进行曝光的情况。我们知道，机械能量相等，而波长不同的光线产生的亮度感觉是不同的，亮度和能量强度是两个不同的概念，这是由人的视觉生理效应造成的，最强的光感，即可见性高峰，处于黄绿色的近555纳米处，该波长的光线1个瓦特（W）的能量能产生683流明（lm）的光通量：1W（入=555nm）=683lm而其他波长（入）的光线则产生的明亮度各不相同，这种特性可称之为可见度Visibility（V）,即：V=f（入）〔1〕我们取人眼视觉灵敏的555纳米光波的可见度，作为可见度系数Visibilitycoefficient的基准值1.0，则其他波长光线的可见度系数V（入）见于表1〔1〕。这样1W=683V（入）1m1j=1W.s1j=683V（入）1m.s1lx（勒克司）=11m（流明）/m2所以，曝光量1j/m2=683V（入）1m.s./m2=683V（入）lx.s（cd.m.s）这个公式把以物理量焦耳（j=107erg）为基本单位计量的能量与传统的曝光量单位lx.s联系起来了。以某个光源E为例，若其光谱成分为E（入），则其辐射能以W/m2计应为：Ee=/80E（入）dAW/m2〔2〕 〔3〕此辐射能若以lm/m2计算，则应为：Ev=683；80e（A）V（入）dAlm/m2或lx设该辐射施照时间为t，则曝光量H为：H=Eet=t./80E（入）dAWs/m2（1）H=Evt=t.683；80e（A）V（入）dAlx.s（2）Vlj=1W.s...H=t；80e(A)dAj/m2利用这两个公式，我们可以把感光仪的曝光量以传统的lx.s（cd.m.s）为计量单位，也可以j/m2为计量单位。后者对于红外感光材料和紫外感光材料尤其重要，因为其所敏感的光谱区域的可见度系数V（入）是零。因此，越来越多的感光材料现在采用物理量单位j/m2作为曝光量计算单位，所得到的数据覆盖面大，对比性更强。本文所讨论的医用感绿X线胶片感光度的计算问题，由于感光仪采用特定光谱的施照光进行曝光，因此也必须采用物理量单位焦耳作为计量单位。在感绿X线胶片感光测定时，规定了感光仪曝光时的施照光的光谱成分，并且推荐了下列的一组实现这种光谱成分的实用系统，我们试就以这组系统为依据，采用上文的公式，进行感光度计算。系统参数：光源色温2650K，光谱函数S（入），滤色镜系统CorningGlass4010透过率函数T（入）由于引进了滤色镜系统的光谱透过率函数T（入）公式〈1〉应变为：H=t/80E（入）T（入）dA（3）以（2）除⑶（4）E（入）是光源的光谱分布函数，若以相对值函数S表示：S（入）=C.E（入）：C二常数则（4）成为（5）曝光量H=Et（6）对于感绿X线胶片而言，胶片主要感色范围和施照光的光谱范围主要在450-610nm故〈6〉成为：我们对（7）式的分子和分母分别计算：表1J610450S（入）T（入）dA的计算数据入（nm）S（入）2650KT（入）%S（入）T（入）%4500.2790.20.05584600.3250.70.22754700.3751.90.71254800.4304.51.9354900.4888.74.24565000.55114.57.98955100.61720.212.46345200.68723.916.41935300.76123.918.18795400.83820.317.01145500.91814.913.67825601.0009.49.45701.0855.25.6425801.1722.63.04725901.2611.21.51326001.3510.50.67556101.4430.20.2886总和：113.4906%表2『80S（入）V（入）dA的计算数据入（nm）S（入）2650KV（入）S（入）V（入）4000.1120.0000.00004100.1370.0010.00014200.1670.0040.00074300.2000.0120.00244400.2380.0230.00724500.2790.0380.01064600.3250.0600.01954700.3750.0910.03414800.4300.1390.05984900.4880.2080.10155000.5510.3230.17805100.6170.5030.31035200.6870.7100.48785300.7610.8620.65605400.5500.5601.5701.5801.5901.6001.6101.6201.6301.6401.6501.6601.6702.6802.6902.7002.7102.7202.9180.9950.91340000.9950.9950850.9521.03291720.8701.01962610.7570.9545351