光学和照明工程设计中常用基本知识

光学和照明工程设计中常用的基本知识什么是光————光是一种电磁辐射可见光是电磁辐射的一部分，电磁辐射包括微波、红外、可见光、紫外辐射、x射线和γ射线。在这些电磁辐射中，只有可见光波段是眼可见的。可见光波段包括波长380-780纳米（1纳米=10-9米不同的波长给人眼造成不同的颜色感觉，从红、橙、黄、绿、蓝、靛（即蓝紫）到紫。图1为可见光的颜色和波长分布图，图2表示的是可见光在整个电磁波段中所占的范围。图1可见光的颜色和波长分布在可见范围之内，眼睛的敏感度随波长的变化而强烈变化。例如，在很好的照明条件下（明视觉），眼睛对550nm波长的光（黄光）的敏感程度是红光或蓝光的20倍。在低照明水平下（暗视觉）敏感度的峰值下降为50nm，接近于光谱的蓝光一端。所有工作照明和办公照明的设计都要考虑上述因素，为了更好地做好固定照明的咨询工作，首先要了解光学度量的几个基本量。图2可见光在整个电磁波段中所占的范围二、光学度量的几个基本量1．光通量光源在单位时间内发出的光的总量。单位：流明（Lm）。光通量表示的是光源发光的能力，类似于抽水机的流量，抽水机的流量越大，表示抽水机的抽水能力越强。同样，光通量越大，表示光源发光能力越强。2.光效某一光源发出的光通量与其消耗功率的比值。单位：流明/瓦（Lm/W）。光效表明光源发光的效率，也就是说，每提供1瓦电功率，能产生多少流明的光。这是一个与节能有关的指标，光效越高的光源越节能。3.光强（Iv,I）光源在给定方向上的单位立体角中发射的光通量。单位：坎德拉（cd）光强表示的是光源（点光源）有多亮，是光源本身的特征，与观察者离光源的距离无关。同一灯具，在不同方向的光强是不同的。4.亮度（L）光源在某一方向上的亮度是光源在在该方向上单位面积的单位投影面在单位立体角中发射的光通量。单位：cd/m2亮度是对于面光源的一个特征指标，这个面光源通常是一个反光面，也可以是发光面（如荧光灯的表面，或灯箱的表面）。它表示这个发光表面有多亮。与光强一样，也是与观察者离光源的距离无关。显然，发光面的面积越大亮度越大，为了准确表示发光面的特征，所以用单位面积的光强来表示发光面有多亮。5.照度(E)照射到表面一点处的面元上的光通量除以该面元的面积。单位：勒克斯(Lx)通俗一点说，若1流明的光通量均匀投射在1平方米的面积上，那么这个面上的照度就是1勒克斯，1Lx=1Lm.m-2。照度表示被照物体照得有多亮，它是照明设计中一个重要的指标，照明设计中对不同的场所和不同的工种要求的照度不同（见下面的举例）。表1中列出了几种典型的照度，使大家对照度大小有一个数量级的概念。表1照度的数量级概念照度环境情况照度(勒克斯)无月夜天光在地面产生的照度0.0003接近天顶的满月在地面产生的照度0.2办公室工作所必须的照度20--100晴朗夏天在采光良好的室内照度100--500晴朗夏天太阳不直射的露天地面照度1000--10000举例1：7010手电在2米距离，照度是300lx，8020手电在2米距离，照度是1200lx举例2：对于不同的工作場所国际照明委員會对于不同的工作场所，国际照明委员会（CIE）给出了推荐照度值。比如：钢铁工业全自动生产车间――――50lx半自动生产车间――――200lx人工操作生产车间―――300lx控制台、产品检验―――500lx电厂配、变电所变压器室、高压电容器室――――――20～30～50高低压配电室、低压电容器室――――――30～50～75值班室――――――75～100～150电缆间（夹层）——————10～15～20以上是举少数几个例子，让大家对照度有个基本概念，有关国际照明委员会（CIE）给出了推荐照度值，在后面表中将详细列出。图3表示的是光通量、照度和亮度之间的关系，灯泡发出光（光通量），照到桌面上，桌面被照亮，因此，桌面上就有了照度；桌面反光，形成面光源，所以面光源就有一个亮度的指标。图3光通量、照度和亮度之间的关系6.色温(CCT)当光源所发出的光的颜色与黑体在某一温度下的辐射的颜色相同时黑体的温度就称为该光源的颜色温度，以绝对温度K（Kelvin）来表示。如果我们将一铁块加热，铁块发光的颜色与铁块的温度有固定的对应关系。随着温度升高，铁块开始由暗红→红→浅红→橙黄→白色，逐渐变化。试验证明，色温与发光材质无关，只与温度有关。对应某种温度的颜色，我们称为色温。色温越低，光色越偏红，色温越高，光色越偏紫，白色的色温是5000K～6000K（太阳表面的温度），对于人眼是最适合的色温。由于热而发光的光源，如白炽灯、发光的铁块、太阳等，表面的温度多高，所发光的色温就是多高。但有些气体放电灯如金卤灯、荧光灯，其发光机理不是高温发光，所以表面温度与色温没有对应关系，但我们可以用与它的颜色最接近的热发光物体的表面温度来表示它的色温。7．显色指数(Ra)表征在特定条件下，经某光源照射的物体所产生的心理感官颜色与该物体在标准光源照射下的心理颜色相符合的程度的参数。它表示的是用这个光源照射物体，拍下彩照的颜色保真程度，显色指数越高，色彩失真越小。用通俗语言来说，显色指数指的是光源发出的光中各种颜色含量的程度，若各种颜色都包含，且每种颜色光占的比例符合热发光物体所发的光的各种颜色光的比例，则显色指数为100%，若光源发出的光缺少某种（或某些）颜色的光，或者各种颜色的光占的比例不适当，则显色指数低，偏差越大显色指数越低。日光无疑显色指数最高，为100%；白炽灯（包括普通白炽灯和卤钨灯）属于热发光光源，也为100%；金卤灯、镝灯等一般显色指数为85%～88%；荧光灯显色指数为70%～80%；节能型荧光灯、高压汞灯显色指数为40%～65%；高压钠灯由于是接近单色的灯，显色指数很低，小于40%；照明设计有关的几个概念1．眩光当视场中某光源或物体的亮度比眼睛已适应的亮度大得多时，人就会有眩目的感觉，次现象称为眩光。由于亮度分布或范围的不合理分配或空间或时间上的强烈反差，而引起的不舒适视觉条件或观察能力的下降。下面图4中，工作者前方水平方向上下150范围内射向眼睛的光如果比背景光强时，就会感觉刺眼，这就是眩光。图4眩光产生的范围眩光的种类直接眩光：眼睛直视光源时感到的刺眼眩光，如直视太阳或夜间对方来车车灯，阅读时的直接眩光即看灯管时的刺眼眩光。反射眩光：光源投射对象后对象反射至眼睛的光线，一般常称为反光，此种眩光对舒适影响最大。对比眩光：室内主灯与桌灯明暗比过大时，即会有对比眩光。图5眩光的种类眩光造成的伤害反射眩光会使影像模糊化，产生干扰，容易造成眼睛疲劳，降低工作效率，甚至造成眼睛酸痛，心神烦乱、疲劳和紧张，头痛的问题，根据美国研究报告指出，平均每五位上班族就有四位受到眼睛不适的困扰，而且大多数都有头痛、疲倦、经常流泪的症状。预防眩光的措施通过选择具有适当保护角的灯具以及合理增加灯具安装高度，可有效地减少直接眩光。例如：我公司产品EBF201和无极灯系列。选择合适的布灯位置，以使工作者的眼睛不是处于入射光的镜面反射方向上。从而减少工作面上的反射眩光和作业上的反射眩光。采用发光面积大、亮度低的灯具来照明。使用的工作面，如墙壁、纸张、操作台面等应该是无光泽的，这也有帮助减少反射眩光。灯具防止眩光的实例EBF201防眩通路灯：灯具采用特殊成型的带有许多直条棱边的透光镜，使灯具向两边发射的眩光折射改变方向后向前照射，因此当人行进在照亮的通路中，灯具两侧发出的眩光就被避免了。2．配光曲线图6配光曲线示意图配光曲线的单位是cd/k.lm（读为：坎德拉每千流明），配光曲线是灯具的特有性质，同一个灯具，只要装上同类型的电光源，无论是50W、100W、500W还是1000W，其配光曲线完全一样，原由配光曲线主要是由灯具反射器决定的。上图为某一灯具的配光曲线，我们看到，此灯具发光为不对称发光，左侧的光强小于右侧光强。灯具正面00方向光强最强，为560cd/k.lm，现在我们假定灯泡光通亮为8500lm，则00方向光强为灯具的00方向，距离为6米处的照度为有了配光曲线和灯泡的光通量，用上面同样的方法可以算出任意方向的光强和确定距离处的照度。从配光曲线上我们也可看出灯具的配光性质，如投光灯具有对称狭长形的配光曲线，泛光灯具有扁平形的配光曲线，非对称灯具的配光曲线是非对称的。3．距高比在固定照明设计中，灯具总要安装一定的高度，并且每两只灯具之间有一定距离。当高度一定时，灯具之间距离越小，照度的均匀度越高，距离大了，照度就不均匀。这个均匀度只与距离和高度之比有关。比如，某种灯具，一种设计安装时高度为10米，灯与灯之间距离