电气照明技术1课件

电气照明技术第一章照明技术的基本知识第一节光第二节光与视觉第三节光与颜色第四节绿色照明

第一节光

一、光和光谱

光是能量的一种存在形式，可以通过电磁辐射方式从一个物体传到另一个物体，光的本质是一种电磁波（电磁辐射）。从物理学角度讲，光是电磁波谱的一部分，波长是380~780纳米.描述辐射能的理论有:（1）、微粒论由牛顿提出；（2）、波动论由惠更斯提出；（3）、电磁论由麦克斯韦提出；（4）、量子论由普朗克提出；（5）、统一论由德波洛格里和海申堡格提出。2、光谱辐射通量及其能量分布（1）光谱辐射通量。是指物体单位时间内发射或接收的辐射能量。或者在介质中单位时间内传递的辐射能量，单位是W。在实际工程中光源发出的都是复合光，将其分为具有线光谱和连续光谱的复合光。光谱辐射通量定义为：辐射源在给定波长范围内，产生的辐射通量与该波长范围之比，单位是W/M.（2）、辐射通量的光谱分布

定义：光源的辐射能量随波长而变化的规律。

常称为光谱能量分布，可用曲线表示。

实际测量是分成若干波长段，测量其

每一波长段的辐射通量。一般取5~10

纳米为一个波长段。3、光谱光效率3.1、光谱光效率

光谱光效能是单位辐射通量产生的视觉强度。光刺激引起的视觉强度与光能量大小有关，还与光的波长有关。常用光谱光效率来表示人眼的视觉灵敏度。给定波长的光谱光效能与最大光谱光效能Km之比表示为：V(λ)=K(λ)/Km3.2、明视觉与暗视觉

亮度在10cd/m2为明视觉，亮度在10-2cd/m2为暗视觉。实验表明：明视觉下对555纳米的黄绿光最敏感，暗视觉下对507纳米的光最敏感。 1、光通量定义：单位时间内光辐射能量的大小（Ф）。单位：流明（lm）光通量是光源发光能力的基本量。例如：一只220V、40W的白炽灯光通量为350流明，而一只220V、36W、6200K的T8荧光灯约为2500流明，说明荧光灯的发光能力比比白炽灯强。

光通量也是根据人眼对光的感觉来评价光源在单位时间内光辐射能量的大小的。

例如：一只200W的白炽灯比100W的灯泡看起来要明亮许多，说明200W灯泡在单位时间内发出光的量多于100W灯泡发出的光的量。2、发光强度（光强）定义：光源向空间某一方向辐射的光通密度。即光源向给定方向的立体角元ｄω内发射的光通量dΦ与该立体角之比，称为光源在给定方向的光强。符号：I,单位：ｃｄ（坎德拉）。表达式：I=ｄφ/ｄω平均球面光强I=Ф/4π

光强的单位是坎德拉是国际单位制的基本单位之一，其它光度量单位是由光强的单位推导出来的。

光强用来描述光源发出的光通量在空间给定方向的分布情况。例如：一盏220V40W的白炽灯，其发出的光通是350流明，裸灯泡平均光强为350/4π=28坎德拉，在上面罩灯罩，桌面会看起来亮些，而光通没有变化，说明光强在空间商的分布密度发生了变化，向下的光通增加，相应的光强提高，亮度增加。3、照度定义：被照面上单位面积入射的光通量。表达式：E=ｄφ/ｄA，平均照度为φ/A单位：勒克斯照度是照明工程中最常用的术语和物理量之一，作为考察照明效果的量化指标。为了增加对照度概念的理解举例如下：（1）在40W的白炽灯下1米远处的照度约为30lx，家搪瓷伞形白色灯罩可增加为70lx（2）满月晴朗月空下位0.2lx（3）晴朗白天室内为100~500lx1lx的照度能辨别物体的轮廓，5~10lx看书模糊，短时阅读照度不应低于50lx。三、光的辐射这里介绍的是人工光源的辐射，各种光源产生的光辐射不同，但他们的机理是相同的。1、辐射的产生产生光辐射的主要是最外层电子，在被激发迁移吸收能量而在去激发跃迁时电子的能量随之释放，该能量就被转化成光能自发向外辐射，形成了光的辐射。单个原子发射的是线光谱，，而分子光谱接近连续谱线。人工光源常用的辐射源有：热辐射、气体放电、电致发光2、热辐射当物体被加热到高温时，组成它的原子或分子将产生热运动，相互碰撞从而使电子获得能量而被激发，产生辐射。（1）黑体辐射所谓黑体就是入射的光辐射完全被吸收，没有反射和透射的完全辐射体。因此黑体的热辐射将只取决于温度，温度一定，其光谱能量就一定。普朗克定律：描述的是不同温度下黑体光谱辐射功率与波长的函数关系。这种形式的辐射就是热辐射，黑体辐射是具有连续光谱成分的复合辐射。黑体辐射的主要特点第一，随温度升高黑体辐射总能量迅速增加。第二，随温度升高，黑体辐射曲线最大值移向短波，具有最大辐射功率的波长与黑体温度成反比。实际现象是：当物体加热时颜色变化是红黄蓝。当温度在2000~5000K时，黑体的辐射温度越高，最大辐射功率的波长就移向可见光区。黑体是不存在的，人工热辐射光源中采用的是钨丝辐射。3、气体放电定义：在电场的作用下，载流子在气体或蒸汽中产生并运动，，从而使电流通过气体的过程。原子被电离成电子与离子，离子比电子重几千倍，很少移动，离子流是、总电流的0.1%~1%。气体放电分类：低气压、高气压放电。气体放电主要是在充有气体的管中以原子辐射形式产生光辐射的。

（1）低气压放电放电管内的气体一般是汞蒸气和钠蒸气，管内气体总气压约为百分之一大气压时（气体压力较小时），产生的气体放电就是低气压放电。低气压时，组成气体的原子间距离较大，它们的辐射看成是孤立原子产生的原子辐射，即线光谱。（2）高气压放电放电管内气体压力升高到几个大气压时，产生的放电就是高气压放电。它包括强的线光谱成分和弱的连续光谱成分。4、电致发光定义：电流通过半导体等类似物质时产生的发光现象称电致发光。电致发光不需要加热等中间过程，直接将电能转化成光能。满带、导带、禁带（1）满带：未被激发状态下电子所具有的能量水平。（2）导带:被激发状态下电子具有的能量水平。正常时电子在满带，激发时迁移到导带。（3）禁带：电子不能在禁带滞留。四、物质的光学特性光的吸收光的折射光的透射光的反射光的偏振光的衍射光的吸收

吸收比α：介质吸收的光通量Φα

与入射光通量Φi之比，以小数或百分数表示。α

=

Φα/Φi非透明表面颜色深越粗糙α越大。光在介质中传播的光程也就是介质的厚度越大，介质吸收的光越多，α越大。介质对光的吸收还与光入射方向和偏振状态有关。2、光的折射和透射（1）光的折射

i

n1n1n2n2

(a)n2>n1(b)n2<n1

光的折射

r

ir（2）光的透射在透射光中，光所包含的单色成分的频率不变，但光通量及立体角会改变。透射比г:

г=Φг/

Φi透射比说明物质的透光性，，材料透明度越高，透射比越大，同中物质，厚度越大则越小。定向透射扩散透射

3、光的反射光在反射时，传播方向和能量发生改变，但所包含的单色成分的频率不会改变。反射比ρ，ρ=Φρ/Φi，材料的特性如光滑程度，颜色，透明度，光的波长入射角及偏振状态有关。表面光滑，颜色浅，透明度小，入射角大则反射比高。定向反射扩散反射全反射发生的条件：光从光密射向光疏物质时临界入射角A：A=arcsinn2/n1光由水射向空气的临界入射角度是48.5度Φi=Φα+Φρ+

Φгα+ρ+г=14、物质的光谱选择性定义：光的波长不同，各种物质对光的吸收比，透射比，反射比就不同，这种现象就叫光谱选择性。例如：当阳光照在绿叶上，它对绿色波长的光，反射光通量最大，因此人们感觉到叶子是绿色的，如果物体没有该特性，世界将是黑白的。我们可以用光谱吸收比，透射比，反射比来表征光谱选择性。颜色视觉有色彩的表面对与它色彩相同波长的光的反射能力最强，而对其他波长的光反射能力很弱。当与彩色表面相同波长的光照射到物体表面时，反射光射入眼睛产生颜色视觉。第二节光与视觉视觉：光射入眼睛后产生的一种知觉。视觉取决于光依赖于光。视觉可以使人们察觉物体的存在以及它的运动，颜色，明亮度，形状等。视觉过程视觉的生理基础：眼睛的构造

巩膜：眼睛的外壳，质地坚硬，白色不透明体，使眼球固定在某个位置，前部为透明的角膜。脉络膜：由血管组成的中间衬垫，向眼球提供养分，前部是虹膜，是一个彩色光阑，用于自动调节进入眼睛内的光量。例如：当光线暗淡时就使瞳孔扩张。瞳孔是位于虹膜中心的小孔。视网膜：位于最里面的一层，是眼睛的视觉感受部分，相当于胶卷，由神经组织组成，包括锥状和杆状神经。锥状神经达几百万个，在中心凹区最集中，它在昼间看物体，可辨别颜色。色盲就是锥状神经功能失调导致。杆状神经：数量也达到几百万个，呈扇形分布在黄斑到视网膜边缘的整个区域内。它在夜间起作用，它们不能感知颜色，在照度低时，它对蓝色光敏感度比锥状神经大许多倍。因此在战争年代实行灯火管制时不用蓝色光而用红色光。黄斑：大小约0.4毫米，位于视网膜中央，看物体最清楚。盲斑：视神经进入眼球的位置，没有感光能力。水样体：在角膜和虹膜间的水状溶液，随时间推移会变色。晶状体：具有自动调节功能的多层体。当观看6米以外的物体，眼睛处于正常休息状态，在看书或工作时人们观察距离一般为36厘米，长时间连续聚焦会产生疲劳感。玻璃状液体：是一种胶状物质，分布于晶状体后面，用于协助晶状体使光线折射或弯曲，最终进入黄斑区，晚上进入黄斑附近区域。视觉的产生当发光体或非发光体的反射光射入眼睛，经过角膜、前房、晶状体、玻璃体后依靠瞳孔和晶状体的调节控制进入的光线，最后落在视网膜上，视细胞吸收了光，其含有的视紫质分解，刺激神经末梢形成生物脉冲，通过视神经把信息传导到大脑后部的视觉皮层，大脑综合处理形成视知觉。视细胞中视紫质要在维生素A的作用下不断被还原，这种分解和还原的反应终止则视觉就终止。视觉特性暗视觉、明视觉、中介视觉（1）

暗视觉在视场亮度为10-6~10-2坎德拉/平方米下，只有杆状细胞工作，锥状细胞不工作，这种视觉叫暗视觉也叫杆状视觉。杆状细胞的最大视觉灵敏度在507纳米处，因此暗视觉时绿光和蓝光特别明亮。杆状细胞对物体细节的分辨能量很差也没有色感，世界是蓝色灰色的。（2）明视觉视场亮度超过10坎德拉/平方米时，锥状细胞起主要作用，这种视觉叫明视觉也叫锥状视觉。这时，锥状细胞的最大灵敏度在555纳米处，波长较长的光谱会显得很明亮。锥状细胞能感受色觉，分辨物体的细节。中介视觉视场亮度在10-2~10坎德拉/平方米时，两种细胞同时起作用，叫中介视觉。视觉阈限能引起光感觉的最低限度的光量。用亮度度量，也叫亮度阈限。（1）与目标的大小有关。目标的大小用视角度量，视角小则亮度阈限高，视角大则亮度阈限低，当视角大于30度则阈限不再降低。（2）与目标发出的光颜色有关。对波长长的光如红光黄光，亮度阈限就高，对波长短的光蓝光，亮度阈限就低，因为在暗视觉下光谱光效率向短波方向偏移。（3）与观察目标的时间有关。目标呈现时间长则阈限就低，反之就高。绝对亮度阈限当背景亮度为零，视角不小于30度，眼睛能识别目标的最低亮度值。人眼的绝对亮度阈限大约是10-6坎德拉/平方米。它的倒数叫视觉的绝对感受性。亮度越高，就越有利于视觉，但当视野亮度超过106坎德拉/平方米，视网膜就会被灼伤，因此我们只能忍受的亮度不超过该值。明适应、暗适应定义：视觉对视场亮度变化的适应过程。（1）明适应从黑暗处进入明亮环境，人会感到刺眼而无法看清目标，过一分钟才能恢复正常，眼睛的这种由暗到亮的视觉适应过程就是明适应。（2）暗适应从明亮的环境到黑暗处时，什么看不见，一会才能看见，这种由明到暗的视觉适应就是暗适应。大约需要7分钟。综述：当视场亮度明暗急剧变化时，人们会因眼睛不能适应而视力下降，因此，在照明工程中要考虑明暗适应的过度过程，例如，隧道，地下通道，车道等的入口处，亮度高一些，然后逐渐降低亮度，从而保证一定的视力要求。4、眩光定义：由于亮度分布或亮度范围不适宜，或者存在着极端的亮度对比，以致引起不舒适感觉或降低观察细部的能力的视觉现象。不舒适眩光：产生不舒适感觉的眩光。失能眩光：降低视觉功效和可见度的眩光。5、个人差别引起上述视觉特性，人与人之间的感觉是不同的，这就是个人差别。主要是与年龄有关，老年人的视力与年轻人是不一样的，在照明设计中加以考虑。三、视觉功效定义：人们完成视觉工作的功效。用来定量评价视觉器官完成给定视觉作业的能力。评价指标如下：一、对比敏感度、可见度目标要被辨认，要与背景之间存在着颜色对比与亮度对比。（1）亮度差（2）亮度对比（3）对比敏感度（4）可见度二、视觉敏锐度：眼睛能辨认的两个相邻物体的最小视角的倒数，也叫视力。影响视力的因素:(1)生理因素（2）背景亮度亮度对比在该值较小时有利于视力的提高，但过大时反而会影响视力。三、视觉感受速度：从出现到形成视觉需要的时间的倒数，用ν表示ν=1/t，与视觉亮度，亮度对比，视角有关。第三节光与颜色颜色形成颜色的基本特性表色系统人的各种感觉中，视觉是最重要的感觉，通过它可活的87%的信息量。而色彩是唤起人们第一视觉的重要媒体。色彩对人的物理生理心力的作用会引起人们的联想和情感效果，从而创造富有个性层次美感的环境，因此对照明质量的评价既要考虑光的强度还要考虑光源的颜色和环境的颜色。一、颜色的形成颜色起源于光，波长不同的单色光会引起不同的色觉，也就是有不同的颜色。光源色：发光体发出的光引起人们色觉的颜色。取决光的波长成分。单色光取决于波长，复合光取决于光谱能量分布。物体表面色：非发光体表面的颜色。也叫物体色和表面色。是物体产生反射光引起的，取决于入射光源的光谱能量分布和物体表面的光谱反射比。当光线增强时各种颜色都向红或蓝变化。二、颜色的基本特性两大分类：非彩色、彩色三个基本特性：色调、明度、彩度非彩色：包括黑色、白色、和各种深浅不同的灰色。黑色深灰色·中灰色浅灰色白色黑白系列彩色：黑白系列以外的各种颜色。彩色系列紫色蓝色绿色黄色橙色红色颜色三个基本特性色调：又叫色相。可见光谱中不同波长的光在视觉上的表现。波长有无数种，光谱就有无数种，因此色调就有无数种。而相近波长的单色光眼睛很难区分，所以通常把各种光谱色归纳为有限种色调，来表示色刺激的主观属性。彩度：颜色的深浅程度，或者是颜色的丰富程度。彩度高表示颜色深。反之表示颜色浅，如深红深绿，浅红，浅蓝等。彩度可表现波长范围大小，范围越窄则颜色越纯，彩度越高。明度：颜色的明暗程度。（1）物体表面色的明度取决表面反射比，反射比高则明亮，低则发暗，中等则发灰。如表面是黑白色，反射比在0~0.05呈黑色，在0.8以上呈白色，在0.05~0.8之间呈灰色。（2）光源色：它的明度反映的是光线的强弱，光线越强明度越高，光线越弱明度越低。只有彩色系列有完整的三个特性；黑白系列只有明度，彩度为零，没有色调。反射比ρ=1，是理想的纯白完全反射体，ρ=0，是无反射的物体，世界上并不存在，接近纯白的有氧化镁，接近纯黑的有黑绒。三、表色系统常用表色系统有：孟塞尔表色系统、CIE表色系统。借助于表色系统，人们能精确的标定颜色。孟塞尔表色系统：用颜色立体图来表征物体表面的颜色。（1）图中央轴：表示无彩色黑白系列中性色，其刻度表示明度等级。0表示黑色，10表示白色，5表示灰色。（2）含中央轴的垂直面:表示颜色的彩塑、色调，，从中央轴向外可分若干等分表示颜色的彩度等级，中央轴彩度为0，外面彩度最高。（3）圆周：表示色调，分成10个主色调，一共有40个不同的色调。孟塞尔表色系统的彩色表示方式HV/C：H表示色调，V表示明度，C表示彩度例如：5YR8/4，表示色调是H=5YR是黄红色，明度V=8表示颜色较亮，彩度C=4，说明颜色彩度不高，该颜色是淡黄粉色。黑白系列表示方式：NV：N表示中性色，V表示明度。N5表示中灰色。黑白系列没有色调，彩度为0只需要标明度。2、CIE表色系统定义：以三原色学说为依据，以色刺激表示的系统。它表示光源色也可以表示物体表面色。是较完善和精确的系统，其中1931CIE—RGB系统比较直观，1931CIE—XYZ应用最广泛。三色原理：任一颜色可用三种原色（RGB）按一定比例混合，或者是各种颜色的光可分解成RGB三种波长的单色光，，同时人眼的视网膜上的锥状细胞有RGB三种色素，但眼睛受单一或复合光刺激都产生一种视觉。三原色的选取：（1）任意一种原色不能由其他两种原色混合而成。（2）按不同比例混合时尽量能产生多种颜色。CIE规定：三原色是700纳米的红色546.1纳米的绿色435.8纳米蓝色根据三原色原理，任意颜色的表达公式：【C】=R[R]+G[G]+B[B]公式中：R、G、B是量值即色刺激值。当要求混合成高彩度的颜色需将三原色之一加到被匹配颜色的一方。【C】=-R[R]+G[G]+B[B]光谱三刺激值：任一光谱色可用三原色混合而成：C【λ】=r[λ]+g[λ]+b[λ]则称r[λ],g[λ],b[λ]为波长λ的光谱色的三刺激值。标准色度观察者的光谱三刺激值参考书中图1-211931CIE-RGB系统色度图定义：在色度直角坐标上画出的光谱轨迹。用三原色的空间坐标表示颜色，而R+G+B=1，确定两种就知道另一种，可把三维空间化为二维平面问题。系统色度图呈马蹄形，又叫马蹄形轨迹。各种可见单色光的颜色色度坐标都落在轨迹上，关于马蹄形轨迹底线：紫与红的混合色，两端连线是380~780纳米色度坐标的连接线。它们代表的颜色是混合色不是光谱色；马蹄形范围内有相应的颜色对于，而之外不再由色彩与之对应。颜色三角：以435.8，546.1，700纳米光谱色的色度坐标为顶点的三角形。三角形内的颜色：可用三原色之间混合而成。三角形外、光谱轨迹与底线内的颜色：需将其中一种原色加到被匹配的颜色中，才能与其它两种原色相混合而成。1931CIE-XYZ系统色度图为计算方便通过数学变换将RGB系统改造成XYZ系统。RGB系统的所以特点均符合XYZ系统。四、光源的颜色取决于光源的光谱能量分布常用电光源的光谱能量分布：（1）黑体温度变化时，具有连续变化光谱。不同温度变化，在色度图上形成弧形轨迹，称黑体轨迹或普朗克轨迹。（2）日光由多种颜色的光按一定比例混合而成，与6500K的黑体光谱能量分布曲线接近，也就是太阳辐射具有连续的光谱。（3）常用照明电光源热辐射光源：连续光谱，气体放电光源：线光谱光源的色温色温：当光源的颜色与某温度下的黑体的颜色相同时，黑体的温度就是光源的颜色温度，即色温，单位开尔文，记作K。相关色温：气体放电光源与黑体辐射特性相差很大，当光源的颜色与某一温度下的颜色最接近时，黑体的温度就是光源的色温，即相关色温。光源的色表定义：与色温有关，是指光源的表面颜色。分类：CIE根据色温或相关色温将光源的色表分成三种

一暖＜3300二中间3300~5300三冷

＞5300一般地：色温低的光源是暖色调光源，灯光呈红或橙黄色，有温暖的感觉。色温高的光源是冷色调光源灯光呈蓝白色，有寒冷的感觉。但光源的色表或色温与显色性没有直接的关系。4、显色性定义：光源显现物体颜色的特性。即在该光源照射下物体表面显示的颜色与在标准光源照射下显示的颜色相符合的程度。（1）标准光源：习惯地将北向天空光看着是标准光源，但天空光受天气、季节、白昼的影响，CIE规定四种标准光源：A：色温约为2856K的充气钨丝灯泡；B：在A上加了特定的液体滤光器（戴维斯．吉伯森滤光器B）得到4874的黑体放射光，代表直射阳光；C：在A上加了上述得到6774K的黑体放射光，代表平均昼光；D65：色温6504K的合成昼光。（2）颜色样品CIE规定了深红、深黄、深绿、深蓝、白种女性肤色、中国女性肤色以及叶绿色作为颜色样品。（3）色差：颜色差异引起色度图上的位置差异，色差是用来定量描述这种差异。照明技术中是指一种颜色样品在标准光源和被测光源下的颜色差异。（4）显色指数：符号R，最大值100，最小值0。特殊显色指数：Ri=100-4.6∆Ei，下标i：表第几号色样∆Ei：表第几号色样在待测光源和在标准光源下的色差。一般显色指数Ra：在待测光源对CIE规定的基本色样特殊显色指数的平均值。一般采用Ra评价显色性指标80~100显色性好，50~79显色性一般，小于50显色性较差。色表由色温表示，显色性由光源的光谱能量分布。

显色性与色表没有必然的联系：荧光高压汞灯较好的色表而显色性差，白炽灯色表较低