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專業(yè)知識

光源常用參數(shù)
光通量 Luminous Flux:
單位:流明(lm)
光源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的光量總和稱為光源的光通量。

光強(qiáng) Luminous Intensity:
單位:坎德拉(cd)
光源在某一給定方向的單位立體角內(nèi)發(fā)射的光通量稱為光源在該方向的發(fā)光強(qiáng)度,簡稱光強(qiáng)。

照度 Illuminance:
單位:勒克斯(lx)
照度是光源照射在被照物體單位面積上的光通量。

亮度 Luminance:
單位:坎德拉每平方米(cd/m 2, ),尼 特( nt)是舊的亮度單位名稱,現(xiàn)已廢除不用。
光源在某一方向的亮度是光源在同一方向的光強(qiáng)與發(fā)光面在該方向上投影表面積之比。

光效 Luminous Efficacy of Light Source:
單位:流明/瓦(lm/W)
光源所發(fā)出的總光通量與該光源所消耗的電功率(瓦)的比值,稱為該光源的光效。

平均壽命 Average Life:
單位:小 時(shí)(h)
指一批燈燃點(diǎn),當(dāng)其中有 50%的燈損壞不亮?xí)r所燃點(diǎn)的小時(shí)數(shù)。

色 溫 CT-Color Temperature:
當(dāng)光源所發(fā)出的光的顏色與黑體在某一溫度下輻射的顏色相同時(shí),黑體的溫度就稱為該光源的色溫,用絕對溫度K(kELvin)表示。
黑體輻射理論是建立在熱輻射基礎(chǔ)上的,所以白熾燈一類的熱輻射光源的光譜功率分布與黑體在可見區(qū)的光譜功率分布比較接近,都是連續(xù)光譜,用色溫的概念完全可以描述這類光源的顏色特性。

相關(guān)色溫 CCT-Correlated Color Temperature:
當(dāng)光源所發(fā)出的光的顏色與黑體在某一溫度下輻射的顏色接近時(shí),黑體的溫度就稱為該光源的相關(guān)色溫,單位為K。
由于氣體放電光源一般為非連續(xù)光譜,與黑體輻射的連續(xù)光譜不能完全吻合,所以都采用相關(guān)色溫來近似描述其顏色特性。
色溫(或相關(guān)色溫)在3300K以下的光源,顏色偏紅,給人一種溫暖的感覺。色溫超過5300K時(shí),顏色偏蘭,給人一種清冷的感覺。通常氣溫較高的地區(qū),人們多采用色溫高于4000K的光源,而氣溫較低的地區(qū)則多用4000K以下的光源。
顯色指數(shù)(Ra)Color Rendering Index:
太陽光和白熾燈均輻射連續(xù)光譜,在可見光的波長(380nm-760nm)范圍內(nèi),包含著紅、橙、黃、綠、青、蘭、紫等各種色光。物體在太陽光和白熾燈的照射下,顯示出它的真實(shí)顏色,但當(dāng)物體在非連續(xù)光譜的氣體放電燈的照射下,顏色就會(huì)有不同程度的失真。我們把光源對物體真實(shí)顏色的呈現(xiàn)程度稱為光源的顯色性 。
為了對光源的顯色性進(jìn)行定量的評價(jià),引入 顯色指數(shù) 的概念。以標(biāo)準(zhǔn)光源為準(zhǔn),將其顯色指數(shù)定為100,其余光源的顯色指數(shù)均低于100。顯色指數(shù) 用Ra表示, Ra值越大,光源的顯色性越好。


利用系數(shù)法
此方法用于計(jì)算平均照度 = (光源光通量)×(CU)×(MF)÷ 照射區(qū)域面積
適用于室內(nèi),體育照明
利用系數(shù): 一般室內(nèi)取0.4,體育取0.3
1. 燈具的照度分布
2. 燈具效率
3. 燈具在照射區(qū)域的相對位置
4. 被包圍區(qū)域中的反射光

0、前言
光度學(xué)與光相關(guān)的常用量有4個(gè):發(fā)光強(qiáng)度、光通量、照度、亮度。這4個(gè)量盡管是相關(guān)的,但為不同的,不能相混。正像壓力、重力、壓強(qiáng)、質(zhì)量是不同的物理量一樣。

1、發(fā)光強(qiáng)度(I、Intensity),單位坎德拉,即cd。(是點(diǎn)光源的固有屬性,表征光線的匯聚能力)
定義:光源在給定方向的單位立體角中發(fā)射的光通量定義為光源在該方向的(發(fā))光強(qiáng)(度),
解釋:發(fā)光強(qiáng)度是針對點(diǎn)光源而言的,或者發(fā)光體的大小與照射距離相比比較小的場合。這個(gè)量是表明發(fā)光體在空間發(fā)射的會(huì)聚能力的?梢哉f,發(fā)光強(qiáng)度就是描述了光源到底有多"亮",因?yàn)樗枪夤β逝c會(huì)聚能力的一個(gè)共同的描述。發(fā)光強(qiáng)度越大,光源看起來就越亮,同時(shí)在相同條件下被該光源照射后的物體也就越亮,因此,早些時(shí)候描述手電都用這個(gè)參數(shù)。
現(xiàn)在LED也用這個(gè)單位來描述,比如某LED是15000的,單位是mcd,1000mcd=1cd,因此15000mcd就是15cd。
之所以LED用毫cd(mcd)而不直接用cd來表示,是因?yàn)橐郧白钤鏛ED比較暗,比如1984年標(biāo)準(zhǔn)5mm的LED其發(fā)光強(qiáng)度才0.005cd,因此才用mcd表示,現(xiàn)在LED都很厲害了,但還是沿用原來的說法。
用發(fā)光強(qiáng)度來表示"亮度"的缺點(diǎn)是,如果管芯完全一樣的兩個(gè)LED,會(huì)聚程度好的發(fā)光強(qiáng)度就高。因此,購買LED的時(shí)候不要一味追求高I值,還要看照射角度。很多高I值的LED并非提高自身的發(fā)射效率來達(dá)到,而是把鏡頭加長照射角度變窄來實(shí)現(xiàn)的,這盡管對LED手電有用,但可觀察角度也受限。另外,同樣的管芯LED,直徑5mm的I值就比3mm的大一倍多,但只有直徑10mm的1/4,因?yàn)橥哥R越大會(huì)聚特性就越好。
之所以用發(fā)光強(qiáng)度來表示手電或LED,是因?yàn)樵谙嗤嚯x下對被照射地的照度是與這個(gè)成正比的。特別的說,距離1m的lx就是cd值。但是,很多場合下我們需要照射面積大一些,所以只用發(fā)光強(qiáng)度這一特性還不能全面反應(yīng)手電的能力。比如,同樣的筒身,換個(gè)大頭(大反光杯)則I值馬上增大許多。因此,很多情況下我們用光通量(單位流明,見下)來表示手電了。
以上我們說"亮"和"亮度"時(shí)帶了引號,是因?yàn)檫@是我們常規(guī)說的亮度,并非光度學(xué)嚴(yán)格意義上的亮度,這一單位后面會(huì)展開。
常見光源發(fā)光強(qiáng)度(cd):
太陽,2.8E27
高亮手電,10000
5mm超高亮LED,15

2、光通量(F,F(xiàn)lux),單位流明,即lm。(是光源的固有屬性,是單位時(shí)間內(nèi)光源輻射的總能量,即光功率)
定義:光源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射出的光量稱為光源的發(fā)光通量
解釋:同樣,這個(gè)量是對光源而言,是描述光源發(fā)光總量的大小的,與光功率等價(jià)。光源的光通量越大,則發(fā)出的光線越多
對于各向同性的光(即光源的光線向四面八方以相同的密度發(fā)射),則 F = 4πI。也就是說,若光源的I為1cd,則總光通量為4π =12.56 lm。與力學(xué)的單位比較,光通量相當(dāng)于壓力,而發(fā)光強(qiáng)度相當(dāng)于壓強(qiáng)。要想被照射點(diǎn)看起來更亮,我們不僅要提高光通量,而且要增大會(huì)聚的手段,實(shí)際上就是減少面積,這樣才能得到更大的強(qiáng)度。
要知道,光通量也是人為量,對于其它動(dòng)物可能就不一樣的,更不是完全自然的東西,因?yàn)檫@種定義完全是根據(jù)人眼對光的響應(yīng)而來的。

3、光效,單位,流明/瓦,即1W的能量能夠轉(zhuǎn)換成多少LM的光通量。
至于電光源的發(fā)光效率,是另外一個(gè)相關(guān)的話題,是說1W的電功率到底能轉(zhuǎn)化成多少光通量。人眼對不同顏色的光的感覺是不同的,此感覺決定了光通量與光功率的換算關(guān)系。對于人眼最敏感的555nm的黃綠光,1W = 683 lm,也就是說,1W的功率全部轉(zhuǎn)換成波長為555nm的光,為683流明。這個(gè)是最大的光轉(zhuǎn)換效率,也是定標(biāo)值,因?yàn)槿搜蹖?55nm的光最敏感。對于其它顏色的光,比如650nm的紅色,1W的光僅相當(dāng)于73流明,這是因?yàn)槿搜蹖t光不敏感的原因。對于白色光,要看情況了,因?yàn)楹芏嗖煌墓庾V結(jié)構(gòu)的光都是白色的。例如LED的白光、電視上的白光以及日光就差別很大,光譜不同。
電光源的發(fā)光效率,是說1W的電功率到底能轉(zhuǎn)化成多少光通量。如果全部轉(zhuǎn)換成555nm的光,那就是每瓦683流明。但如果有一半轉(zhuǎn)換成555nm的光,另一半變成熱量損失了,那效率就是每瓦341.5流明。白熾燈能達(dá)到1W=20 lm就很不錯(cuò)了,其余的都成為熱量或紅外線了。測量一個(gè)不規(guī)則發(fā)光體的光通量,要用到積分球,比較專業(yè)而復(fù)雜。
常見發(fā)光的大致效率(流明/瓦)
白熾燈,15 白色LED,20 日光燈,50 無極燈LVD,60 節(jié)能燈,60 太陽,94 鈉燈,120

4、光照度(E,Illuminance),單位勒克斯即lx(以前叫l(wèi)ux)。(從另一個(gè)角度來反映光源亮不亮)
定義:1流明的光通量均勻分布在1平方米表面上所產(chǎn)生的光照度
解釋:光照度是對被照地點(diǎn)而言的,但又與被照射物體無關(guān)。一個(gè)流明的光,均勻射到1m2的物體上,照度就是1 lx。照度的測量,用照度表,或者叫勒克斯表、lux表。事實(shí)上,照度是最容易測量的了(相對其它三個(gè)量),照度表很便宜就可以買到(幾百元)。為了保護(hù)眼睛便于生活和工作,在不同場所下到底要多大的照度都有規(guī)定,例如機(jī)房不得低于200 lx。陽光下的照度是自然界里面很大的也很常見的了,為11萬lx左右(自己實(shí)測)。我剛才測量了一下,房間是3.8mx6.5m,有12個(gè)20W的日光燈管,桌面照度為400勒克司。
常見照度(勒克司):
陽光直射(正午)下,110,000
陰天室外,1000
商場內(nèi),500
陰天有窗室內(nèi),100
普通房間燈光下,100
滿月照射下,0.2
簡單的計(jì)算原理(實(shí)際很復(fù)雜,涉及微積分自己網(wǎng)上了解即可)
照度E=(光通量L/(照射面積S*垂直距離的平方))*COS3θ (夾角為垂直光線與照射面法線夾角)
舉例:快速路要求20Lx,光源垂直距離為8米,照射半徑為2米,則選擇什么光源和功率?
答:根據(jù)公式推出 光通量L=(E/ COS3θ)* 照射面積S*垂直距離的平方=20*1*3.14*2*2*8*8=16076Lm
根據(jù)不同光源的光效推出功率:W=L/光效,如選擇無極燈,W=16076/60=268W,但是實(shí)際上這么大功率的直流無極燈很少用,可換成低壓鈉燈:W=16076/120=134W即可。
備注:衡量公路路燈的兩個(gè)重要指標(biāo)就是:平均照度、照度均勻度=最小照度/平均照度
根據(jù)《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求,常見公路的照度及照度均勻度要求:
道路類型 平均照度 照度均勻度
快速路、主干路 20Lx ≤0.4
次干道 10Lx ≤0.35
支路 8Lx ≤0.3

5、亮度(L,Luminance),單位尼特,即nt。反映的是發(fā)光面或反射面光線進(jìn)入到人眼里面時(shí)的感受亮不亮。
定義:單位光源面積在法線方向上,單位立體角內(nèi)所發(fā)出的光流,也叫單位面積發(fā)光面的光照強(qiáng)度?驳吕/平米
解釋:這個(gè)是最容易被誤解的概念了。亮度是針對光源而言,而且不是對點(diǎn)光源,是對面光源(包括發(fā)光面和反射面)而言的。無論是主動(dòng)發(fā)光的還是被動(dòng)(反射)發(fā)光的。亮度是一塊比較小的面積看起來(人眼的感受)到底有多"亮"的意思。這個(gè)多"亮",與取多少面積無關(guān),但為了均勻,我們把面積取得比較小,因此才會(huì)出現(xiàn)"這一點(diǎn)的亮度"這樣的說法。事實(shí)上,點(diǎn)光源是沒有亮度概念的。另外,發(fā)光面的亮度與距離無關(guān),但與觀察者的方向有關(guān)。說一個(gè)手電很"亮",并不是說該手電的亮度高(因?yàn)槭蛛娛菦]有亮度概念的),而是說其發(fā)光強(qiáng)度大,或者是說被它照射的物體亮。說一個(gè)星星(點(diǎn)光源)很亮,并非是說其亮度高,而是說其星等高而已。亮度不僅取決于光源的光通量,更取決于等價(jià)發(fā)光面積和發(fā)射的會(huì)聚程度。
光亮度是指一個(gè)表面的明亮程度,即從一個(gè)表面出來或反射出來的光通量,而不同的物體有不同的反射系數(shù)(或吸收系數(shù)),例如在同一照度的地方,先后放上一張白紙和黑紙,對人眼而言其亮度差別是很大的。白紙的反射系數(shù)是80%,而黑紙的反射系數(shù)只有3%。
常見發(fā)光體的亮度(尼特):
紅色激光指示器,20,000,000,000
太陽表面,2,000,000,000
白熾燈燈絲,10,000,000
陽光下的白紙,30,000
人眼能習(xí)慣的亮度,3,000
滿月表面,2,500
人眼能比較好的分辨出顏色的亮度,1
滿月下的白紙,0.07
無月夜空,0.0001
對比分析:照度與亮度
l 照射在某一單位面積表面上的入射光的總量,可用照度來反映;
l 若從某一單位面積表面上反射到人眼中的反射光總量,可用亮度來反映。

還有說照度和亮度一般是對照射距離一定,照射光斑一定的發(fā)光體而言的,如:路燈;
對于手電筒之類的光斑、照射距離不定的沒法說照度和亮度,要說則一定指出是在什么距離和照射面積下。

6、色溫,即通過開爾文溫度表示的黑體的溫度來表示顏色。
因?yàn)轭伾?xì)分可以有上百萬種,而不是簡單的赤橙黃綠青藍(lán)紫,只有通過黑體在不同溫度下輻射出的相應(yīng)光線來定義,最為科學(xué)。
如:燭光,1930K; 鎢絲燈,2760-2900K; 熒光燈,3000K; 中午陽光,5400K。

7、顯色性,是指在此光線下,能夠現(xiàn)出被照射物體的原有顏色的性質(zhì)。
例如:高壓鈉燈的光線是橙黃色,則原先白色的物體在他的照射下也呈現(xiàn)橙黃色,顏色失真,則顯色性差。
日光燈的顯色性就好。

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