照明基本知识

照明基本知识

2017/09/06

照明的基础知识 
1光的本质 
人们通常所说的光是指“可见光”,它是由光源发出的辐射能中的一部分,并能产生视觉效应.从量子物理的观点,光具有二重性:粒子性和波动性.单个光子呈粒子性,密集光子的集合衍射便呈现出波动性.所以,光是一种电磁辐射能,即电磁波,光线的方向也就是波传播的方向.将各种电磁波按波长依次排列,就成为电磁波谱,如图1-1所示 

电磁波谱及可见光光谱 

    在图1-1中的频谱分布可以看出,可见光在整个波谱中仅占极小的部分. 
2.2可见光谱 
人类视觉能感受到的电磁波可见部分的波长范围大约在380nm至780nm之间(1nm=10 -6mm),而不同波长的光给人的颜色感觉也不同.波长从380nm向780nm递增时,光的颜色从紫色开始,按蓝、青、绿、黄、橙、红的顺序逐渐变化,两种颜色之间没有明显的分界.将全部可见光波混合在一起就形成日光,即白色光. 
2.3紫外和红外辐射 
  太阳光和光源在发出可见光的同时,都会有紫外和红外辐射,只是眼睛视觉反应不出来而已.太阳光谱中,波长大于1400nm的光波被大层中的水蒸气和二氧化碳强烈吸收;波长小于290nm的光波被大气层中的臭氧所吸收.人类在进化过程中紫外光和红外光对眼睛不产生视觉反应. 
 波长小于320nm的紫外辐射对生物组织有损害. 
 波长在260nm处的紫外辐射灭菌效应最大. 
 波长253.7nm的紫外线作用于三基色粉或荧光粉会产生发光效应. 
 波长大于780nm的近红外光谱会产生热.对光源来说,由于红外线的存在而损失了光效能,产生了不需要的热. 
 白炽灯因钨丝加热时产生太多看不见的红外光,所以光效低. 
 低压汞蒸气放电灯会产生253.7nm的紫外辐射,因此,提高发光效率,控制紫外辐射的泄漏分量十分重要. 
2.4 光的基本度量单位 
2.4.1光通量 
光通量是视觉响应的计量.定义为:光源在单位时间内向周围空间辐射并引起视觉的能量,称为光通量,符号Ф,单位为流明(Lm). 
 光通量的测量必须在积分球内进行; 
 人眼对不同波长的光的灵敏度不一样,对波长为555nm的黄、绿光最灵敏,波长离555nm越远,灵敏度越低; 
 对某一特定的光源来说,不仅要测量它的光通量,而且要展示它的频谱分布,评价它的视觉效果. 
2.4.2发光强度 
    光源在空间某一特定方向上单位立体角内辐射的光通量空间密度,称为光源在该方向上的发光强度,简称光强,用Iθ表示,单位为坎德拉(cd).其计算公式为: 
Iθ=   (1-1) 
式中  ωθ——球面所对应的立体角(Sγ); 
      Фθ——在ω立体角内所辐射的光通量(Lm). 
以点光源为球心,γ为半径,则整个圆球所对应的立体角为: 
ω= =4π(Sγ)           (1-2) 
 浅释:桌子上方有一盏无罩的白炽灯,在加上灯罩后,桌面显得亮多了.而同一灯泡不加罩与加灯罩,它所发出的光通量是一样的,只不过加上灯罩后,光线经灯罩反射,使光通量在空间的分布状况发生了变化,射向桌面的光通量比未加罩时增多了.因此,在电气照明技术中,必须了解光通量在空间各个方向上的分布情况. 
2.4.3 照度 
  定义为:投射到被照面上的光通量与被照面的面积之比称为该面的照度,符号E. 
         E=     (1-3) 
式中 Ф — 被照面上接受的光通量(Lm) 
      S — 被照面的面积(m2 ) 

当被照面与入射光线不垂直时,计算公式为: 
   E=      (1-4) 
式中 Iθ — 光线入射方向的光强(cd) 
     θ — 光线的入射角; 
     γ — 光源到照射面的距离(m). 

 照度的单位为勒克斯(Lx),1Lχ=1Lm/m2 
 感性认识:1只40W白炽灯1米远处的照度约为30Lx,加一搪瓷罩后增加到73 Lx.深圳12月份上午10时正对太阳光的照度为4.65X104 Lx~5.25X104 Lx;单边高楼阴影下的照度约为8250~12000 Lx;树荫下的照度约为2050~2280 Lx.大马路14.5米高的双泡路灯(400W高压钠灯+250W金卤灯)垂直地面照度为55~68 Lx.由此可见,人造光源与太阳光相比实在太渺小. 
2.4.4 亮度 
    定义:发光体在视线方向单位投影面上的发光强度称为该物体表面的亮度,符号L,单位为坎德拉每平方米(cd/m2).表达式为: 
            L=     (1-5) 
式中  Iθ  — 发光体在视线方向上的光强(cd); 
Scosθ — 发光体在视线方向上的投影面积; 
      θ — 视线方向与发光面法线(垂线)的夹角. 

 在同一位置上并排放置一个黑体和一个白色体,虽然它们的照度一样,但人眼看起来白色体要亮得多.这是因为人眼的视网膜上的照度是被视物体在沿视线方向上的发光强度造成的,而白色体的反光要比黑色体强得多,所以感到白色体比黑色体亮得多. 
小结: 
 光 通 量 —— 说明发光体发出的光线数量; 
 发光强度 —— 发光体在某个方向上发出的光通量密度,它表明了光 
通量在空间的分布情况; 
 光 照 度 —— 表示被照表面接受光通量密度,用来鉴定被照面的照 
明情况; 
 光 亮 度 —— 表示发光体单位面积上的发光强度,它表明一个物体 
的明亮程度. 
 光通量、光强度、光照度和光亮度相互关系示意图: 
                                                           
                         光源       
                                             光源亮度L 
                 光通量                                                眼睛 

                                                               物体亮度L 
                              发光强度Iθ                 
                         Ф               
                                 照度E 
                                        被照面 

3.照明电光源 
将电能转换为光能,从而获得光通量的设备、器具则称为照明电光源.十九世界爱迪生发明了白炽灯,开始了电光照明的新纪元. 
3.1电光源的分类 
  电光源按其发光原理主要可分为两大类:热辐射光源(即固体电光源)和气体放电光源. 
3.1.1固体热辐射光源 
    利用电流将金属或陶瓷之类的物体加热到白炽程度而产生发光的光源,白炽灯和LED灯属于此类.                     
             
3.1.2气体放电光源 
    在电场作用下,电流通过电离的气体而发射光的光源.按放电形式可分 
弧光放电灯和辉光放电灯. 

         

 目前最常用的灯有白炽灯、LED灯、荧光灯、高压钠灯、金卤灯、霓虹灯等. 
 白炽灯光效低、寿命短、显色性高,价格便宜,多用于家庭. 
 LED灯可做成矩阵排列、图形,光效提高,寿命长,较贵,一般用于交通指挥灯、路标字幕、广告排……等.要配备专用电源才能工作. 
 高压钠灯光效高,寿命较长,显色性差,功率可高达1000W以上,适用路灯或广场用灯,需配备启动器件或专用电路才能工作. 
 金卤灯光效高,寿命较长,显色性好,功率可由70W至1000W,适用于路灯、广场用灯,需配备启动器件才能工作. 
 霓虹灯做成彩色条管,可拼成文字、广告图形美化城市,需配备专用电路才能工作. 
 高频无极灯寿命特长,光效高,显色性好,环保无公害,是21世纪最优秀的电光源,目前电功率有待提升,价格有待降低.它应用范围广泛,需配备专用电子镇流器. 
注:1.低气压灯放电时,灯内气压约为1%大气压,例如荧光灯. 
      2.高气压灯放电时灯内气压为几个至数十个大气压,例如高压钠灯、金卤灯、高压氙灯、镝灯…等. 
3.2 电光源的特性 
         以下参数用来表征电光源的特性. 
 额定电压和额定电流:指电光源按预定要求工作所需要的电压和电流.偏离额定值工作会影响电光源的效能和寿命. 
 额定功率:指电光源工作在额定电压和额定电流时所消耗的有功功率. 
      表达式:P=VIcosα 
式中  P — 额定功率(W); 
      V — 额定电压(V); 
           α  — 额定功率因数. 

 额定光通量:指电光源在额定工作条件下发出的光通量,单位为流明(Lm); 
 发光效率:指电光源每消耗1W电功率所发出的光通量,单位为Lm/W;消耗的电功率是从市电输入端测量的,称系统光效; 
 光衰:电光源在额定工作条件下,随着使用时间的延长,额定光通量和光效都会逐渐降低.衰减系数可用下式表示: 
             DF= (额定功率不变条件下) 
      式中  ФF     电光源的初始光通量; 
             ФE     电光源使用一定时间后的光通量. 
或   DF=   
               式中 DFƒ — 电光源的初始光效; 
                    DFe — 电光源使用一定时间后的光效. 
 寿命:必须指出的是灯寿命的要领阐明仍悬而未决,某些制造厂考虑灯和灯具的衰退,另一些制造厂则定义为“一批试验灯中有50%存活的时间.”而参阅藉凤荣等人编写的材料,电光源的寿命有全寿命、有效寿命、平均寿命三种. 
全 寿 命 —— 电光源直到完全不能使用为止的全部时间; 
有效寿命 —— 电光源的发光效率下降到初始值的70%时的使用时间; 
平均寿命 —— 指每批抽样调试品有效寿命的平均值. 
此处认同“平均寿命”的提法比较合理. 
 色温:黑体被加热到不同温度时,人眼所看到黑体所呈现出的不同颜色,以此表达一个光源的光色,称为光源的色温.色温以绝对温标K为单位. 
 相关色温:荧光灯等电光源所发射的光的颜色与黑体在某一温度所发射的光的颜色最接近时,黑体的这个温度就称为该电光源的相关色温. 

表(1)常用电光源的色温 

电光源名称 色温(K) 电光源名称 色温(K) 
白炽灯 2800~2900 荧光高压汞灯 5500 
卤钨灯 3000~3200 高压钠灯 2000~2400 
日光色荧光灯 4500~6500 金卤灯(卤化锡) 5000 
白光色荧光灯 3000~4500 金卤灯(钠铟铊) 5000~5600 
暖色荧光灯 2700~2900 镝灯 5500~6000 
氙灯 5500~6000 高频无极灯 2700~6500 
 色温与感觉: 
    大于5000K为冷色;  3300~5000K为中间;  小于3300K为暖色. 
 显色性:指在光源照明下,与具有相同或相近色温的黑体或日光的照明相比,各种颜色在视觉上的失真程度.显色指数以Ra表示. 
   

电光源名称 显色指数OK 电光源名称 显色指数OK 
白炽灯 97 荧光高压汞灯 22~51 
卤钨灯 80~94 高压钠灯 20~30 
日光色荧光灯 75~85 钠铟铊 60~65 
白光色荧光灯 80~90 卤化锡灯 93 
氙灯 95~97 高频无极灯 >80 
表(2)常用电光源的显色指 




光源的色温与显色性之间没有必然的联系,具有不同光谱能量分布的光源可能有相同的色温,但显色性却可能差别很大. 
对一种电光源特性优劣的评价必须全面、综合考虑,不能只突出单项指标,光效、寿命、显色性、色温、光衰等基本指标都要同时顾及.目前能全部兼顾上述各项指标要求的电光源只有高频无极灯. 
3.3频闪效应与光污染 
时下人们对光污染的讨伐呼声越来越大,而光污染的主要来源正是电光源的频闪效应. 
3.3.1 频闪效应 
    普通电光源都利用工频交流电供电,工频频率为50Hz/60Hz,以荧光灯为例.荧光灯在用交流电源工作时,灯管两端电压的极性不断改变;当电流过零时的瞬间发出的光通量也为零.电光源光通量强弱的周期性变化,与供电频率(50Hz/60Hz)相同,简称为频闪.由于人眼的视觉暂留现象和荧光粉的余辉作用,人们感受不到这种强弱变化的波动. 
 定义:电光源的光通量Ф随交流电源电压相位周期性变化而变化,且使人眼产生视觉疲劳或视觉错误的现象称为频闪效应,通常用波动深度δ来度量: 

              δ= ×100% 
             式中  Φmax — 光通量最大值 
                      Φmin — 光通量最小值 
     
                     各类电光源光通量波动深度比较 

光源种类 工作频率 Hz 波动深度 % 
白炽灯 50 5~15 
钠灯、金卤灯 50 80~130 
荧光汞灯 50 65 
电感式荧光灯 50 55 
电子荧光灯 40~50K 15~10 
高频无极灯 2650K ≈0 

 频闪除引起人的疲劳、头昏眼花等不适外,在工场工作环境中,当被照物体处于转动状态,且转动速度刚好是电源频率的整数倍时,则转动物体(例为机床加工件)看上去好像没有转动一样.这种错觉容易造成事故的发生. 
特别要指出的是近十多年来青少年近视眼的比例越来越高.这一令人担忧的趋势虽不能全部归罪于灯下做作业的光污染,但从统计规律看来,它的确与长期浸染在电光源下的频闪效应直接相关.在点蜡烛和煤油灯的时代,书生们近视的比例就远没有当今那么高. 
 照说太阳光自然而柔和,不存在“频闪”.早晨与黄昏的太阳的确十分柔顺舒适,但在上午11时至下午4时这段时间,太阳光也会表现出强烈的“频闪”.科研人员曾用光电科学仪器对太阳光进行测试,证明从太阳光感测出来的随机频率约为0至数KHz,有时肉眼可以感受到太阳光“频闪”的跳动,所以在太阳光下干活或读书,也会感到容易疲劳和不适. 
 高频无极灯完全消除了频闪这一光污染的危害,而且眩光也较低,已成为当今绿色照明领域中最优秀的新型电光源.