照明光学知识

照明光学知识一、 照明光学基础1.2.1 光的度量 (1)光通量φ光源发射并被人的眼睛接收的能量之总和。

单位：流明[lm]。

光通量是指单位时间内光辐射能量的大小，它是根据人眼对光的感觉来评价的。

例如一个200W 的白炽灯比100W 的白炽灯要亮得多，也就是说发出光的量多。

我们称光源发出光的量为光通量。

光通量一般就视觉而言，即辐射体发出的辐射通量按V （λ）曲线的效率被人眼所接受，若辐射体的光谱辐射通量为λ⋅Φe ，其光通量Φ的表达式为：()λλλd V K e m ⎰⋅Φ=Φ780380（1.2.1）式中：K m ——最大光谱光效能，683lm ／w ；V （λ）——明视觉光谱光效率；λ⋅Φe ——光谱辐射通量，即在给定波长为λ的附近无限小范围内，单位时间内发出辐射能量的平均值，单位为W ／nm 。

辐射通量也称辐射功率； φ——光通量，lm 。

光通量的单位是lm （流明），在国际单位制中，它是一个导出单位，1lm 是发光强度为1cd （坎德拉）的均匀点光源在lsr （球面度）内发出的光通量。

在照明工程中，光通量是说明光源发光能力的基本量，例如，一只220V 、4OW 白炽灯发射的光通量为350lm ，而一只220V 、40W 荧光灯发射的光通量为2100lm ，为白炽灯的6倍。

CREE 光源 型 号 规 格 通350mA 时的光通量XR WC ，WD ，WF ，WG M3：45.7-51.7LM ，5000-7000K XR-C IW 8A ，B ，C ，D M3：45.7-51.7LM ，2600-2900KXR-C DW WC ，WD ，WF ，WG M3：45.7-51.7LM ，5000-7000K XR-C DW WC ，WD ，WF ，WG N2：51.7-56.8LM ，5000-7000K XR-E IW 8A ，B ，C ，D N2：51.7-56.8LM ，2600-2900K XR-E IW 8A ，B ，C ，D P2：67.2-73.9LM ，2600-2900KXR-E DW WC ，WD ，WF ，WG P2：67.2-73.9LM ，5000-7000K XR-E DW WC ，WD ，WF ，WG P3：73.9-80.6LM ，5000-7000K XR-E DW WC ，WD ，WF ，WG P4：80.6-87.4LM ，5000-7000K XR-E DW WC ，WD ，WF ，WG Q2: 87.4-93.9LM, 5000-7000K XR-E DW WC ，WD ，WF ，WG Q4: 100-107LM 5000-7000K XR-E DW WC ，WD ，WF ，WG Q5: 107-114LM 5000-7000K(2) 发光强度（光强）由于辐射发光体在空间发出的光通量不均匀，大小也不相等，为了表示辐射体在不同方向上光通量的分布特性，需引人光通量的（空间）角密度概念。

如图9—2—1 所示，S 为点状发光体，它向各个方向辐射光通，若在某方向上取微小立体角d ω，在此立体角内所发出的光通量为d Φ，则两者的比值即为该方向上的光强I ，即：ωd d I Φ=（9.2.2）若光源辐射的光通量Φ是均匀的，则在立体角ω内的平均光强I 为：ωΦ=I （9.2.3）立体角的定义是任意一个封闭的圆锥面内所包含的空间。

立体角的单位为球面度（sr ），即以锥顶为球心，以r 为半径作一圆球，若锥面在圆球上截出面积A 为r 2，则该立体角即为一个单位立体角，称为球面度，其表达式为：2r A=ω （9.2.4）之一，其他光度量单位都是由坎德拉导出的。

1979年10月第10届国际计量大会通过的坎德拉定义为：一个光源发出频率为 540 ×1012Hz 单色辐射（对应于空气中波长为 550nm 的单色辐射），若在一定方向上的辐射强度为l ／683W ／sr ，则光源在该方向上的发光强度为lcd 。

发光强度常用于说明光源和灯具发出的光通量在空间各方向或在选定方向上的分布密度。

例如，一只220V 、40W 白炽灯发出350lm 光通量，它的平均光强为350／4π＝28cd ，若在该灯泡上面装一盏白色搪瓷平盘灯罩，则灯的正下方发光强度能提高到70cd~80cd 。

如果配上一个聚焦会适的镜面反射罩，则灯正下方的发光强度可以高达数百坎德拉。

而在后两种情况下，灯泡发出的光通量并没有变化，只是光通量在空间的分布更为集中，使发光强度提高。

(3) 照度 E光通量与被照射面积之间的比例系数。

1lx 即指1lm 的光通量平均分布在面积1㎡ 平面上的明亮度。

单位：勒克司[lx]。

照度是用来表示被照面上光的强弱，以被照场所光通的面积密度来表示。

取微小面积dA ，入射的光通为d Φ，则照度E 为：dAd E Φ=（9.2.5） 对于任意大小的表面积A ，若入射光通量为Φ。

则在表面积A 上的平均照度E 为：AE Φ=（9.2.6）照度的单位为勒克斯（lx ），1lx 即在1m 2的面积上均匀分布1lm 光通量的照度值，或者是一个光强为1cd 的均匀发光的点光源，以它为中心，在半径为lm 的球表面上，各点所形成的照度值。

1lx 的照度是比较小的，在此照度下仅能大致地辩认周围物体，要进行区别细小零件的工作则是不可能的。

为了对照度有些实际概念，现举几个例子：晴朗的满月夜地面照度约为0.2lx ，白天采光良好的室内照度为100lx~500lx ，晴天室外太阳散射光（非直射）下的地面照度约为1000lx ，中午太阳光照射下的地面照度可达l00000 lx 。

(4) 光出射度（面发光度）具有一定面积的发光体，其表面上不同点的发光强弱可能是不一致的。

为表示这个辐射光通量的密度，可在表面上任取一微小的单元面积dA ，如果它发出的光通量为d Φ，则该单元面积的平均光出射度M 为：dAd M Φ=（9.2.7）对于任意大小的发光表面A ，若发射的光通量为Φ，则表面A 的平均光出射度M 为：AM Φ=（9.2.8）可见，光出射度就是单位面积发出的光通量，单位为辐射勒克斯（rlx ）， lrlx 等于llm ／m 2。

光出射度和照度具有相同的量纲，其区别在于光出射度是表示发光体发出的光通量表面密度，而照度则表示被照物体所接受的光通量表面密度。

对于因反射或透射而发光的二次发光表面，其光出射度是：反射发光：M ＝ρE （9.2.9） 透射发光：M ＝τE （9.2.10）式中：ρ——被照面的反射系数（反射比）；τ——被照面的透射系数（透射比）； E ——二次发光面上被照射的照度。

(5) 亮度 L 指人眼从某一方向所看到物体反射光的强度。

单位：坎德拉/平方米[cd/㎡]。

光出射度只表示单位面积上发出光通量的多少，没有考虑光辐射的方向，不能表征发光面在不同方向上的光学特性。

如图所示，在一个广光源上取一个微小面积△A ，从与表面法线成θ角的方向去观察，在这个方向上的光强I θ与人眼所“见到”的光源面积△A ′及亮度L θ间的关系为：θϑθθcos 'A I A I L ∆=∆=（9.2.11）△A=△Acos θ如果△A 是一个理想的漫射发光体或理想漫反射表面的二次发光体，它的光强将按余弦分布（图 9.2.2），将 θI ＝ I 0cos θ代人式（9.2.11）得：000cos cos L A IA I L ===θθθ （9.2.12）(6) 光效指电能转换成光能的效率。

单位：流明每瓦[lm/W]。

(光源发展的历史：白炽灯→直管型荧光灯→高效电子节能灯→LED 灯)综上，各种光源灯具的实际效率：LED计算：100*0.90*0.90*0.9=72.9流明/瓦荧光灯计算：80*0.85*0.6*0.6=24.5流明/瓦普通灯泡计算：20*1*0.6*0.6=7.2流明/瓦高压钠灯计算：110*0.9*0.60*0.60=35.6流明/瓦可见，LED灯具实际效率是一般荧光灯的3倍，是普通白炽灯泡的10倍，是高压钠灯的2.04倍。

(7) 色温当光源所发出的颜色与“黑体”在某一温度辐射的颜色相同时，“黑体”的温度就称为该光源的色温。

“黑体”的温度越高，光谱中蓝色的成份则越多，而红色的成份则越少。

单位：开尔文[K]。

(8) 光色光源发出的光，由于光谱功率分布的差异，给人视觉上造成的颜色感觉。

实际上就是色温。

大致分三大类：暖色<3300K、中间色3300至5000K、冷色>5000K，由于光线中光谱的组成有差别，因此即使光色相同，灯的显色性也可能不同。

(9) 显色性原则上，人造光线应与自然光线相同，使人的肉眼能正确辨别事物的颜色，当然，这要根据照明的位置和目的而定。

光源对于物体颜色呈现的程度称为显色性。

通常叫做“显色指数”（Ra ）.显色性是指事物的真实颜色（其自然的色泽）与某一标准光源下所显示的颜色关系。

Ra 值的确定，是将DIN6169标准中定义的8种测试颜色在标准光源和被测试光源下做比较，色差越小则表明被测光源颜色的显色性越好。

Ra值为100的光源表示，事物在其灯光下显示出来的颜色与在标准光源下一致。

(10) 灯具效率灯具效率（也叫光输出系数）是衡量灯具利用能量效率的重要标准，它是灯具输出的光能量与灯具内光源输出的光能量之间的比例。

在标准条件（参见GB/T9468-1988中的3.1条）下测得的灯具光通量与此条件下裸光源光通量之和的比值。

（11）路面亮度均匀度保证亮度均匀度是为了给司机提供良好的能见度和视觉上的舒适性。

如果亮度高，则均匀度要求可以不很严格。

干燥路面和湿路面的路面亮度有很大变化，均匀度也相应有很大变化。

严格的均匀度要求，一般限于干燥路面和路面平均亮度较低的情况。

1）总均匀度（U 0）照明装置保证提供良好的路面平均亮度后，路面上一些局部区域还可能出现最小亮度L min 。

通常较差的亮度对比都发生在路面较暗的区域，往往影响到对障碍物的辨认。

为了使路面上所有区域都有足够的亮度和对比度，提供令人满意的能见度，需要规定路面最小亮度和平均亮度比值的范围。

avL L U m in0=（11.1） 式中：L av ——距车道边缘1／4宽度处（左或右）测得的路面平均亮度；L min ——距车道边缘1／4宽度处（左或右）测得的路面最低亮度。

对于隧道总均匀度包括路面和两侧2m 高范围内的墙面，昼间U 0≥0．7；夜间U 0≥0．5。

对于露天道路一般不低于0．4。

2）纵向均匀度（l U ）为了提供视觉舒适性，要求沿各车道线中心线有一定的纵向均匀度。

纵向均匀度是沿中心线的局部亮度的最小值和最大值之比。

maxminL L U l =（9.3.2） 式中：L max —从车道线中心线上测得的最大亮度；L min ——从车道线中心线上测得的最小亮度。