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1、照明光学知识一、 照明光学基础1.2.1 光的度量（1）光通量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 （入）曲线的效率被人眼所接受,若辐射体的光谱辐射通量为.，其光通量的表达式为:e九1.2.1)严。380式中：Km最大光谱光效能，6831m/w；V （入）明视觉光谱光效率；.光谱辐射通量，即在给定波长为入的附近无限小范围内，单位时间内发出辐射能 e九量的
2、平均值，单位为W / nm。辐射通量也称辐射功率；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，11m是发光强度为led （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3501m,而一只220V、40W荧光灯发射的光通量为21001 m,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， 5000-7000KXR-C IW 8A， B， C， D M3： 45.7-51.7LM，
3、 2600-2900KXR-C DW WC， WD， WF， WG M3： 45.7-51.7LM， 5000-7000KXR-C DW WC， WD， WF， WG N2： 51.7-56.8LM， 5000-7000KXR-E IW 8A， B， C， D N2： 51.7-56.8LM， 2600-2900KXR-E IW 8A， B， C，D P2： 67.2-73.9LM， 2600-2900KXR-E DW WC， WD， WF， WG P2： 67.2-73.9LM， 5000-7000KXR-E DW WC， WD，WF，WG P3： 73.9-80.6LM， 5000-700
4、0KXR-E DW WC， WD，WF，WG P4： 80.6-87.4LM， 5000-7000KXR-E DW WC， WD，WF，WG Q2: 87.4-93.9LM, 5000-7000KXR-E DW WC， WD，WF，WG Q4: 100-107LM 5000-7000KXR-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921所示，S为点状发光体， 它向各个方向辐射光通，若在某方
5、向上取微小立体角ds,在此立体角内所发出的光通量为d，则两者的比值即为该方向上的光强I,即:9.2.2)若光源辐射的光通量是均匀的，则在立体角3内的平均光强I为： 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r2，则该立体角即为一个单位 立体角，称为球面度，其表达式为：r2显然一个球体包含4 n球面度。9.2.4)发光强度的单位是坎德拉（cd）,在数量上的发光强度f/sr。坎德拉是国际单位制的基本单位 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
6、大会通过的坎德拉定义 为：一个光源发出频率为540 X 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1 / 683W / sr,则光源在该方向上的发光强度为led。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3501m光通量，它的平均光强为350/4n=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70cd80cdo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
7、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。llx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，则照度E为:9.2.5)口 ddA对于任意大小的表面积A,若入射光通量为。则在表面积A上的平均照度E为:9.2.6)照度的单位为勒克斯(lx), llx即在lm2的面积上均匀分布11m光通量的照度值，或者是一 个光强为led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。llx的照度是比较小的，在此照度下
8、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0.21x, 白天采光良好的室内照度为1001x5001x，晴天室外太阳散射光(非直射)下的地面照度约为 10001X，中午太阳光照射下的地面照度可达100000 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，则该单元面 积的平均光出射度M为：dA9.2.7)对于任意大小的发光表面A,若发射的光通量为，则表面A的平均光出射度M为:M
9、 =(9.2.8)A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/ m2。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=PE(9.2.9)透射发光：M=tE(9.2.10)式中：P被照面的反射系数(反射比)；T 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/川。 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
10、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AA,从与表面法线 成e角的方向去观察，在这个方向上的光强与人眼所“见到”的光源面积及亮度Lfl间的关 0 0 系为：L = 鸟(9.2.11)9 AA AA eos09.2.12）扩散面图9.2.2广光源单元面积上的亮度图9.2.3理理想漫想反漫射反面的光强分布A=AAcos 9如果AA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 10 = I0cos 9 代人式（9.2.11）得：I cos0 IL = o= = L0 Acos0A 0dA# I =1 c
11、os00 00表明亮度光源与方向积上的等于常量l0, 的表面，光出射度M与亮度L的关系为：即从任意方向看射， 面亮的度光都是一样的。对于完全扩散强分布M=nL（9.2.13）亮度的单位为尼特（nt）, 1nt= 1cd / m2。表9.2. 1列出了各种光源的亮度。各种光源的亮度表921光源亮度（cd/m2）光源亮度（cd/m2）太阳1.6X109 以上蜡烛（0.51.0）X104碳极弧光灯（1.812）X108蓝天0.8X104钨丝灯（2.020 ）X 106电视屏幕（1.73.5 ）X 104荧光灯（0.51.5）X104（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
12、展的历史：白炽灯f直管型荧光灯f高效电子节能灯一LED灯）使用光源LED荧光灯普通灯泡咼压钠灯光源光效100流明/瓦80流明/瓦20流明/瓦110流明/瓦电源效率90%85%100%90%有效光照效率90%60%60%60%灯具（取光）效率90%60%60%60%寿命50000小时2000小时2000小时10000小时综上，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
13、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
14、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)
15、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（u0）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Lmino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。min0L11.1 )av式中：L距车道边缘1 / 4宽度处（左或右）测得的路面平均亮度
