光學和照明工程基本知識

【資料簡介】

一、 什么是光————光是一種電磁輻射
可見光是電磁輻射的一部分，電磁輻射包括微波、紅外、可見光、紫外輻射、x射線和γ射線。在這些電磁輻射中，只有可見光波段是眼可見的。 可見光波段包括波長380-780納米（1納米=10-9米）的電磁波段。
不同的波長給人眼造成不同的顏色感覺，從紅、橙、黃、綠、藍、靛（即藍紫）到紫。圖1為可見光的顏色和波長分布圖，表示的是可見光在整個電磁波段中所占的范圍。


 可見光的顏色和波長分布

在可見范圍之內，眼睛的敏感度隨波長的變化而強烈變化。例如，在很好的照明條件下（明視覺），眼睛對550nm波長的光（黃光）的敏感程度是紅光或藍光的20倍。在低照明水平下（暗視覺）敏感度的峰值下降為50nm，接近于光譜的藍光一端。
所有工作照明和辦公照明的設計都要考慮上述因素，為了更好地做好固定照明的咨詢工作，首先要了解光學度量的幾個基本量。

 可見光在整個電磁波段中所占的范圍

二、光學度量的幾個基本量
1．光通量
光源在單位時間內發出的光的總量。單位：流明（Lm）。
光通量表示的是光源發光的能力，類似于抽水機的流量，抽水機的流量越大，表示抽水機的抽水能力越強。同樣，光通量越大，表示光源發光能力越強。
2. 光效
某一光源發出的光通量與其消耗功率的比值。單位：流明/瓦（Lm/W）。
光效表明光源發光的效率，也就是說，每提供1瓦電功率，能產生多少流明的光。這是一個與節能有關的指標，光效越高的光源越節能。
3. 光強（Iv, I）
光源在給定方向上的單位立體角中發射的光通量。單位：坎德拉（cd）
光強表示的是光源（點光源）有多亮，是光源本身的特征，與觀察者離光源的距離無關。同一燈具，在不同方向的光強是不同的。
4. 亮度（L）
光源在某一方向上的亮度是光源在在該方向上單位面積的單位投影面在單位立體角中發射的光通量。單位：cd/m2
亮度是對于面光源的一個特征指標，這個面光源通常是一個反光面，也可以是發光面（如熒光燈的表面，或燈箱的表面）。它表示這個發光表面有多亮。與光強一樣，也是與觀察者離光源的距離無關。
顯然，發光面的面積越大亮度越大，為了準確表示發光面的特征，所以用單位面積的光強來表示發光面有多亮。
5. 照度 （E）
照射到表面一點處的面元上的光通量除以該面元的面積。單位：勒克斯（Lx）
通俗一點說，若1流明的光通量均勻投射在1平方米的面積上，那么這個面上的照度就是1勒克斯，1 Lx=1 Lm.m-2。
照度表示被照物體照得有多亮，它是照明設計中一個重要的指標，照明設計中對不同的場所和不同的工種要求的照度不同（見下面的舉例）。
表1 中列出了幾種典型的照度，使大家對照度大小有一個數量級的概念。
表1   照度的數量級概念

照度環境情況	照度（勒克斯）
無月夜天光在地面產生的照度	0.0003
接近天頂的滿月在地面產生的照度	0.2
辦公室工作所必須的照度	20--100
晴朗夏天在采光良好的室內照度	100--500
晴朗夏天太陽不直射的露天地面照度	1000--10000

舉例1：
7010手電在2米距離，照度是300 lx，
8020手電在2米距離，照度是1200 lx
舉例2：
對于不同的工作場所照明委員會對于不同的工作場所，照明委員會（CIE）給出了推薦照度值。
比如：
鋼鐵工業
全自動生產車間――――50 lx
半自動生產車間――――200 lx
人工操作生產車間―――300 lx
控制臺、產品檢驗―――500 lx
電廠配、變電所
     變壓器室、高壓電容器室――――――20～30～50
     高低壓配電室、低壓電容器室――――――30～50～75
     值班室――――――75～100～150
     電纜間（夾層）——————10～15～20
以上是舉少數幾個例子，讓大家對照度有個基本概念，有關照明委員會（CIE）給出了推薦照度值，在后面表  中將詳細列出。
 表示的是光通量、照度和亮度之間的關系，燈泡發出光（光通量），照到桌面上，桌面被照亮，因此，桌面上就有了照度；桌面反光，形成面光源，所以面光源就有一個亮度的指標。


光通量、照度和亮度之間的關系

6. 色溫（CCT）
當光源所發出的光的顏色與黑體在某一溫度下的輻射的顏色相同時黑體的溫度就稱為該光源的顏色溫度，以溫度K（Kelvin）來表示。如果我們將一鐵塊加熱，鐵塊發光的顏色與鐵塊的溫度有固定的對應關系。隨著溫度升高，鐵塊開始由暗紅→紅→淺紅→橙黃→白色，逐漸變化。試驗證明，色溫與發光材質無關，只與溫度有關。對應某種溫度的顏色，我們稱為色溫。
色溫越低，光色越偏紅，色溫越高，光色越偏紫，白色的色溫是5000K～6000K（太陽表面的溫度），對于人眼是的色溫。
由于熱而發光的光源，如白熾燈、發光的鐵塊、太陽等，表面的溫度多高，所發光的色溫就是多高。但有些氣體放電燈如金鹵燈、熒光燈，其發光機理不是高溫發光，所以表面溫度與色溫沒有對應關系，但我們可以用與它的顏色zui接近的熱發光物體的表面溫度來表示它的色溫。

7． 顯色指數（Ra）
表征在特定條件下，經某光源照射的物體所產生的心理感官顏色與該物體在標準光源照射下的心理顏色相符合的程度的參數。
它表示的是用這個光源照射物體，拍下彩照的顏色保真程度，顯色指數越高，色彩失真越小。用通俗語言來說，顯色指數指的是光源發出的光中各種顏色含量的程度，若各種顏色都包含，且每種顏色光占的比例符合熱發光物體所發的光的各種顏色光的比例，則顯色指數為100%，若光源發出的光缺少某種（或某些）顏色的光，或者各種顏色的光占的比例不適當，則顯色指數低，偏差越大顯色指數越低。
日光無疑顯色指數zui高，為100%；
白熾燈（包括普通白熾燈和鹵鎢燈）屬于熱發光光源，也為100%；
金鹵燈、鏑燈等一般顯色指數為85%～88%；
熒光燈顯色指數為70%～80%；
節能型熒光燈、高壓汞燈顯色指數為40%～65%；
高壓鈉燈由于是接近單色的燈，顯色指數很低，小于40%；

三、  照明設計有關的幾個概念

1．眩光
     當視場中某光源或物體的亮度比眼睛已適應的亮度大得多時，人就會有眩目的感覺，次現象稱為眩光。
由于亮度分布或范圍的不合理分配或空間或時間上的強烈反差，而引起的不舒適視覺條件或觀察能力的下降。
下面中，工作者前方水平方向上下150范圍內射向眼睛的光如果比背景光強時，就會感覺刺眼，這就是眩光。


眩光產生的范圍
（1） 眩光的種類
l 直接眩光：眼睛直視光源時感到的刺眼眩光，如直視太陽或夜間對方來車車燈 ，閱讀時的直接眩光即看燈管時的刺眼眩光。
l 反射眩光：光源投射對象后對象反射至眼睛的光線，一般常稱為反光， 此種眩光對舒適影響zui大。
l 對比眩光：室內主燈與桌燈明暗比過大時，即會有對比眩光。

 眩光的種類

 

（2） 眩光造成的傷害
反射眩光會使影像模糊化，產生干擾，容易造成眼睛疲勞，降低工作效率，甚至造成眼睛酸痛，心神煩亂、疲勞和緊張，頭痛的問題，根據美國研究報告指出，平均每五位上班族就有四位受到眼睛不適的困擾，而且大多數都有頭痛、疲倦、經常流淚的癥狀。
（3） 預防眩光的措施
l 通過選擇具有適當保護角的燈具以及合理增加燈具安裝高度，可有效地減少直接眩光。例如：我公司產品EBF201和無極燈系列。
l 選擇合適的布燈位置，以使工作者的眼睛不是處于入射光的鏡面反射方向上。從而減少工作面上的反射眩光和作業上的反射眩光。
l 采用發光面積大、亮度低的燈具來照明。
l 使用的工作面，如墻壁、紙張、操作臺面等應該是無光澤的，這也有幫助減少反射眩光。
（4） 燈具防止眩光的實例
l EBF201防眩通路燈：燈具采用特殊成型的帶有許多直條棱邊的透光鏡，使燈具向兩邊發射的眩光折射改變方向后向前照射，因此當人行進在照亮的通路中，燈具兩側發出的眩光就被避免了。
2．配光曲線

配光曲線示意圖

配光曲線的單位是cd/k.lm（讀為：坎德拉每千流明），配光曲線是燈具的*性質，同一個燈具，只要裝上同類型的電光源，無論是50W、100W、500W還是1000W，其配光曲線*一樣，原由配光曲線主要是由燈具反射器決定的。
上圖為某一燈具的配光曲線，我們看到，此燈具發光為不對稱發光，左側的光強小于右側光強。燈具正面00方向光強zui強，為560cd/k.lm，現在我們假定燈泡光通亮為8500 lm，則00方向光強為

燈具的00方向，距離為6米處的照度為

有了配光曲線和燈泡的光通量，用上面同樣的方法可以算出任意方向的光強和確定距離處的照度。
從配光曲線上我們也可看出燈具的配光性質，如投光燈具有對稱狹長形的配光曲線，泛光燈具有扁平形的配光曲線，非對稱燈具的配光曲線是非對稱的。

3．距高比
在固定照明設計中，燈具總要安裝一定的高度，并且每兩只燈具之間有一定距離。當高度一定時，燈具之間距離越小，照度的均勻度越高，距離大了，照度就不均勻。這個均勻度只與距離和高度之比有關。比如，某種燈具，一種設計安裝時高度為10米，燈與燈之間距離為7米；另一種設計安裝時高度為5米，燈與燈之間距離為3.5米，這兩種安裝方式照度差別很大，但照度的均勻度是一樣的。
一般判斷照度的均勻度是用的區域內zui小照度與平均照度之比來表示。照度的均勻度等于0.8，被認為是設計允許照度均勻度的zui小值。
燈具的距高比是燈具安裝時，照度的均勻度不小于0.8的燈具之間距離與燈具安裝高度之比。記為： L/H。圖7為距高比的示意圖