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电气照明技术主讲衢州学院郑秀莲第一章照明技术的基本知识•第一节光•第二节光与视觉•第三节光与颜色•第四节绿色照明第一节光一、光和光谱光是能量的一种存在形式，可以通过电磁辐射方式从一个物体传到另一个物体，光的本质是一种电磁波（电磁辐射）。从物理学角度讲，光是电磁波谱的一部分，波长是380~780纳米.描述辐射能的理论有:（1）、微粒论由牛顿提出；（2）、波动论由惠更斯提出；（3）、电磁论由麦克斯韦提出；（4）、量子论由普朗克提出；（5）、统一论由德波洛格里和海申堡格提出。1、光的概念波长在380~780nm(1nm=10-9m)的电磁波，作用于人的视觉器官能产生视觉，这部分电磁波叫可见光。不同波长的可见光在视觉上会形成不同的颜色，只含一种波长成分的可见光称单色光，可见光分成：红、橙、黄、绿、青、兰、紫等七种单色光。紫光左边是紫外区，红光右边是红外区。由于它们也能够有效地转换成可见光，而将它们一同称为光。2、光谱辐射通量及其能量分布（1）光谱辐射通量。是指物体单位时间内发射或接收的辐射能量。或者在介质中单位时间内传递的辐射能量，单位是W。在实际工程中光源发出的都是复合光，将其分为具有线光谱和连续光谱的复合光。光谱辐射通量定义为：辐射源在给定波长范围内，产生的辐射通量与该波长范围之比，单位是W/M.（2）、辐射通量的光谱分布定义：光源的辐射能量随波长而变化的规律。常称为光谱能量分布，可用曲线表示。实际测量是分成若干波长段，测量其每一波长段的辐射通量。一般取5~10纳米为一个波长段。3、光谱光效率3.1、光谱光效率光谱光效能是单位辐射通量产生的视觉强度。光刺激引起的视觉强度与光能量大小有关，还与光的波长有关。常用光谱光效率来表示人眼的视觉灵敏度。给定波长的光谱光效能与最大光谱光效能Km之比表示为：V(λ)=K(λ)/Km3.2、明视觉与暗视觉亮度在10cd/m2为明视觉，亮度在10-2cd/m2为暗视觉。实验表明：明视觉下对555纳米的黄绿光最敏感，暗视觉下对507纳米的光最敏感。二、常用的光度量以能量单位评价光辐射的纯物理量称辐射度量。以视觉效果来评价光辐射的量叫光度量。两者有密切的关系，后者可由前者导出。照明工程常用的光度量：光通量（Φ）、发光强度（I）照度（E）、亮度（L）。1、光通量•定义：单位时间内光辐射能量的大小（Ф）。•单位：流明（lm）光通量是光源发光能力的基本量。例如：一只220V、40W的白炽灯光通量为350流明，而一只220V、36W、6200K的T8荧光灯约为2500流明，说明荧光灯的发光能力比比白炽灯强。光通量也是根据人眼对光的感觉来评价光源在单位时间内光辐射能量的大小的。例如：一只200W的白炽灯比100W的灯泡看起来要明亮许多，说明200W灯泡在单位时间内发出光的量多于100W灯泡发出的光的量。2、发光强度（光强）•定义：光源向空间某一方向辐射的光通密度。即光源向给定方向的立体角元ｄω内发射的光通量dΦ与该立体角之比，称为光源在给定方向的光强。•符号：I,单位：ｃｄ（坎德拉）。•表达式：I=ｄφ/ｄω立体角•定义：任意一个封闭的圆锥面所围的空间。以锥的顶点为球心，半径为r的球面被锥面截得的面积来度量。设锥面在球面上截得的面积为dA时，则该立体角为一个单位立体角ｄω。•表达式：ｄω=dA/r2•光强：光源发射光通量比较均匀，则各方向光强相等，I=Ф/ω,ω=S/r2是空间立体角单位球面度sr。平均球面光强I=Ф/4π光强的单位是坎德拉是国际单位制的基本单位之一，其它光度量单位是由光强的单位推导出来的。光强用来描述光源发出的光通量在空间给定方向的分布情况。例如：一盏220V40W的白炽灯，其发出的光通是350流明，裸灯泡平均光强为350/4π=28坎德拉，在上面罩灯罩，桌面会看起来亮些，而光通没有变化，说明光强在空间商的分布密度发生了变化，向下的光通增加，相应的光强提高，亮度增加。3、照度•定义：被照面上单位面积入射的光通量。•表达式：E=ｄφ/ｄA，平均照度为φ/A•单位：勒克斯照度是照明工程中最常用的术语和物理量之一，作为考察照明效果的量化指标。为了增加对照度概念的理解举例如下：•（1）在40W的白炽灯下1米远处的照度约为30lx，家搪瓷伞形白色灯罩可增加为70lx•（2）满月晴朗月空下位0.2lx•（3）晴朗白天室内为100~500lx1lx的照度能辨别物体的轮廓，5~10lx看书模糊，短时阅读照度不应低于50lx。4、亮度•定义：单位投影面积上的发光强度。某方向的发光强度ｄl与包含被观察点的面元ｄA在垂直于观察者方向上的投影面积ｄAcosθ之比。它是描述发光面或反光面上光的明亮程度的光度量。它考虑光的辐射方向。•符号及单位：L，坎德拉/平方米•表达式：Lθ＝ｄl/ｄAcosθ公式表明亮度与光强或反光程度有关，也与发光面或反光面面积有关。例如：白色与黑色物体相比，白色亮些，因为反射程度高，和磨砂灯比较，表面面积凹凸不平，发光面大，所以暗淡些。下面的例子说明该单位的大小：（1）40W荧光灯表面亮度为7000cd/m2（2）无云晴朗天空平均亮度为5000cd/m2（3）太阳的亮度达1.6×109cd/m2以上。当太阳光达到1.6×105cd/m2人眼就感觉难受。三、光的辐射这里介绍的是人工光源的辐射，各种光源产生的光辐射不同，但他们的机理是相同的。1、辐射的产生产生光辐射的主要是最外层电子，在被激发迁移吸收能量而在去激发跃迁时电子的能量随之释放，该能量就被转化成光能自发向外辐射，形成了光的辐射。单个原子发射的是线光谱，，而分子光谱接近连续谱线。人工光源常用的辐射源有：热辐射、气体放电、电致发光2、热辐射当物体被加热到高温时，组成它的原子或分子将产生热运动，相互碰撞从而使电子获得能量而被激发，产生辐射。（1）黑体辐射所谓黑体就是入射的光辐射完全被吸收，没有反射和透射的完全辐射体。因此黑体的热辐射将只取决于温度，温度一定，其光谱能量就一定。普朗克定律：描述的是不同温度下黑体光谱辐射功率与波长的函数关系。这种形式的辐射就是热辐射，黑体辐射是具有连续光谱成分的复合辐射。黑体辐射的主要特点•第一，随温度升高黑体辐射总能量迅速增加。•第二，随温度升高，黑体辐射曲线最大值移向短波，具有最大辐射功率的波长与黑体温度成反比。实际现象是：当物体加热时颜色变化是红黄蓝。当温度在2000~5000K时，黑体的辐射温度越高，最大辐射功率的波长就移向可见光区。黑体是不存在的，人工热辐射光源中采用的是钨丝辐射。（2）钨丝辐射钨丝辐射与黑体辐射原理相同，性能相似，能承受2000K以上高温，在可见光区域选择辐射率较高，其能量分布是连续光谱，与辐射温度有密切的关系。钨丝辐射在可见光区域内的选择辐射率更高，辐射功率的峰值偏向于可见光区，显然做光源光效更高。钨丝辐射波长范围很大：少部分可见光，少部分紫外线，大部分红外线，随着温度的升高可见光比红外线增加速度更快，尽可能提高工作温度就会提高辐射光效。3、气体放电•定义：在电场的作用下，载流子在气体或蒸汽中产生并运动，，从而使电流通过气体的过程。原子被电离成电子与离子，离子比电子重几千倍，很少移动，离子流是、总电流的0.1%~1%。•气体放电分类：低气压、高气压放电。气体放电主要是在充有气体的管中以原子辐射形式产生光辐射的。（1）低气压放电放电管内的气体一般是汞蒸气和钠蒸气，管内气体总气压约为百分之一大气压时（气体压力较小时），产生的气体放电就是低气压放电。低气压时，组成气体的原子间距离较大，它们的辐射看成是孤立原子产生的原子辐射，即线光谱。（2）高气压放电放电管内气体压力升高到几个大气压时，产生的放电就是高气压放电。它包括强的线光谱成分和弱的连续光谱成分。4、电致发光•定义：电流通过半导体等类似物质时产生的发光现象称电致发光。电致发光不需要加热等中间过程，直接将电能转化成光能。•满带、导带、禁带（1）满带：未被激发状态下电子所具有的能量水平。（2）导带:被激发状态下电子具有的能量水平。正常时电子在满带，激发时迁移到导带。（3）禁带：电子不能在禁带滞留。•电致发光的特点在半导体中摻入少量杂质，可以产生一些特殊的能级，即局部能级，在电场作用下各能级之间会产生激发迁移或去激发跃迁。从而产生转换成光能。其辐射波长取决于跃迁前后所在能带的能量差。由于能带复杂，电致发光可能是线光谱，带光谱或连续光谱。四、物质的光学特性•光的吸收•光的折射•光的透射•光的反射•光的偏振•光的衍射光的吸收•吸收比α：介质吸收的光通量Φα与入射光通量Φi之比，以小数或百分数表示。α=Φα/Φi•非透明表面颜色深越粗糙α越大。•光在介质中传播的光程也就是介质的厚度越大，介质吸收的光越多，α越大。•介质对光的吸收还与光入射方向和偏振状态有关。2、光的折射和透射•（1）光的折射in1n1n2n2(a)n2n1(b)n2n1光的折射rir•1、光疏物质、光密物质光在其介质中传播速度较高的为光疏物质，反之为光密物质。两角之间的关系符合折射定律：n1sini=n2sinΥ折射定律适用于大多数材料：玻璃、透明塑料、液体•（2）光的透射在透射光中，光所包含的单色成分的频率不变，但光通量及立体角会改变。透射比г:г=Φг/Φi透射比说明物质的透光性，，材料透明度越高，透射比越大，同中物质，厚度越大则越小。•定向透射•扩散透射3、光的反射•光在反射时，传播方向和能量发生改变，但所包含的单色成分的频率不会改变。•反射比ρ，ρ=Φρ/Φi，材料的特性如光滑程度，颜色，透明度，光的波长入射角及偏振状态有关。表面光滑，颜色浅，透明度小，入射角大则反射比高。•定向反射•扩散反射全反射•发生的条件：光从光密射向光疏物质时•临界入射角A：A=arcsinn2/n1光由水射向空气的临界入射角度是48.5度•Φi=Φα+Φρ+Φгα+ρ+г=14、物质的光谱选择性•定义：光的波长不同，各种物质对光的吸收比，透射比，反射比就不同，这种现象就叫光谱选择性。例如：当阳光照在绿叶上，它对绿色波长的光，反射光通量最大，因此人们感觉到叶子是绿色的，如果物体没有该特性，世界将是黑白的。我们可以用光谱吸收比，透射比，反射比来表征光谱选择性。•颜色视觉有色彩的表面对与它色彩相同波长的光的反射能力最强，而对其他波长的光反射能力很弱。当与彩色表面相同波长的光照射到物体表面时，反射光射入眼睛产生颜色视觉。第二节光与视觉•视觉：光射入眼睛后产生的一种知觉。视觉取决于光依赖于光。视觉可以使人们察觉物体的存在以及它的运动，颜色，明亮度，形状等。视觉过程•视觉的生理基础：眼睛的构造•巩膜：眼睛的外壳，质地坚硬，白色不透明体，使眼球固定在某个位置，前部为透明的角膜。•脉络膜：由血管组成的中间衬垫，向眼球提供养分，前部是虹膜，是一个彩色光阑，用于自动调节进入眼睛内的光量。例如：当光线暗淡时就使瞳孔扩张。瞳孔是位于虹膜中心的小孔。•视网膜：位于最里面的一层，是眼睛的视觉感受部分，相当于胶卷，由神经组织组成，包括锥状和杆状神经。锥状神经达几百万个，在中心凹区最集中，它在昼间看物体，可辨别颜色。色盲就是锥状神经功能失调导致。杆状神经：数量也达到几百万个，呈扇形分布在黄斑到视网膜边缘的整个区域内。它在夜间起作用，它们不能感知颜色，在照度低时，它对蓝色光敏感度比锥状神经大许多倍。因此在战争年代实行灯火管制时不用蓝色光而用红色光。•黄斑：大小约0.4毫米，位于视网膜中央，看物体最清楚。•盲斑：视神经进入眼球的位置，没有感光能力。•水样体：在角膜和虹膜间的水状溶液，随时间推移会变色。•晶状体：具有自动调节功能的多层体。当观看6米以外的物体，眼睛处于正常休息状态，在看书或工作时人们观察距离一般为36厘米，长时间连续聚焦会产生疲劳感。•玻璃状液体：是一种胶状物质，分布于晶状体后面，用于协助晶状体使光线折射或弯曲，最终进入黄斑区，晚上进入黄斑附近区域。视觉的产生当发光体或非发光体的反射光射入眼睛，经过角膜、前房、晶状体、玻璃体后依靠瞳孔和晶状体的调节控制进入的光线，最后落在视网膜上，视细胞吸收了光，其含