第01章-光和光度量-照明工程

《照明工程》第一章光和光度量2010-12-8《照明工程》主要内容™光的基本概念¾掌握光的基本概念和本质；¾掌握光谱光视效率的概念；™常用的光度量¾掌握常用的光度量(光通量、光强、照度)¾掌握常用的光度量(光出射度、亮度)™材料的光学性质¾掌握材料的光学性质(反射、折射、透射和吸收)¾了解材料的光学性质(亮度系数、光谱特性和其他光学性质)《照明工程》光与辐射™光是能量的一种形态，这种能量从一个物体传播到另一个物体，在传播过程中无需任何物体作为媒介。™这种能量的传递方式被称为辐射－－能量从能源出发沿直线向四面八方传播，尽管实际上它并不总是沿直线方向传播的，特别在通过物质时方向会有所改变。《照明工程》光的基本概念™光的本质™光具有波粒二象性，既是电磁波，又是光子流。™波动性表现为光的干涉、衍射、偏振、反射、折射；™粒子性表现为光的发射、吸收、色散、散射。《照明工程》光的基本概念™照明工程中，光是指辐射能的一部分，即能产生视觉的辐射能。™物理学中，光是电磁波谱的一部分。380～780nm™描述辐射能的理论有以下几种：¾1.微粒论—牛顿（Newton）¾2.波动论—惠更斯（Huygens）¾3.电磁论—麦克斯韦（Maxwell）¾4.量子论—普朗克（Planck）¾5.统一论—德波洛格里(DeBroglie)和海申堡格(Heisenberg)《照明工程》光的基本概念™目前用“电磁波理论”和“量子论”两种理论来阐述光的本质。¾电磁波理论－－发光体以辐射能的形式发射光，而辐射能又以电磁波的形式向外传输，电磁波作用在人眼上就产生光的感觉；¾量子论－－发光体以分立的“波束”形式发射辐射能，这些波束沿直线发射出来，作用在人眼上而产生光的感觉；™光在空间的运动可以用电磁波理论圆满地加以解释，光对物体(例如对阻挡层光电池光度计)的效应可用量子论圆满地加以解释。《照明工程》辐射能波谱™辐射能依波长或频率顺序排列的图形称为辐射能波谱或电磁能波谱。X射线紫外线可见光红外线远红外中红外近红外微波1nm10mm1mm1um紫蓝绿黄橙红380nm780nm《照明工程》辐射能波谱™到达地球表面的太阳光的波长范围从290nm到1700nm，Æ近紫外线，可见光，红外线™短于290nm的部分被大气层中较高部位的臭氧所吸收，™大于1700nm的部分被大气层中较低部位的水汽和二氧化碳所吸收。《照明工程》™电磁波™光辐射：紫外线、可见光和红外线；™紫外、红外线也能用光学元件进行反射、成像和色散；™眼睛不能感受到紫外和红外辐射的存在，但从生理上能感觉到－－发热。辐射能波谱《照明工程》光的基本概念™波长：相邻波峰之间的距离；mmmnmř频率：一秒钟内通过某给定点的波数量；Hz™紫外线(100～380nm)的三种效应：¾灭菌效应：波长长于320nm，杀伤微生物¾致红斑效应：297nm最大；¾对黑光荧光材料的激发效应：P4图1-4™红外线(780～1000nm)P4图1-5《照明工程》电磁波的传播™电磁波在媒介中传播速度υ由下式决定：其中，υ—在介质中波长的速度，m/sn—介质的折射率λ—在真空中的波长，mv—频率，Hznλνυ=《照明工程》视觉与亮度的关系™亮度在10cd/m2以上时，人眼为明视觉，则眼睛的反应不受影响；锥状感受细胞555nm¾人眼Æ颜色不同波长耳朵Æ不同频率声音™亮度在10-6~10-2cd/m2之间时，称为暗视觉。507nm30min适应时间™暗视觉：用视觉中心观察物体时反而不如用眼角观察时清楚柱状感受细胞（在视网膜的中央凹处很少）；柱状感受细胞对颜色差异不灵敏Æ暗视觉状态下的世界是无色的。《照明工程》视觉与亮度的关系™中间(介)视觉¾亮度增加到10-2cd/m2以上时，出现：¾中心凹的察觉开始变得和边缘部分的察觉一样容易，随后还会变得更容易；¾可以察觉到颜色，开始很弱，随后逐渐增强；¾不同颜色的相对明亮度发生变化，尤其是红色的明亮度比蓝色的明亮度显得更强。(普尔金耶Purkinje现象)《照明工程》约定™辐射度学Radiometry：研究各种波长的辐射能计量的学科；Æ用脚标e表示™光度学Photometry：对可见光的能量的计量研究学科；Æ用脚标v表示™不同波长的同等数量的辐射能通量,并不能引起同等程度的明亮感觉，在确定光度学度量时，不能不考虑眼睛的感受这一因素；¾人眼就是一种可见光探测器，其输入为用辐射量度量的可见光辐射，而输出为用光学量表示的光感受。™光度量和辐射度量之间的关系决定于人的视觉特性。™人对不同波长光响应的灵敏度是波长的函数Æ光谱光视效率函数《照明工程》辐射通量™辐射通量Φe等于发射或接收的电磁辐射总功率，以瓦(W)为单位，它可包括可见光辐射和不可见光辐射两部分。™光谱辐射通量Φeλ是单位波长间隔内的辐射通量，通常采用的单位波长间隔为1nm，因此，用W/nm表示。™辐射通量Φe可以用光谱辐射通量Φeλ在整个波谱范围内的积分来表示：∫∞Φ=Φ0λλdee《照明工程》常用的光量度－光视效能™辐射光效能K是用来度量由辐射所引起的视感觉情况，定义为以lm为单位的光通量除于以W为单位的辐射通量所得到的商：™对于中心波长为555nm的非常狭窄的波带范围内的光谱辐射通量来说，它的光视效能为683lm/W，用Km表示。(用绝对黑体作为标准光源计算出来的，母国光《光学》)evKΦΦ=＝辐射通量光源总的输出《照明工程》常用的光量度－光效率™光效率是对中心波长为555nm的非常狭窄的波带范围内的光谱辐射通量来说，它的光效能是683lm/W，用Km表示，其他任何波带的辐射通量的光效能K都小于Km，其比值K/Km称为辐射的光效率，用V表示。《照明工程》™光谱光视效率用来评价人眼对不同波长的视觉灵敏度。人眼对波长为555nm的黄绿光感受效率最高，故称555nm为峰值波长，以λm表示；用来度量辐射能所引起的视觉能力的量叫光谱光效能Km：683lm/W。其它任意波长时的光谱光效能K(λ)与Km之比成为光谱光视效率，用V(λ)表示，它随波长而变化，即：™P5图1-6光谱光视效率曲线mKKV)()(λλ=V(λ)1,如果V(λ)＝0Æ?《照明工程》常用的光量度－光通量™光通量(Luminousflux)是指单位时间光辐射能量的大小。它是根据人眼对光的感觉来评价的。我们称光源发出光的量为光通量。光通量是光流的时间速率。光通量Φ的表达式为：∫=780380,)(λλφφλdVKem《照明工程》常用的光量度－光通量式中，Km—最大光谱光效能，683lm/WV(λ)—明视觉光谱效率Æ查表Φe,λ—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∫=780380,)(λλφφλdVKem《照明工程》辐射通量Æ光通量™辐射通量单位：瓦特W™光通量：流明lm™当λ＝555nm时：¾1w=683lm;1lm=0.00146w;™其他：¾1w=683·V(λ)lm;《照明工程》常用的光量度－发光强度™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，引入了光通量的角（空间的）密度概念。dωαdAcosα《照明工程》常用的光量度－发光强度™光强(Luminousintensity)I为：™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：™立体角的定义；P7™单位立体角：Æ球面度(sr)P7™一个球体包含4π球面度。ωφddI=ωφdI=发光强度在数值上等于通过单位立体角上的光通量《照明工程》常用的光量度－发光强度™发光强度的单位是坎德拉cd，在数量上1cd=1lm/sr。™坎德拉的定义：一个光源发出频率为540×1012Hz的单色辐射(对应于空气中波长555nm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1cd。™发光强度通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。《照明工程》常用的光量度－照度™照度(Illuminance)是用来表示被照面上光的强弱，以被照场所光光通的面积密度表示。™照度的单位为勒克斯（lx）。™1lx=1lm/m2™dA:被照面上单元面积dAdEφ=照度在数值上等于投射到单位面积上的光通量《照明工程》常用的光量度－照度™点光源照射一平面时产生的照度:¾r2·dω=dA·cosα¾照度E=dΦ/dA=(I·dω)/dA=I·((dA·cosα)/r2)/dA=I·cosα/r2dωαdAcosαr《照明工程》常用的光量度－光出射度™具有一定面积的发光体，表面上不同点的发光强弱可能是不一致的。™光出射度(Luminousexitance,面发光度)™光发光度就是单位面积发出的光通量，单位为辐射勒克斯（rlx）。1rlx=1lm/m2™dA:发光表面上单元面积dAdMφ=光出射度在数值上等于通过单位面积所传送的光通量《照明工程》光出射度和照度™光出射度和照度具有相同的量纲，其区别在于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。《照明工程》常用的光量度－亮度™光出射度考虑了面积，没考虑方向Æ亮度P10图1－8™表征在一定方向上观察，人眼所“见到”的光源面积之比，定义为光源在该方向的亮度(Luminance)。™亮度的国际单位为坎德拉每平方米（cd/m2）。θcos'⋅=dAdAθωφθθcoscos'⋅⋅=⋅==dAdddAdIdAdIL亮度在数值上等于单位面积在其法线方向上的发光强度亮度在数值上等于单位面积的光源表面在法线方向的单位立体角内传送出来的光通量《照明工程》常用的光量度－亮度™如果dA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：™朗伯Lambert定理:™亮度Iθ与方向无关，常数L0表示从任何方向看，亮度都是一样的。余弦辐射体(朗伯面)θθcos0II=000coscosLdAIdAIL==⋅⋅=θθθθIθ＝I0cosθI0《照明工程》照度与亮度™必须注意，不要把照度与亮度的概念混淆起来。它们是两个完全不同的物理量。™照度表征受照面的明暗程度，照度与光源至被照面的距离的平方成反比。™而亮度是表征任何形式的光源或被照射物表面是面光源时的发光特性。如果光源与观察者眼睛之间没有光吸收现象存在，那么亮度值与二者间距离无关。《照明工程》cd/m2坎德拉/米2L光亮度lx(lm/m2)勒克斯(流明/米2)E光照度lm/m2流明/米2M光出射度cd(lm/sr)坎德拉(流明/球面度)I发光强度lm流明Φ光通量单位符号单位定义式符号量的名称∫780380,)(λλφλdVKemdAdφdAdφωφddθcos∗dAdI常用的光量度《照明工程》讨论1™人们常说40W的日光灯比40W钨丝白炽灯亮,是否说明日光灯的光亮度比白炽灯大?这里所说的“亮”是指什么?™40W日光灯比40W白炽灯亮,它的物理含义就是该日光灯的光亮度比该白炽灯的亮.40W日光灯的发光效率(57lm/w)比40W白炽灯的发光效率(10lm/w)大得多.该日光灯所产生的光通量远大于同瓦数的白炽灯.而光亮度是表示在某方向上单位投影面积在单位立体角内发出的光通量,所以说日光灯的光亮度要比同样瓦数的白炽灯亮.《照明工程》讨论1(续)™人们常说的“亮”是指人眼感觉的明亮程度,即灯光在人眼视网膜上所产生的照度.而照度是与灯的亮度、人眼的相对孔径成正比的.当相对孔径一定时,40W的日光灯与40W的白炽灯相比,前者的亮度大,则在视网膜上所产生的照度就比后者大,所以人眼觉得40W的日光灯比40W的白炽灯亮.《照明工程》讨论2™物体的光亮程度就是人眼感到的明亮程度,这种说法对吗?™物体的光亮程度并不代表人眼感觉到的明亮程度.因为物体的光亮度是描述发光体本身性质的一个物理量,而人眼感到的明亮程度取决于发光体在人眼视网膜上所产生的照度,它与发光体的亮度、人眼瞳孔的相对孔径成正比.™人眼瞳孔的相对孔径Æ瞳孔直径与焦距之比.《照明工程》计算1™设有一个