第一章光的基本知识

第一章光的基本知识 第一节光的概念 • 光的本质是什么 • 可见光（Visible light） • 不可见光 • 什么是光谱（Spectrum） • 光与颜色 • 什么是颜色（Color）

光的本质是电磁波。广义上，光是指所有的电磁波谱。狭义上的光是人类眼睛可以看见的一种电磁波，也称可见光。一般人的眼睛所能接受的光的波长在400-700纳米之间。像红外线，紫外线，伦琴射线等都属于不可见光。红外线频率比红光低，波长更长。紫外线，伦琴射线等频率比紫光高，波长更短。光的本质是电磁波。广义上，光是指所有的电磁波谱。狭义上的光是人类眼睛可以看见的一种电磁波，也称可见光。一般人的眼睛所能接受的光的波长在400-700纳米之间。像红外线，紫外线，伦琴射线等都属于不可见光。红外线频率比红光低，波长更长。紫外线，伦琴射线等频率比紫光高，波长更短。 • 不可见光是个比较笼统的概念，是指除可见光外其他所有人眼所不能感知的波长的电磁波，包括无线电波，微波，红外光，紫外光，x射线，γ射线、远红外线等。一般人的眼睛可以感知的电磁波的波长在400到700纳米之间，但还有一些人能够感知到波长大约在380到780纳米之间的电磁波。

光谱（spectrum） 光谱是复色光经过色散系统（如棱镜、光栅）分光后，被色散开的单色光按波长（或频率）大小而依次排列的图案，全称为光学频谱。光谱中最大的一部分可见光谱是电磁波谱中人眼可见的一部分，在这个波长范围内的电磁辐射被称作可见光。

自然光（日光）光谱

在1666年，牛顿把太阳光经过三棱镜折射，然后投射到白色屏幕上，发现原来光谱色分成了红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色。然而光谱并没有包含人类大脑视觉所能区别的所有颜色，譬如褐色和粉红色。在1666年，牛顿把太阳光经过三棱镜折射，然后投射到白色屏幕上，发现原来光谱色分成了红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色。然而光谱并没有包含人类大脑视觉所能区别的所有颜色，譬如褐色和粉红色。

颜色与光的混合 • 什么是光的三基色？

红，绿和蓝混合成白色

白光的其它组合： • 蓝色和黄色混合成白色（目前LED白光最主流的做法） • 绿色和紫红色混合成白色 • 红和青绿色混合成白色

第二节光的计量 • 光亮度（Lightness）— 发光强度（Intensity） • 光通量（Flux）— 流明（Lumen） • 光照度（Illuminance）— 勒克斯（Lux）

光亮度与发光强度 • 发光强度简称光强，国际单位是candela（坎德拉）简写cd。坎德拉是指 (Candela) I = F/Ω 光源在指定方向的单位立体角内发出的光通量。光源辐射是均匀时，则光强为I=F/Ω，Ω为立体角，单位为球面度（sr）,F为光通量，单位是流明。

亮度是指发光体（反光体）表面发光（反光）强弱的物理量。人眼从一个方向观察光源，在这个方向上的光强与人眼所“见到”的光源面积之比，定义为该光源单位的亮度，即单位投影面积上的发光强度。亮度的单位是坎德拉/平方米（cd/m2）亮度是人对光的强度的感受。它是一个主观的量。光亮度表示的是发光面明亮程度。对于一个漫散射面，尽管各个方向的光强和光通量不同，但各个方向的亮度都是相等的。电视机的荧光屏就是近似于这样的漫散射面，所以从各个方向上观看图像，都有相同的亮度感。

以下是部分光源的亮度值：单位cd/m2 • 太阳：1.5*10 ； • 日光灯：（5—10）*103； • 月光（满月）：2.5*103； • 黑白电视机荧光屏：120左右； • 彩色电视机荧光屏：80左右。

光通量与流明 • 流明(Lumen)是光通量的单位。是英文lumen的音译，简写为lm。 • 光通量指单位时间里通过某一面积的光能，称为通过这一面积的辐射能通量。绝对黑体在铂的凝固温度下，从5.305*103cm2面积上辐射出来的光通量为1lm。为表明光强和光通量的关系，发光强度为1cd的点光源在单位立体角（1球面度）内发出的光通量为1lm。

各色光的频率不同，眼睛对各色光的敏感度也有所不同，即使各色光的辐射能通量相等，在视觉上并不能产生相同的明亮程度，在各色光中，黄、绿色光能激起最大的明亮感觉。如果用绿色光作水准，令它的光通量等于辐射能通量，则对其它色光来说，激起明亮感觉的本领比绿色光为小，光通量也小于辐射能通量。各色光的频率不同，眼睛对各色光的敏感度也有所不同，即使各色光的辐射能通量相等，在视觉上并不能产生相同的明亮程度，在各色光中，黄、绿色光能激起最大的明亮感觉。如果用绿色光作水准，令它的光通量等于辐射能通量，则对其它色光来说，激起明亮感觉的本领比绿色光为小，光通量也小于辐射能通量。 • 一只40W的日光灯输出的光通量大约是2100流明。

光照度与勒克斯 • 勒克斯(Lux)是光照度的单位。被光均匀照射的物体，距离该光源1米处，在1m2面积上得到的光通量是1lm时，它的照度是1lux。 • 光照度可用照度计直接测量。光照度的单位是勒克斯，是英文lux的音译，也可写为lx。有时为了充分利用光源，常在光源上附加一个反射装置，使得某些方向能够得到比较多的光通量，以增加这一被照面上的照度。例如汽车前灯、手电筒、摄影灯等。

以下是各种环境照度值：单位lux • 黑夜：0.001—0.02； • 月夜：0.02—0.3； • 阴天室内：5—50； • 阴天室外：50—500； • 晴天室内：100—1000； • 夏季中午太阳光下的照度：约为10*9次方； • 阅读书刊时所需的照度：50—60； • 家用摄像机标准照度：1400

第二章光的照明知识 • 什么是眩光 • 什么是频闪 • 色温（Color temperature） • 显色性（Color rendering） • 光效

眩光 • 眩光（glare）是指视野中由于不适宜亮度分布，或在空间或时间上存在极端的亮度对比，以致引起视觉不舒适和降低物体可见度的视觉条件。视野内产生人眼无法适应之光亮感觉，可能引起厌恶、不舒服甚或丧失明视度。在视野中某—局部地方出现过高的亮度或前后发生过大的亮度变化。眩光是引起视觉疲劳的重要原因之一。

频闪 • 人们发现，长期在日光灯下看书会感到不舒服，虽然其光亮度与白天无异。这是为什么呢？经过研究，原来这是因为日光灯的光强是随时间变化所致。也就是光源的闪烁所致。

那什么是光源频闪呢？ • 光源频闪就是光源发出的光随时间快速、重复的变化，使得光源跳动且不稳定。一般在闪烁频率50Hz以下，人眼都能觉察到光源的闪烁。当频率达到一定程度时，比如100Hz，人们就分辨不出光源的闪烁了，此时的光源就发出稳定、连续的光。由于无极灯的原理是采用频率发生器的电磁感应，其频率远远大于100Hz，因此对比传统光源是真正做到无频闪的人造光源。

那为什么无频闪好呢？ • 有时我们会发现这样一种现象，当一个物体快速运动或转动时，它们看起来好像运动得比他们实际的速率要慢，或者出现跳跃式的运动。甚至当物体转动频率跟光源闪烁频率相同时，物体好像静止不动。这就是频闪光造成的，它是一种我们在日常的照明中不希望发生的现象。事实上，由于频闪效应，人们产生错觉，而把一些快速运转的设备看成是缓慢运转着甚至是静止的是非常危险的。因此我们说电光源的频闪效应，给人类生产、日常生活、身心健康造成了严重危害。可以主要归纳为以下几个方面：

错觉引发工伤事故：由于频闪产生静止、倒转、旋转缓慢，以及上述三种状态周期性重复的错误视觉引发工伤事故。 例如，机加工行业机床操作工。 • 危害身体健康，影响工作：频闪效应会引发视觉疲劳、偏头痛。特别是普遍采用直管型日光灯的照明场合尤为明显。例如，流水线上的插件操作工，容易因视觉疲劳、眼花，引起偏头痛。从而生产效率低下。 • 伤害青少年的眼睛，造成近视。在我国80年代以后，由于直管型日光灯的普遍应用，造成青少年视力下降明显，近视眼显著增多。

色温（Tc） • 科学定义是：通过发射体发射谱形状与最佳拟合的黑体发射谱形状比较确定的温度。它是表示光源光色的尺度，单位为K（开尔文）。色温是在摄影、录象、出版等领域具有重要应用。光源的色温是通过对比它的色彩和理论的热黑体辐射体来确定的。热黑体辐射体（“黑体”即能够吸收全部外来光线而毫无反射的理想物体）与光源的色彩相匹配时的开尔文温度就是那个光源的色温，它直接和普朗克黑体辐射定律相联系。

简单来说，色温反映的就是光的色调，其温度的概念不是冷热意义上的温度，而是给人的感觉，偏向红光的成为暖色调，偏向蓝光的称谓冷色调。简单来说，色温反映的就是光的色调，其温度的概念不是冷热意义上的温度，而是给人的感觉，偏向红光的成为暖色调，偏向蓝光的称谓冷色调。

不同色温下的颜色表现

显色性 • 光源对物体颜色呈现的程度称为显色性，也就是颜色的逼真程度，显色性高的光源对颜色的再现较好，我们所看到的颜色也就较接近自然原色，显色性低的光源对颜色的再现较差，我们所看到的颜色偏差也较大。 • 显色性是评价光源颜色好坏的一个重要指标。通常用“显色指数（Ra）”来评价。

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。当光源光谱中很少或缺乏物体在基准光源下所反射的主波时，会使颜色产生明显的color shift.色差程度越大，光源对该色的显色性越差。演色指数系数（Kau fman）仍为目前定义光源显色性评价的普遍方法。

白炽灯的显色指数定义为100，视为理想的基准光源。此系统以8种彩度中等的标准色样来检验，比较在测试光源下与在同色温的基准下此8色的偏离（Deviation）程度，以测量该光源的显色指数，取平均偏差值Ra20-100，以100为最高，平均色差越大，Ra值越低。低于20的光源通常不适于一般用途。白炽灯的显色指数定义为100，视为理想的基准光源。此系统以8种彩度中等的标准色样来检验，比较在测试光源下与在同色温的基准下此8色的偏离（Deviation）程度，以测量该光源的显色指数，取平均偏差值Ra20-100，以100为最高，平均色差越大，Ra值越低。低于20的光源通常不适于一般用途。

各常见光源显色指数Ra： • 白炽灯 95-100 • 荧光灯 75-90 • 卤钨灯 95-99 • 高压汞灯 22-51 • 高压钠灯 20-30 • 金属卤化物灯 65-90

不同显色指数下的颜色表现 • 连续光谱下的显色性

黄光下的显色性（如高压钠灯）

Ceramic Metal Halide 陶瓷金卤灯 Incandescent / Halogen 白炽灯／卤素灯 Induction Lamp 无极灯 Fluorescent 直管型荧光灯 Mercury 汞灯 Metal Halide 金卤灯 HPS 高压钠灯 Low Pressure Sodium 低压钠灯 • 不同光源下的显色性

CIE颜色坐标图 • 图中的黑色线条就是黑体辐射的轨迹曲线，而和他比较确定的就是相关色温。一般来说，越靠近黑体曲线和图的中心，显色指数越高。打个比方来说，色温和显色指数这两个指标就相当于确定光色质量的横坐标与纵坐标。

光效 • 光源所发出的总光通量（流明）与该光源所消耗的电功率（瓦）的比值，称为该光源的光效。因此光效的单位为流明每瓦（lm/W）。 • 光效是描述光源技术性能优劣的物理概念。发光效率值越高，表明照明器材将电能转化为光能的能力越强，即在提供同等亮度的情况下，该照明器材的节能性越强；在同等功率下，该照明器材的照明性越强，即亮度越大。因此对于光源来说，通常光效越高越好。

不同光源的光效对比

第三章光的照明应用 第一节天然光源与人工光源 • 光的天然用途可以概括为两个字：照明 • 光用来照明需要有光源。 • 自身能够发光的物体叫光源，光源分为天然光源和人造光源。 • 天然光源：比如日光。 • 人工照明就是相对于自然光的灯光照明。

第二节人工光源的发展 • 传统照明光源：第一代：以白炽灯、卤钨灯为代表的热辐射光源第二代：以低压钠灯、荧光灯为代表的低压气体放电灯第三代：以高压钠灯、金卤灯为代表的高强度气体放电灯 • 低碳照明光源：新一代：LED半导体光源、低频无极灯电磁感应光源、等离子灯（原子硫化灯）高能电离光源

第三节传统光源 • 热辐射光源。电流流经导电物体，使之在高温下辐射光能的光源。 • 气体放电光源。电流流经气体或金属蒸气，使之产生气体放电而发光的光源。

热辐射光源 • 白炽灯是将灯丝通电加热到白炽状态，利用热辐射发出可见光的电光源。白炽灯的光效虽低，但光色和集光性能好，是产量最大，应用最广泛的电光源。白炽灯具有很多的优点：简单、成本低廉、亮度容易调整和控制、显色性好（Ra=100）等等，但同时也存在着许多致命的缺点：如使用寿命短、发光效率低（仅有12％－18％可转化为光能，而其余部分都以热能的形式散失）、色温低（2700-3100K）。

气体放电光源 • 气体放电有弧光放电和辉光放电两种，放电电压有低气压、高气压和超高气压3种。弧光放电光源包括：荧光灯、低压钠灯等低气压气体放电灯，高压汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯等高强度气体放电灯，超高压汞灯等超高压气体放电灯，以及碳弧灯、氙灯、某些光谱光源等放电气压跨度较大的气体放电灯。辉光放电光源包括利用负辉区辉光放电的辉光指示光源和利用正柱区辉光放电的霓虹灯，二者均为低气压放电灯；此外还包括某些光谱光源。

高压汞灯：充有汞和惰性气体，工作时灯内汞蒸气处于高压状态的气体放电灯。 高压汞灯是紫外固化的标准灯，发热大，要用空气或水冷却，但功率高，适用于要求固化速率快的光固化涂料、油墨涂覆流水线。缺点是要求冷启动，就是说关灯后马上在开灯，是开不了的，必须等几分钟灯管冷却下来以后才能重新开启，这是和白炽灯是不同的。

高压钠灯

高压钠灯的光谱

由于高压钠灯发出的是黄光，因此其有效光效很低，并不能产生相应的视觉亮度，相当于大部分光都不能被眼镜接受，因此能量就被浪费了。不但如此，钠灯的显色指数和色温都过低，不适合作理想光源。作为路灯也不利于道路的合理照明。 • 除此以外，高压钠灯也存在启动慢的缺点。高压钠灯启动后，在初始阶段是汞蒸气和氙气的低气压放电。这时候，灯泡工作电压很低，电流很大；随着放电过程的继续进行，电弧温度渐渐上升，汞、钠蒸气压由放电管最冷端温度所决定，当放电管冷端温度达到稳定，放电便趋向稳定，灯泡的光通量、工作电压、工作电流和功率也处于正常工作状态。在正常工作条件下，整个启动过程约需10分钟左右。

金卤灯

金卤灯是在汞和稀有金属的卤化物混合蒸气中产生电弧放电发光的放电灯。它的主要特性和优点有： 光效可达100流明/瓦，日光色色温可达6000K，显色指数可以达到80，可调光。 • 缺点：金卤灯的光衰很大，造成使用寿命短，通常只有5000-10000小时。同时由于其光线中的紫外含量高，紫外辐射易造成灯具老化，进一步缩短其整灯的寿命。

传统荧光灯

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