照明技术(光和光的度量）

null照明技术照明技术 主讲:刘红宇null1.1光的基本概念 1.1.1光的本质 (可见）光是指辐射能的一部分，即能让人眼产生视觉的（电磁）辐射能。 从物理学的观点，光是电磁辐射波谱的一部分，波长范围在380～780nm之间很窄的范围内（集中于1014HZ附近），这个范围在视觉上因人可能稍有些差异。 任何物体发射或反射、透射了足够数量合适波长的辐射能，作用于人眼睛的感受器官，就可看见该物体。 描述辐射能的理论有以下几种： （1）微粒论 由牛顿(Sir Issac Newton 1643~1727 )提出，根据以下这些前提： a、发光体以微粒形式发射辐射能； b、这些微粒沿直线断续地射出； c、这些微粒作用在眼睛的视网膜上，刺激视神经而产生光的感觉。 （2）波动论 null 由惠更斯(Huygens)提出，根据以下这些前提： a、光是发光 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 中分子振动产生的； b、这种振动通过“以太”似水波一样传播出去； c、这种传播的振动作用在眼睛的视网膜上，刺激视神经而产生视觉 （3）电磁论, 由麦克斯韦(James Clerk Maxwell, 1831-1879 )提出，根据以下这些前提： a、发光体以辐射能形式发射光； b、这种辐射能是以电磁波的形式传播； c、这种电磁波作用在眼睛的视网膜上，刺激视神经而产生光的感觉.。 （4）量子论 由普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck, 1858-1947 )提出的现代形式的微粒论，根据以下这些前提： a、能量以不连续的量子(光子)发射和吸收； b、每个量子的大小为hν，其中 h＝6.626×10－34Js(普朗克常数)，ν为频率(Hz)。 null （5）统一论 由德波洛格里(De Broglie)和海申堡格(Heisenberg)提出 a、每一运动质量元伴随着波动，波动的波长λ＝h/mv 其中 λ——波动的波长； h——普朗克常数； m——微粒的质量； v——微粒的速度。 b、波动论或微粒论不能同时确定全部性质。 目前科学家们用两种理论来阐述光的本质，这就是“电磁波理论”和“量子论”。电磁波理论认为发光体以辐射能的形式发射光，而辐射能又以电磁波形式向外传输，电磁波作用在人眼上就产生光的感觉。量子论认为发光体以分立的“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。光在空间运动可以用电磁波理论圆满地加以解释。光对物体的效应可用量子论圆满地加以解释。 辐射能以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(下图)。可以用它来 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明各种不同辐射能波长范围之间的关系。null 辐射电磁波的频率范围很广104~1025HZ，电磁波的性质往往取决于它们的波长，通常根据它们的特性在整个波谱范围划分成不同的波段，如：无线电波、红外线、可见光、紫外线、x射线、宇宙射线等。null 在1666年，牛顿使一束自然光线通过棱镜，从而发现光束中包含组成彩虹的全部颜色。可见光谱的颜色实际上是连续光谱混合而成的。图表示光的颜色与相应的波段，波长从380nm向780nm增加时，光的颜色从紫色开始，按蓝、绿、黄、橙、红的顺序逐渐变化。 紫外线波谱的波长在100～380nm之间，紫外线是人眼看不见的。太阳是近紫外线发射源。人造发射源可以产生整个紫外线波谱。紫外线一般用于生物、医疗、工业探伤等。 红外线波谱的波长在780nm～lmm之间，红外线也是人眼看不见的。太阳是天然的红外线发射源。白炽灯一般可发射波长在5000nm以内的红外线。发射近红外线的特制灯可用于理疗和工业设施。红外线用于夜视、医学、气象、宇宙开发。 紫外线、红外线两个波段的辐射能虽然看不见，却与可见光一样，可用平面镜、透镜或棱镜等光学元件进行反射、成像或色散，故通常把紫外线、可见光、红外线统称为光辐射。 所有形式的辐射能在真空中传播时、速度均相同，c=1⁄≈2.997925×108m/s（约每秒30万公里） 。而当光线在不同媒质中传播时速度将发生变化。因光的振动频率f是恒定不变的，所以在折射率是n的媒质中，光速v是真空中光速c的1∕ n，即： null V=λf/n 式中 v－在介质中波长的速度，m/s； n－介质的折射率； λ－在真空中的波长，m。 f－频率，HZ。 媒质中光的波长λ′也将变成真空中波长λ的1∕n，即： λ′＝v/f=c/nf= λ/n 频率不同的光在媒质中的传播速度不同，折射率亦不同。这样，当包含有多种频率成分的复合光通过三棱镜时，光中不同频率的部分将按不同的折射角分开而形成光谱分布。 单色光：只含有单一波长的光。（如谱色光） 复合光：包含有两种及以上波长成分的光。这种光给人以混合色的感觉。 （太阳光就是复合光，它给人以“白光”的综合感觉；一般的照明光源也都是 复合光）。null1.1.2光谱光视效率 1、视觉光谱光效率V（λ）曲线（相对视敏曲线） 人眼对不同波长的光线灵敏度不同。简单地说，可见光范围内不同波长的光，在人眼里会首先呈现不同的颜色；现在即使让它们辐射功率相同，人感觉这些彩色光也不一样亮。经测试人眼对黄绿光最敏感，在辐射功率相同条件下感到黄绿色光最亮，而蓝、紫色光和红光则感到很暗。人眼的这种特点可用视觉的光谱光效率函数V（λ）（又称相对视敏函数）反映出来。 null 选择视觉正常的观察者进行测试，在产生相同亮度感觉的前提下，测出各个不同波长光的辐射功率ФY（λ）。 可以想象得到ФY（λ）越小，人眼对此波长光的灵敏度越高；如果ФY（λ）大，则意味着人眼对该光线不敏感。这样，可以用ФY（λ）的倒数来表示眼睛对波长为λ的光线的敏感程度，我们把它称为光谱光效能K（λ）。从测得的数据看，人眼对波长为555nm的黄绿光最敏感，有最大的光谱光效能Km=K（555）。把任意波长光的光谱光效能K（λ）与Km的比值定为人眼的光谱光效率，用函数V（λ）表示，即： V（λ）＝K（λ）/K（555）＝K（λ）/Km V（λ）＝ΦY（555）/ΦY（λ） 在波长为555nm时，V（555）＝1；其他波长时，V（λ）<1。 nullnull由图可以看出，明、暗视觉的曲线不重合。明视觉下人眼对黄绿光最敏感,最大灵敏度在555nm处；暗视觉下曲线左移，对波长短的光灵敏度增大，最大灵敏度在507nm处。null1. 2、常用的光度量单位 1）、光通量 ： 光通量是用人眼睛的感觉来衡量的光辐射功率的大小。波长为λ的光，辐射功率为Ф（λ）W，其光通量为： Фv（λ）＝KФ（λ）V（λ） 式中：K=683（lm/W）。 光通量的单位是流明（lm），波长为555nm的光的辐射功率为1W时，光通量是683lm（或1光瓦）。当光线中包含多种频率成分时，总的光通量将是光线中不同波长成分的光通量之和。如果是不连续的分布用累加，如连续的用： Фv（λ）＝K∫Фe（λ）V（λ）d λ 式中：Фe（λ）——光辐射体的功率波谱。 光通量在法定的计量单位中是一个导出单位，即：1lm的光通量等于发光强度为1cd（坎德拉）的均匀点光源在立体角为1sr（球面度）的空间范围内发出的光的通量。 光通量是说明光源发光能力的物理量。null2）、发光强度（光强） 为了表示光源在空间各个方向上发出的光通量的不 均匀性，而提出发光强度的概念。发光强度是光源发出光通量的空间角密度。如下图，空间中有一个点光源P向四周发出光线，从P向某个方向取立体角dΩ，在此角内的光通量为dФv，则两者之比为此方向上的发光强度I，即： Iv＝dΦv/dΩnull 立体角是从空间中一点放射出去而形成的锥体所包含的空间，单位是sr（球面度）。以锥顶为球心，R为半径作一球面，锥体射出去截切球面。如切出的面积为dS，则锥体所张开的立体角为： dΩ＝dS/R2 显然，整个球面对球心所张的立体角为4π。此种情况可扩展到：对任意形状的闭合面（闭合的没有边界的面，球面是特殊的闭合面）。整个闭合面对内部任何一点所张的立体角都是4π，而对外部点所张的立体角则为零。 发光强度的单位是cd（坎德拉），在国际单位制（SI）中是一个基本单位。定义为：辐射频率为540×1012HZ（波长是555nm）的单色光源，在某方向上的辐射强度为1/683（W/sr）时，则此方向上的发光强度是1cd。 发光强度常用于说明光源或灯具发出的光通量在空间各方向或选定方向上的分布密度。 3）（光）亮度 具有一定面积的广光源，其上各处的发光强度可能是不同的，向各个方向辐射的特性也是不一样的，为此引入光强面密度的概念。如上图，在发光体上取面积 dS，在与此面法线成θ角的方向上观视，这个方向上的亮度Lv定义为：在此方向上的光强Iv与面积dS在该方向上的投影dS‘之比。即： Lv=Iv/dS’＝Iv/dScosθnull dS’也就是人眼在这个方向上看到的dS的大小。亮度的国际单位是cd/m2（坎德拉/平方米）。 4）（光）照度 ：（光）照度用于衡量光照射在某个面上的强弱，用被照面上（得到的）光通量的面密度表示之，即： Ev＝dΦv/dS 式中：Ev——照度； dS——被照面上的元面积； dФv——元面积上得到的光通量。 如果面积S上的总光通量为Фv，那么平均照度为： Eav＝Φv/S （光）照度的单位是lx（勒克斯）。在1m2的面积上得到1lm的光通量，那么照度就是1lx，即：1lx＝1（lm/m2）。null第三节材料的光学性质 一、反射、透射和吸收比 光线如果不遇到物体时，总是按直线方向行进，当遇到某种物体时，光线或被反射、或被透射、或被吸收。 当光投射到不透明的物体时，光能量的一部分被吸收，另一部分则被反射， 光投射到透明物体时，光通量除被反射与吸收一部分外，其余部分则被透射。 在入射辐射的光谱组成、偏振状态和几何分布给定的条件下，漫射材料对光的反射、透射和吸收性质在数值上可用相应的系数表示：nullnullnull二、光的反射 当光线遇到非透明物体表面时，大部分光被反射，小部分光被吸收。光线在镜面和扩散面上的反射状态有以下几种： 1．规则反射 在研磨很光的镜面上，光的入射角等于反射角，反射光线总是在入射光线和法线所决定的平面内，并与入射光分处在法线两侧，称为反射定律，如图所示。 在反射角以外，人眼是看不到反射光的，这种反射称为规则反射(regular reflection)，亦称镜面反射(specular reflection)。它常用来控制光束的方向，灯具的反射罩就是利用这一原理制作的，但一般由比较复杂的曲面构成。null2．散反射 当光线从某方向入射到经散射处理的铝板、经涂刷处理的金属板或毛面白漆涂层时，反 射光向各个不同方向散开，但其总的方向是一致的(图1一11)，其光束的轴线方向仍遵守反 射定律。这种光的反射称为散反射(spread reflection)。null3．漫反射 光线从某方向入射到粗糙表面或涂有无光泽镀层的表层时，光线被分散在许多方向，在宏观上不存在规则反射，这种光的反射称为漫反射(diffuse reflection)。 当反射遵守朗伯余弦定律，即向任意方向的光强Iθ与该反射面的法线方向的光强Io所成的角度θ的余弦成比例：Iθ=Iocosθ，而与光的入射方向无关，从反射面的各个方向看去，其亮度均相同，这种光的反射称为各向同性漫反射，如图1－12所示。null 4．混合反射(mixed reflection) 光线从某方向入射到瓷釉或带高度光泽的漆层上时，规则反射和漫反射兼有，如图1—13所示， 图(a)为漫反射与镜面反射的混合； 图(b)为漫反射与散反射的混合； 图(c)为镜面反射与散反射的混合。在定向反射方向上的发光强度比其他方向要大得多，且有最大亮度，在其他方向上也有一定数量的反射光，而其亮度分布是不均匀的。null 三、光的折射与透射 1．折射 光在真空中的传播速度为30万km／s，在空气中约低6～7km／s。在玻璃、水或其他透明物质内传播时，其速度就显著降低了。 使光速减得较小的介质称为光密物质， 光传播速度较大的介质则称为光疏物质。null光从第一种介质进入第二种介质时，若倾斜入射，则在入射面上有反射光，而进入第二 种介质时有折射光，如图l－14所示。在两种介质内，光速不同，入射角i与折射角γ不等， 因而呈现光的折射(refraction)。不论入射角怎样变化，人射角与折射角正弦之比是一个常 数，这个比值称为折射率，即：null质的折射率称为这一介质的折射率。若两种不同介质的折射率分别为n1及n2，光由第一种介质进入第二种介质时，还有下列关系式： 图1－15为光透射和折射的情况，图中θ1为入射角，θ2为折射角。光在平行透射材料内 部折射时，入射光与透射光的方向不变；而在非平行透射材料中折射后，出射方向有所改变。 这种折射原理常用来制造棱镜或透镜。 null2．全反射 在光线由光密物质射向光疏物质时，如图l－16所示，n1>n2，此时入射角i小于折射角 γ。当入射角未达到90。时，折射角已达到90。，继续增大入射角时，则光线全部回到光密物质内，不再有折射光，这种现象称为全反射(full reflection)。利用它获得不损失光的反射表面。null3．光的透射 光入射到透明或半透明材料表面时，一部分被反射，一部分被吸收，大部分可以透射(transmission)过去。 如光在玻璃表面垂直入射时，入射光在第一面(入射面)反射4％，在第二面(透过面)反射3％～4％，被吸收2％～8％，透射率为80％～90％。由于透射材料的品种不同，透射光在空间分布的状态有以下几种： 1)规则透射 当光线照射到透明材料上时，透射光是按照几何光学的定律进行透射，这就是规则透射(regular transmission)如图l一17所示。其中，图(a)为平行透光材料(图中为平板玻璃)，透射光的方向与原入射光方向相同，但有微小偏移；图(b)为非平行透光材料(图中为三棱镜)，透射光的方向由于光折射而改变了方向。null 2)散透射 光线穿过散透射材料(如磨砂玻璃)时，在透射方向上的发光强度较大，在其他方向上发 光强度较小，表面亮度也不均匀，透射方向较亮，其他方向较弱，这种情况称为散透射 (spread transmission)，亦称为定向扩散投射，如图1—18所示。null3)漫透射 光线照射到散射性好的透光材料上时(如乳白玻璃等)，透射光将向所有的方向散开并 均匀分布在整个半球空间内，这称为漫透射(diffuse transmission)。 当透射光服从朗伯定律，即发光强度按余弦分布，亮度在各个方向上均相同时，即称为均匀漫透射或完全漫透射，如图1－19所示。null 4)混合透射 光线照射到透射材料上，其透射特性介于规则透射与漫透射(或散透射)之间的情况，称为混合透射(mixed transmissjon)。 图1－20为几种材料样品的透射与反射情况。 图(a)为在毛玻璃样品的光滑面入射时的散透射； 图(b)为在毛玻璃样品的粗糙面入射时的散透射； 图(c)为光人射于乳白玻璃或白色塑料板形成的漫透射； 图(d)为光通过乳白玻璃时的混合透射。null四、亮度系数 研究证明在漫反射的情况下，反射光的光强空间分布是一个圆球，并且在反射面与光线的入射点相切，与入射光的方向无关，如图1-12所示。发光强度可用下式表达：null在漫反射的条件下，表面的亮度对各个方向均是相同的，现证明如下：nullnullnullnull