照明基本知识

照明基本知识


1.　光 Light

光的本质是电磁波，是整个电磁波谱中极小范围的一部分，光是能量的一种形态。光是电磁波辐射到人的眼睛，经视觉神经转换为光线，即能被肉眼看见的那部份光谱。这类射线的波长范围在380nm到780nm之间，仅仅是电磁辐射光谱非常小的一部份。


2.　光通量Φ(lm) Luminous flux

光源发射并被人的眼睛接收的能量之和即为光通量。单位：流明（lm）。
一般情况下，同类型的灯的功率越高，光通量也越大。
例如：一只40W的普通白炽灯的光通量为400lm，一只40W的普通直管形荧光灯的光通量为2800lm左右，为白炽灯的6-8倍，一只普通40W的LED灯管光通量为3600lm左右，为白炽灯的8-10倍。


3.　色品坐标 Chromaticity coordinate

人眼对色彩的感知是一种错综复杂的过程，为了将色彩的描述加以量化，国际照明委员会（CIE）根据标准观测者的视觉实验，将人眼对不同波长的辐射能所引起的视觉感加以记录，计算出红、绿、蓝三原色的配色函数，经过数学转换后，CIE于1931年规定了XYZ表色系统，并推荐了“CIE 1931 标准色度观察者光谱刺激值”，将人眼相对可见光的刺激值XYZ，经下列公式换算即得到色品坐标x，y值，即CIE1931(x,y)色品坐标或CIE 1976(u,v)色品坐标。





4.　显色性/显色指数 Color rending index

光源对物体本身颜色呈现的程度称为显色性，也就是颜色逼真的程度；光源的显色性是由显色指数来表明，它表示物体在光下颜色比基准光（太阳光）照明时颜色的偏离，能较全面反映光源的颜色特性。显色性高的光源对颜色表现较好，我们所见到的颜色也就接近自然色，显色性低的光源对颜色表现较差，我们所见到的颜色偏差也较大。国际照明委员会CIE把太阳的显色指数定为100，各类光源的显色指数各不相同，如：高压钠灯显色指数Ra=23，荧光灯管显色指数Ra=60~90。
显色分两种，忠实显色：能正确表现物质本来的颜色需使用显色指数(Ra)高的光源，其数值接近100，显色性最好；效果显色：要鲜明地强调特定色彩，表现美的生活可以利用加色法来加强显色效果。


5.　标准光源

我们知道，照明光源对物体的颜色影响很大。不同的光源，有着各自的光谱能量分布及颜色，在它们的照射下物体表面呈现的颜色也随之变化。为了统一对颜色的认识，首先必须要规定标准的照明光源。因为光源的颜色与光源的色温密切相关，所以 CIE 规定了四种标准照明体的色温标准：

标准照明体 A ：代表完全辐射体在 2856K 发出的光（ X0=109.87 ， Y0=100.00 ， Z0=35.59 ）；
标准照明体 B ：代表相关色温约为 4874K

的直射阳光（ X0=99.09 ， Y0=100.00 ， Z0=85.32 ）；
标准照明体 C ：代表相关色温大约为 6774K 的平均日光，光色近似阴天天空的日光 （ X0=98.07 ， Y0=100.00 ， Z0=118.18 ）；
标准照明体 D65 ：代表相关色温大约为 6504K 的日光（ X0=95.05 ， Y0=100.00 ， Z0=108.91 ）；
标准照明体 D ：代表标准照明体 D65 以外的其它日光。
CIE 规定的标准照明体是指特定的光谱能量分布，是规定的光源颜色标准。它并不是必须由一个光源直接提供，也并不一定用某一光源来实现。为了实现 CIE 规定的标准照明体的要求，还必须规定标准光源，以具体实现标准照明体所要求的光谱能量分布。 CIE 推荐下列人造光源来实现标准照明体的规定：
标准光源 A ：色温为 2856K 的充气螺旋钨丝灯，其光色偏黄。
标准光源 B ：色温为 4874K ，由 A 光源加罩 B 型 D-G 液体滤光器组成。光色相当 于中午日光。
标准光源 C ：色温为 6774K ，由 A 光源加罩 C 型 D-G 液体滤光器组成，光色相当 于有云的天空光。
CIE 标准照明体 A 、 B 、 C 由标准光源 A 、 B 、 C 实现，但对于模拟典型日光的标准照明体 D65 ，目前 CIE 还没有推荐相应的标准光源。因为它的光谱能量分布在目前还不能由真实的光源准确地实现。当前国际上正在进行着与标准照明体 D65 相对应的标准光源的研制工作。
现在研制的三种模拟 D65 人造光源分别为：带滤光器的高压氙弧灯、带滤光器的白炽灯和荧光灯。它们的相对光谱能量分布与 D65有所符合，带滤光器的高压氙弧灯提供了最好的模拟，带滤光器的白炽灯在紫外区的模拟尚不太理想，荧光灯的模拟较差。为了满足精细辨色生产活动的需要，还有采用荧光灯和带滤器的白炽灯组成的混光光源，称为 D75 光源。其色温可达 7500K 。主要运用在原棉评级等精细辨色工作中。



6.　主波长/色纯度 Dominant wavelength & color purity

任何一个颜色都可以当成用某一个光谱色按一定比例与一个参照光源相混合而匹配出来的颜色，这个光谱色就是颜色的主波长。若已获得被测光源的色度坐标，那在CIE 1931色度图上由E光源的色坐标点向该被测光源的色坐标点引一直线，延长直线与光谱轨迹相交的波长值即称之为该被测光源的主波长。一般只有被测光源的色坐标点邻近光谱轨迹才有意义，对于白光光源不用该方式来表示其颜色特性。样品颜色接近主波长光谱色的程度就表示了该样品颜色的纯度，用百分比来表示。




7.　光强 I (cd) Luminous intensity

光源在某一给定方向的单位立体角内发射的光通量称为光源在该方向的发光强度，简称光强。单位：坎德拉（cd）

8.　照度 lx (lx) Illumination

单位被照面上接收到的光通量称为照度。如果每平方米被照面上接收到的光通量为1（lm），则照度为1（lx）。单位：勒克斯（lx）。




9.　亮度 L (cd/m2) Luminance

光源在某一方向上的亮度是光源在该方向上的单位投影面积、单位立体角中发射的光通量。单位：坎德拉/每平方米（cd/m2）




10.　色温 TC (k) Color temperature

以绝对温度K来表示，即将一标准黑体加热，温度升高到一定程度时颜色开始由深红-浅红-橙黄-白-蓝，逐渐改变，某光源与黑体的颜色相同时，我们将黑体当时的绝对温度称为该光源之色温。
因相关色温度事实上是以黑体辐射接近光源光色时，对该光源光色表现的评价值，并非一种精确的颜色对比，故具相同色温值的二光源，可能在光色外观上仍有些许差异。仅凭色温无法了解光源对物体的显色能力，或在该光源下物体颜色的再现如何。
不同光源环境的相关色温度

光　源 色　温
北方晴空 8000~8500k
阴天 6500~7500k
夏日正午阳光 5500k
金属卤化物灯 4000~4600k
下午日光 4000k
冷色营光灯 4000~5000k
高压汞灯 3450~3750k
暖色营光灯 2500~3000k
卤素灯 3000k
钨丝灯 2700k
高压钠灯 1950~2250k
蜡烛光 2000k

光源色温不同，光色也不同：
色温在3300K以下，光色偏红给以温暖的感觉；有稳重的气氛，温暖的感觉；
色温在3000~6000K为中间，人在此色调下无特别明显的视觉心理效果，有爽快的感觉，故称为"中性"色温。
色温超过6000K，光色偏蓝，给人以清冷的感觉。




11.　光效η (lm/w) Luminous efficacy

衡量光源节能的重要指标，就是光源发出的光通量除以光源所消耗的功率。单位：流明/瓦（lm/w）。
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。
Luminous原意即为光亮，计量用luminance，意为亮度，缩写为lm。发光效率单位为亮度/瓦，有时取Luminance的音译“流明”，做流明/瓦。
光效也称为光源的发光效率或者光源的功率因素，表征从光源中射出的光通量与光源所消耗的电功率之比。即η=φ/E=φ/(φ+P)
其中η为光效，φ为光源辐射的光能量，E为光源的功率，P为光源损耗的能量，主要是发热量。
同时发热量与电流的关系是：P＝IR。显然，随着电流的增大，光通量增大。但是另一方面电流的增大会引起光源热损耗的增加，综合效果是光效降低。


12. 照明综合效率（lamp and auxiliary efficacy）

照明的全光通量与器

具整体耗电量的比值。一般情况下，由于LED照明会受到电源损失和温度上升的影响，因此照明器具整体的发光效率(综合效率)要比LED单体的发光效率低30～50%。

以白色LED为例，LED照明器具的综合效率低于LED单体发光效率的理由如下。首先，将白色LED用于照明器具时，发光效率多会降得比白色LED的目录值还要低。这是由于目录值多为输入脉冲状电流，LED的发光部分(活性层)的温度几乎不上升的理想状态下的发光效率。但照明器具多在向LED输入固定电流的状态下使用，实际上活性层的温度会上升。考虑到这种情况，发光效率会降低约20%。另外，在将交流电转换为直流电、向LED供电的电源转换电路上，功率会降低10～15%左右。照明器具中设置有反射板和透镜，以使光线射向希望的方向，这一过程中会损失近10%的光线。将这些加在一起，照明器具整体的发光效率与只有光源的目录值相比会降低40%左右。




照明器具效率超过荧光灯
将白色LED用于照明器具时，发光效率比白色LED的目录值要降低许多。目录值大多是在输入脉冲状电流后，在LED的发光部分(活性层)几乎不发生温度升高的理想状态下测得的发光效率。但照明器具是在向LED输入固定电流的状态下使用的，因此实际上活性层的温度会上升。而且光源发出的光并不会全部射出到器具外部。照明器具整体的发光效率与光源的目录值相比会降低40%左右。

然而，近来综合效率达到80lm/W以上的产品已屡见不鲜。虽尚不能与综合效率接近100lm/W的高效率高频(HF)点灯型荧光灯比肩，但已经看到了荧光灯的背影。例如，2009年东芝照明技术发布的LED灯泡新产品，其综合效率达到了81.9lm/W。