照明光学基础

照度
面积

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照明基础知识
亮度L 亮度 (Luminance) θ方向的光亮度L是投影到θ方向的单位投影面 积单位立体角内的光通量，或者说是投影到θ方向的单位面积上的 发光强度。亮度 亮度是表示人对发光体或被照射物体表面的发光或反 亮度 射光强度实际感受的物理量 。 单位:坎德拉每平方米(cd·m-2)
Io Iθ θ

图6-6

dA

上式为朗伯定律（或发光强度的余弦定律） 上式为朗伯定律（或发光强度的余弦定律） 的数学表达式。遵从朗伯定律的光源称为朗 的数学表达式。 伯光源， 伯光源，它的亮度是不随观察的方向改变而 变化的。被均匀照明的烟熏的氧化镁表面、 变化的。被均匀照明的烟熏的氧化镁表面、 毛玻璃或乳白玻璃表面， 毛玻璃或乳白玻璃表面，都可以近似地看作 遵从伯朗定律的光源。 遵从伯朗定律的光源。
色被显现的真实程度。 白炽灯泡和卤钨灯泡的显色指数被定义为100，而高压钠灯的显色指数为20， 美标金卤灯的显色指数为65。 下图显示用不同种类灯泡照明同样物体时的彩色效果。

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白炽灯的理论显色指数为100，但实际生活中的白炽灯种类繁多， 应用也不同，所以其Ra值不是完全一致的。

• • • • • • • • • •
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二、照度的距离平方反比定律 设点光源在单位立体角内所发射的光线是均匀的， 设点光源在单位立体角内所发射的光线是均匀的，在距 点光源为l距离处截一面积元 距离处截一面积元dA，则通过dA的光通量也是 点光源为 距离处截一面积元 ，则通过 的光通量也是 均匀的，如图7-8所示 所示。 均匀的，如图 所示。 r 方向的光强为： 根据光强的定义， 根据光强的定义，在 r 方向的光强为： I=dφ/d ω 所以有dφ 所以有 φ=IdΩ，为通过 A面所接收到的光通量。而 Ω 为通过dA面所接收到的光通量。 E= ω = dA 代入上式得到 将d 2
的光色相同时，完全辐射体的温度（绝对温度，开尔文，用K表示）就 叫做光源的色温。完全辐射体的温度（黑体）是一个假想的理想物体。 它即不反射，也不透射，能把投射在它上面的辐射全部吸收。黑体加热 到高温就产生辐射。在800~900K温度下，黑体辐射呈红色，3000K时 呈黄色，5000左右呈白色，在8000~10000K之间呈淡蓝色。 低色温的光是暖色光，高色温的光是冷色光。

常见受照物体表面光照度值
被 照 表 面 照 度 （lx） 3×10-4 0.2 1 20~100 100~500 105
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
无月夜间在地面上生产的照度 满月在天定时对地面产生的照度 辨认方向所需要的照度 办公室工作所必需的照度 晴朗夏日采光良好时室内照度 太阳直射的照度

一、朗伯定律 为一发光面或漫射光表面， 设dA为一发光面或漫射光表面，由亮度的定义可知， 为一发光面或漫射光表面 由亮度的定义可知， 在与法线成θ角方向的亮度为： 在与法线成θ角方向的亮度为： Lθ=Iθ/(dAcosθ) 式中： 方向上的发光强度，如图6 所示。 式中：Iθ为θ方向上的发光强度，如图6-6所示。 同理，在法线方向上的亮度为： 同理，在法线方向上的亮度为：Lo=Io/dA 如果发光面或漫射表面的亮度不随方向改变， 如果发光面或漫射表面的亮度不随方向改变，则在法线 方向和成θ角方向的亮度相等。因此有： 方向和成θ角方向的亮度相等。因此有： Iθ=Io·cosθ cosθ Lθ=Lo=Iθ/(dA cosθ)=Io/dA /(dA·cosθ)=I
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照明基础知识

发光强度 I:
(Luminous Intensity) -光源向一定方向 单位立体角内发 出的光通量. 单位:坎德拉(cd)

I=

光通量 立体角

Φ = dΦ dω

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立体角（solid angle ）：想象一个随意半径 (r) 的球面且含有以
顶点为中心的圆锥体，这小半个球体表面是由圆锥体所环绕的 并对应该圆锥体的立体角(w)所形成；假若此小半个球体表面积 等于半径的平方(r2 )，而对应于该立体角的就被叫作 “球面度 steradian”。

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照明基础知识
照度E(Illuminance):入射于被照物体单位面积上的光通量. 照度 单位:勒克斯(lux,简写为lx) dΦ Φ E= dS 光通量
例如： 例如 用一只发光为1750流明的 100瓦白炽灯泡照明一个 3×3＝9平方米的房间， 其平均照度为 1750 / 9 ＝194.4勒克斯
l
dω S dA

dΦ I = dω dA dA

E=

I l2

(6(6-17)

r r
图7-8
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l

• 举例如下：一个照射出100 cd 的光源，当在 光源至垂直平面的距离为 3 m时，该平面照 度将是100/32= 11 lux；当在光源至垂直平面 的距离为 2 m时，该平面照度将是: 100/22 = 25lux。
照明光学 照明光学基础 光学基础

连志鹏 2010.6.9 1

光的本质
光的本质是电磁波,是整个电磁波谱中极小范围的一部分

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光射入人眼落到视网膜上，产生光化学反应， 光射入人眼落到视网膜上，产生光化学反应，刺激视神经而形成视觉

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光与能量 从光源到眼睛
眼睛
亮度(坎/平方米 亮度 坎 平方米) 平方米

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一些常用光源的色温
• • • • • • • 标准烛光为1930K； 钨丝灯为2760-2900K； 荧光灯为3000K； 闪光灯为3800K； 中午阳光为5400K； 电子闪光灯为6000K； 蓝天为12000-18000K。

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光的质量 •显色指数 – 光源表现物体真实颜色的能力0~100 ; 白炽灯 显色指数 光源表现物体真实颜色的能力0~100 为100 显色指数CRI－一只灯泡的显色指数是彩色物体被该灯泡发出的光照明时彩 显色指数

L=
N

dΦ dI = dA ⋅ cosθ ⋅ dω dA ⋅ cosθ
dΦ

lm

cd/m2

cd cd/m2

θ lux

dω B dA

1m2表面沿法线方向发射 的光强，则发光面 表面沿法线方向发射1cd的光强 的光强， 的亮度就定为1cd/ m2 的亮度就定为
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常见发光体表面光亮度的近似值
发光体表面名称 在地球上看到的太阳表面 普通电弧 太阳照射下漫射的白色表面 钨丝白炽灯灯丝 在地球上看到的月亮表面 人工照明下书写阅读时的纸面 白天的晴朗天空 超高压气体放电灯 亮 度 （cd/m2） 15×108 15×107 3×104 (500~1500)×104 25×102 10 5×103 25×108

1/2 Imax (欧 CIE)

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光的质量 •色温 – 就是光的颜色。黑体辐射温度, 以开尔文表示（K） 色温 就是光的颜色。黑体辐射温度, 以开尔文表示（

•开氏温度 = 摄氏温度 + 273.15 开氏温度
低色温的是暖色，高色温的是冷色。 低色温的是暖色，高色温的是冷色。

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光的质量 色温CT 色温 －当一个光源的颜色与完全辐射体（黑体）在某一温度时发生

光源 显色指数Ra 白炽灯 97 日光色荧光灯 80-94 白色荧光灯 75-85 暖白色荧光灯 80-90 卤钨灯 95-99 高压汞灯 22-51 高压钠灯 20-30 金属卤化物灯 60-65 钠铊铟灯 60-65
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配光角度） 光强分布曲线 （配光角度）

1/10 Imax (美 IES);

光源

光通量(流明 光通量 流明) 流明

光强(坎德拉 光强 坎德拉) 坎德拉

照度(勒克斯 照度 勒克斯) 勒克斯

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照明基础知识

光通量Φ 光通量Φ : (Luminous Flux)-单位时间 内光源发出可见光的总能量. 单位:流明(lm)

Φ= K m ∫380 φ eλ ⋅ V (λ ) ⋅ dλ
Φeλ是辐射通量的光谱密集度，单位为 是辐射通量的光谱密集度，单位为W/m；V(λ) 为光谱 ； 光效率函数。 为最大光谱光效能， 光效率函数。 Km为最大光谱光效能，对于明视觉， 为最大光谱光效能 对于明视觉， Km=683lm/W。 。