光辐射测量-第二章照明光源讲义复旦教材
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照明基础知识 复旦照明系
照明基础知识第一节基本概念一、常用术语名称符号单位说明光线和辐射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分光谱。
这类射线的波长范围在360~830nm之间，仅仅是电磁辐射光谱非常小的一部分。
光通量Ф流明LM 光源发射并被人的眼睛接受能量的总和即为光通量。
光强 I 坎德cd 光的强度，可见光在某一特定方向角内所放射的强度。
照度 E 勒克斯Lux 照度是光通量与被照面积之间的比例系数。
1Lux 即指1Lm的光通量平均分布在面积1㎡的平面上的明亮度。
色温 K 开尔文（k）当光源所发出的光的颜色与“黑体”在某一温度下辐射的颜色相同时，“黑体”的温度就称为该光源的色温。
“黑体”的温度越高，光谱中蓝色的成分则越多，而红色的成分则越少。
例如：白炽灯的光色是暖色，其色温表示为2700K,而日光色荧光灯的色温表示方法则是6000K。
色温以绝对温度K来表示，色温值越高，表示冷感越强，色温越低暖感越强，越柔和，通常大部分光源设计集中在2700K~4300K 及5800K~6700K两个色温位置。
光色光色实际上就是色温，大致分为三大类：暖色<3300K、中间色3300K~5000K、日光色>5000K，由于光线中光谱组成有差别，因此即使光色相同，光的显色性也可能不同。
显色性原则上，人造光线应与自然光线相同，使人肉眼能正确辨别事物的颜色。
当然，这要根据照明的位置和目的而定。
光源对于物体颜色呈现的程度称为显色性。
通常叫做“显色指数”（Ra）灯具效率灯具效率（也叫光输出系数）是衡量灯具利用能量效率的重要标准，它是灯具输出的光通量与灯具内光源输出的光通量之间的比例。
光源效率光源效率（Lm/W）也就是每一瓦电力所发出的光量，其数值越高表示光源的效率愈高，所以对于使用时间较长的场所，如办公室走廊、走道、隧道等，效率通常是一个重要的考虑因素。
亮度光源在某一方向上的单位投影面在单位立体角中反射光的数量，称为光源在某一方向的光亮度，符号为L，L=di/ds单位为cd/㎡（坎德拉每平方米）。
光电信号检测 光辐射基础和光源[可修改版ppt]
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➢ 5．辐射出射度Me： 扩展辐射源单位面积所辐射 的通量，即dΦe／dS，
➢ dΦe由是扩展源表面dS在各方向上所发出的辐射 通量，单位为 W／m2(瓦每平方米)。
➢ Ee和Me的单位相同，其区别在于： Ee是描述辐 射接收面所接收的辐射特性，而Me则为描述扩展 辐射源向外发射的辐射特性。
➢ 6．辐射亮度Le：扩展源表面一点处的面元在给 定方向上单位立体角、单位投影面积内发出的辐
射通量。单位为W／sr·m2（瓦每球面度平方米）
Le
d2e(,) ddScos
Le：随方向变化而变化
➢ 辐射源所辐射的能量往往由许多不同波长的单色辐 射所组成。为了研究各种波长的辐射通量，需要对 某一波长的单色光的辐射能量作出相应的定义。
➢
➢ 7．光谱辐射通量 Φe（λ）：辐射源发出的光在波 长λ处的单位波长间隔内的辐射通量。也叫辐射通 量的光谱密度。
555nm，锥体细胞
暗视觉光谱光视效率：亮度 < 0.001cd/m2，V ′(λ)，峰值在
507nm，杆状细胞
2、光度的基本物理量
➢ 光度学量是以人眼对光辐射刺激所产生的视觉为 基础，受到了主观视觉的限制，不是客观的物理 学描述方法；
➢ 只在可见光波段有意义； ➢ 用下脚标“v”表示，辐射度学量和光度学量是一
Φe ＝dQe／dt，单位为W(瓦)。
3．辐射强度Ie ：点辐射源在 给定方向单位立体角内的辐 射通量，单位为W/sr（瓦每 球面度）， Ie＝dΦe／dΩ。
4．辐射照度Ee：投射在单位面积上的辐射通量， 即Ee ＝ dΦe／dA，单位为W／m2(瓦每平方米)。 dA是投射辐射通量dΦe的面积元。
➢ 即光谱辐射通量是辐射通量随波长的变化率。
第二章-光辐射、光源
表4－1 常用光源的发光效率
图4－1 四种典型的光谱功率分布
光源的光谱功率分布通常可分成四种情况，如图4－1所 示。图中（a）称为线状光谱，由若干条明显分隔的细 线组成，如低压汞灯。图（b）称为带状光谱，它由一 些分开的谱带组成，每一谱带中又包含许多细谱线。如 高压汞灯、高压钠灯就属于这种分布。图（c）为连续 光谱，所有热辐射光源的光谱都是连续光谱，图（d） 是混合光谱，它由连续光谱与线、带谱混合而成，一般 荧光灯的光谱就属于这种分布。 在选择光源时，它的光谱功率分布应由测量对象的要求 来决定。在目视光学系统中，一般采用可见光谱辐射比 较丰富的光源。对于彩色摄影用光源，为了获得较好的 色彩还原，应采用类似于日光色的光源，如卤钨灯、氙 灯等。在紫外分光光度计中，通常使用氚灯、紫外汞氙 灯等紫外辐射较强的光源，在光纤技术中，通常使用发 光二极管和半导体激光器等光源
二、空气湍流效应
通常认为大气是一种均匀混合的单一气态流体，其运动形式分为 层流和湍流。层流是一种有规则的稳定流动，在一个薄层内流速 和流向均为定值，层间在运动过程中互不混合。而湍流是一种无 规则的漩涡流动，质点运动轨迹十分复杂，空间每一点运动速度 呈随机变化。这种湍流状态将使光辐射在传播过程中随机地改变 其光波参量，出现在光束截面内的光强闪烁、光束弯曲和漂移、 光束弥散畸变以及相干性退化等现象，这些统称为大气湍流效应。 光束闪烁将使光信号受到随机寄生调制，使信噪比降低，这将使 激光雷达的探测率降低，漏检率增加，使模拟调制的激光通信噪 声增大，使数字激光通信误码率增加。光束抖动将使激光偏离接 收孔径，降低信号强度。而光束相干性退化将使激光外差探测效 率降低，甚至产生计数误差。
Le ( , Tv )
第二章_热辐射定律及标准光源
光束发散角极小 0.1mrad 单色性好 相干长度长 功率密度高 如何实现？ 首先要有能实现能级粒子束反转的工作物
质 还必须建立谐振腔 造成连锁反应 雪崩放大
常用的激光器
气体激光器：He-Ne激光器、氩离子激光器、 二氧化碳激光器等
固体激光器：红宝石激光器、玻璃激光器、 YAG激光器等
待测辐射源在温度T时所呈现的颜色与某 一温度Tc时的黑体颜色相同(色品相同)则 称Tc为该辐射体光源的颜色与色温的色温 度。简称色温Tc(单位:Ｋ)
２.相关色温：
在均匀色品图中黑体轨迹上与待测辐射体 色品最接近的色温度称之为相关色温用Ｔ 表示（单位：Ｋ）
各光源的色温
u-v色度图中黑体轨迹和等色温线
第二代同步辐射光源是基于同步辐射专用
储存环的专用机，如合肥国家同步辐射实 验室（HLS）；第三代同步辐射光源是基
于性能更高的同步辐射专用储存环的专用 机，如上海光源(SSRF)。
上海光源的先进性
性能价格比高：储存环的能量3.5GeV，在中能区光源中能量最高，性能优化 在用途最广的X射线能区。利用近年来插入件技术的新进展，不仅可在光子能 量为1~5keV产生最高耀度的同步辐射光，而且在5~20keV光谱区间可产生性 能趋近6~8GeV高能量光源所产生的高耀度硬X光；
全波段：波长范围宽，从远红外直到硬X射线，且连续可调。利用不同波长的 单色光，可揭示用其他光源无法得知的科学秘密；
高强度：总功率为600千瓦，是Ｘ光机的上万倍。光通量大于1015光子/ （S.10－3bw）。高强度和高通量为缩短实验数据获取时间、进行条件难以 控制的实验以及医学、工业应用提供了可能;
4.光谱辐射本领: Me(,T )
面元s在单位面M积e (,单,T位) 波 d长d范e(d围s) 内辐射量:
质 还必须建立谐振腔 造成连锁反应 雪崩放大
常用的激光器
气体激光器：He-Ne激光器、氩离子激光器、 二氧化碳激光器等
固体激光器：红宝石激光器、玻璃激光器、 YAG激光器等
待测辐射源在温度T时所呈现的颜色与某 一温度Tc时的黑体颜色相同(色品相同)则 称Tc为该辐射体光源的颜色与色温的色温 度。简称色温Tc(单位:Ｋ)
２.相关色温：
在均匀色品图中黑体轨迹上与待测辐射体 色品最接近的色温度称之为相关色温用Ｔ 表示（单位：Ｋ）
各光源的色温
u-v色度图中黑体轨迹和等色温线
第二代同步辐射光源是基于同步辐射专用
储存环的专用机，如合肥国家同步辐射实 验室（HLS）；第三代同步辐射光源是基
于性能更高的同步辐射专用储存环的专用 机，如上海光源(SSRF)。
上海光源的先进性
性能价格比高：储存环的能量3.5GeV，在中能区光源中能量最高，性能优化 在用途最广的X射线能区。利用近年来插入件技术的新进展，不仅可在光子能 量为1~5keV产生最高耀度的同步辐射光，而且在5~20keV光谱区间可产生性 能趋近6~8GeV高能量光源所产生的高耀度硬X光；
全波段：波长范围宽，从远红外直到硬X射线，且连续可调。利用不同波长的 单色光，可揭示用其他光源无法得知的科学秘密；
高强度：总功率为600千瓦，是Ｘ光机的上万倍。光通量大于1015光子/ （S.10－3bw）。高强度和高通量为缩短实验数据获取时间、进行条件难以 控制的实验以及医学、工业应用提供了可能;
4.光谱辐射本领: Me(,T )
面元s在单位面M积e (,单,T位) 波 d长d范e(d围s) 内辐射量:
辐射量与光量PPT课件
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三、光度量
• 原因：
• 1、人的视神经对各种不同波长 的光的感光灵敏度是不一样的， 对绿光最灵敏，对红光的灵敏度 要低的多。
• 2、由于不同的人的视觉生理和 心理作用不一样，不同的人对各 种波长的光的灵敏度也有差别。
13
第13页/共22页
视 见 函 数 • 国际照明委员会根据对许多人的大量观察结果，用平均值的方法，确定了人眼对各种波长的光的相对灵敏 度称为“标准光度观察者” 的光谱光视效率V(λ) ，或视见函数。 V(λ)的最大值在555nm处，此时， V(λ)=1，其他波长的V(λ)都小于1。
• 单位：流明（lm）
•发光强度I
• 光源在给定方向上单位立体角内所发出的光通量，称为 光源在该方向上发光强度
• 单位：坎德拉（cd）
17
第17页/共22页
光度量及单位
•光出射度M
• 光源表面给定点处单位面积向半空间内所发出 的光通量，称为光源在该点的光出射度
• 单位：流明/米2 lm/m 2
•光照度E
•光量Q
19
第19页/共22页
常见环境下的光度值
20
第20页/共22页
本节重点
•光的波粒二象性 •辐射特性的定义
•辐射度量：定义与单位 •光度量： 人眼特性
21
第21页/共22页
感谢您的观看！
22
第22页/共22页
一、光的本质
• 光具有波粒二象性，既是电磁波， 又是光子流。
•历史上的重要人物
• 牛顿 • 惠更斯、杨、费涅耳 • 麦克斯韦 • 普朗克 • 爱因斯坦
1
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牛顿
• 光的粒子说（17世纪的微粒流的假说）
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三、光度量
• 原因：
• 1、人的视神经对各种不同波长 的光的感光灵敏度是不一样的， 对绿光最灵敏，对红光的灵敏度 要低的多。
• 2、由于不同的人的视觉生理和 心理作用不一样，不同的人对各 种波长的光的灵敏度也有差别。
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视 见 函 数 • 国际照明委员会根据对许多人的大量观察结果，用平均值的方法，确定了人眼对各种波长的光的相对灵敏 度称为“标准光度观察者” 的光谱光视效率V(λ) ，或视见函数。 V(λ)的最大值在555nm处，此时， V(λ)=1，其他波长的V(λ)都小于1。
• 单位：流明（lm）
•发光强度I
• 光源在给定方向上单位立体角内所发出的光通量，称为 光源在该方向上发光强度
• 单位：坎德拉（cd）
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光度量及单位
•光出射度M
• 光源表面给定点处单位面积向半空间内所发出 的光通量，称为光源在该点的光出射度
• 单位：流明/米2 lm/m 2
•光照度E
•光量Q
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常见环境下的光度值
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本节重点
•光的波粒二象性 •辐射特性的定义
•辐射度量：定义与单位 •光度量： 人眼特性
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感谢您的观看！
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一、光的本质
• 光具有波粒二象性，既是电磁波， 又是光子流。
•历史上的重要人物
• 牛顿 • 惠更斯、杨、费涅耳 • 麦克斯韦 • 普朗克 • 爱因斯坦
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牛顿
• 光的粒子说（17世纪的微粒流的假说）
光辐射测量光色彩和视觉复旦教材
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I = 光通量 立体角＝
光强
I w
d
w
光源在给定方向上单 位立体角内辐射的光 通量
单位 : 坎德拉 cd 符号 : I
Φ=4 π I
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光强
某些实际例子
自行车车灯(无反射罩)
自行车车灯(有反射罩)
厚玻璃射灯 PAR 38 120W
Spot MVF 406 CAT A1/1800W 最 大光强
灯具的直接眩光
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眩光的控制
为减少眩光，必须选择合适的布灯位置。
对眩光敏感的观察区
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质量等级 A （很高质量） B （高质量） C （中等质量） D （质量差） E （质量很差）
眩光的分级
作业或活动的类型
非常精确的视觉作业
视觉要求高的作业， 中等视觉要求的作业， 但需要注意力高度集中 视觉要求中等的作业，注意力集中程度的要 求中等，工作者有时要走动 视觉要求和注意力集中程度的要求都比较低， 而且工作者常在规定区内走动 工作者并不限于室内某一工位， 而是走来 走去， 作业的视觉要求低. 或不为同一群 人持续
300
粗加工工厂, 演讲场所
500
实验室,电脑房,超级市场,中等类型工厂
750
普通办公室, 电子工厂
1000
画图室,精密工厂
30,000
影剧院的投影光束
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均匀性
在一些区域（如办公室 ) 要求照明高度均匀
在社区中，非均匀照明能 产生一种艺术效果
第42页/共53页
亮度对比
较适和的亮度对 比环境使视觉较 为舒适
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二章光辐射与光源-精品
2019/11/5
1
§2.1 电磁波与光辐射
2.1.1 电磁波的性质与电 磁波谱 麦克斯维证明光是电磁波的 一种表现形式。
电磁波包括的范围很广，从 无线电波到光波，从X射线 到 射线，都属于电磁波的 范畴，波长覆盖很宽。光辐 射仅占电波谱的一极小波段 。
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2.1.2 光辐射
按辐射波长及人眼的生理视觉效应，光辐射被分成三个 波段：紫外辐射、可见光和红外辐射。一般在可见到紫外波段 波长用nm作单位、在红外波段波长用m作单位。
长期、短期稳定性，预热时间 使用寿命、存放时间 点光源、扩展光源 相干性
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2.4.2 几种典型的光源
2.4.2.1 连续谱光源
连续谱光源在较宽的波长范围内发出连续的辐射。典型的连续谱 光源有白炽灯、能斯特辉光灯、碳化硅炽热棒、钨灯、石英碘灯 (<3600K)、氢灯或氘灯、氙灯，等等。表2.4-2示它们的一些技术 参数。 表2.4-2 常见连续谱光源
人造光源则主要是电能转换而来的电光源，如白炽灯、 汞灯、氙灯、黑体模拟器、激光器，等等。
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2.4.1 光源特征及描述
表2.4-1 一些重要的光源特性
特征
举例
光谱输出 波长范围 时间行为 辐射度或光谱辐射度 稳定性 寿命 发射面积 空间行为
连续谱光源、线光源、连续加线光源 紫外光源、可见光源、红外光源 连续光源、脉冲光源、正弦波光源、相干光源
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2.4.2.2 线光源
在多数原子光谱法仪器中应用的线光源包括低压弧光灯、 空心阴极放电管、无极放电灯及热梯度灯。 (1) 低压弧光灯
即低压弧光放电管。 (2) 空心阴极灯
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SOX SOX-E
2.2白炽灯
GLS 灯
玻壳 清光型, 钠钙玻璃 也有磨沙型，乳白型，彩泡型，镜面反射型 起保护钨丝作用
填充气体 减少钨的蒸发率
惰性气体(Ar , N2)
灯丝 钨丝, 发光体
灯座 引线
反射型灯泡
泡壳形状特殊 – 吹制的泡壳 – 碗状反射罩 – 压制玻璃
内置铝反射罩 可选择光束角度 在灯寿命期间，光输出
•盒式灯头 通常加一前置玻璃以保护反射罩和减少 紫外辐射
卤钨灯特性与应用
特性 暖色调 ,Tc 2800K - 3000K 高显色指数 , Ra =100 寿命增加到 2000-4000 hrs
应用:
双端灯: 泛光照明等室外照明 低压灯: 室内应用领域，象商店， 旅馆，家庭等。这些地方主要考虑较 高的显色性和暖色调。
节能型卤钨灯
涂有红外反射膜的新型卤钨灯
1、现已采用TiO2/SiO2膜系 替代原来的ZnS/MgF2 2、用双面膜代替单面膜 结论：节电10%以上
节能型卤钨灯
采用红外反射膜可以将光效提高15％－20％
2.3气体放电灯
气体放电: 特性
•气体放电 : • 电流通过两固体阴极间的气体. •电流载体是填充气体中的带电粒子
光的产生
光致发光
荧光发光
某些固体受到高速电子或辐射冲 击时将产生可见光辐射
磷光现象
激发辐射消失以后辉光仍然存在 的现象
主要光源(人造)
固体
热辐射
白炽灯
气体
选择性辐射 + 发光
气体放电灯
灯的种类
白炽灯 气体放电灯
汞灯
金卤灯
钠灯
白炽灯
低压汞灯
高压汞灯
金卤灯
高压钠灯
低压钠灯
标准型 反射型
PAR 卤素灯
弧光放电种类
低压弧光放电 : •放电电流高 •工作电压低. •放电通道长
高压弧光放电： •增加气体压强 •气体温度高 •管压降大 •电弧长度短
气体放电灯:放电特性
负阻特性 ( 雪崩效应) •限流装置 - 补偿负阻特性 • 启动装置 -克服启动时气体较冷条 件下的高电阻
灯的寿命
•技术寿命 : 灯点燃到不能工作的时间。 •平均寿命 :在测试当中，50%的灯不能工作时所 点燃的时间。 •经济寿命 : 当综合光输出下降到某一百分比时所 点燃的时间( 室外70% , 室内80% 是可接受的数据)
白炽灯的工作特性
1、发光效率 2、色表和显色性 3、调光 4、电源电压变化的影响
卤钨灯
光产生原理与白炽灯一致 填充气体：添加卤素
( 溴化物形式) 耐高温的石英玻璃 减少灯丝的蒸发率，增加灯的寿命 无泡壳黑化现象，光衰减少
卤钨灯种类
双端灯 单端灯 双层密封 反射罩：压制玻璃
低压卤钨灯
反射罩 分色滤光器 -> 吸收红外辐射 冷光束光源 光束角度精确
节能白炽灯
2 将双螺旋灯丝的线径、长度和螺据距按最佳化设计。玻壳采用扩散性好．透光 性好的二氧化硅膜的涂敷技术，二氧化硅的粒度最佳化．在光量相寿命相同 的情况下可节电5％－10％。
3 填充气体由氩气改用氪气。可使灯壳体积缩小，重量减轻50％，光效提高10％， 寿命达2000小时，且灯具可小型化。节省；材料和资源．该灯在日本已大批 量生产和应用。
维持特性较好
反射型灯泡
1、PAR灯有聚光型和泛光型两类，光束角为5度－60度 2、PAR灯前透镜也可以是彩色的，常用的有红、黄、绿、琥珀 3、PAR灯集光性强，利用率高
白炽灯(PAR /GLS)
安装，工作较为容易简单 无需辅助电气元件 初期投入较少 显色性较好
Ra = 100
产生暖色调光环境
LV 型卤素灯 MV 型卤素灯
TL PL SL 感应灯
QL
HPL-N
HPL Comfort
ML (blended light)
HPI MHD MHN
SON (Plus) SON-H
Son Comfort
紧凑型 HSO.I.ND-.T Deco
CDM
(Mastercolour) SDW-T
MHN/W
(White SON)
荧光灯发光效率
1、光输出与环境温度的关系
140
100
Relative values %
60
20
Topt
250 C
Tambient
荧光灯发光效率
1、光输出与频率的关系
高频工作时光效可以增 加10％
荧光灯颜色特性
灯的名称
色温（K）
x
暖白色荧光灯 白色荧光灯 冷白色荧光灯 日光色荧光灯
3000 3560 4300 6700
精品
光辐射测量-第二章照明光源复旦教材
热辐射 连续光谱
2.1光的产生
选择性辐射 线光谱
范例 : 白炽灯
范例 : 气体放电灯
光的产生
热辐射
物体加热时将发射电磁波 连续光谱 温度越高，波长越短
汞蒸气放电 氖气放电
光的产生
选择性辐射
当电子通过气体时，气体将产生电磁 辐射 电磁辐射成分有可见光，紫外等等。 线光谱 线光谱成分与气体种类和压强相关
Tc= 2800K
存在不够明亮的可能
灯的光效较差 :流明/瓦 平均寿命较短( 1000 hrs) 产生大量 的热 灯寿命易受电压波动影响
节能白炽灯
白炽灯的改进：
1 如图2所示将传统的白炽灯丝从横向双螺旋(CC-6)改为纵向双螺旋(CC—8，减少 由灯头遮挡的灯向外辐射的光。同时减小导丝的直径。省去了省去了传统灯 丝防下垂用支架，减少了灯丝的热传导损失．该类灯可节电5％－10％。
电气附件 镇流器和启辉器
荧光灯附件
荧光灯: 分类
类型 TL 65W / 54 TL 40W / 54 TL 20 W / 54 TLD 58 W/84 TLD 36 W/84 TLD 18 W/84 TL 5 35W/HE TL5 28W / HE TL5 14W / HE
0.440 0.409 0.372 0.313
y 0.403 0.394 0.375 0.337
40W（T12） 灯的光通量
（lm） 3200
3200
31502600源自 荧光灯光维持特性导致光衰的因素： 1、荧光粉劣化 2、吸光薄膜的形成 3、阴极溅射
改进措施： 1、三基色荧光粉 2、保护膜技术 3、阴极及发射材料
灯的寿命
灯寿命:下图为TL84系列荧光灯的平均寿命和经济寿命的相对关系
低压汞蒸气放电灯 荧光灯
荧光灯和低压汞蒸气放电工作原理
可见光
紫外辐射
fluorescent powder mercury atom electrons electrode
荧光粉
汞原子
电子 电极
荧光灯的工作特性
结论：T8 36W可见辐射比例比T12 40W高；PL 9W灯的光效低， 主要是由于它的管压低；SL 18W灯工作频率不同时，电极损耗 相差很大，高频时光效提高。