光對(duì)人眼的刺激,也就是人眼對(duì)哪些光敏感,對(duì)哪些光不那么敏感呢?
輻射度學(xué)參數(shù)和光度學(xué)參數(shù)之間存在著差別。
輻射度學(xué)參數(shù)是純粹的技術(shù)參數(shù),不涉及光對(duì)人類的影響作用。這些參數(shù)可從功率單位瓦特推導(dǎo)得到。
而光度學(xué)參數(shù)則往往需要考慮到人眼的光譜響應(yīng)曲線(V(λ)曲線)。因此,光度學(xué)參數(shù)與人類的視覺(jué)靈敏度有著特殊的聯(lián)系。光度學(xué)參數(shù)是從光通量單位流明推導(dǎo)得到。
光譜響應(yīng)曲線是由以下關(guān)系產(chǎn)生的:人眼可以看到的輻射位于波長(zhǎng)380 nm的藍(lán)光至波長(zhǎng)780 nm的紅光區(qū)域內(nèi)。在波長(zhǎng)555 nm附近的綠光光譜區(qū)域,人眼的靈敏度最高。而在波長(zhǎng)更長(zhǎng)或更短的區(qū)域內(nèi),人眼的靈敏度降低,這就表示在這些波長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)需要更高的輻射功率才能獲得同等的亮度感受。在可見(jiàn)光區(qū)域內(nèi),555 nm(1 nm = 10-9 m)處的輻射功率與其它波長(zhǎng)處的輻射功率之比稱為光譜靈敏度V (λ),其構(gòu)成的曲線就稱為V (λ)曲線。
這樣,光對(duì)人眼的刺激我們有了一個(gè)科學(xué)的認(rèn)識(shí)。
度量參數(shù)
亮度表示的是光源或被照表面的光強(qiáng),且與觀測(cè)面積有關(guān)。對(duì)于人類來(lái)說(shuō),只有當(dāng)輻射進(jìn)入眼睛后,光才能夠被看見(jiàn)。
公式單位
類型 | 值 | 符號(hào) | 公式 | 名稱 | 單位: |
輻射值 | 光通量 | F | F = I · W | Lumen流明 | [lm] |
發(fā)送方值 |
發(fā)光強(qiáng)度 亮度 |
I L |
I=F/W L=I/A |
Candela堪 Candela pro square meter 堪/平方米 |
[cd] [cd/m2] |
接受方值 | 照度 | E | E=F/A | Lux勒克斯 | [lux] |
光強(qiáng)是指光源在某一特定方向上的光通量,與感光器的尺寸無(wú)關(guān)。它可以用一個(gè)矢量來(lái)表示。
如果我們將光源在某個(gè)平面內(nèi)的所有光強(qiáng)矢量的終端相連接,就可以得到光強(qiáng)分布曲線。
光通量表示的是一個(gè)光源在各個(gè)方向上發(fā)出的輻射功率之和。該輻射涉及到人眼的靈敏度。其它所有的光度學(xué)參數(shù)都是從這個(gè)基本參數(shù)推出的。
照度是一個(gè)純粹的物理測(cè)量參數(shù),是光通量與被照面積的比值,與表面的反射系數(shù)無(wú)關(guān)。當(dāng)1流明的光通量均勻地照射到1 m2的面積上,則照度就是1勒克斯。照度與光源和被照表面的距離的平方成反比。
亮度表示的是光源或被照表面的光強(qiáng),且與觀測(cè)面積有關(guān)。對(duì)于人類來(lái)說(shuō),只有當(dāng)輻射進(jìn)入眼睛后,光才能夠被看見(jiàn)。
光源 |
平均亮度 [cd/m2] |
中午的陽(yáng)光 | 1,6 · 109 |
短弧氙燈 | 1,5 · 108 - 2,7 · 109 |
短弧金屬鹵化物燈HMI, HTI | 5 · 107 - 1 · 108 |
金屬鹵化物燈 HQI | 5,3 · 106 |
透明白熾燈 | 2 · 106 - 2 · 107 |
磨砂白熾燈 | 5 · 104 - 4 · 105 |
低壓鈉燈 | 7,5 · 104 |
熒光燈 / 緊湊型熒光燈 | 1,2 · 104 - 1,4 · 104 |
亮白云 | 1 · 104 |
燭光 | 7.500 |
晴朗的天空 | 3.000 - 5.000 |
月光 | 2.500 |
輝光放電燈 | 200 - 600 |
夜空 | 10-3 |
照度的計(jì)算比較簡(jiǎn)單。而亮度的大小則取決于被照材料的反射特性和反射系數(shù),但這些變量通常是未知的。因此,照明設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)室內(nèi)照明系統(tǒng)時(shí),通常以照度來(lái)作標(biāo)準(zhǔn)。
品質(zhì)參數(shù)
這些參數(shù)定義了光源發(fā)出的光的品質(zhì)。高品質(zhì)的光能夠同正午時(shí)分的自然光一樣,真實(shí)地呈現(xiàn)物體的顏色。
品值 | 符號(hào) | 單位 |
色溫 | TF | [K] |
顯色指數(shù) | Ra | [1] |
太陽(yáng)以及所有的白熾燈和鹵鎢燈發(fā)出的光譜,都與黑體的發(fā)射光譜非常相似。因此,將一個(gè)光源與天然光相比較,類似于將它與黑體相比較。
白光可以用棱鏡來(lái)將其分解成各種光譜成分。相反地,把一個(gè)輻射光源的所有光譜成分疊加在一起,就能產(chǎn)生某種顏色(舉例來(lái)說(shuō),日光顯示出白色)。
增加黑體的溫度,能夠產(chǎn)生不同的光譜。所有這些光譜的光都能在觀測(cè)者的眼中形成不同的顏色印象。想象鐵匠正在打造一塊馬蹄鐵。首先,這塊鐵先變紅,然后隨著溫度上升而變黃,直到最后變成熾熱的白色。每個(gè)溫度對(duì)應(yīng)了不同的光譜,而每個(gè)光譜則依次對(duì)應(yīng)了色三角中位置。如果把所有的位置都聯(lián)合起來(lái),就能夠得到普朗克曲線。
Spectrums of the Planckian curve
為了確定光源的色溫,把該光源的光譜所對(duì)應(yīng)的色三角中的顏色位置與不同溫度的黑體的顏色位置進(jìn)行比較。
如果光源的光譜無(wú)法與黑體的進(jìn)行比較,那么就采用等色溫線來(lái)確定光譜(假定是放電燈的)對(duì)應(yīng)的最接近的色溫。
黑體,如太陽(yáng)或鹵鎢燈等,能夠準(zhǔn)確地呈現(xiàn)物體的顏色,因?yàn)樗鼈儼l(fā)射的是連續(xù)光譜。如果一個(gè)光源不能發(fā)射全光譜中的所有顏色,那么一些物體就無(wú)法像在連續(xù)譜照射下那樣顯示出真實(shí)的顏色。
光源的顯色指數(shù)表示的是這個(gè)光源偏離理想光源的程度。在對(duì)比測(cè)試中,測(cè)量了8種測(cè)試顏色在待測(cè)光源照明下的反射光譜,并與給定參考光源照明情況下的值進(jìn)行比較。被測(cè)光源的色溫應(yīng)該與參考光源的色溫盡可能接近(相關(guān)色溫)。
測(cè)量出來(lái)的偏差采用標(biāo)準(zhǔn)的程序來(lái)進(jìn)行評(píng)估。如果兩種光源的光譜是相同的,那么顯色指數(shù)(Ra)就是100。而這個(gè)指數(shù)一般都小于100。
黑體的顯色指數(shù)最高(Ra=100)。
顯色指數(shù)測(cè)試顏色
測(cè)試顏色 | |||
R1 | 暗玫瑰色 | R5 | 青綠色 |
R2 | 芥末黃 | R6 | 天藍(lán)色 |
R3 | 黃綠色 | R7 | 紫羅蘭色 |
R4 | 淺綠色 | R8 | 淡紫色 |
附加的測(cè)試顏色 | |||
R9 | 紅色 | R12 | 藍(lán)色 |
R10 | 黃色 | R13 | 膚色 |
根據(jù)德國(guó)DIN 5035的要求,顯色指數(shù)按照顯色特性和顯色組別來(lái)進(jìn)行相應(yīng)分類
顯色特性 | 顯色組 | 顯色指數(shù) Ra | 相應(yīng)燈型 |
非常好 | 1 A | 90 ... 100 |
鎢鹵燈, LUMILUX? DE LUXE, fluorescent lamps? HQI?/D |
1 B | 80 ... 89 |
LUMILUX?, fluorescent lamps? HQI?/NDL,WDL and HCI?/NDL,WDL |
|
好 | 2 A | 70 ... 79 | 標(biāo)準(zhǔn)熒光燈 10 和 25 |
2 B | 60 ... 69 | 標(biāo)準(zhǔn)熒光燈 30 | |
一般 | 3 | 40 ... 59 | HQL |
差 | 4 | 20 ... 39 | 高壓和低壓鈉燈 |
經(jīng)濟(jì)性
對(duì)于不同類型的光源,其壽命有不同的定義方式。一組光源的“平均額定壽命”是指這一組中所有光源的壽命的平均水平。
光效h是光源發(fā)出的光通量與產(chǎn)生光所需的電能之比,單位為[lm/W]。
燈具效率hLB是照明所得到的光通量與單個(gè)或多個(gè)光源發(fā)出的總光通量的比值,單位為[%]。
對(duì)于不同類型的光源,其壽命有不同的定義方式。一組光源的“平均額定壽命”是指這一組中所有光源的壽命的平均水平。所以,到達(dá)這個(gè)時(shí)間時(shí),50%的光源將停止工作。“工作壽命”是指系統(tǒng)光通量達(dá)到初始量70%時(shí)的小時(shí)數(shù),這個(gè)時(shí)刻光源仍然能夠提供一定的光通量。
一般來(lái)說(shuō),在選擇一款光源時(shí),不得不對(duì)光的品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行取舍。
現(xiàn)在,可以根據(jù)以下四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)定光源:
- 光效
- 壽命
- 色溫
- 顯色指數(shù)
燈
光源 | 光效[lm/W] | 壽命[h] | 色溫[K] | 顯色指數(shù)Ra |
白熾燈 | 14 | 1000 | 2750 | 100 |
鎢鹵燈 | 20 | 2000 | 2850 | 100 |
短弧氙燈 | 15-50 | 1200 | 6000 | >94 |
緊湊型熒光燈 | 87 | 12000 | 2700-6000 | 85 |
熒光燈 | 104 | 12000 | 2700-6000 | 85 |
金屬鹵化燈 HQI | 100 | 9000 | 3000-6000 | 85 |
短弧金屬鹵化燈 HMI, HTI |
80 | 300 - 1000 | 5500 | >90 |
高壓鈉燈 | 130 | 9000 | 2000 | 20 |
低壓鈉燈 | 197 | 10000 | 1800 | -20 |
假定的555nm黑體 | 683 |
以上是光對(duì)人眼的刺激以及光的基本原理。