灯具光学基础知识及LED基础基础知识Word文档格式.docx

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图1.1电磁波频谱图

常用380—780nm表示可见光的范围

二、

三、照明相关的光学单位及术语：

（一）光的基本单位

1、光通量----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）,符号Φ,。

一般情况下，同类型的灯的功率越高，光通量也越大。

（说明发光体每秒种所发出的光量之总和，即光通量）

2、光强----一般来讲，光线都是向不同方向发射的，并且强度各异。

光源在某一特定方向角内发射的光通量就叫做光强。

坎德拉（cd）。

（说明发光体在特定方向单位立体角内所发射的光通量）

3、照度----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）。

勒克斯（lx）。

1勒克斯（lx）相当于每平方米被照面上光通量为1流明（lm）时的照度。

夏季阳光强烈的中午地面照度约5000lx，冬天晴天时地面照度约2000lx，晴朗的月夜地面照度约0.2lx。

（说明发光体照射在被照物体单位面积上的光通量）

4、亮度----亮度是表示眼睛从某一方向所看到物体反射光的强度。

坎德拉/平方米（cd/m2）。

（说明发光体在特定方向单位立体角单位面积内的光通量）

二）术语

1、绿色照明----通过科学的照明设计，采用效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明器产品，最终达到高效、舒适、安全、经济、有益于环境和改善人们身心健康并体现现代化文明的照明系统。

2、节能灯----指消耗较少的电能而达到较高的光照效果的照明产品，如荧光灯、环型灯、直管型荧光灯、紧凑型荧光灯、LED灯等。

3、光通维特率----灯在规定的条件下燃点，灯在寿命期间内一特定时间的光通量与该灯的初始光通量之比，以百分数来表示。

国标要求：

2000h不小于78%。

国外先进水平：

2000h不小于90%。

美国能源之星：

40%额定寿命时不小于80%。

国内水平：

注重质量的企业，并采用保护膜工艺，基本都能达到国标。

4、功率因数----交流电路中电压有效值与电流有效值的乘积为视在功率，而有功功率只是其中的一部分。

功率因数是灯管的有功功率与视在功率之比。

功率因数低，则电流中的谐波含量越高，对电网产生污染，破坏电网的平衡度，无功损耗增加

5、显色指数----衡量光源显现实照物体真实颜色能力的参数。

显色指数（0-100）高的光源对颜色的再现越接近自然原色。

显色指数低导致颜色失真。

以下是常用灯种的显色指数：

>

95管型荧光灯：

65-80

三基色稀土荧光灯：

80左右高压钠灯：

25-60

金卤灯：

70-90

6、显色性：

光源对于物体颜色呈现的程度称为显色性，也就是颜色逼真的程度，是通过与同色温的参考或基准光源（太阳光）下物体外观颜色的比较。

显色性高的光源对颜色的表现较好，我们所看到的颜色也就较接近自然原色，显色性低的光源对颜色的表现较差，我们所看到的颜色偏差也较大。

显色分两种：

1、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。

2、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。

采用低色温光源照射，能使红色更鲜艳；

采用中色温光源照射，使蓝色具有清凉感；

采用高色温光源照射，使物体有冷的感觉。

光所发射的光谱内容决定光源的光色，但同样光色可由许多，少数甚至仅仅两个单色光波纵使而成，影响所及，对各个颜色的显色性亦大不相同。

二相同光色的光源会有相异的光谱组成，光谱组成较广的光源较有可能提供较佳的显色品质。

当光源光谱中很少或缺乏物体在基准光源下所反射的主波时，会使颜色产生明显的色差（colorshift）。

色差程度愈大，光源对该色的显色性愈差。

显色指数系数（Kaufman）仍为目前定义光源显色性评价的普遍方法。

为何会有显色性高低之情形发生？

其关键在该光线之"

分光特性"

，可见光之波长在380nm至760nm之范围内，也就是我们在光谱中，见到的红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫的范围，如果光源所放射的光之中所含的各色光的比例和自然光相近，则我们眼睛所看到的颜色也较为逼真。

再好的装璜、摆设、艺术品、衣服等也会因选择不对的光源而失色。

显色指数（0-100）高的光源对颜高的光源对颜色的再现越接近自然原色。

显色指数低导致颜色失真。

7、光效----光源将电能转化为可见光的效率，即光源消耗每一瓦电能所发出的光，数值越高表示光源的效率越高。

从经济（能效）方面考虑，光效是一个重要的参数。

流明/瓦（lm/w）。

（说明电光源将电能转化为光的能力，以发出的光通量除以耗电量来表示）

8-14lm/W单端荧光灯：

55-80lm/W

高压钠灯：

80-140lm/W自镇流荧光灯：

50-70lm/W

60-90lm/W卤钨灯：

15-20lm/W

8、平均寿命----是指灯的光通维持率达到国家标准规定的要求并能继续燃点至50%的灯达到单只灯寿命时的累计时间（即50%的灯失效时的寿命）。

（说明指一批灯泡至百分之五十的数量损坏时的小时数）

9、光色----光色实际上就是色温。

大致分为三类：

暖色<

3300K，中间色3300至5000K，日光色>

5000K。

由于光中光谱的组成有差别,因此即使光色相同,灯的显色性也有可能不同。

10、色容差:

----线光谱较强的气体放电灯发出光的颜色都可视为红、绿、蓝三种单色光按一定比例混合而成。

为了评价颜色光的色度差异，引入了色度坐标的表示法，即为CIE公布的色度图。

对节能灯之间的色度差异，国家标准规定色度容差在6SDCM以内为该灯色度合格，6SDCM以外为不合格。

11、经济寿命:

----在同时考虑灯泡的损坏以及光束输出衰减的状况下，其综合光束输出减至一特定的小时数。

单位小时。

此比例用于室外的光源为百分之七十，用于室内的光源如日光灯则为百分之八十。

（说明在同时考虑灯泡的损坏以及光束输出衰减的状况下，其综合光束输出减至一特定的小时数。

）

12、色温：

----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：

白炽灯的光色是暖白色，其色温为2700K左右，而日光色荧光灯的色温则是6400K左右。

开尔文（K）。

白炽灯的色温一般在2700K左右、日光灯的色温在2700-6400K左右、钠灯的色温在2000K左右

光源色温不同，光色也不同，色温在3300K以下有稳重的气氛，温暖的感觉；

色温在3000--5000K为中间色温，有爽快的感觉；

色温在5000K以上有冷的感觉。

不同光源的不同光色组成最佳环境，如表：

色温光色气氛效果

>

5000K清凉（带蓝的白色）冷的气氛

3300-5000K中间（白）爽快的气氛

<

3300K温暖（带红的白色）稳重的气氛

a.色温与亮度高色温光源照射下，如亮度不高则给人们有一种阴气的气氛；

低色温光源照射下，亮度过高会给人们有一种闷热感觉。

b.光色的对比在同一空间使用两种光色差很大的光源，其对比将会出现层次效果，光色对比大时，在获得亮度层次的同时，又可获得光色的层次。

　　因为大部分光源所发出的光皆通称为白光，故光源的色表温度或相关色温度即用以指称其光色相对白的程度，以量化光源的光色表现。

根据MaxPlanck的理论，将一具完全吸收与放射能力的标准黑体加热，温度逐渐升高光度亦随之改变；

CIE色座标上的黑体曲线（Blackbodylocus）显示黑体由红--橙红--黄--黄白--白--蓝白的过程。

黑体加温到出现与光源相同或接近光色时的温度，定义为该光源的相关色温度，称色温，以绝对温K（Kelvin，或称开氏温度）为单位（K=℃+273.15）。

因此，黑体加热至呈红色时温度约527℃即800K，其他温度影响光色变化。

　　光色愈偏蓝，色温愈高；

偏红则色温愈低。

一天当中画光的光色亦随时间变化：

日出后40分钟光色较黄，色温3,000K；

正午阳光雪白，上升至4,800-5,800K，阴天正午时分则约6,500K；

日落前光色偏红，色温又降至纸2,200K。

其他光源的相关色温度。

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。

仅冯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

不同光源的不同光色组成最佳环境如表：

色　温

光　色

气氛效果

5000K

清　凉

（带蓝的白色）

冷的气氛

3300-5000K

中　间

（白）

爽快的气氛

3300K

温　暖

（带红的白色）

稳重的气氛

a.色温与亮度:

高色温光源照射下，如亮度不高则给人们有一种阴气的气氛；

b.光色的对比:

在同一空间使用两种光色差很大的光源，其对比将会出现层次效果，光色对比大时，在获得亮度层次的同时，又可获得光色的层次。

四、照明质量

1、眩光：

是由环境内亮度极高的物体或强烈的亮度引起的。

眩光分为直射眩光和反射眩光。

直射眩光是由光源发出的光线直接射到人眼所造成的。

眩光引起视觉不舒适的原因有：

①.高度的刺激使瞳孔缩小；

②.由于角膜或晶体等眼内组织产生光散射，在眼内形成光幕；

③.视幕受高亮度的刺激，使适应状态破坏。

直射眩光的强弱与光源有关，以下情况眩光最显著：

①.光源周围暗，眼睛适应越暗，眩光越显著。

②.光源亮度越高，眩光越显著。

③.光源越接近视线，眩光越显著。

④.光源的表面积越大，光源数目越多，眩光越显著。

一般亮度超过160000cd/㎡就有不舒适的眩光产生。

避免方法：

控制光源的光线投射方向，使光源不能直接射向人眼，这就要求灯具（或灯罩）具有一定的保护角。

如图2.2或表2.2（Y最大取值85度）在观察区内要求亮度足够低，就可以通过改变灯具的反光杯或增加安装高度来解决。

有的灯具用透明格栅式或半透明罩来遮住光源，由于发光面积增大而使每个发光的亮度降低，光线就变得柔和而不刺眼。

2、照度分布与亮度分布的要求：

a、照度的均匀性

工作面上的照度分布要求均匀，为使工作面照度处于比较均匀的状态，CIE要求做到:

4.2.1、局部照明和一般照明共用时，工作面上一般照度值宜为总照度值的1/3-1/5，且不宜低于50LX,局部工作面的照度值最好不要大于平均值的25%。

4.2.2、一般照明中的最小照度值与平均照度之比规定在0.7以上。

b、照度的稳定性

c、消除频闪效应

五、灯光照明设计

（一）、设计的原则

1.功能性原则

灯光照明设计必须符合功能的要求，根据不同的空间、不同的场合、不同的对象选择不同的照明方式和灯具，并保证恰当的照度和亮度。

会议大厅的灯光照明设计应采用垂直式照明，要求亮度分布均匀，避免出现眩光，一般宜选用全面性照明灯具；

商店的橱窗和商品陈列，为了吸引顾客，一般采用强光重点照射以强调商品的形象，其亮度比一般照明要高出3～5倍，为了强化商品的立体感、质感和广告效应，常使用方向性强的照明灯具和利用色光来提高商品的艺术感染力。

2.美观性原则

灯光照明是装饰美化环境和创造艺术气氛的重要手段。

为了对室内空间进行装饰，增加空间层次，渲染环境气氛，采用装饰照明，使用装饰灯具十分重要。

在现代家居建筑、影剧建筑、商业建筑和娱乐性建筑的环境设计中，灯光照明更成为整体的一部分。

灯具不仅起到保证照明的作用，而且十分讲究其造型、材料、色彩、比例、尺度，灯具已成为室内空间的不可缺少的装饰品。

灯光设计师通过灯光的明暗、隐现、抑扬、强弱等有节奏的控制，充分发挥灯光的光辉和色彩的作用，采用透射、反射、折射等多种手段，创造温馨柔和、宁静幽雅、怡情浪漫、光辉灿烂、富丽堂皇、欢乐喜庆、节奏明快、神秘莫测、扑朔迷离等艺术情调气氛，为人们的生活环境增添了丰富多彩的情趣。

3.经济性原则

灯光照明并不一定以多为好，以强取胜，关键是科学合理。

灯光照明设计是为了满足人们视觉生理和审美心理的需要，使室内空间最大限度地体现实用价值和欣赏价值，并达到使用功能和审美功能的统一。

华而不实的灯饰非但不能锦上添花，反而画蛇添足，同时造成电力消耗，能源浪费和经济上的损失，甚至还会造成光环境污染而有损身体的健康。

灯光照明的亮度的标准，由于用途和分辨的清晰度要求不同，选用的标准也各不相同。

现将日本工业标准中选用的各种公共建筑的光照亮度标准介绍如下，仅供参考。

（后见附表）

4.安全性原则

灯光照明设计要求绝对的安全可靠。

由于照明来自电源，必须采取严格的防触电、防断路等安全措施，以避免意外事故的发生。

六、灯光的表现方式

1.面光表现

面光是指室内天棚、墙面和地面做成的发光面。

天棚在光的特点是光照均匀，光线充足，表现形式多种多样。

如用日光灯吊顶，光线密度均需一致，以保每个空间都光线充足；

又如用大面积筒灯吊顶，天棚上有规律的牛眼灯，犹如夜空星罗棋布；

再如结合天棚梁架结构，设计成一个个光井,光线从井格射出，产生别具一格的空间效果。

墙面光一般为图片展览所用。

把墙面做成中空双层夹墙，面向展示的一面的墙做成发光墙面，其中嵌有若干个玻璃框，框后设置投光装置，形成发光展览墙面。

大型灯箱广告也属于此类照明。

地面光是将地面做成发光地板，通常为舞池设置，多彩的发光地板，其光影和色彩伴随着电子音响的节奏而同步变化，大大增强了舞台表演的艺术气氛。

2.带光表现

所谓带光是将光源布置成长条形的光带。

表现形式变化多样，有方形、格子形、条形、条格形、环形（圆环形、椭圆形）、三角形以及其它多边形。

如周边平面型光带吊顶、周边凹入型光带吊顶、内框型光带吊顶、内框凹入型光带吊顶、周边光带地板、内框光带地板、环型光带地板、上投光槽、天花凹光槽、地脚凹光槽等等。

长条形光带具有一定的导向性，在人流众多的公共场所环境设计中常常用作导向照明，其它几何形光带一般作装饰之用。

3.点光表现

点光是指投光范围小而集中的光源。

由于它的光照明度强，大多用于餐厅、卧室、书房以及橱窗、舞台等场所的直接照明或重点照明。

点光表现手法多样，有顶光、底光、顺光、逆光、侧光等。

顶光——自上而下的照明，类似夏日正午日光直射。

光照物体投影小，明暗对比强，不宜不作造型光。

底光——自下而上的照明，宜作辅助配光。

顺光——来自正前方的照明，投影平淡，光照物体色彩显现完全，但立体感觉差。

逆光——来自正后方的照明，光照物体的外轮廓分明，具有艺术魅力的剪影效果，是摄影艺术和舞台天幕中常用的配光方式。

侧光——光线自左右及左上，右上，左下，右下方向的照射，光照物体投影明确，立体感较强，层次丰富，是人们最容易接受的光照方式。

4.静止灯光与流动灯光

静止灯光——灯具固定不动，光照静止不变，不出现闪烁的灯光为静止灯光。

绝大多数室内照明采用静止灯光，这种照明方式，能充分利用光能，并创造出稳定、柔和、和谐的光环境气氛，适用于学校、工厂、办公大楼、商场、展览会等场所。

流动灯光——是流动的照明方式，它具有丰富的艺术表现力，是舞台灯光和都市霓虹灯广告设计中常用的手段。

如舞台上使用“追光灯”，不断追逐移动的演员，又如用作广告照明的霓虹灯不断地流动闪烁，频频变换颜色，不仅突出了艺术形象，而且渲染了环境艺术气氛。

5.激光

激光是由激光器发射的光束。

产生激光束的介质有晶体、玻璃、气体（如氩气、氪气、氦氖混合气等）和染料溶液。

某些气体激光器已作为光源用于灯光艺术，其中氦氖激光器是最为常用的一种，它产生红单色光；

氩离子激光器产生蓝绿色光和绿光，这两种波长的光可通过衍射光栅分离，形成两束不同颜色的单色光。

不同染料激光器可根据需要产生波长范围在400～750mm的任何一种激光。

不过染料激光器都是以脉冲方式工作的装置，它必须依靠其激光器或电子闪光灯作驱动源。

第二部分

LED基本理论知识

（一）LED发光原理

发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。

因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。

此外，在一定条件下，它还具有发光特性。

在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。

进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图1所示。

图1

假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。

除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。

发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。

由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。

理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Ｅg有关，即

λ≈1240/Eg（mm）

式中Eg的单位为电子伏特（eV）。

若能产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV之间。

比红光波长长的光为红外光。

现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管，但其中蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍。

（二）LED的特性

1．极限参数的意义

（1）允许功耗Pm:

允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。

超过此值，LED发热、损坏。

（2）最大正向直流电流IFm：

允许加的最大的正向直流电流。

超过此值可损坏二极管。

（3）最大反向电压VRm：

所允许加的最大反向电压。

超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。

（4）工作环境topm:

发光二极管可正常工作的环境温度范围。

低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。

2．电参数的意义

（1）光谱分布和峰值波长：

某一个发光二极管所发之光并非单一波长，其波长大体按图2所示。

由图可见，该发光管所发之光中某一波长λ0的光强最大，该波长为峰值波长。

（2）发光强度IV：

发光二极管的发光强度通常是指法线（对圆柱形发光管是指其轴线）方向上的发光强度。

若在该方向上辐射强度为（1/683）W/sr时，则发光1坎德拉（符号为cd）。

由于一般LED的发光二强度小，所以发光强度常用坎德拉（mcd）作单位。

（3）光谱半宽度Δλ:

它表示发光管的光谱纯度.是指图3中1/2峰值光强所对应两波长之间隔.

（4）半值角θ1/2和视角：

θ1/2是指发光强度值为轴向强度值一半的方向与发光轴向（法向）的夹角。

半值角的2倍为视角（或称半功率角）。

图3给出的二只不同型号发光二极管发光强度角分布的情况。

中垂线（法线）AO的坐标为相对发光强度（即发光强度与最大发光强度的之比）。

显然，法线方向上的相对发光强度为1，离开法线方向的角度越大，相对发光强度越小。

由此图可以得到半值角或视角值。

（5）正向工作电流If：

它是指发光二极管正常发光时的正向电流值。

在实际使用中应根据需要选择IF在0.6·

IFm以下。

（6）正向工作电压VF：

参数表中给出的工作电压是在给定的正向电流下得到的。

一般是在IF=20mA时测得的。

发光二极管正向工作电压VF在1.4～3V。

在外界温度升高时，VF将下降。

（7）V-I特性：

发光二极管的电压与电流的关系可用图4表示。

在正向电压正小于某一值（叫阈值）时，电流极小，不发光。

当电压超过某一值后，正向电流随电压迅速增加，发光。

由V-I曲线可以得出发光管的正向电压，反向电流及反向电压等参数。

正向的发光管反向漏电流IR<

10μA以下。

（三）LED的优点与缺点

LED的优点：

1.电压：

LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。

2.效能：

消耗能量较同光效的白炽灯减少80%。

3.适用性：

很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境。

4.稳定性：

1