光源的色温及显色性.docx

1、光源的色温及显色性光源的色温及显色性所有固体、液体和气体如果达到足够高的温度，都会发射出可见光。白炽灯中的固体钨约在3000K时的炽热发光，这是我们最为熟悉的人造光源。通常是随着辐射体的温度升高而提高，辐射光色从暗红，经过桔黄、发白，然后是炽兰。这样色温也随着辐射体的温度升高而提高。这是遵循斯蒂芬波尔兹曼定律：绝对黑体的能量亮度与物体绝对温度的四次方成正比。1 色温将一标准黑体加热，随着温度升高黑体的颜色开始沿着深红-浅红-橙-黄-白-蓝逐渐改变，当某光源发出的光的颜色与标准黑体处于某温度的颜色相同时，我们将黑体当时的绝对温度称为光源的色温，以绝对温度K来表示。基本色如表所示：色温光色气氛效果

2、大于5000K清凉（带蓝的白色）清冷的感觉三基色荧光灯水银灯3300-5000K左右中间（接近自然光）无明显视觉心理效果三基色荧光灯金卤灯小于3300K温暖（带桔花的白色）温暖的感觉白炽灯石英卤素灯2 显色性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，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再现较差，我们所见到的颜色偏差也较大，用显色指数（Ra）表示。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有相同，如：高压钠灯的显色指数为Ra=23，荧光灯管显色指数Ra=60-90。显色指数越接近100，显色性就越好。如下

3、图：不同显色指数下的物体所呈现出来的效果；很好 较好 普通Ra=100 80Ra90 60RaRa80印刷、食品分检、油漆、店铺、饭店等80Ra60机电装配、表面处理、控制室、办公室、百货等 60Ra40机械加工、热处理、铸造等40Ra20仓库、大件金属库等3 颜色显色性和照度光源的显色指数与照度一起决定环境的视觉清晰度。研究表明，在照度和显色指数之间存在一种平衡关系。从广泛的实验中得到的结果是：用显色指数Ra90的灯照明办公室，就其外观的满意程度来说，要比用显色指数低的灯（Ra60）照明的办公室，照度值可降低25%以上。要注意的是针对良好的视觉外观而言，如果为了节能而把室内照度减少到使视功能

4、变坏的水平，那就不对了。应该尽可能选用有最佳显色指数和发光效率高的光源采用适当的照度，以便以最小的能量费用获得良好的视觉外观效果。4 眩光评价方法在视野范围内有亮度极高的物体，或亮度对比过大，或空间和时间上存在极端的对比，就可引起不舒适的视觉，或造成视功能下降，或同时产生这两种效应的现象，称为眩光。眩光是影响照明质量的最重要因素。从眩光的作用来看可分直接眩光和反射眩光，直接眩光是在观察物体的方向或接近这一方向内存在发光体所引起的眩光。反射眩光是发光体的镜面反射，特别是在观察物体方向或接近这一方向出现镜面反射所引起的眩光。眩光按其效应又可分为失能眩光和不舒适眩光。失能眩光又称为生理眩光，这种眩光

5、会妨碍对物体的视看效果，使视功能下降，但它不一定引起不舒适。不舒适眩光又称为心理眩光，这种眩光使人不舒适，但它不一定妨碍对物体的视觉功能效果。表2 眩光标准分类眩光指数GI眩光标准分类10勉强感到有眩光16可以接受的眩光19眩光临界值22不舒适的眩光28不能忍受的眩光表3 眩光限制等级眩光等级G眩光分类0 没眩光1不存在和轻微眩光之间2轻微眩光3厉害眩光4厉害和不能忍受眩光之间5不能忍受眩光根据试验，对眩光程度的感觉，仅4种因素值得考虑（1）灯具亮度；（2）房间长度和灯具安装的高度（即距高比）；（3）由平均水平照度表示的视适应水平；（4）灯具种类，如灯具侧面是否发光等；光源结构及原理在照明工程

6、中常用的光源有白炽发光的白炽灯和卤钨灯，低压气体放电的各种荧光灯和高强气体放电的荧光高压汞灯，金属卤化物灯和高压钠灯等。常用光源分类如下表：表1 常用光源分类表注：以上各类光源原则上都可以做成无极灯1 白炽灯凡是根据热辐射原理工作的光源都可称为白炽灯。目前常用的白炽灯分两类，即普通白炽灯和卤钨灯。白炽灯靠电能将灯丝加热到白炽而发光。在灯丝发光的同时还产生大量的红外辐射和小量的紫外辐射，它们最终以热能的形式而损失掉。显然，要想提高白炽灯的光效，应选用高熔点材料做灯丝，并使之在尽可能高的温度下工作。1.1 白炽灯的结构普通白炽灯泡由钨丝、玻璃泡、灯头、支架、引线等几部分组成，内充氩、氮、或氩氮混合

7、气体，通常的工作压力约为1.013x105Pa，而氩氮的比例由额定电压和灯丝温度而定，通常白炽灯使用氩气在86%98%之间。灯丝是白炽灯发光的主要部件，常用的灯丝形状有直线灯丝、单螺灯丝、双螺旋灯丝等。灯丝的形状和尺寸大小对于白炽灯的寿命、发光效率都有直接的影响，同样长短粗细的钨丝绕成单螺旋型的光效高。灯丝结构紧凑，发光点小，利用率就高。白炽灯类型：白炽灯泡有普泡、蘑菇泡、圆球泡、烛形泡、反射泡、节日泡和花生米灯泡等系列产品。1.2 白炽灯的色温、显色指数白炽灯的光效较低（约为1217lm/W），色温较低一般为24002900K，但显色性较高，显色指数Ra高达99100。到目前为止，它是应用最

8、广泛的一种光源。2 卤钨灯卤钨灯属于热辐射光源，工作原理基本上与普通白炽灯一样，在结构上有较大的的差别。最突出的差别就是卤钨灯泡内所填充的气体含有部分卤族元素或卤化物。卤钨灯的光效较高（约为1821lm/W），色温较低一般为27003300K，显色性较高，显色指数Ra高达99100。2.1 卤钨灯的结构卤钨灯是由钨丝、充入卤素的玻璃泡和灯头等构成。卤钨灯有双端、单端和双泡壳之分；双端管状卤钨灯结构：灯呈现管状，功率为1002000W，灯管的直径为810mm，长80330mm。两端采用磁接头，需要时在磁管内还装有保险丝。这种灯主要用于室内外泛光照明；为了使管壁处生成的卤化物处于气态，管壁温度要比

9、普通白炽灯高得多，相应地卤钨灯的玻壳尺寸就要小得多，温度也就高得多，因而必须使用耐高温的石英玻璃或高硅氧玻璃。2.2 卤钨灯的分类（1）卤钨灯按充入灯泡内的不同卤素可为碘钨灯和溴钨灯；（2）卤钨灯按灯泡外壳材料的不同可分为硬质玻璃卤钨灯、石英玻璃卤钨灯；（3）卤钨灯按工作电压的高低不同可分为市电卤钨灯（220V）和低电压型卤钨灯（6V、12V、24V）；（4）卤钨灯按灯头结构的不同可分为双端、单端卤钨灯；2.3 卤钨灯的工作原理当充入卤素物质的灯泡通电工作时，从灯丝蒸发出来的钨，在灯泡壁区域内与卤素化合，形成一种挥发性的卤钨化合物。卤钨化合物在灯泡中扩散运动，当扩散到较热的灯丝周围区域时，卤钨

10、化合物分解成卤素和钨，释放出来的钨沉积在灯丝上，而卤素再继续扩散到其温度较低的灯泡壁区域与钨化合，形成卤钨循环。卤钨循环有效地抑制了钨的蒸发，所以可以延长卤钨灯的使用寿命，同时可以进一步提高灯丝温度，获得较高的光效，并减少了使用过程中的光通量的衰减。2.4 卤钨灯的工作特性2.4.1 色表和显色性卤钨灯属低色温光源，其色温一般在28003200K之间，与普通白炽灯相比，光色度的一些，色调更冷一些，但显色性较好，显色指数Ra=100；2.4.2 卤钨灯的应用卤钨灯在使用时应注意以下问题：为了使在灯泡壁生成的卤化物处于气态，卤钨灯不适用于低温场合。双端卤钨灯工作时，灯管应水平安装，其倾斜角度不得超

11、过40，否则会缩短其使用寿命。由于卤钨灯工作时产生高温（管壁温度600），因此，卤钨灯附近不准放易燃物质，且灯脚引入线应用耐高温的导线。另外，由于卤钨灯灯丝细长又脆，卤钨灯使用时，要避免震动和撞击，也不宜作为移动照明灯具。3 荧光灯荧光灯与白炽灯的发光原理完全不同，荧光灯是一种低压气体放电灯。所谓气体放电就是指电流通过气体媒介时的放电现象。气体放电现象是非常普遍的，例如厦日雷雨时的闪电，使用电焊机时产生很强的光等都是气体放电现象。最先把气体放电用于照明的是使用炭精棒通电产生的碳弧灯，这种放电不易控制，后来人们对气体放电从本质上有了深入认识。于1936年成功地实现了在密闭管内的放电，从而产生荧光

12、灯。到目前为止，荧光灯工业已经形成一项庞大的工业体系，产品种类很多，仍在不断的发展之中，荧光灯已成为主要的照明光源。3.1 荧光灯的发光原理荧光灯的常用荧光粉是卤磷酸钙；一种低压汞蒸气体放电灯。灯管内水银蒸气的原子在放电时激发出253.7nm紫外线。紫外辐射被管壁上的荧光粉吸收，转变成可见光。转换效率和灯的颜色主要取决于荧光粉的种类和性质。3.2 荧光灯的光电特征3.2.1 电压特性电源电压的变化，会引起各种特性的变化。无论电压过高或过低，都会缩短灯的寿命，因为电源电压增高，使灯电流增大，灯管会黑化，寿命缩短；而电源电压降低，电极温度降低，灯不易启动，促使电极物质溅散，也使寿命缩短，所以要求电

13、源电压的波动范围必须为额定值的6以内，同时灯用镇流器的选择和匹配也非常重要。3.2.2 荧光灯的工作特性随着点灯时间的延长，荧光粉会老化，同时由于管内残留不纯气体的作用，也会使荧光粉黑化，并且由于电极物质的发溅，会造成管端黑化，玻璃的析钠黑化等都使荧光灯的光通量下降。一般在最初100h下降很快，以后就比较缓慢，总光通量下降到初始光通量的70%以下（高显色性的荧光灯下降到60%以下）的点灯时间定义为灯的寿命。荧光灯的电压升高时，工作电流增大，电极温度升高，会引起电极和灯管过热，从而使阴仍物质蒸发加快、管子迅速变黑，导致寿命降低。如果电压过低，荧光灯启支困难，启辉器工作次数增加，会加剧阴极物质的溅

14、射，也会使寿命缩短。3.2.3 环境温度对荧光灯的影响灯的工作特性，还取决于管内汞的蒸汽压，因此也受环境温度影响，当温度过低时，汞蒸汽压力下降，汞原子电离率下降，启动困难，同时紫外线的辐射减少。当环境温度过高，管内汞蒸气压力增高，紫外线反而减少，其他谱线增加。因此，环境温度过低和过高都会影响荧光灯的发光效率。荧光灯不宜用在户外。3.2.4 开关次数对寿命的影响荧光灯频繁启动会大大消耗阴极物质，从而使寿命降低。通常，荧光灯寿命是指每开一次点燃3h的总使用时间。连续工作时间越长，寿命越长，因此，在频繁开关灯具的场所不宜使用荧光灯。3.2.5 各种荧光灯的光度和色度特性在一般照明光源中，根据荧光灯的

15、光色特性分类，可分为日光色、高显色性、三基色、冷白色和暖白色等；目前生产的照明用各种荧光灯的特性如下表：表1 各种荧光灯的特性荧光灯名称功率（w）色温（k）显色指数(Ra)初始光通（lm）长度（mm）额定寿命（h）T8三基色182705295034004000630085135060015000362700295034006300853350120015000582700290034006300855200150015000T5三基色182700300040005000650095981000604362700300040005000650095989598959895989598230012

16、136582700300040005000650095989598959895989598370015142环形223227006400270064008010501750500070003.3 荧光灯的发展前景荧光灯的发展前景相当迅速，灯管和控制电路的改进使灯管的光效从1940年的35lm/W发展到现在的100Lm/W左右，灯管寿命从2000h到现在的15000h。三基色荧光粉的出现增加了灯管的交效，改善了灯管的流明维持特性，并大大提高了荧光灯的显色性。涂敷多光谱带荧光粉的荧光灯有极高的显色性（Ra达到90以上）和高光效，它已经取代了较老式的灯管。现在有的荧光灯有涂敷荧光粉之前，先在灯管内壁

17、涂一层保护膜，这层保护膜可以阻止玻璃管内的钠元素扩散到荧光粉中，从而显著地改善了灯的流明维持特性，同时保护膜还能反射紫外线，从而有利于减少荧光粉用量。保护膜还可以很显著地减少每根荧光灯内需要的汞量，像T5直管荧光灯的汞注入量仅为3mg。4 高强度气体放电灯4.1 荧光高压汞灯的光电特征荧光灯以外的气体放电灯都属于第三代光源。荧光灯中汞蒸气压力极小，不足1托，因此是一种低压汞灯。目前讨论的光源其汞蒸气的压力将是荧光灯汞蒸气压力的数千倍，甚至更高，因此称为高压汞灯。光效可达3253Lm/w，寿命也较长，一般5000h以上。4.1.1 结构及发光原理：结构：高压汞灯的核心部件是放电管。放电管由耐高温

18、的石英玻璃制成，管内抽真空后充入氩和汞，两端装有钨丝主电极，电极上涂上钡、锶、钙的金属氧化物作为电子发射物质，在放电管的一端还装有辅助电极，与同端的电极非常接近。发光原理：利用汞放电时产生的高气压，而获得高的可见光发光效率；接通电源，两端电极发生放电，产生电子和离子，从而引发两个主电极的放电。但开始的放电只是在氩气中进行，产生的是白色的光。随着放电时间增长，放电管内温度不断提高，汞蒸气的压力也逐渐上升，于是放电也逐渐转移到在汞蒸气中进行，发出的光也渐渐由白色变为更亮的蓝绿色。4.1.2 高压汞灯的启动与再启动将灯电压后，立即在主电极和辅助电极间产生辉光放电。瞬时，即时，即转移到主电极间，形成弧

19、光放电。由于放电热量，汞徐徐放电，几分钟后，全部蒸发并达到稳定状态，将达稳定状态的时间叫启动时间。当荧光高压汞灯熄灭后，必须等到管冷却，汞蒸气压降下来，才能再点燃，将再点燃时间称再启动时间，一般10min以下。如果施加高压脉冲，即使在高温下，汞蒸气压高的情况下，也能再启动，此时称为热启动。4.2 金属卤化物灯（金卤灯）的光电特征在发光管中，除与荧光高压汞灯一样充填汞和稀有气体外，还充填发光的金属卤化物（以碘化物为主）。将发光金属制成卤化物的灯，称金属卤化物灯；金卤灯显色指数较高，在大功率的情况下，其光效可达100lm/W。4.2.1 金属卤化物灯的结构金属卤化物灯结构与高压汞灯类似，发光管采用

20、石英玻璃，玻壳设计小型化，可提高管壁的工作温度。为了控制最冷温度，在管端涂上保温膜。4.2.2 金属卤化物灯的发光原理金属卤化物灯内，由于管壁和电弧中心温度相差很大，金属卤化物会产生分解和再复合的循环过程。在管壁温度下，金属卤化物大量蒸发，向电弧中心扩散。在电弧中心的高温区，金属卤化物分解成金属原子和卤素原子。金属原子参与放电，并产生辐射。在电弧中心区的金属原子和卤素原子向管壁扩散到低温区时，又重新复合成金属卤化物分子。4.2.3 金属卤化物灯的启动特性与其它的高强度气体放电灯一样，金属卤化物灯的启动分三个基本阶段：第一阶段是启动气体（通常是惰性气体，如氩），从不导电状态转变到导电状态，紧接的

21、阶段是冷阴辉光放电并加热电极，最后阶段是热电子电弧放电。一个设计良好的灯就是要使辉光放电阶段尽量短，因为辉光放电使电极材料发生溅射，覆盖到电弧管壁上会导致光输出降低。与高压汞灯相比较，金属卤化物灯要求灯的启动电压高很多。这可以归因于碘化物，特别是汞和氢碘化物的存在以及由离解的电子俘获过程形成的带负电的碘离子。4.2.4 金属卤化物灯的光度和色度特性金属卤化物灯的组成分类：一般照明用光源有镝（Dy）灯、钪钠（Sc-Na）灯、钠铊锢（Nal-Tll-InI3）灯等。各种金属卤化物灯的紫外辐射比示灯弱，而可见光辐射较均匀，不但显色性好，而且光效也高；下表为金属卤化物灯的光电参数：表2 石英金属卤化物

22、灯的光电参数功率（w）色温（k）显色指数(Ra)灯头全长（mm）燃点位置初始流明（lm）额定寿命（h）单端石英金卤灯70150300042003000420075818085G12767688任意5200120001150006000表3 石英金属卤化物灯的光电参数功率（w）色温（k）显色指数(Ra)灯头全长（mm）燃点位置初始流明（lm）额定寿命（h）双端石英金卤灯70150250100015002000300035004200300035004200300040005200520052007570727570728065R75Fc2R75特殊114132163256311水平45水平水平水

23、平6000130012000120002000020000800001200002000006000石英金卤PAR（窄光束）灯1000400080G38175任意2600035004.3 高压钠灯的光电特征高压钠灯是20世纪60年代初研制成功的一种高强气体放电光源，它在高强气体放电光源中的光效最高，因为589.0nm和589.6nm的钠为光谱位于人眼灵敏度最高的区域，所以光效可达100120Lm/W，而寿命最长可达1800024000h，但它的色温偏低，一般为16002100K，显色指数也低，一般显色指数Ra为1629，因此，限制了它的使用。4.3.1 高压钠灯的发光原理高压钠灯启动时，附件和

24、镇流器产生3KV的脉冲电压将钠灯点亮，开始时通过氙气和汞进行放电，随着放电管内温度的上升，氙气和汞放电向高压钠蒸气放电转移，钠蒸气气压升高，钠的共振辐射线加宽，光色改善，约5min左右趋于稳定，在稳定工作时可发出一种金白色的光。当工作电流、工作电压均稳定在额定值时，启动过程结束。4.3.2 高压钠灯的基本功能高压钠灯工作蒸气压为26.67kPa，光色为金黄色，色温为2100K，显色指数为Ra=30，故显色性较差，但发光效率比较高。国产高压钠灯的光效可达70130lm/W。高压钠灯的特点是光效接近低压钠灯，光色优于低压钠灯，体积小、功率高、紫外线辐射少、寿命长，属于节能型电光源，但光色偏黄、透雾

25、性能好。4.3.3 高压钠灯的应用由于高压钠灯的发光效率高、寿命长、透雾性好，所以被广泛用于高大厂房、车站、广场、体育馆，特别是城市道路等处照明。高压钠灯在使用时应注意的问题：电源电压波动对对的正常工作影响较大，电压升高易引起灯的自行熄灭；电压降低则光通量减少，光色变坏；灯的再启动时间较长，一般在1020min以内，故不能作应急照明或其它需要迅速点亮的场所；高压钠灯不宜用于频繁开启和关闭的地方，否则会影响使用寿命。高压钠灯的光电参数，如表4：表4 高显色高压钠灯的光电参数功率（w）色温（k）显色指数(Ra)灯头燃点位置初始流明（lm）额定寿命（h）3550100250400250025002500250025008383838383PG12-1PG12-1E40E40E40任意任意任意任意任意13002300500012250210003500024000