基本照明专业度量与单位.doc

基本照明专业度量与单位以下四种基本照明专业度量与单位数量Quantity符号单位光束(光通量) Luminous Flux流明 lumen光度 Luminous IntensityI烛光 Candela照度 IlluminanceE勒克斯 Lux辉度 LuminanceL单位面积的光度 Candela per square metre (cd/m2)照明度量与单位的关系 :光通量 (f) 与光度 ( I ) 的关系光度 ( I )与照度 (E) 的关系射入角的余弦定律Cosine Law与垂直照度照明度量会使用两组不同的参数 :当在已知的照明电磁辐射下考量，我们会一方面着重能量效率与另一眼睛视觉灵敏度方面；基本上这是两种截然不同的考量角度，在照明量化过程中是完全不同的数据。为了解决这个疑虑，通常将依照明工程实例中最合宜的方案来取决：即，产品的耗电量与眼睛视觉灵敏度，因此，光是人类眼睛视觉灵敏度条件下光线投射的衡量基础。光的瓦特数 The Light Watt :眼睛视觉灵敏度会随着灯的波长而变化；在白昼明亮环境时，眼睛对中波长黄绿色光 (555 nm) 最敏锐；由此，在波长555 nm环境下一个电源能量(瓦特)转换成光能量 (瓦数)，在不同波长的可见光下一个瓦特能量，将会随着白昼眼睛视觉灵敏度的光谱中各种因素而改变，这个变化曲线称为白昼视觉曲线 V(l)；如此一来，光的瓦特数是取决于光的波长，例如：一个波长 490 nm 光是坐落在波长 555 nm 白昼眼睛视觉灵敏度曲线中百分之二十的位置，且一个波长 490 nm 光只能将一个电源能量(瓦特) 转换等于0.2 个光能量 (瓦数)。在低亮度水平，整个眼睛视觉灵敏度曲线会左移 (相当于靠近较短波长) 而其最敏锐的高点是 507 nm位置，这个曲线被称为夜晚视觉灵敏度曲线。烛光 The candela : 光的瓦数是将可见光的视觉感受转换成量化的单位，并排除了一些仿真两可的因素。可是，虽然光的瓦数曾是以前的光学标准与遵循公式，也由此衍生出光的单位 - 原先是称烛光源 candle power，之后在1948年被简称为 烛光candela ，而这才是符合真实的光度有方向特性的单位；有一烛光光度的光源每秒钟向四面八方投射的量就被称为 流明 lumen，这个基本标准一直持续使用至今。最佳的光谱光源效率Maximum spectral luminous efficacy 经由计算后，可知在波长555nm环境下一个电源能量(瓦特)相当于683 流明，这也是最高的光谱光源效率，如在波长490nm环境下一个电源能量(瓦特)相当于137流明(0.2x683=137lumens) 。因此，流明就可定义成眼睛视觉灵敏度下每秒钟对光源发出的量的总合。余弦法则平面上不垂直于照射方向的任意一点的照度等于该点方向的照度除以该点到光源距离的平方。该照度值必须乘以入射光线和平面垂线夹角g的余弦（图八），因而得到： 该公式被称为余弦法则。对于水平表面，为方便起见经常把上面的公式加以修改：替换表面上光源距离（d）作为光源高度h的一个函数。如果光线不是垂直到达平面而是和平面成一夹角g，则得到下面的公式： 光源，距离d，平面A垂直照度按照类似推理，该点的垂直照度是：照度定义照度-符号E，单位勒克斯（lx）照度定义 照度是指落在表面单位面积上的光照总量或光通量（如图所示）。它由符号E表示。计量单位是勒克斯（lx）。1勒克斯等于1流明/平方米 (lm/m2 )照度可被定义为：表面入射光通量与表面面积的比率辉度的定义 Definition of luminance辉度的定义 Definition of luminance辉度Luminance - 符号是L，其单位是每平方公尺的烛光数 (cd/m2) 辉度的定义Definition of luminance辉度是指从某一方向的一个表面积单位所放射光的量；这个表面可能是自行发光或只是传送光的物体就如同光源或太阳但也可能是其它发光体反射的光线(就像街道的亮光是来自街灯，而街道的亮光就成为第二个光源)。辉度的符号是L，其单位是每平方公尺的烛光数 (cd/m2)。辉度可被定义成：从某一方向反射的光束在单位面积的比率。以不同角度检视会有不同的视野 所谓视野指的是以不同角度检视物体，其反射的表面；例如，综合一个球体在任一角度的横断面的外观视野都是球形，得知其是一个球体。即使以相同照度投射在不同物体，其反射表面的光度也会不同，也就是将有不同的辉度。如同光度与外观视野会随距离不同而改变，辉度也会因距离不同而有所改变；换言之，辉度通常是随着检视的方向角度而改变，除非该物体表面会有漫射或反射现象。TOP = 顶点SIDE = 侧面FRONT = 正面照明品质最重要的要素 The most important lighting quality真正影响我们视的效果是照度，或者应该说是在检视范围中照度的差异度；照度也是照明工程的三大简易测量数据(光通量，光度与照度)中最重要的。以下是常见的实例： (cd/m2 = 烛光/平方公尺)太阳的表面1 650 000 000 cd/m2清光灯泡的灯丝7 000 000 cd/m2白炽灯泡系列- 真柔灯泡200 000 cd/m2日光灯管5000 -15 000 cd/m2满月的表面2500 cd/m2阳光照耀的海边15 000 cd/m2400 lux勒克斯照度下的白纸 (反射率 0.8)100 cd/m2400 lux勒克斯照度下的灰纸 (反射率 0.4)50 cd/m2400 lux勒克斯照度下的黑纸 (反射率 0.04)5 cd/m2人工照明下的街道面0,5 - 2 cd/m2：照明度不受光通量到达表面的方向影响。一些实际例子：夏日正午在多云的天空下100 000 勒克斯同上，但在阴影里10 000 勒克斯户外，在布满厚重云层的天空下5000 勒克斯人造光，在光亮的办公室里1000 勒克斯人造光，在普通的起居室里100勒克斯街道照明5-30 勒克斯满月，在明净的夜晚0,25 勒克斯光束 (光通量) Luminous flux 表示符号 f，单位流明unit lumen (lm)光束 (光通量) Luminous flux 表示符号 f，单位流明unit lumen (lm)Definition of luminous flux光束 (光通量，或称光源的发光量)光束 (光通量)是指光源每秒钟所发出的量之总和，简单的说就是发光量，表示符号是f，而单位是流明 (lm)。光束 (光通量)可定义成：光源每秒钟所发出的发光量与人类眼睛在光学感光度为基础而测得的数量。以下是常见光源的光通量对照表：脚踏车车头灯3W30 lm白炽灯Argenta75 W900 lm紧密型日光灯管Essence14W (WW)800 lm日光灯管TLD36 W/843350 lm高压钠灯SON-T100W10000 lm低压钠灯SOX-E130W26000 lm高压水银灯HPL-N1000W58000 lm复金属灯HPI-T2000 W190000 lm光源效率Luminous efficacy 经由以上光通量对照表，光源耗电量与散发出光通量之间的并无固定关系，而光通量与耗电量的比率被称作光源效率，且指的是每一瓦电力所发出光的量；如此一来，每种光源将有各自的光源效率。光度的定义 Definition of luminous intensity光度的定义 Definition of luminous intensityLuminous intensity 光度-表示符号I ，单位烛光candela (cd)光度是指某一特定方向角内每秒所放射光的量，表示符号是I，而单位是烛光 (cd)。光度可定义成：某一特定方向角内放射出的量(光通量)。由此，将带给我们有关立体角和它的球面度steradian单位的概念；这个立体角是可由一个顶点与圆锥体的曲面所环绕空间大小所度量出来。一般而言，光源的光束并不是平均地向四面八方放射，而是向某一特定方向投射；假设，我们想象某一狭窄角度的圆锥体的顶点是一光源所在，再让光束平均地投射出来，而光束是经由一个小孔延着立体角投射并形成一个圆锥体，该光源的强度就称作光度 (I)，其单位是烛光(cd)，该圆锥体的中心线就是此光源的方向。球面度可度量出立体角 A Steradian is a measure for a solid angle 立体角的尺寸大小如同平面角的角度或弧度；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，所以，假设该小半个球体表面积不等于半径的平方(r2 ) 时，该面积将等于A ，而这立体角球面度。整个球体就包含了4p球面度A whole sphere contains 4p steradians 最大的立体角将会含盖了一整个球体，而一个半径 r的球体的表面积是4pr2 ，这立体角将等于是球面度；因此半个球体将包含2p steradians球面度。有关光度的概念在照明科技非常重要，就如一般照明设备是无法平均地向四面八方投射。这部份要非常谨慎小心处理；当以观赏者而言某些角度投射是比较重要的，其它多余的光源就必需避免眩光问题！。所以，针对光源或灯具的光度投射规划，安排恰当的投射方向与投射范围将可提升光源效率。 脚踏车无反射罩车头灯，无特定方向投射2,5cd 烛光脚踏车有反射罩车头灯，集光投射250cd 烛光白炽反射灯泡(珠宝灯 PAR38E Spot 120W，集光投射10 000cd 烛光灯塔中心光束，集光投射2 000 000cd烛光反平方定律反平方定律Light Source = 光源Intensity, I= 照度h = 距离P1 = 平面Lux = 勒克斯光源垂直照射至平面上某个点的照度就等于该方向的光度除以光源至该平面的距离平方，若我们称该距离为h，推演出以下公式：举例如下：一个照射出100 cd 烛光的光源，当在光源至垂直平面的距离为 3 公尺时，该平面照度将是100/32= 11 lux勒克斯；当在光源至垂直平面的距离为 2 公尺时，该平面照度将是: 100/22 = 25lux勒克斯。这个关系就称为反平方定律，但直接的说，这只适用于点光源；一般而言，这个定律最适用于该光源至该测量点的距离大于该光源最大面积的三倍长以上；以另一方面实验室内测量的数据而言，这段距离却必需至少是光源最大面积的五至十倍长。光束(光通量) (f)与光度(l)的关系当一个平均向四面八方放射的光源，其某一角度的光度将等于光通量除以，也就是：举例说明，一个2000流明的白炽灯泡装在0.9穿透率含有乳白玻璃外罩灯具内，其某一角度的光度是：这个算式只适用于有限的实例；唯有光源放射至任何方向的光度都是一致的才适用。电磁波谱、长波辐射电磁辐射波谱是非常宽的，它由非常长的波长，也就是含非常低能量的量子开始。在使用Planckian专用技术并联结交流电产生器与变压器(波长达6000公里)下，我们可以传递多波段的长波无线传输(波长长达2000公尺)，AM与FM短波无线广播，电视广播与雷达传输(1公尺或更小的波长) (见图一)。由以下波段得知其与热度间的敏感性；从中央空调器发射的长波至短波传讯更至火红煤炉的红外线，其红外线波长更远低于千分之一公厘 (毫米）米电磁辐射波谱，其右侧的可见光宽度已被放大可见光 热煤炉在黑暗中会发出的暗红光，这也是显示联结可见光，它的波长可由780奈米甚至380奈米，不同波长我们的眼睛将会看见不同的色彩，由红、橙、黄、绿、蓝至紫。短波辐射在紫外线区之后，我们可由阳光感受紫外线辐射长波是需要选择性使用的，它们除了晒黑我们的肌肤外，短波紫外线辐射也潜在地伤害肌肤与眼睛，但它也可运用在医学杀菌消毒和其它化学应用。一奈米是百万分之一公厘 (毫米)或称10-9 公尺其波长更窄并可穿透我们身体的X光，甚至更危险的迦码射线，其放射出如核子破坏的效果，再更甚者如宇宙射线。宇宙射线是由悠游在宇宙外的物质以超高速速度强烈撞击大气上层的原子所产生，在超新星高速尘埃中产生宇宙射线；宇宙射线波长是窄至10-18 米或称为10-9 奈米。由太阳或白炽灯射出的白光是可见光光谱内多色光的混合(也可说是发射出介于红外线与紫外线间波长区域的光)；有一个有名的三棱镜折射原理可将白光分离出不同波长的色光。光谱色彩排列近似于彩虹：由红、橙、黄、绿、蓝至紫*：而对应的近似波长如下所示：红630 - 780 nm橙600 -630nm黄565 - 600 nm绿500 -565nm蓝435 - 500 nm紫380 -435nm人类的眼睛对所有波长并不是显示一样的色彩鲜度，高敏锐度的眼睛对绿色的波长区间是在 555 奈米。* 旧科学技术会产生多出的靛色(深蓝色)，而造就了彩虹的神秘七彩。CIE系统颜色三角形的两侧是光谱色，三个顶点是红绿蓝三原色，三角形底边则会从红色逐渐变为蓝色，也就是紫色的各种明暗变化，这些颜色不会出现在电磁光谱，但能藉由光谱红色及蓝色的不同比例混合而得。这套系统要有实用价值，必须先做两项改变。首先，三角形要适度变形，以便留出更多空间容纳饱和度较高的光谱色，它们主要出现在光谱的绿色和蓝色部份，这些颜色若有任何细微变化，也比其它部份更容易为人眼所察觉。据此，即可得到CIE颜色三角形的常见形状，其周围环绕着一条光谱波长组成的曲线 (光谱能量分布)。颜色则由两个坐标所定义。另一项改变是在包含颜色三角形的直角三角形边上绘出颜色值，使每种颜色都能由它的x和y值定义，它们称为色度坐标。CIE颜色三角形包含光谱能量分布、色度坐标系统、黑体轨迹和固定相关的色温线，其值从2000 K至20,000 K。黑体轨迹是在CIE颜色三角形的内部绘制于颜色三角形内的热幅射体色温 :-物体加热至某个温度以上时，就会随着当时的温度幅射出特定颜色的可见光，这种物体称为热幅射体或更具体称为黑体幅射，它们发出的光色称为色温。我们可于CIE颜色三角形内绘出色温标尺，它会形成一条曲线：黑体轨迹也称为普朗克轨迹。任何光源的光谱光分布只要类似于黑体幅射，就能在普朗克轨迹上找到与其色温对应的位置，属于这类光源的范例包括太阳光 (色温约5500 K)、钨丝灯泡的光 (2800 K) 以及烛光 (2200 K)相较于热幅射体，来自其它光源的白光却可能对应到颜色三角形中央区域的任何一个颜色点，后者的例子包括选择性幅射体 (selective radiators)，例如日光灯和其它气体放电灯。物体加热至某个温度以上时，就会随着当时的温度幅射出特定颜色的可见光，这种物体称为热幅射体或更具体称为黑体幅射，它们发出的光色称为色温。我们可于CIE颜色三角形内绘出色温标尺，它会形成一条曲线：黑体轨迹也称为普朗克轨迹。任何光源的光谱光分布只要类似于黑体幅射，就能在普朗克轨迹上找到与其色温对应的位置，属于这类光源的范例包括太阳光 (色温约5500 K)、钨丝灯泡的光 (2800 K) 以及烛光 (2200 K)如果光源在黑体轨迹上面或附近有对应的颜色点，那么光源的 (相关) 色温和色相之间就存在独特的关系。因此，用于普通照明的灯泡，特别是日光灯，就是根据它们的色温来分类。例如下列三组就有所不同：色温色相低于3300 K暖白色 (淡黄白色)3300 - 5000 K中间白色超过5000 K冷白色 (淡蓝白色)照明品质标准照明品质标准有五个条件必须满足 (才能让眼睛发挥正常的视觉功能)，分别是：细节的大小必须达到一定程度。细节本身必须达到一定亮度，使其形状和纹理能显露出来。视觉内的总亮度和亮度分布不能超出眼睛的适应范围，这样它才有可能去适应；换言之，不能有太强的眩光。所要观看的细节和其周围环境之间的对比度必须达到一定程度，这是亮度对比度和颜色对比度的组合。眼睛看到这个物体的时间必须达到一定长度。若能满足以上视觉要求，眼睛即可认出该物体的细节，然而照明所要做的绝不能仅是帮助眼睛分辨物体，它还必须让眼睛在错误可能性最小的情形下发挥作用，同时将眼睛的费力程度和压力减至最少。主要照明准则这使我们开始考虑五项主要的照明准则：照明度视觉内的亮度分布没有令人困扰的眩光光的空间分布色相和演色性无论日光、人工照明或两者的组合，上述准则都能成立演色性演色性虽然有相同色温的光源将会显示相同的色彩，但这并不表示所看见相同色彩的物体其表面是相同的色彩。在CIE色温度表中，表面色彩是依选择性反射而有所不同；换言之，当反射的入射光也座落在光谱的波长中，我们将由表面色彩显现得知其颜色。这也直接指出光源是热辐射且是以全波长连续性光谱方式显示，但某一个选择性辐射光，例如气体放电灯放射的光是光谱中某些选择性波长的色光，而其它波长的色光就不见了。 只含光谱内某些色光的水银灯光(左)与连续性光谱的太阳光(右)都是显示白光。如何影响显色与演色性？ 色彩显示也受加法混色法混出白光的理论影响；任何光谱内的色光与它的互补色光可合成白光，而该互补色光也存在光谱内，或也可由两种其它色光组成；而白光可能是由两种或三种单波长的色光混合成。虽然白光在热辐射下，对色彩显色与其对应的色温一致，但随每种色彩组合对色光反射不同，表面色彩与眼睛识别的颜色就会有所不同。这种现象并不局限在白光上(请比照范例)；低压钠灯的纯黄光与白炽灯加黄色过滤罩，两种光源在显色上是一样的，但白炽灯下我们眼睛辨识色彩效果远远高于另一种光源，而钠灯是绝对无法达到那种效果。白炽灯的黄光(左)，可完美地展现色彩；而低压钠灯的纯黄光(右)，就无法清楚辨识各种色彩。光谱中某些色光组合与强度或可见光光谱内某些色光波段的数据，将决定该物体在该光源下是否可确实地呈现其色彩，这就称为该光源的演色性。演色性指数 Ra的标准颜色 在1965年，国际照明协会CIE开发了一种以八种标准色样为基础量化其演色性的方式；首先，先测量得知该光源