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浙 江 博 上 光 电 有 限 公 司Zhejiang boshang optoelectronic co.,ltd博上光电研发中心编制第一章 光度学基础 可见光的本质是一种电磁波，其波长范围是380-780nm。同时，光又是一种粒子，所以在几何光学中，我们把光的传播抽象为“光线”，这是一种在宏观上的近似，在大于光的波长的尺寸上，这种近似基本都是正确的。1.1 光线传播的基础知识1. 光的直线传播定律：在各向均匀的介质中，光在两点之间沿直线传播。实际应用中，我们认为光在同一种介质中（如空气、水、玻璃等）是沿直线传播的。2. 光的独立传播定律：以不同途径传播的光同时在空间某点通过时，彼此互不影响。3. 光的反射定律与折射：当光线传播到两中不同介质的光滑分界面时，光线会发生反射和折射。如下图所示，光线以入射角i入射到1、2两中介质的分界面时，一部分光线以i=-i的角度反射回介质1，部分光线发生偏折进入介质2，发生偏折的角度r与两种介质的折射率有关。 图1-1假设介质1的折射率为n1，介质2的折射率为n2，那么折射角与入射角的关系是：sin i/sin r= n2/ n1 1-14.光的全反射：习惯上，我们把界面两边折射率相对较大的介质(n1)称为光密介质，折射率较小的称为光疏介质(n2)。光线由光密介质向光疏介质，当入射角大于一定的角度时，入射光线在分界面上发生全反射。这个入射角Im称为临界角，有sin Im=n2/n1 1-2在几何光学中，光线在两中介质的表面主要就发生折射、反射、全反射几种情况，其他的如漫反射、漫透射只是因为介质分界面不均匀和介质内部不均匀而使反射光或折射光方向各异而已。1.2 光度学的基础知识 1光通量：人眼仅能感受波长从380nm到780nm（即可见光）区域的辐射能，由这一区域的辐射能引起的能使人眼感受到的光功率称为光通量。单位是流明(lm)。 人眼对不同波长的辐射能的敏感度差别很大，对波长为555nm的黄率光最为敏感。1W555nm的单色辐射能相当于683lm，即单色555nm光谱的光光效率最高能达到683nm/W，而1W的650nm波长的单色辐射能的光通量大约只有69 lm，即555nm波长的1/10。人们对不同波长的单色辐射的敏感度称为光谱光视效率或视见函数，用V表示，下表是光谱光视效率V表：表1-1 光谱光视效率V表光的颜色波长(nm)V光的颜色波长(nm)V紫4000.0004黄5800.874100.00125900.7574200.004橙6000.6314300.01166100.503蓝4400.0236200.3814500.0386300.265青4600.066400.1754700.0916500.1074800.139红6600.0614900.2086700.032绿5000.3236800.0175100.5036900.0085200.717000.00415300.8627100.0021黄5400.9547200.001055500.9957300.0005255517400.000255600.9957500.000125700.9527600.0000662发光强度：光源在空间某一方向上单位立体角内发射的光通量称为光源在这一方向上的发光强度，简称光强。光强一般用符号I表示，其单位是坎德拉（cd）。 3照度：被照面单位面积所接受的光通量称为该点的照度，照度的符号是E，单位是勒克斯（lx）或（lm/m2）。表1-2 有关情况时的光照度（勒克斯）晚间无月光时的光照度 310-4读书必需的光照度 50月光下的照度 0.2精细工作时所需的光照度 100200明朗夏天室内的光照度 100500摄影棚内所需的光照度 10，000没有阳光时室外的光照度 100010000辨别方向必需的光照度 1阳光直射时室外的光照度 100，000眼睛能感受的最低光照度 110-94亮度：亮度也是用来表示物体表面发光（或反光）强弱的物理量，被视物体发光面在视线方向上的发光强度与发光面在垂直于该方向上的投影面积的比值，称为发光面的表面亮度，单位为坎德拉每平方米（cd/m2）或尼特（nt）。 图1-25平方反比定律：距光源d处某点的径向照度等于光源在该方向的光强与距离平方的比值照度（E）=光强（I）/距离的平方（d2） 1-3 第二章 色度学基础2.1色度学的基础知识 1颜色的定义：颜色是通过眼、脑和我们的生活经验所产生的一种对光的视觉效应。人对颜色的感觉不仅仅由光的物理性质所决定，比如人类对颜色的感觉往往受到周围颜色的影响。2黑体辐射：任何物体都具有不断辐射、吸收、发射电磁波的本领。假设某一物体，它能在任何温度下，将辐射到它表面的任何波长的能量全部吸收，称这种物体为“黑体”。同样的，黑体想外辐射的能量也是连续的所有波长。绝对黑体目前是不存在的，黑洞也许是一种绝对黑体。在实际应用中，我们把太阳、煤、钨丝等近似作黑体处理。3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或相近时，我们将黑体当时的绝对温度称为光源的相关色温，以绝对温度K来表示。表2-1 几种常见光源的色温窗体顶端光源 窗体底端色温北方晴空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冷色荧光灯4000-5000K高压汞灯3450-3750K暖色荧光灯2500-3000K卤素灯3000K钨丝灯2700K高压钠灯1950-2250K蜡烛光 窗体底端2000K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。4可见光谱分布图：光源的光谱中x轴是光谱的波长，y轴是相对光谱能量。以下是几种常见光源的光谱分布图：1.太阳光谱分布 图2-12.钨丝灯的光谱分布图2-23.日光灯的光谱分布图2-34.三基色日光灯分布图2-45.正白LED光谱分布图2-56.暖白LED光谱分布图2-65显色性与显色指数：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。一般用显色指数Ra来表示光源的显色性，显色指数越高，光源的显色性越好，最高为100。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的光波纵使而成，对各个颜色的显色性亦大不相同，这就是所谓的“同色异谱”现象。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。色差程度愈大，光源对该色的显色性愈差。显色分两种 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。 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的方法来加强显色效果。采用低色温光源照射，能使红色更加鲜艳；采用中等色温光源照射，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。表2-2 显色指数等级与应用环境指数(Ra)等级显色性一般应用90-1001A优良需要色彩精确对比的场所80-891B需要色彩正确判断的场所60-792普通需要中等显色性的场所40-593对显色性的要求较低，色差较小的场所20-394较差对显色性无具体要求的场所表2-3 常见光源的显色指数光源 显色指数光源显色指数日光100高压钠灯20-30白炽灯99金属卤化物灯60-65普通荧光灯75-85高压汞灯22-51三基色荧光灯80-94LED60-95第三章 照明基础知识3.1灯具专业术语1光源：由于能量的转变而能发光的表面或物体。一般均指人工光源。2灯具:对一个或多个光源发出的光线进行分配、透出或转换的一中器具、它包括支承、固定和保护光源所必须的部件（但不包括光源本身），以及连接电源与光源所必须的电路辅助装置。3灯具效率：灯具效率是指在规定条件下测得的灯具所发射的光通量值与灯具内所有光源发出的光通量测定值之和的比值。4.光效：光源（或整灯）所发出的总光通量与该光源（或整灯）所消耗的电功率（瓦）的比值，称为该光源的光效。单位lm/W。5平均寿命：指一批灯燃点，当其中有50%的灯损坏不亮时所燃点的小时数。6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比例的小时数。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为百分之八十。7配光曲线：在包含光源的某一平面内，光源各个方向的光强用矢量大小来表示并将矢量尖端连接起来的曲线。8.法向照度：垂直于光的行进方向的面上的照度。9水平面照度：受照点上水平方向上的照度。10垂直面照度：受照点上垂直方向上的照度。11.等照度曲线：在受照平面上将照度相等的点连接起来的曲线。它与地图上的等高线的概念类似。12照度利用系数：到达工作面上的光通量与光源发出的总光通量的之比。13灯具总光通量：经过灯具配光后整灯发出的总光通量。14维护系数：照明装置使用一定时期之后，在规定表面上的平均照度或平均亮度与该装置在相同条件下新安装时在同一表面上所得到的平均照度或平均亮度之比。15截光型灯具：灯具的最大光强方向与灯具向下垂直轴夹角在065之间，90角和80角方向上的光强最大允许值分别为10cd/1000lm和30cd/1000lm的灯具。且不管光源光通量的大小，其在90角方向上的光强最大值不得超过1000cd。16. 半截光型灯具：灯具的最大光强方向与灯具向下垂直轴夹角在075之间，90角和80角方向上的光强最大允许值分别为50cd/1000lm和100cd/1000lm的灯具。且不管光源光通量的大小，其在90角方向上的光强最大值不得超过1000cd。17非截光型灯具：灯具的最大光强方向不受限制，90角方向上的光强最大值不得超过1000cd的灯具。18灯具的上射光通比：灯具安装就位时，其发出的位于水平方向及以上的光通量占灯具发出的总光通量的百分比。19眩光：由于视野中的亮度分布或者亮度范围的不适宜，或存在极端的对比，以致引起不舒适感觉或降低观察目标或细部的能力的视觉现象。3.2灯具分类1按防触电保护形式分类：类灯具：防触电保护靠基本绝缘加接地保护的灯具；类灯具：防触电保护靠基本绝缘和加强绝缘的双绝缘保护的灯具装置；类灯具：防触电保护依靠的电源电压为安全特低电压，且高于安全特低电压的电压在其中不会产生。2按防尘防潮的保护等级分类：IP等级表3.1 防尘等级特征防护等级等级简述防护细节0无防护无特殊防护要求1防止大于50mm异物进入防止大面积的物体进入，例如手掌等2防止大于12mm异物进入防止手指等物体进入3防止大于2.5mm异物进入防止工具、导线等进入4防止大于1.0mm异物进入防止导线、条带等进入5防止小于1.0mm异物进入不严格防尘，但不允许过量的尘埃进入以致使设备不能满意的工作6完全防尘不准尘埃进入表3.2 防水等级特征等级防 护 等 级简 述防护细节0无防护无特殊防护要求1防止水滴进入垂直下滴水滴应无害2防止倾斜150的水滴灯具外在正常位置和直到倾斜150角时垂直下 滴水滴应无害3防止洒水进入与垂直650角处洒下的水应无害4防止泼水进入任意方向对灯具封闭体泼水应无害5防止喷水进入任意方向对灯具封闭体喷水应无害6防海浪进入防止强力喷射的灌水或进入量不损害灯具7防浸水以一定压力和时间将灯具浸在水中时，进入水量不有害于灯具8防淹水在规定的条件下灯具能持续淹没在水中而不受影响3.按使用环境分类：1）EN 规格： A 户内使用，用符号 表示B 户外使用，我们的部分产品属此类。主要特别要求：喷水测试（即要求漏水孔）、金属件防腐蚀处理。2）UL/CSA 规格：A 干环境：至多暂时湿汽较大。B 潮环境：至少会周期性出现漏汽液化现象。C 湿环境：至少会遭受雨滴或水溅。4按国际照明委员会（CIE）推荐的灯具分类（室内照明）： 根据国际照明委员会(CIE)的建议，灯具按光通量在上下空间分布的比例分为五类：直接型、半直接型、全漫射型（包括水平方向光线很少的直接间接型）、半间接型和间接型。 1) 直接型灯具(direct lighting luminaire) 此类灯具绝大部分光通量（90-100%）直接投照下方，所以灯具的光通量的利用率最高。 2) 半直接型灯具(simi-direct lighting luminaire) 这类灯具大部分光通量（60-90%）射向下半球空间，少部分射向上方，射向上方的分量将减少照明环境所产生的阴影的硬度并改善其各表面的亮度比。 3) 漫射型或直接间接型灯具(diffused lighting luminaire) 灯具向上向下的光通量几乎相同（各占40%-60%）。 最常见的是乳白玻璃球形灯罩，其它各种形状漫射透光的封闭灯罩也有类似的配光。这种灯具将光线均匀地投向四面八方，因此光通利用率较低。 4) 半间接灯具(simi-indirect lighting luminaire) 灯具向下光通占10%-40%，它的向下分量往往只用来产生与天棚相称的亮度，此分量过多或分配不适当也会产生直接或间接眩光等一些缺陷。 上面敞口的半透明罩属于这一类。它们主要作为建筑装饰照明，由于大部分光线投向顶棚和上部墙面，增加了室内的间接光，光线更为柔和宜人。 5) 间接灯具(indirect lighting luminaire) 灯具的小部分光通（10%以下）向下。设计得好时，全部天棚成为一个照明光源，达到柔和无阴影的照明效果，由于灯具向下光通很少，只要布置合理，直接眩光与反射眩光都很小。此类灯具的光通利用率比前面四种都低。另外还有按灯具结构、按安装方式、按用途等多种分类方式。3.3 配光曲线1光中心：把一个有一定尺寸的光源或灯具看作是一个点，所有的光线看作由该点发出，这点就是它的光中心，大多数情况下，发光体的光中心就是其几何中心。在某些情况下，也将发光体的出光口中心作为其光中心。 2光轴：通过光中心的竖垂线称为光轴。 3配光的几种常用表示方法： 1）极坐标表示法：最常用的光强分布表示法，最适合具有旋转对称配光特性的灯具。若是非对称配光的灯具，则以不同颜色的曲线表示不同特征面的配光。 2）列表表示法：列表法能用大量的数据精确的表示灯具的光强分布，在实际计算中有实用意义。 3）直角坐标表示法：用直角坐标能更好得表示窄光束和光强突变处的变化。 图3-1如上图所示，在极坐标配光曲线图中，不同的颜色表示不同截面的配光。图3-2在上图中，四条不同颜色的曲线分别表示0/180、30/210、60/240、90/270截面的配光曲线。 对于旋转对称的灯具（光源），只需要用一条曲线就能完整得表示出其光强分布的情况；对于左右对称的灯具，如日光灯之类一般用2-4条曲线来表示其光强分布；对于某些非对称的灯具，如某些路灯和泛光灯等定向照明灯具，需要用4条以上的曲线才能较准确的表示其光强分布。3.4 道路照明的标准 1亮度/照度标准表 3-3 道路照明的亮度/照度及均匀度等标准级别道路类型路面亮度路面照度眩光限制阈值增量T1(%)最大初始值环境比SR最小值平均亮度Lav(cd/m2)总均匀度Uo最小值纵向均匀度UL最小值平均照度Eav(lx)维持值均匀度UE最小值快速路、主干路(含迎宾路、通向政府机关和大型公共建筑的主要道路，位于市中心或商业中心的道路)1.5/2.00.40.720/300.4100.5次干路0.75/1.00.40.510/150.35100.5支路0.5/0.750.48/100.315注: 1 表中所列的平均照度仅适用于沥青路面。若系水泥混凝土路面，其平均照度值可相应降低约30%。根据本标准附录A给出的平均亮度系数可求出相同的路面平均亮度，沥青路面和水泥混凝土路面分别需要的平均照度。 2 计算路面的维持平均亮度或维持平均照度时应根据光源种类、灯具防护等级和擦拭周期，按照本标准附录B确定维护系数。 3 表中各项数值仅适用于干燥路面。 4 表中对每一级道路的平均亮度和平均照度给出了两档标准值，“/”的左侧为低档值，右侧为高档值。表3-4 道路照明部灯标准配光类型截 光 型半 截 光 型非 截 光 型布置方式安装高度H(m)间距S(m)安装高度H(m)间距S(m)安装高度H(m)间距S(m)单侧布置HWeffS3HH1.2WeffS3.5HH1.4WeffS4H双侧交错布置H0.7WeffS3HH0.8WeffS3.5HH0.9WeffS4H双侧对称布置H0.5WeffS3HH0.6WeffS3.5HH0.7WeffS4H注: Weff为路面有效宽度(m)。第四章 LED发光原理4.1 LED的发光原理 LED是固体照明，是由于电子与空穴的复合而发光。目前的白光LED芯片发出的是蓝光，经过黄绿色荧光粉的混光而发出白光。假如要获得高显色性的白光，则需要加入红色荧光粉，不过会降低其发光效率。白光LED的理论发光效率能达到300400 lm/W，并且LED是冷光源，假如能提高其光效，则其发热能大大减小，是今后理想的节能光源。4.2 各种常用光源的性能 1白炽灯：白炽灯主要以钨丝作为灯丝，钨丝是一种接近于黑体的辐射体，其熔点在3683K，即3410左右。钨丝加热时辐射出电磁波，大部分光是不可见的红外线，白炽灯的效率约在12-17 lm/W，显色性高（99100），寿命1000小时。 2卤素钨丝灯：卤素钨丝灯是在灯泡内添加卤素气体使钨丝能在更高的温度下循环使用，从来得到更高的光效（1821 lm/W）和使用寿命。 3日光灯：日光灯是电流通过汞蒸汽时发出紫外线，紫外线通过荧光粉后转化为可见光，所以日光灯通常也叫荧光灯。普通的荧光粉因为缺少红色，其显色指数不高，只能达到5076，使用三基色荧光粉能使其显色指数达到8085甚至90以上。日光灯的光效能达到100 lm/W，寿命可达24 000小时。其缺点是对温度与电压比较敏感，并且含有汞对环境有影响。 4低压钠灯：低压钠灯用钠代替汞可以得到几乎是单色的黄光，光效高，能达到100200 lm/W，但显色指数极低。 5高压钠灯：高压钠灯所发出的光几乎全是589.6nm的单色谱，发光效率60120 lm/W，寿命可达24 000小时，显色指数2025，一般常用在道路照明等显色性要求不高的场所。 6金属卤化物灯：金属卤化物灯简称金卤灯，是在高压汞灯中加入了其他金属，这样可以改变其发光效率与显色性。其循环使用特性与卤钨灯相同。发光效率可达70110 lm/W，显色指数可达6095，寿命200030 000小时。 7LED：目前光效150 lm/W的白光LED已经研制成功，未来有望达到300400 lm/W，显色指数可达6095，寿命可以达到100 000小时，并且不含汞等有毒元素，抗震性强，散热小，是今后的理想光源。第五章 LED照明现状与发展5.1 LED照明的发展 当前全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，节约能源是我们未来面临的重要的问题，在照明领域，LED发光产品的应用正吸引着世人的目光，LED作为一种新型的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势，二十一世纪将进入以LED为代表的新型照明光源时代。LED被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。近年来，世界上一些经济发达国家围绕LED的研制展开了激烈的技术竞赛。美国从2000年起投资5亿美元实施“国家半导体照明计划”，欧盟也在2000年7月宣布启动类似的“彩虹计划”。我国科技部在“863”计划的支持下，2003年6月份首次提出发展半导体照明计划。中国LED产业起步于20世纪70年代。经过30多年的发展，中国LED产业已初步形成了包括LED外延片的生产、LED芯片的制备、LED芯片的封装以及LED产品应用在内的较为完整的产业链。在“国家半导体照明工程”的推动下，形成了上海、大