灯具设计光学讲义

了解和掌握光度学基本知识的基础，学习光学的基本定律，为对照明计算和灯具的控光部件（主要是反射器）的研究作准备。能看懂三大类灯具（室内灯、路灯和投光灯）的光度测试图表，并且能从中了解灯具的光学性能并能利用图表进行简单照明计算。3. 能够根据灯具的配光曲线来设计灯具的光学部件,例如反射器等。,培训目的,电磁波频谱图,电磁波频谱图,常用380780nm表示可见光的范围,平面角和立体角,平面角和立体角,=,在光度学物理量的基本定义中都要引用到立体角这一概念，而且立体角在照明计算中也经常用到 。,l,A,o,B,(a),s,A,A,r,(b),o,r,光度学的几个基本概念,=,辐射能和光,辐射能（Qe）、辐通量（e）、辐强度（Ie）、辐照度（Ee）、辐亮度（ Le ）；,对应的光度量定义： 光能量（Qv）、光通量（v）、光强度（Iv）、光照度（Ev）、光亮度 （Lv ）；,Km 最大光谱光效能= 683 lm/W,眼睛在明视觉下光谱光效率曲线,作为光度量客观评价的物理量，必须要规定和使用世界上认可并适用的标准人眼和它的光谱灵敏度数值，这就是目前已被公认的光谱光效率（）也称视见函数,0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,400,500,600,700,nm,（ ）,E,I,=ES,=I,I=EL,2,常用光度学单位及其相互关系,光通量（lm）光强I（cd）照度E（lx）,常用的光度测量定律,A. 照度的平方反比定律,E=,I,垂直于光线传播方向的照度与光源在该方向的光强成正比，与光源到表面的距离的平方成反比。,注意：只有点光源才符合距离平方反比定律。(测试距离不应少于灯具出光口面最大尺寸的10倍。),B. 照度的余弦定律：,E= cos,S1面：E1= = ；,S2面：E2= ；, S1=S2 cos 显而易见：E2= E1cos,将它与照度的平方反比定律结合起来就有 ：,常用的光度测量定律,C. 余弦立方定律,式中：I点光源射向该点的光强； h光源离该平面的高度； 平面法线与入射光线的夹角； OA长度。,E= cos= cos3,常用的光度测量定律,屋边,路边,A,。,。,。,。,A,（ ， ）,（ ， ）,90,B,B,B,。,C-坐标系统,适合路灯的分布光度系统,国际照明学会推荐的分布光度C-坐标系统,V-H坐标系统,适合投光灯的分布光度系统,国际照明学会推荐的分布光度 -坐标系统,光度学中常用的坐标,空间光强分布，可以通过三种方式：1、极坐标室内灯路灯2、直角坐标投光灯3、等光强图 不对称配光,旋转对称二个对称平面一个对称平面,极坐标,直角坐标,等光强曲线示意,等光强曲线,灯具光度测试报告解读和在照明计算中的应用,道路灯具,子午面配光曲线圆锥面配光曲线等光强曲线等照度曲线光通量利用系数曲线,子午面配光曲线,圆锥面配光曲线,光源：400W HPS,等光强曲线,IESNA路灯分类图,人行道边线,1.0MH,2.25MH,3.75MH,6.0MH,2.75MH,1.75MH,1.0MH,马路横跨线,用圆形网图表示IESNA路灯分类,灯具的纵向分布分为三种（供参考）：当最大光强点位于1.0和2.25MH TRL之间时，此灯具被归类为Short(S)分布，最大的灯具间隔是安装高度的4.5倍；在2.25和3.75MHTRL之间的，此灯具被归类为Medium(M)分布，最大的灯具间隔是安装高度的7.5倍；在3.75和6.0MH TRL之间称为Long(L)分布，最大的灯具间隔是安装高度的12倍。灯具的横向分布分为四类：当灯具位于或接近于道路边， 50%最大光强的曲线位于参考轴的两边且屋边1.0M宽，路边1.0-MH宽，这种灯具被称作类；50%最大光强的轨迹的横向宽度在路边1.75MH LRL以内，属于类； 部分的或全部在路边1.75MH和2.75MH LRL之间，属于类； 部分的或全部的在路边2.75MH LRL以外，属于类。,最大光强的垂直角度以上的光分布控制,IESNA眩光控制分类,完全截光型 离开灯下点90（r=90）以上的所有角度的光强值为0，而且在离灯下点80（r=80）的位置每1000流明的光强值不超过100cd（10%）。围绕灯具的所有横向角度都要满足这个要求。截光型 离开灯下点90（r=90，水平）的位置的每1000流明的光强值不超过25cd（2.5%），而且在离灯下点80（r=80）的位置不超过100cd（10%）的灯具是达到截光水平的。同样应用到围绕灯具的所有横向角度。半截光型 离开灯下点90（r=90，水平）的位置的每1000流明的光强值不超过50cd（5%），而且在离灯下点80（r=80）的位置不超过200cd（20%）的灯具是达到截光水平的。同样应用到围绕灯具的所有横向角度。,完全截光型灯具,Eh = kE10,等照度曲线,当灯具安装在9米高，求在马路上且垂直于马路纵向的方向上，离灯下点的水平距离13.5米的地方的照度值是多少？,求照度均匀度,光通量利用系数曲线,路灯头的仰角,光通量利用系数曲线示意,道路上照度均匀度 = 最小照度/平均照度,平均照度 =,光源光通量利用系数维护系数,灯间隔距离路宽,例题：道路宽10米，灯具的安装间隔是15米，灯的高度10米，求路面的平均照度是多少？,用光通量利用曲线和等照度曲线计算照度均匀度,维护系数（K）,维护系数是考虑由于光源光通衰减、灯具污染及老化所引起的效率降低，以及被照场所建筑物内墙表面、顶棚、地面的反射率下降等因素使照度降低所必须乘入的系数。,室内灯具,光通比与距高比极坐标配光曲线空间等照度曲线平面等照度曲线利用系数 CU概算曲线,光通比与距高比,CIE 分 类: 直 接 向 上 光 通 比: .0 % 向 下 光 通 比: 63.0 % 灯 具 效 率: 63.0 %,1/2 照度角,最 大 距 高 比: A-A: 1.2 B-B: 1.7,距高比：1.2,距高比：1.7,距高比：2.1,灯具描述：70WHPS；光源被垂直装在一个旋转对称反射器内,极坐标配光曲线,例：在灯下6米，距灯下点3米的地方的照度有多大？,空间等照度曲线,灯具描述：支架灯具；36W荧光灯管,极坐标配光曲线,极坐标配光曲线示意,例：在灯下6米，c-0方向距灯下点3米的地方的照度有多大？,平面等照度曲线,平面等照度曲线示意,流明法,利用灯具的配光曲线或等照度曲线， 按照灯具的布置方式直接计算室内各点的照度。,逐点计算法,利用灯具的配光曲线考虑到房间大小形状、房间中各个面的反射率和灯具布置方式后计算灯具直接射到工作面上的光通量和射到室内其它表面（包括墙、天花板、地板）后反射的光线再投到工作面上的光通量之和除以工作面的面积得到平均照度。,照 度 计 算,室空间比,RCR = 5 * hRC * (Long+Width) / Long * Width,室内照明计算是把房间看作直六面体，能表征房间尺寸的表式就是室空间比（室指数）。越是低而宽敞的房子，可得到的光通利用率越高，越是狭而高的房间，光通利用率越低。,利 用 系 数 : CC 80 70 50 30 10 0W 50 30 10 50 30 10 50 30 10 50 30 10 50 30 10 0 WDRC RCR COEFFICIENTS OF UTILIZATION FOR FC=20 0 .75 .75 .75 .73 .73 .73 .70 .70 .70 .67 .67 .67 .64 .64 .64 .63 1 .68 .65 .63 .66 .64 .62 .63 .62 .60 .61 .60 .59 .59 .58 .57 .56 .182 2 .61 .57 .54 .59 .56 .54 .57 .55 .52 .55 .53 .51 .54 .52 .50 .49 .176 3 .54 .50 .47 .53 .49 .46 .52 .48 .46 .50 .47 .45 .49 .46 .44 .43 .168 4 .49 .44 .40 .48 .44 .40 .46 .43 .40 .45 .42 .39 .44 .41 .39 .37 .160 5 .43 .38 .35 .43 .38 .34 .42 .37 .34 .40 .37 .34 .39 .36 .33 .32 .154 6 .39 .34 .30 .38 .34 .30 .37 .33 .30 .36 .32 .30 .35 .32 .29 .28 .145 7 .35 .30 .26 .35 .30 .26 .34 .29 .26 .33 .29 .26 .32 .28 .26 .24 .138 8 .31 .26 .23 .31 .26 .22 .30 .26 .22 .29 .25 .22 .29 .25 .22 .21 .131 9 .28 .23 .19 .28 .23 .19 .27 .22 .19 .26 .22 .19 .25 .22 .19 .18 .125 10 .25 .20 .17 .25 .20 .17 .24 .20 .17 .24 .20 .17 .23 .19 .17 .16 .118,利用系数 CU,cc顶棚空间的反射系数;w墙面的反射系数;fc地板空间的反射系数;WDRC墙面直接辐射系数,平均照度=光源光通量灯具数量CU 维护系数 /长宽,灯具数量=平均照度长宽/光源光通量 CU 维护系数,维护系数（K）,维护系数是考虑由于光源光通衰减、灯具污染及老化所引起的效率降低，以及被照场所建筑物内墙表面、顶棚、地面的反射率下降等因素使照度降低所必须乘入的系数。,利用系数法及灯具概算曲线应用,例 某电机装配车间，双侧开窗，采用钢筋混凝土多边形屋架，因此顶棚有效反射率cc是47%。下弦高度12M。屋内墙及大型屋面板均喷白，因此墙面平均反射率w是41.5%。地面为混凝土地坪水泥砂浆抹面，因此地面反射率f是20% 。车间跨度W=18M，长度L=54M，柱距6M。试确定照明方案和灯数。1.照度的确定和灯型选择：设计要求该车间平均照度为90lx。拟选用D-16号GC5-B-4型深照型400W高压水银荧光灯，装于屋架下弦，工作面高度距地面0.8M。2.求室空间比：灯的计算高度为 h=12-0.8=11.2MRCR=511.2(54+18)/5418=4.153.查D-16号灯具图表，用内插法求出利用系数u=0.371。该车间属于B类，维护系数K=0.7，光源光通F=20000lm应用公式N=905418/(200000.3710.7)=16.8个,利 用 系 数 : CC 70 50 30 10 0W 50 30 10 50 30 10 50 30 10 50 30 10 0 RCR COEFFICIENTS OF UTILIZATION FOR FC=20 1 .69 .66 .64 .66 .64 .62 .63 .61 .60 .61 .59 .58 .57 2 .60 .56 .52 .58 .54 .51 .55 .52 .50 .53 .51 .49 .47 3 .52 .47 .43 .50 .46 .42 .48 .45 .41 .47 .43 .41 .39 4 .46 .40 .36 .44 .39 .36 .43 .39 .35 .41 .38 .35 .33 5 .40 .35 .30 .39 .34 .30 .38 .33 .30 .36 .32 .29 .28 6 .36 .30 .26 .34 .29 .25 .33 .29 .25 .32 .28 .25 .23 7 .32 .26 .22 .31 .25 .21 .30 .25 .21 .29 .24 .21 .20 8 .28 .23 .19 .28 .22 .19 .27 .22 .18 .26 .22 .18 .17 9 .26 .20 .16 .25 .20 .16 .24 .19 .16 .23 .19 .16 .15 10 .23 .18 .14 .22 .17 .14 .22 .17 .14 .21 .17 .14 .13,D-16号灯具利用系数表：,概算曲线,投光灯具,直角坐标配光曲线等光强曲线区域光通量,穿过反射器母线，且含有最大光强的截面上V角和H角的配光曲线,直角坐标配光曲线,半峰发散角在选定的通过最大光强的平面上，两个为50%最大