ch1.電氣照明技術(shù)課件

電氣照明技術(shù)2008

第一章

照明技術(shù)的基本知識(shí)本章主要介紹光、視覺(jué)、顏色等與屯飛照明技術(shù)有關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)。第一節(jié)光電氣照明技術(shù)的實(shí)質(zhì)主要是光的控制與分配技術(shù)。

一、光和光譜

1.光的概念

光是能量的一種存在形式，它可以通過(guò)電磁輻射方式從一個(gè)物休傳播到另一個(gè)物體。因而，光的本質(zhì)是一種電磁波(電磁輻射)。

電磁輻射的波長(zhǎng)范圍是極其廣泛的，波長(zhǎng)不同的電磁波，其特性可能有很大的差別。但相鄰波段之間實(shí)際上是沒(méi)有明顯界線的，因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)的較小差別不會(huì)引起特性的突變。若將各種電磁波按波長(zhǎng)依次排列可以得到電磁波譜，如圖1-1所示。

在電磁波譜中，波長(zhǎng)為380~7807nm(1nm＝10-9m)的電磁波，作用于人的視覺(jué)器官能產(chǎn)生視覺(jué)，這部分電磁波叫可見(jiàn)光?？梢?jiàn)光按波長(zhǎng)依次排列可以得到可見(jiàn)光譜。不同波長(zhǎng)的可見(jiàn)光，在視覺(jué)上會(huì)形成不同的顏色。

單色光:只含有一種波長(zhǎng)成分的可見(jiàn)光。通常將可見(jiàn)光分為：

紅(780~630nm)、橙(630~600nm)、黃(600~570nm)、綠(570~490nm)、青(490~450nm)、藍(lán)(450~430nm)和紫(430~380nm)等七種單色光。將可見(jiàn)光按波長(zhǎng)從380~780nm依次展開(kāi)，光將分別早現(xiàn)紫、藍(lán)、青、綠、黃、橙、紅色。小于380nm的是一個(gè)紫外線波段，大于780nm的是一個(gè)紅外線波段，這兩個(gè)波段的電磁波雖然不能引起人的視覺(jué)，但由于它們能夠有效地轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光，所以，通常把紫外線、可見(jiàn)光和紅外線統(tǒng)稱為光。2．光譜輻射通量及其能量分布(1)光譜輻射通量。輻射通量(或稱為輻射功率)是指某物體單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射或接收的輻射能量，或在介質(zhì)(也可能是真空)中單位時(shí)間內(nèi)傳遞的輻射能量，單位為瓦特(W)。任意波長(zhǎng)的電磁輻射的能量都可以用輻射通量來(lái)度量。

在照明工程中，由于實(shí)際照明光源發(fā)出的往往是含有多種波長(zhǎng)成分的復(fù)合光。光譜輻射通量定義為輻射源在給定波長(zhǎng)無(wú)限小范圍內(nèi)產(chǎn)生的輻射通量與該波長(zhǎng)范圍之比，其基本單位為W／m。(2)輻射通量的光譜分布。光源的輻射能量隨波長(zhǎng)而變化的規(guī)律稱為輻射通量的光譜分布。通常稱為光譜能量(功率)分布，可以用曲線來(lái)表示。

圖1-2表示的是具有連續(xù)光譜成分的復(fù)合光的光譜能量分布。圖1-3則表示具有線光譜成分的復(fù)合光的光譜能量分布。圖1-3(a)表示的是理想線光譜成分的復(fù)合光的光譜能量分布．即每一個(gè)線光譜成分具有良好的單色性。但實(shí)際光源的線光譜成分在其波長(zhǎng)附近一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)均有一定的輻射，如圖1-3(b)所示。在照明工程中，一般取5nm或10nm作為一個(gè)波長(zhǎng)段。經(jīng)過(guò)處理的具有線光譜成分的復(fù)合光光譜能量分布如圖1-3(c)所示。3．光譜光效率通常朋光譜光效率(或光譜光效能)來(lái)表示人眼的視覺(jué)靈敏度。人眼對(duì)各種波長(zhǎng)的光具有不同的靈敏度。

光譜光效能的意義是單位輻射通量產(chǎn)生的視覺(jué)強(qiáng)度。用符號(hào)K(λ)表示。光譜光效能是波長(zhǎng)的函數(shù)，并且存在最大值Km。光譜光效率是給定波長(zhǎng)λ

的光譜光效能K(λ)與最大光譜光效能Km

之比，也是波長(zhǎng)λ

的函數(shù)，用符號(hào)V(λ)

表示，其表達(dá)式為基于以下兩個(gè)原因：①光譜光效率(或光譜光效能)除了與波長(zhǎng)有關(guān)以外，還與光刺激強(qiáng)度有關(guān)，即同一波長(zhǎng)的光，在環(huán)境適應(yīng)亮度明暗不同的情況下，人眼對(duì)其敏感性是有差別的。②光諾光效率(光譜光效能)既然是評(píng)價(jià)人眼的視覺(jué)靈敏度的，就不可避見(jiàn)地存在著個(gè)人差異。

因此，CIE(國(guó)際照明委員會(huì))規(guī)定了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)光度觀察者，先后提出了在明視覺(jué)條件下(適應(yīng)亮度約為10cd/m2以上)獲得的明視覺(jué)光譜光效率V(λ)，以及在暗視覺(jué)條件下(適應(yīng)亮度小于10-2cd／m2)獲得的暗視覺(jué)光譜光效率值V’(λ)，如表1-1所示。圖1-4為對(duì)應(yīng)于表1-1的CIE光度標(biāo)準(zhǔn)觀察者光譜光效率曲線。實(shí)驗(yàn)證明：在明視覺(jué)情況下，正常人眼對(duì)于波長(zhǎng)為555nm的黃綠色光最敏感，也就是這種波長(zhǎng)的輻射能引起人眼最大的視覺(jué)。在暗視覺(jué)條件下，正常人眼對(duì)于波長(zhǎng)為507nm(510nm)的光最敏感。說(shuō)明：明視覺(jué)光譜光效率曲線的最大值與太陽(yáng)散射光能量分布(按波長(zhǎng))曲線的最大值相近，這是人類眼睛在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中最好地適應(yīng)與感受太陽(yáng)散射光刺激的結(jié)果。在照明工程中主要應(yīng)用明視覺(jué)光譜光效率。

光是能量的一種存在形式，光對(duì)物質(zhì)的作用是與光能量的轉(zhuǎn)化相關(guān)的。在照明技術(shù)中，由于光作用于人的眼睛所產(chǎn)生的視覺(jué)強(qiáng)度，不僅與光能量的大小有關(guān)，還與光的波長(zhǎng)有關(guān)，所以在照明技術(shù)中，為了更好地研究光在照明工程中的應(yīng)用，通常采用的是以視覺(jué)效果來(lái)評(píng)價(jià)光輻射的量——光度量。在照明工程中，常用的光度量有光適量、發(fā)光強(qiáng)度、照度和亮度。

二、常用的光度量

1．光通量

光通量是按照CIE標(biāo)淮觀察者的視覺(jué)特性來(lái)評(píng)價(jià)光的輻射通量的，其定義為單位時(shí)間內(nèi)光輻射能量的大小，用符號(hào)Φ表示。當(dāng)輻射體發(fā)出的輻射通量按V(λ)曲線的效率被人眼所接受時(shí)，其表達(dá)式為光通量的單位是流明（lm）。光通員是說(shuō)明光源發(fā)光能力的基本量。具有均勻光強(qiáng)度1cd的點(diǎn)光源在單位立體角1sr(球面度)內(nèi)發(fā)出的光通量為1lm—物理意義。光通量是根據(jù)人眼對(duì)光的感覺(jué)來(lái)評(píng)價(jià)光源在單位時(shí)間內(nèi)光輻射能量的大小的。2.發(fā)光強(qiáng)度(光強(qiáng))它表示光源向空間某一方向輻射的光通密度。所以，一個(gè)光源向給定方向的立體角dω內(nèi)發(fā)射的光通量dΦ與該立體角之比，稱為光源在給定方向的光強(qiáng)，用符號(hào)Ⅰ表示，其表達(dá)式為立體角的定義是任意一個(gè)封閉的圓錐面所圍的空間。立體角是以錐的頂點(diǎn)為球心，半徑為r的球面被錐面所截得的面積來(lái)度量的。當(dāng)錐面在球面上截得的面積為dA時(shí)，則該立體角即為一個(gè)單位立體角dω，其表達(dá)式為若光源發(fā)射的光通量比較均勻時(shí)．各個(gè)方向的光強(qiáng)相等，其值為發(fā)光強(qiáng)度的單位是坎德拉(cd)。發(fā)光強(qiáng)度是用來(lái)描述光源發(fā)出的光通量在空間給定方向上的分布情況的。3．照度定義：被照物體表面上一點(diǎn)的照度等于入射到該表面包含這點(diǎn)的面元上的光通量dΦ與面元的面積dA之比。簡(jiǎn)單地說(shuō)就是被照面上單位面積入射的光通量。照度是描述被照面被照射的程度的光度量。照度用符號(hào)E表示，其表達(dá)式為若任意被照面A上入射的光通量為Φ，則可用平均照度表．即照度的國(guó)際單位制單位是勒克斯(lx)。1lx表示在1m2面積上均勻分布1lm光通量的照度值。即1lx＝1lm/m2。一般情況下，1lx的照度僅能辨別物體的輪廓；照度為5~10lx時(shí)，看一般書(shū)籍比較困難；短時(shí)閱讀的照度不應(yīng)低于50lx。4．亮度

亮度是描述發(fā)光面或反光面上光的明亮程度的光度量。并且，亮度考慮了光的輻射方向，所以它是表證發(fā)光面在不同方向上的光學(xué)特性的物理量。亮度用符號(hào)L表示，給定方向(θ方向)上的亮度用Lθ表示，其表達(dá)式為若發(fā)光面是一個(gè)理想的漫射體(漫射發(fā)光體或漫反射體)，它的光強(qiáng)將按余弦分布，即則

即，漫射體的亮度是一個(gè)常數(shù)L0，與方向無(wú)關(guān)。其特點(diǎn)是：從任意方向看該漫射體的表面時(shí)，亮度都是一樣的。如圖1-6所示。亮度的國(guó)際單位制單位是坎德拉／平方米(cd／m2)。若1m2發(fā)光面沿其法線方間發(fā)出1cd光強(qiáng)時(shí)，該發(fā)光面在其法線方向上呈現(xiàn)的亮度為1cd/m2。注意：一般當(dāng)亮度超過(guò)1.6×105cd／m2時(shí)，人眼就感到難以忍受了。三、光的輻射

1．輻射的產(chǎn)生

原子由帶正電的原子核和其外圍帶負(fù)電的電子云組成，原子核外電子運(yùn)動(dòng)的軌道不同，其能量級(jí)別也不相同。離原子核最近的軌道能量級(jí)最低，而離原子核越遠(yuǎn)，則其能量級(jí)別越高。如果由于果種原因使核外電子獲得更高的能量，電子出于被激發(fā)將不再逗留在基態(tài)，而將遷移到與其具有的能量相當(dāng)?shù)哪芗?jí)(這種遷移稱為被激發(fā)遷移)。電子逗留在激發(fā)態(tài)的時(shí)間是極短暫的，它將很快回到穩(wěn)定的基態(tài)，或從高能級(jí)的激發(fā)態(tài)遷移到低能量級(jí)的激發(fā)態(tài)(這種遷移稱為去激發(fā)躍遷)。在去激發(fā)躍遷時(shí)電子的能量也隨之釋放，該能量就被轉(zhuǎn)化成光能并自發(fā)地向外輻射，形成了光的輻射。輻射的激發(fā)和自激發(fā)過(guò)程示于圖1-7。原于輻射的光譜成分取決于原子的能級(jí)。實(shí)際物體內(nèi)的激發(fā)原子所產(chǎn)生的是有限幾種線光譜成分的復(fù)合光：而對(duì)多原子分子而言，光譜接近于連續(xù)光譜。目前．在人工光源中常用的輻射源主要有三種形式：熱輻射、氣體放電和電致發(fā)光。2．熱輻射熱輻射是物體因熱而產(chǎn)生的輻射。當(dāng)物體被加熱到高溫時(shí)，組成它的原子或分子將產(chǎn)生熱運(yùn)動(dòng)，并互相碰撞使電子獲得能量，而被激發(fā)、從而產(chǎn)生輻射。

(1)黑體輻射。黑體又稱為完全輻射體．共特點(diǎn)是入射到黑體上的光輻射將完全被吸收．而沒(méi)有反射和透射．即它的反射比和透射比為0，吸收比為1。著名的普朗克定律所描述的就是不同溫度下的黑體的光譜輻射功率與波長(zhǎng)的函數(shù)關(guān)系(如圖1-8所示)。這種形式的輻射稱為熱輻射或黑體輻射。黑體的輻射是具有連續(xù)光譜成分的復(fù)合輻射。黑體輻射有兩個(gè)主要特點(diǎn)：其一是隨著溫度的升高，黑體輻射的總能量迅速增加；其二是隨著溫度的升高，黑體輻射曲線的最大值偏向短波，即具有最大輻射功率的波長(zhǎng)和黑體的溫度成反比。與該特點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的現(xiàn)象是物體加熱后隨著溫度的逐步升高，具顏色先發(fā)紅，再變黃，最后發(fā)藍(lán)。

實(shí)際上，黑體是一種理想的輻射體，在自然界中根本不存在這種物質(zhì)。在人工熱輻射光源中采用的是鎢絲輻射。

(2)鎢絲輻射。鎢絲并不能獲得黑體的吸收和反射特性，但是由于鎢絲能夠承受2000K以上的高溫，并且它在可見(jiàn)光區(qū)域內(nèi)的選擇輻射率較高，因此鎢絲的熱輻射與黑體輻射不僅輻射原理相同，而且具有相似的性能，例如其光譜能量分布是連續(xù)光譜，且與輻射的溫度有密切的關(guān)系。鎢絲輻射的能量分布見(jiàn)圖1-9。鎢絲輻射功率的峰值比同溫度的黑體偏向于可見(jiàn)光區(qū)，顯然用鎢絲作光源比用同溫度的黑體作光源光效要高。

此外，鎢絲輻射波長(zhǎng)范圍很廣。其中可見(jiàn)光僅占很少的比例，紫外線也很少，絕大部分是紅外線。隨著溫度增加，鎢絲輻射的能量也隨之增加，并且可見(jiàn)光部分的增加速度比紅外線的增加速度更快。所以，要提高鎢絲輻射的光效，就必須盡可能地提高鎢絲的工作溫度。

3．氣體放電

在電場(chǎng)的作用下，載流子在氣體(或蒸汽)中產(chǎn)生并運(yùn)動(dòng)，從而使電流通過(guò)氣體(或蒸汽)的過(guò)程稱為氣體放電。

在正常情況下，氣體里通常沒(méi)有自由電子，只有當(dāng)氣體原子被電離產(chǎn)生電子和正離子時(shí)才能導(dǎo)電。圖1-10所示的是通過(guò)電離氣體管的放電。通過(guò)管子的總電流就是電子和離子流的總和。

氣體放電主要是在充有氣體的管中由原子輻射形式產(chǎn)生光輻射的。根據(jù)管中氣體的的壓力，可分為低氣壓放電和高氣壓放電。（1）低氣壓放電。管內(nèi)氣體壓力較小時(shí)（總氣壓近似于百分之一大氣壓）產(chǎn)生的氣體放電。低氣壓放電所產(chǎn)生的光輻射主要是以線光譜的形式出現(xiàn)。（2）高氣壓放電。管內(nèi)氣體壓力較高時(shí)（升高到幾個(gè)大氣壓）產(chǎn)生的氣體放電。高氣壓放電所產(chǎn)生的光輻射將包括強(qiáng)的線光譜成分和弱的連續(xù)光譜成分。

4．電致發(fā)光

電致發(fā)光又稱為場(chǎng)致發(fā)光。電流通過(guò)像半導(dǎo)體等固體物質(zhì)時(shí)所產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象稱為電致發(fā)光。

特點(diǎn)：電致發(fā)光不需要任何像加熱這樣的中間過(guò)程，而是直接把電能轉(zhuǎn)化成光能。

電致發(fā)光的輻射波長(zhǎng)取決于躍遷前后所在能帶(或能級(jí))之間的能量差。四、物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)

光通過(guò)介質(zhì)(空氣、液體、固體等)傳播時(shí)，一般都發(fā)生吸收、折射、透射、反射和偏振等現(xiàn)象。因?yàn)檎彰鳝h(huán)境(照明分布)是光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)傳播過(guò)程而最后形成的。很明顯，吸收、折射、反射和透射等現(xiàn)象對(duì)照明分布具有決定性的影響。

1.光的吸收

光在介質(zhì)中傳播時(shí)其強(qiáng)度將越來(lái)越弱，在這個(gè)過(guò)程中有一部分光的能量轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰?例如熱能)．這就是介質(zhì)對(duì)光的吸收。用吸收比(亦稱吸收系數(shù))來(lái)表征介質(zhì)對(duì)光的吸收作用。

不同的介質(zhì)對(duì)于不同波長(zhǎng)的光的吸收作用是不同的。介質(zhì)對(duì)光的吸收與光在介質(zhì)中傳播的光程(即介質(zhì)吸收層的厚度)有關(guān)，光程越大，介質(zhì)吸收的光也越多。介質(zhì)對(duì)光的吸收還與光的人射方向和偏振狀態(tài)有關(guān)。2．光的折射和透射

(1)光的折射。光從一種介質(zhì)射入另一種介質(zhì)時(shí)，若光的入射方向不是垂直于上述兩種介質(zhì)分界面，則在分界面處將有一部分光被反射回原來(lái)的介質(zhì)，另一部分將射人另一種介質(zhì)中，但傳播方向改變了，這種現(xiàn)象稱為光的折射。n1、n2分別為兩種介質(zhì)的折射率。光在其介質(zhì)中傳播速度較高的被稱為光疏物質(zhì)，而傳播速度較低的稱為光密物質(zhì)。當(dāng)光從光疏介質(zhì)射人光密介質(zhì)時(shí)(n2>n1)，折射角γ將小于入射角i,反之，則折射角γ將大于入射角i。同時(shí)，入射角發(fā)生變化時(shí)，折射角隨之發(fā)生變化，但兩角之間的關(guān)系符合折射定律

(2)光的透射。光從一種介質(zhì)射入另一種介質(zhì)，并從這種介質(zhì)穿透出來(lái)的現(xiàn)象叫光的透射。

在透射光中，光所包含的單色成分的頻率不改變，但光通量及其包含的立體角可能改變。用透射比(透射系數(shù))來(lái)描述光在透射前后光通量的變化情況。物理意義：透射比說(shuō)明的是材料的透光性，不同的物質(zhì)具有不同的透光性。透射比還與材料的厚度有關(guān)，對(duì)于透明度相同的物質(zhì)來(lái)說(shuō)，其厚度越大則透射比超小。根據(jù)透射后光束在空間的擴(kuò)展倩況，光的透射分為：1)定向透射。2)擴(kuò)散透射。

3．光的反射

光從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí)，有一部分或全部自分界面射間原來(lái)的介質(zhì)，這種現(xiàn)象叫做光的反射。在光的反射中，光的傳播方向和能量可能發(fā)生變化．但光所包含的單色成分的頻率是不會(huì)改變的。用反射比(亦稱反射系數(shù))來(lái)表征介質(zhì)對(duì)光的反射能力。

反射比的數(shù)值與材料或介質(zhì)的特性(光滑程度、顏色、是否透明)、入射光的波長(zhǎng)、光的入射角以及光的偏振狀態(tài)有關(guān)。根據(jù)反射光束在空間的擴(kuò)展情況，光的反射分為(1)定向反射。(2)擴(kuò)散反射。（3）漫反射（4）混合反射(5)全反射。當(dāng)入射角繼續(xù)增大，即入射角大于臨界入射角時(shí)，光線將從兩種介質(zhì)的分界面處全部反射回原來(lái)的介質(zhì)，這種現(xiàn)象稱為全反射。

應(yīng)當(dāng)注意：光投射到任何物質(zhì)時(shí)，對(duì)光的吸收、反射和透射現(xiàn)象可能同時(shí)發(fā)生，即入射光通量中有一部分被物質(zhì)吸收，另一部分被物質(zhì)反射．還有一部分透過(guò)物質(zhì)。根據(jù)能量守恒原則應(yīng)有

4.物質(zhì)的光譜選擇性

任何物質(zhì)在光的照射下部可能發(fā)生光的吸收、透射或反射等現(xiàn)象，且其對(duì)光的吸收、透射和反射特性都與光的波長(zhǎng)有關(guān)，也就是光的波長(zhǎng)不同時(shí)，各種物質(zhì)的吸收比、透射比和反射比也可能不同，這種現(xiàn)象稱為物質(zhì)對(duì)光有光譜選擇性。物質(zhì)對(duì)光所具有的光譜選擇性，使得物質(zhì)具有不同的視覺(jué)色彩。物質(zhì)的這種光譜選擇性可以用光譜吸收比αλ、光譜透射比τλ、和光譜反射比ρλ來(lái)表征。（1）光譜反射比ρλ。是物質(zhì)反射的單色光通量對(duì)于人射的單色光通量之比。圖1-18給出了幾種顏料的光譜反射系數(shù)的曲線。由此圖可以看出，有色彩的表面在與它色彩相同的光譜區(qū)域內(nèi)，光譜反射系數(shù)最大，這說(shuō)明有色彩的表面對(duì)與它色彩相同波長(zhǎng)的光的反射能力最強(qiáng)，而對(duì)其它波長(zhǎng)的光的反射能力很弱，當(dāng)與彩色表面相同波長(zhǎng)的光照別到物體表面時(shí)，反射光射人眼睛后便產(chǎn)生顏色視覺(jué)。（2）光譜吸收比可表示為（3）光譜透射比可表示為注意！物質(zhì)的吸收比、透射比和反射比與其光譜吸收比、光譜透射比和光譜反射比是有所區(qū)別的。在確定光譜吸收比、光譜透射比和光譜反射比等值時(shí)采用單色光照射物質(zhì)求得。在確定物質(zhì)的吸收比、透射比和反射比等值時(shí)采用的是復(fù)合光。通常所說(shuō)的吸收比、進(jìn)射比和反射比是針對(duì)色溫為5500K的白光而言的。第二節(jié)光與視覺(jué)視覺(jué)是指光射入眼睛后產(chǎn)生的一種知覺(jué)、即視覺(jué)依賴于光。視覺(jué)的功用：人們通過(guò)視覺(jué)可以察覺(jué)某些物體的存在．鑒別并確定它在空間中的位置，闡明它與其它事物的關(guān)系．辨認(rèn)它的運(yùn)動(dòng)、顏色、明亮程度或形狀等等。一、視覺(jué)過(guò)程產(chǎn)生視覺(jué)的首要條件就是要有光的存在，并射入眼睛中。過(guò)程：1.射入眼中的光在經(jīng)過(guò)角膜、前房、晶狀體和玻璃體的過(guò)程中，依靠瞳孔和晶狀體來(lái)調(diào)節(jié)和控制射人眼中的光的強(qiáng)度，并使之落到視網(wǎng)膜上，形成觀察目標(biāo)的像。

2.視網(wǎng)膜是人眼感受光的部分，其邊緣部位主要分布著桿狀細(xì)胞，中央部位主要分布著錐狀細(xì)胞。當(dāng)光落在視網(wǎng)膜上時(shí)，視細(xì)胞吸收了光能，使視細(xì)胞中含有的視紫質(zhì)分解、并刺激神經(jīng)末梢，形成生物脈沖(生物電流)，通過(guò)視神經(jīng)把信息傳導(dǎo)到大腦后部的視覺(jué)皮層，經(jīng)大腦綜合處理而形成視知覺(jué)。3.要維持視覺(jué)，則在視紫質(zhì)不斷分解的同時(shí)．需要在維生素A的作用下不斷還原。這種分解和還原反應(yīng)只要有一個(gè)終止，那么視覺(jué)也就終止。二、視覺(jué)特性由于視網(wǎng)膜上的錐狀細(xì)胞和桿狀細(xì)胞對(duì)光的感受性不同，因而當(dāng)視野(是指當(dāng)頭和眼睛不動(dòng)時(shí)．眼睛所能觀察到的空間)亮度發(fā)生變化時(shí)，人眼就會(huì)產(chǎn)個(gè)不同的視覺(jué)特性。1．暗視覺(jué)、明視覺(jué)和中介視覺(jué)(1)暗視覺(jué)。在微弱的照度(視場(chǎng)亮度在10-6~10-2cd/m2)下，只有桿狀細(xì)胞工作，錐狀細(xì)胞不工作的視覺(jué)狀態(tài)稱為暗視覺(jué)(或稱桿狀視覺(jué))。桿狀細(xì)胞的最大的視覺(jué)靈敏度在507nm處。所以，暗視覺(jué)桿狀細(xì)胞工作時(shí)，綠光和藍(lán)光顯得特別明亮。暗視覺(jué)的特征：對(duì)物體細(xì)節(jié)的分辨能力很差，且對(duì)顏色也無(wú)法分辨。因此，暗視覺(jué)條件下，只有當(dāng)目標(biāo)足夠大，才能被看到；并且世界是無(wú)色的，各種顏色的物體都給人以藍(lán)、灰色感。(2)明視覺(jué)。視場(chǎng)亮度超過(guò)10cd/m2時(shí)．錐狀細(xì)胞的工作起著主要作用，這種視覺(jué)狀態(tài)稱為明視覺(jué)(或稱錐狀視覺(jué))。錐狀細(xì)胞的最大的視覺(jué)靈敏度在555nm處。所以，明視覺(jué)錐狀細(xì)胞工作時(shí)，波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光譜如紅色光顯得特別明亮。特征：錐狀細(xì)胞具有較高的視敏度，能分辨物體的細(xì)節(jié)，且在感受波長(zhǎng)范圍為380~780nm的光刺激時(shí)，對(duì)各種色光感覺(jué)不同。因此，在明視覺(jué)狀態(tài)下，正常人的眼睛都能有良好的顏色感覺(jué)。第一章照明技術(shù)的基本知識(shí)(3)中介視覺(jué)。視場(chǎng)亮度在10-2~10cd/m2時(shí)，桿狀細(xì)胞和錐狀細(xì)胞同時(shí)起作用，這種視覺(jué)狀態(tài)稱為中介視覺(jué)。

2．視覺(jué)閾限能引起光覺(jué)的最低限度的光量稱為視覺(jué)的閡限，一般用亮度來(lái)度量，故又稱為亮度閾限。

視覺(jué)的亮度朗限與目標(biāo)物的大小有關(guān)。目標(biāo)物的大小一般用目標(biāo)物對(duì)眼睛所張的角度表示，稱為視角。視角越小，則亮度閾限越高；視角越大，亮度閾限就越低。但當(dāng)視角超過(guò)300時(shí)，亮度閾限不再降低。

視覺(jué)的亮度朗限與目標(biāo)物發(fā)出的光的顏色有關(guān)。在相同的視角下．對(duì)波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光，例如紅光、黃光，其亮度閾限就高；對(duì)于波長(zhǎng)較短的光，例如藍(lán)光，則亮度閾限值要低一些。這是因?yàn)樵诎狄曈X(jué)條件下，光譜光效率向短波方向偏移的緣故。視覺(jué)的亮度閾限與觀察目標(biāo)物的時(shí)間有關(guān)。目標(biāo)物呈現(xiàn)的時(shí)間越長(zhǎng)，亮度閾限值就越低；呈現(xiàn)時(shí)間越短，亮度閾限值就越高。一般來(lái)說(shuō)，亮度越高，越有利于視覺(jué)。但當(dāng)視野亮度值超過(guò)106cd/m2時(shí)，視網(wǎng)膜可能被灼傷，所以人們只能忍受不超過(guò)106cd／m2的亮度。

3．明適應(yīng)和略適應(yīng)明適應(yīng)和暗適應(yīng)是指視覺(jué)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)亮度變化的適應(yīng)過(guò)程。(1)明適應(yīng)。眼睛由暗(視野亮度低于10-3cd/m2)到亮(高于幾個(gè)cd／m2)的視覺(jué)適應(yīng)過(guò)程。在明適應(yīng)過(guò)程中，桿狀細(xì)胞和錐狀細(xì)胞的替換工作大約需要經(jīng)過(guò)1min多的時(shí)間才能完成。(2)暗適應(yīng)。眼睛由明(高于幾個(gè)cd／m2)到暗(視野亮度低于10-3cd/m2)的視覺(jué)適應(yīng)過(guò)程。暗適應(yīng)過(guò)程的長(zhǎng)短與適應(yīng)前后的光環(huán)境有關(guān)。適應(yīng)前后兩種光環(huán)境的亮度之差越大，則適應(yīng)的時(shí)間也就越長(zhǎng)。同時(shí)還與一些生理因素有關(guān)，例如維生素A是否缺乏、有元夜旨癥、年毆大小、營(yíng)養(yǎng)狀況及是否缺氧等。當(dāng)視場(chǎng)內(nèi)明暗急劇變化時(shí)，人們會(huì)因眼睛不能很快適應(yīng)而視力下降。所以在照明工程中，有些場(chǎng)合要考慮明暗適應(yīng)的過(guò)渡照明，以滿足眼睛適應(yīng)性的要求。

4．眩光當(dāng)視野內(nèi)由于亮度分布或亮度不適宜，或存在著極端的亮度對(duì)比，以致引起不舒適感覺(jué)和降低目標(biāo)可見(jiàn)度的視覺(jué)現(xiàn)象，統(tǒng)稱為眩光。在這里，可見(jiàn)度是指人眼辨認(rèn)物體存在或物體形狀的難易程度。通常將眩光分為不舒適眩光和大能眩光：

(1)不舒適眩光：產(chǎn)生不舒適感覺(jué)，但并不一定是降低視覺(jué)功效或可見(jiàn)度的眩光。

(2)失能眩光：降低視覺(jué)功效和可見(jiàn)度的眩光。5．個(gè)人差別引起個(gè)人差別的原因主要與年齡有關(guān)。三、視黨功效人們完成視覺(jué)工作的功效稱為視覺(jué)功效。用來(lái)定量評(píng)價(jià)視覺(jué)器官完成給定視覺(jué)作業(yè)的能力。其主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)有以下幾個(gè)方面：1．對(duì)比敏感度和可見(jiàn)度眼睛耍辨認(rèn)目標(biāo)物，目標(biāo)物與背景之間要有一定的顏色對(duì)比和亮度對(duì)比。(1)亮度差。臨界亮度差：人眼開(kāi)始能識(shí)別目標(biāo)物與背景的最小亮度差。(2)亮度對(duì)比。被觀察目標(biāo)和背景亮度差與背景亮度之比稱為亮度對(duì)比。臨界亮度對(duì)比：臨界亮度差與背景亮度之比。一般情況下，以面積較大的部分為背景，以面積鉸小的部分為目標(biāo)。當(dāng)目標(biāo)亮度大于背景亮度時(shí)，目標(biāo)物的亮度對(duì)比C值在0～∞范圍內(nèi)。當(dāng)目標(biāo)物亮度小于背景亮度時(shí)，它們的亮度差應(yīng)取絕對(duì)值，而亮度對(duì)比的C值在0～1范圍內(nèi)。(3)對(duì)比敏感度。在給定的眼睛適應(yīng)狀態(tài)下，可知覺(jué)的臨界對(duì)比的倒數(shù)稱為對(duì)比敏感度。注：因人而異!

(4)可見(jiàn)度。人眼辨認(rèn)物體存在或確定物體形狀的難易程度稱為可見(jiàn)度。在室外是以人眼恰好可以看到標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)的距離來(lái)定義。在室內(nèi)是以目標(biāo)與背景的實(shí)際亮度對(duì)比與臨界對(duì)比的比值來(lái)描述。用V表示，即可見(jiàn)度取決于視角、背景亮度和亮度對(duì)比三個(gè)因素。2．視覺(jué)敏銳度視覺(jué)敏銳度：眼睛能辨認(rèn)的兩個(gè)相鄰物體(點(diǎn)或線)的最小視角的倒數(shù)。臨床醫(yī)學(xué)上稱為視力。意義：表明人眼辨別物體輪廓和細(xì)節(jié)的能力。影響視力的國(guó)素：首先取決于生理因素，其次還與背景亮度Lb和亮度對(duì)比C密切相關(guān)。注意！在亮度對(duì)比值較小時(shí)或背景亮度較小時(shí)，它們的增大對(duì)提高視力是很有益的；隨著亮度對(duì)比值或背景亮度值的提高，它們對(duì)視力的影響逐漸減小。當(dāng)亮度對(duì)比過(guò)大或背景亮度過(guò)大時(shí)，不僅不會(huì)再對(duì)提高視力起積極作用，反而會(huì)影響視力，其至損傷眼睛。

3.視覺(jué)感受速度（υ）從物體出現(xiàn)到形成視覺(jué)所需要的時(shí)間的倒數(shù)稱為視覺(jué)感受速度，簡(jiǎn)稱視覺(jué)速度。視覺(jué)感受速度勺背景亮度、背景與日標(biāo)的亮度對(duì)比以及日標(biāo)物的尺寸(視角)有關(guān)，即視覺(jué)感受速度與照明有直接的關(guān)系，良好的照明條件可以縮短形成視覺(jué)的時(shí)間，提高視覺(jué)感受速度，從而提高了工作效率。第三節(jié)光與顏色色彩是喚起入的第一視覺(jué)作用的重要媒體，因?yàn)槿搜壑挥型ㄟ^(guò)光作用在物體上造成的色彩才能獲得印象。因此對(duì)照明質(zhì)量的評(píng)價(jià)不只考慮光的強(qiáng)度，還要考慮光源和環(huán)境的顏色。一、顏色的形成顏色起源于光。波長(zhǎng)不同的單色光，會(huì)使人有不同的色覺(jué)，即具有不同的顏色。1.光源色因發(fā)光體發(fā)出的光而引起人們色覺(jué)的顏色稱為光源色。光源色的顏色完全取決于光的波長(zhǎng)成分。復(fù)合光光源的顏色將取決于它的光譜能量分布。

2．物體表面色非發(fā)光體(即一般物體)的顏色稱為物體表面色，可以簡(jiǎn)稱為物體色或表面色。這是物體在光源的照射下產(chǎn)生反射光所引起的色覺(jué)，其顏色取決于入射光源的光譜能量分布和該物體表面的光譜反射比。由于有色彩的表面在與它色彩相同的光譜區(qū)域內(nèi)，光譜的反射系數(shù)最大，當(dāng)與彩色表面相同的光照射到物體表面時(shí)，表面色主要是從入射光中被該表面反射出來(lái)的一些波長(zhǎng)的光而產(chǎn)生的。注意！當(dāng)入射光線和反射光線的強(qiáng)度變化時(shí)，所看到的物體表面的顏色也隨之有所變化。一般情況下．當(dāng)光線的強(qiáng)度增加時(shí)，各種額色都向紅色或藍(lán)色變化。二、顏色的基本特性顏色可以分為兩大類：非彩色和彩色。

(1)非彩色。是指黑色、白色和介于兩者之間的深淺不同的灰色。非彩色可以排成一個(gè)系列，稱作黑白系列或無(wú)色系列，從黑色開(kāi)始，依次逐漸地到深灰色、中灰色、淺灰色、直到白色。

(2)彩色。是指黑白系列以外的各種顏色。根據(jù)波長(zhǎng)不同，彩色可以依次排成一個(gè)系列，稱為彩色系列或有色系列：紫、籃、綠、黃、橙、紅。顏色具有三個(gè)基本持性：色調(diào)、彩度和明度。

1.色調(diào)

可見(jiàn)光譜不同波長(zhǎng)的光在視覺(jué)上的表現(xiàn)稱為色調(diào)，又稱色相。

因?yàn)榭梢?jiàn)光的波長(zhǎng)有無(wú)數(shù)種，即光譜色有無(wú)數(shù)種，但實(shí)際上，相近波長(zhǎng)的單色光用肉眼是很難區(qū)分它們的顏色差別。為了能用文字描述不同的顏色，通常把各種光譜色歸納成有限種色調(diào)，以表示色刺激的主觀屬性，以紅、橙、黃、綠、藍(lán)、紫等區(qū)分。

2．彩度

彩度是指顏色的深淺程度。某種顏色的彩度高，則表示這種顏色深。反之，若彩度低，則表示這種顏色淺。實(shí)際上，彩度是色調(diào)的表現(xiàn)程度，它可以反映光線波長(zhǎng)范圍的大小。波長(zhǎng)范圍越窄明顏色超純、彩度越高。3．明度指顏色的明暗程度。

物體表面色的明度主要取決于物體表面的反射比?！锶粑矬w表面為彩色，反射比越高則顏色越明亮，反射比越低則顏色發(fā)暗。反射比中等時(shí)則顏色發(fā)灰?！锶粑矬w表面為黑白色，當(dāng)物體表面的反射比在0~0.05之間時(shí)，物體呈黑色；當(dāng)反射比高于0.8時(shí)，物體就呈白色；而反射比處于0.05~0.8時(shí)，物體呈灰色，且反射比越低，灰色越暗，即反射比增加時(shí)，灰色就會(huì)由深到淺變化。光源色的明度反映的是光的強(qiáng)弱，光線越強(qiáng)則明度越高．光線越弱則明度越低。

各種顏色都可以用上述三個(gè)基本特性來(lái)表征，但只有彩色系列具有完整的三個(gè)特性；而黑白系列只有明度；彩度為零，沒(méi)有色調(diào)。三、表色系統(tǒng)用日常語(yǔ)言描述顏色，會(huì)因人的感受差異產(chǎn)生多樣性結(jié)論，而且不能說(shuō)明相近顏色之間的細(xì)小差別。表色系統(tǒng)就是為了能精確地標(biāo)定顏色的一種規(guī)定體系。常用的表色系統(tǒng)有孟塞爾表色系統(tǒng)和CIE表色系統(tǒng)。1．孟塞爾表色系統(tǒng)孟塞爾表色系統(tǒng)把顏色看作是一個(gè)三維量，以顏色的三個(gè)基本特性為依據(jù)，將顏色的三個(gè)基本特性量化后，通過(guò)一個(gè)顏色立體圖來(lái)形象地表征物體表面的顏色,如圖1-19所示。顏色立體圖的中央軸表示的是無(wú)彩色黑白系列的中性色，它的刻度表示明度等級(jí)。每一明度值都對(duì)應(yīng)于在標(biāo)準(zhǔn)光源照射下顏色樣品的反射比。明度越高，樣品就越亮，其反射比也越大。

顏色立體圖中包含中央軸線的垂直面可以表示顏色的彩度和色調(diào)(如圖1-20所示)。每一個(gè)垂直面從中央軸向外可分成若干等分，表征顏色的彩度等級(jí)。由中央軸處向外彩度從0開(kāi)始遞增。

色調(diào)則是圍繞中央軸依次按紅(5R)、黃紅(5YR)、黃(5Y)、黃綠(5GY)、綠(5G)、藍(lán)綠(5BG))、藍(lán)(5B)、藍(lán)紫(5PB)、紫(5P)、紅紫(5RP)分成10個(gè)主色調(diào)。每一主色調(diào)又等分成10個(gè)相近色調(diào)。共有40個(gè)不同的色調(diào)。孟塞爾表色系統(tǒng)按顏色的三個(gè)基本特性的組合來(lái)表征顏色。彩色系列的表示形式為：其中H表示色調(diào)，V表示明度，C表示彩度。NV黑白系列的表示形式為：其中N表示中性色，V為明度。HV/C

CIE表色系統(tǒng)是以三原色學(xué)說(shuō)為依據(jù)，由色刺激表示的系統(tǒng)。它能夠定量地分析光源色的相加混合，也可以用于物體表面色，是比較完善和精確的系統(tǒng)。CIE表色系統(tǒng)有多種，其中1931CIE—RGB系統(tǒng)較為直觀，1931CIE—XYZ系統(tǒng)是應(yīng)用最廣泛的系統(tǒng)。

2．CIE表色系統(tǒng)

(1)三原色原理。

1）任一給定額色可以用三種原色(紅、綠、藍(lán))按一定比例混合而成，或者說(shuō)各種顏色的光都可以分解成紅、綠、藍(lán)三種波長(zhǎng)的單色光。2）認(rèn)為：人限視網(wǎng)膜上的錐狀細(xì)胞包含著紅、綠、藍(lán)三種反映色素，它們分別對(duì)不同波長(zhǎng)的光發(fā)生反應(yīng)，視覺(jué)神經(jīng)中樞綜合這三種刺激的相對(duì)強(qiáng)度而產(chǎn)生一種顏色感覺(jué)，三種刺激的相對(duì)強(qiáng)度不同時(shí)，就產(chǎn)生不同的顏色視覺(jué)。所以，當(dāng)眼睛受到單一波長(zhǎng)的光刺激時(shí)產(chǎn)生一種顏色視覺(jué)，而當(dāng)受到—束包含各種波長(zhǎng)的復(fù)合光刺激時(shí)也只產(chǎn)生一種顏色視覺(jué)。三原色的選取主要遵循以下原則：其一是三原色中任意一種原色不能由另外兩種原色混合而成；其二是應(yīng)該使二原色按不同比例混合時(shí)能產(chǎn)生盡量多種顏色。

為此，CIE規(guī)定的三原色為700nm的紅色、546.1nm的綠色和435.8nm的藍(lán)色。顏色方程：注！三原色很難混合成高彩度的顏色！(2)光譜三刺激值。若用、、表示波長(zhǎng)為λ的光譜色用三原色混合時(shí)各原色的量值，則稱、、是波長(zhǎng)為λ的光譜色的三刺激值，簡(jiǎn)稱光譜三刺激值。193lCIE—RGB標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值曲線如圖1-21所示。

(3)1931CIE—RGB系統(tǒng)色度圖。色度圖是指在色度直角坐標(biāo)上畫(huà)出的光譜軌跡。

CIE色度圖將顏色看作是三原色的三維量，用三原色的空間直角坐標(biāo)來(lái)表示顏色，其中R、G、B是顏色的色坐標(biāo)值，即顏色的三刺激值；r、g、b是顏色的色度坐標(biāo)值。則任意被匹配的顏色[C]就成丁RGB三維坐標(biāo)上的一個(gè)點(diǎn)。由于

三個(gè)色度坐標(biāo)中，只要已知r和g的值，就能得到b的值，于是把原來(lái)的三維空間坐標(biāo)問(wèn)題簡(jiǎn)化為二維平面問(wèn)題，即可把研究顏色的三維空間直角坐標(biāo)，改用二維直角坐標(biāo)、1931CIE—RGB系統(tǒng)色度圖如圖1-22所示。

1931CIE—RGB系統(tǒng)色度圖是在色度直角坐標(biāo)是求得的光譜色色度軌跡，由于其形狀呈馬蹄形，故又稱之為馬蹄形軌跡。

★凡在馬蹄形軌跡上的點(diǎn)都表示光譜色的色度坐標(biāo)?；蛘哒f(shuō)，各種不同波長(zhǎng)可見(jiàn)單色光的顏色色度坐標(biāo)都落在該軌跡上；因此，軌跡上的每一點(diǎn)代表的顏色必然是高彩度的單一波長(zhǎng)的可見(jiàn)光顏色，色度點(diǎn)不同，表示光譜色的波長(zhǎng)也不同，也就是色調(diào)不同。

★馬蹄形軌跡兩端的連線稱為底線，它是380nm和780nm色度坐標(biāo)的連接線。底線代表的是紫與紅的混合色。凡是在底線上的點(diǎn)所代表的顏色也是高彩度，但它們的色調(diào)無(wú)法用波長(zhǎng)來(lái)表示，僅說(shuō)明它們不是光譜色，而是混合色。

★在馬蹄形軌跡和底線包圍內(nèi)，任意點(diǎn)都有相應(yīng)的顏色與之對(duì)應(yīng)，但均屬于混合色，而該范圍之外的各點(diǎn)將不再由任何彩色與之對(duì)應(yīng)。

★

圖中以435.8、546.1、700nm光譜色的色度坐標(biāo)為頂點(diǎn)的三角形，稱為顏色三角形。凡在三角形內(nèi)(包括三條邊)的各點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的顏色均可用三原色直接混合而成，而在三角形之外與光譜軌跡和底線包圍范圍之內(nèi)的各點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的顏色，將無(wú)法用三原色直接混合而成，必須將其中的一種原色加到被匹配的顏色中，才能與其它兩種顏色混合而成。

(4)1931CIE—XYZ系統(tǒng)色度圖。

193ICIE—XYZ系統(tǒng)標(biāo)難色度觀察者光譜三刺激值曲線和1931CIE—XYZ系統(tǒng)色度圖見(jiàn)圖1-23和圖1-24。由曲線和色度圖可見(jiàn)，光譜三刺激值和色度坐標(biāo)值不再出現(xiàn)負(fù)值。1931CIE—XYZ系統(tǒng)色度圖中所包含的內(nèi)容與RGR系統(tǒng)色度圖是類似的，光譜色色度軌跡仍呈馬蹄形。注意：各種顏色在CIE色度圖上都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，但對(duì)視覺(jué)來(lái)說(shuō)，當(dāng)這種顏色的坐標(biāo)位置變化很小時(shí)，人眼是感覺(jué)不出它的變化的，仍認(rèn)為它是原來(lái)的顏色。即每一種顏色在色度圖上雖然占有一個(gè)點(diǎn)的位置，而對(duì)視覺(jué)來(lái)說(shuō)，它實(shí)際上是一個(gè)范圍。

四、光源的顏色

光源的顧色取決于光源的光譜能量分布。

1．常用光源的光譜能量(功率)分布

光源的光譜能量分布通常是指作為波長(zhǎng)的光源光度量(光通量、發(fā)光強(qiáng)度等)的光譜密集度。而用任意值表示的光譜能量分布則稱為相對(duì)光譜能量分布。（1）黑體的光譜能量分布。見(jiàn)圖1-25中的弧形軌跡。

(2)日光的光譜能量分布。日光是由紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等多種顏色的光按一定的比例混合而成的，日光的光譜能量分布曲線與6500K的黑體光譜能量分布曲線相接近，即太陽(yáng)輻射也具有連續(xù)的光譜。(

3)常用照明電光源的光譜能量分布。圖1—26是幾種常用照明電光源的相對(duì)光譜能量分布。★熱輻射光源(白熾燈和鹵鎢燈)是輻射連續(xù)光譜的光源。★各種氣體放電光源是輻射線光譜的光源，其光譜能量分布可以看作由兩部分組成，一部分是連續(xù)光譜成分，光的光譜輻射通量雖然不大．但由于它分布在整個(gè)可見(jiàn)光波段內(nèi)，所以對(duì)氣體放電燈的性能影響較大。另一部分是線光譜成分，雖然線光譜只出現(xiàn)在有限幾個(gè)波長(zhǎng)上，但卻有很大的光譜輻射通量值，對(duì)燈的性能起著決定性的作用。

2．光源的色溫(1)色溫。當(dāng)某一光源的顏色與某一溫度下黑體的顏色相同時(shí)，黑體的溫度即為這種光源的顏色溫度，簡(jiǎn)稱色溫，單位為開(kāi)爾文，記作K。

(2)相關(guān)色溫(氣體放電光源)。當(dāng)某一種光源的顏色與黑體在某一溫度下的顏色最接近時(shí)．完全輻射體的溫度即為這種光源的相關(guān)色溫。

3．光源的色表光源的色表是指光源的表觀顏色，它與光源的色溫有關(guān)。所以在照明技術(shù)中，一般用色溫或相關(guān)色溫來(lái)表示光源的色表。CIE將電光源的色表按其色溫或相關(guān)色溫的高低分為三種，見(jiàn)表1-5。通常．色溫低的暖色調(diào)燈光會(huì)呈現(xiàn)出紅色或橙黃色，給人以溫暖的感覺(jué)。色溫高的冷色調(diào)燈光會(huì)呈現(xiàn)出