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光对人眼的刺激

点击:         发布日期:2014-03-03
光对人眼的刺激,也就是人眼对哪些光敏感,对哪些光不那么敏感呢?辐射度学参数和光度学参数之间存在着差别。辐射度学参数是纯粹的技术参数,不涉及光对人类的影响作用。这些参数可从功率单位瓦特推导得到。而光度学参数则往往需要考虑到人眼的光谱响应曲线(V(λ

光对人眼的刺激,也就是人眼对哪些光敏感,对哪些光不那么敏感呢?

辐射度学参数和光度学参数之间存在着差别。

辐射度学参数是纯粹的技术参数,不涉及光对人类的影响作用。这些参数可从功率单位瓦特推导得到。

而光度学参数则往往需要考虑到人眼的光谱响应曲线(V(λ)曲线)。因此,光度学参数与人类的视觉灵敏度有着特殊的联系。光度学参数是从光通量单位流明推导得到。
光谱响应曲线是由以下关系产生的:人眼可以看到的辐射位于波长380 nm的蓝光至波长780 nm的红光区域内。在波长555 nm附近的绿光光谱区域,人眼的灵敏度最高。而在波长更长或更短的区域内,人眼的灵敏度降低,这就表示在这些波长区域内需要更高的辐射功率才能获得同等的亮度感受。在可见光区域内,555 nm(1 nm = 10-9 m)处的辐射功率与其它波长处的辐射功率之比称为光谱灵敏度V (λ),其构成的曲线就称为V (λ)曲线。

这样,光对人眼的刺激我们有了一个科学的认识。

 

度量参数
亮度表示的是光源或被照表面的光强,且与观测面积有关。对于人类来说,只有当辐射进入眼睛后,光才能够被看见。

公式单位

类型 符号 公式 名称 单位:
辐射值 光通量 F F = I · W Lumen流明 [lm]
发送方值 发光强度


亮度
I


L
I=F/W


L=I/A
Candela堪


Candela pro square meter
堪/平方米
[cd]


[cd/m2]
接受方值 照度 E E=F/A Lux勒克斯 [lux]


光强是指光源在某一特定方向上的光通量,与感光器的尺寸无关。它可以用一个矢量来表示。


如果我们将光源在某个平面内的所有光强矢量的终端相连接,就可以得到光强分布曲线。


光通量表示的是一个光源在各个方向上发出的辐射功率之和。该辐射涉及到人眼的灵敏度。其它所有的光度学参数都是从这个基本参数推出的。


照度是一个纯粹的物理测量参数,是光通量与被照面积的比值,与表面的反射系数无关。当1流明的光通量均匀地照射到1 m2的面积上,则照度就是1勒克斯。照度与光源和被照表面的距离的平方成反比。


亮度表示的是光源或被照表面的光强,且与观测面积有关。对于人类来说,只有当辐射进入眼睛后,光才能够被看见。

光源 平均亮度
[cd/m2]
中午的阳光 1,6 · 109
短弧氙灯 1,5 · 108 - 2,7 · 109
短弧金属卤化物灯HMI, HTI 5 · 107 - 1 · 108
金属卤化物灯 HQI 5,3 · 106
透明白炽灯 2 · 106 - 2 · 107
磨砂白炽灯 5 · 104 - 4 · 105
低压钠灯 7,5 · 104
荧光灯 / 紧凑型荧光灯 1,2 · 104 - 1,4 · 104
亮白云 1 · 104
烛光 7.500
晴朗的天空 3.000 - 5.000
月光 2.500
辉光放电灯 200 - 600
夜空 10-3

照度的计算比较简单。而亮度的大小则取决于被照材料的反射特性和反射系数,但这些变量通常是未知的。因此,照明设计师在设计室内照明系统时,通常以照度来作标准。

品质参数
这些参数定义了光源发出的光的品质。高品质的光能够同正午时分的自然光一样,真实地呈现物体的颜色。

品值 符号 单位
色温 TF [K]
显色指数 Ra [1]

对光源的评估

黑体能够吸收所有照射到其表面上的辐射。黑体也是完全辐射体,因此它代表了一种理想的光源。
 
热辐射体是一种由于固体本身具有高温而发出辐射的光源(例如,钨丝)。黑体清楚地阐释了一个热辐射体的辐射光谱。

 

太阳以及所有的白炽灯和卤钨灯发出的光谱,都与黑体的发射光谱非常相似。因此,将一个光源与天然光相比较,类似于将它与黑体相比较。

白光可以用棱镜来将其分解成各种光谱成分。相反地,把一个辐射光源的所有光谱成分叠加在一起,就能产生某种颜色(举例来说,日光显示出白色)。
 
增加黑体的温度,能够产生不同的光谱。所有这些光谱的光都能在观测者的眼中形成不同的颜色印象。想象铁匠正在打造一块马蹄铁。首先,这块铁先变红,然后随着温度上升而变黄,直到最后变成炽热的白色。每个温度对应了不同的光谱,而每个光谱则依次对应了色三角中位置。如果把所有的位置都联合起来,就能够得到普朗克曲线。


Spectrums of the Planckian curve

为了确定光源的色温,把该光源的光谱所对应的色三角中的颜色位置与不同温度的黑体的颜色位置进行比较。

如果光源的光谱无法与黑体的进行比较,那么就采用等色温线来确定光谱(假定是放电灯的)对应的最接近的色温。


黑体,如太阳或卤钨灯等,能够准确地呈现物体的颜色,因为它们发射的是连续光谱。如果一个光源不能发射全光谱中的所有颜色,那么一些物体就无法像在连续谱照射下那样显示出真实的颜色。

光源的显色指数表示的是这个光源偏离理想光源的程度。在对比测试中,测量了8种测试颜色在待测光源照明下的反射光谱,并与给定参考光源照明情况下的值进行比较。被测光源的色温应该与参考光源的色温尽可能接近(相关色温)。

测量出来的偏差采用标准的程序来进行评估。如果两种光源的光谱是相同的,那么显色指数(Ra)就是100。而这个指数一般都小于100。
黑体的显色指数最高(Ra=100)。

显色指数测试颜色
测试颜色
R1 暗玫瑰色 R5 青绿色
R2 芥末黄 R6 天蓝色
R3 黄绿色 R7 紫罗兰色
R4 浅绿色 R8 淡紫色

 

附加的测试颜色
R9 红色 R12 蓝色
R10 黄色 R13 肤色

根据德国DIN 5035的要求,显色指数按照显色特性和显色组别来进行相应分类
显色特性 显色组 显色指数 Ra 相应灯型
非常好 1 A 90 ... 100 钨卤灯,
LUMILUX? DE LUXE, fluorescent lamps? HQI?/D
1 B 80 ... 89 LUMILUX?,
fluorescent lamps? HQI?/NDL,WDL and HCI?/NDL,WDL
2 A 70 ... 79 标准荧光灯 10 和 25
2 B 60 ... 69 标准荧光灯 30
一般 3 40 ... 59 HQL
4 20 ... 39 高压和低压钠灯

 

经济性
对于不同类型的光源,其寿命有不同的定义方式。一组光源的“平均额定寿命”是指这一组中所有光源的寿命的平均水平。

光效h是光源发出的光通量与产生光所需的电能之比,单位为[lm/W]。

灯具效率hLB是照明所得到的光通量与单个或多个光源发出的总光通量的比值,单位为[%]。

对于不同类型的光源,其寿命有不同的定义方式。一组光源的“平均额定寿命”是指这一组中所有光源的寿命的平均水平。所以,到达这个时间时,50%的光源将停止工作。“工作寿命”是指系统光通量达到初始量70%时的小时数,这个时刻光源仍然能够提供一定的光通量。
 
一般来说,在选择一款光源时,不得不对光的品质和经济效益进行取舍。

现在,可以根据以下四个标准来评定光源:

  • 光效
  • 寿命
  • 色温
  • 显色指数
光源 光效[lm/W] 寿命[h] 色温[K] 显色指数Ra
白炽灯 14 1000 2750 100
钨卤灯 20 2000 2850 100
短弧氙灯 15-50 1200 6000 >94
紧凑型荧光灯 87 12000 2700-6000 85
荧光灯 104 12000 2700-6000 85
金属卤化灯 HQI 100 9000 3000-6000 85
短弧金属卤化灯
HMI, HTI
80 300 - 1000 5500 >90
高压钠灯 130 9000 2000 20
低压钠灯 197 10000 1800 -20
假定的555nm黑体 683      

以上是光对人眼的刺激以及光的基本原理。

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