無極燈照明的基礎(chǔ)知識

1.1光的本質(zhì)
人們通常所說的光是指“可見光”，它是由光源發(fā)出的輻射能中的一部分，并能產(chǎn)生視覺效應(yīng)。從量子物理的觀點，光具有二重性：粒子性和波動性。單個光子呈粒子性，密集光子的集合衍射便呈現(xiàn)出波動性。



所以，光是一種電磁輻射能，即電磁波，光線的方向也就是波傳播的方向。將各種電磁波按波長依次排列，就成為電磁波譜，如圖1-1所示

圖（1-1）電磁波譜及可見光光譜
 
    在圖1-1中的頻譜分布可以看出，可見光在整個波譜中僅占極小的部分。
1.2可見光譜
人類視覺能感受到的電磁波可見部分的波長范圍大約在380nm至780nm之間（1nm=10 ^-6mm），而不同波長的光給人的顏色感覺也不同。波長從380nm向780nm遞增時，光的顏色從紫色開始，按藍、青、綠、黃、橙、紅的順序逐漸變化，兩種顏色之間沒有明顯的分界。將全部可見光波混合在一起就形成日光，即白色光。
1.3紫外和紅外輻射
  太陽光和光源在發(fā)出可見光的同時，都會有紫外和紅外輻射，只是眼睛視覺反應(yīng)不出來而已。太陽光譜中，波長大于1400nm的光波被大層中的水蒸氣和二氧化碳強烈吸收；波長小于290nm的光波被大氣層中的臭氧所吸收。人類在進化過程中紫外光和紅外光對眼睛不產(chǎn)生視覺反應(yīng)。
l          波長小于320nm的紫外輻射對生物組織有損害。
l          波長在260nm處的紫外輻射滅菌效應(yīng)大。
l          波長253.7nm的紫外線作用于三基色粉或熒光粉會產(chǎn)生發(fā)光效應(yīng)。
l          波長大于780nm的近紅外光譜會產(chǎn)生熱。對光源來說，由于紅外線的存在而損失了光效能，產(chǎn)生了不需要的熱。
l          白熾燈因鎢絲加熱時產(chǎn)生太多看不見的紅外光，所以光效低。
l          低壓汞蒸氣放電燈會產(chǎn)生253.7nm的紫外輻射，因此，提高發(fā)光效率，控制紫外輻射的泄漏分量十分重要。
1.4 光的基本度量單位
1.4.1光通量
光通量是視覺響應(yīng)的計量。定義為：光源在單位時間內(nèi)向周圍空間輻射并引起視覺的能量，稱為光通量，符號Ф，單位為流明（Lm）。
l            光通量的測量必須在積分球內(nèi)進行；
l    　人眼對不同波長的光的靈敏度不一樣，對波長為555nm的黃、綠光靈敏，波長離555nm越遠，靈敏度越低；
l    　對某一特定的光源來說，不僅要測量它的光通量，而且要展示它的頻譜分布，評價它的視覺效果。
1.4.2發(fā)光強度
    光源在空間某一特定方向上單位立體角內(nèi)輻射的光通量空間密度，稱為光源在該方向上的發(fā)光強度，簡稱光強，用Iθ表示，單位為坎德拉（cd）。其計算公式為：
^{Iθ=  （1-1）}
式中  ωθ——球面所對應(yīng)的立體角（Sγ）；
Фθ——在ω立體角內(nèi)所輻射的光通量（Lm）。
^{以點光源為球心，γ為半徑，則整個圓球所對應(yīng)的立體角為：　　　
ω==4π（Sγ）           (1-2)}　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
l    　淺釋：桌子上方有一盞無罩的白熾燈，在加上燈罩后，桌面顯得亮多了。而同一燈泡不加罩與加燈罩，它所發(fā)出的光通量是一樣的，只不過加上燈罩后，光線經(jīng)燈罩反射，使光通量在空間的分布狀況發(fā)生了變化，射向桌面的光通量比未加罩時增多了。因此，在電氣無極燈照明技術(shù)中，必須了解光通量在空間各個方向上的分布情況。
1.4.3 照度
 定義為：投射到被照面上的光通量與被照面的面積之比稱為該面的照度，符號E.
         ^{E=    (1-3)}
式中 Ф — 被照面上接受的光通量（Lm）
      S — 被照面的面積（m² ）
 
當(dāng)被照面與入射光線不垂直時，計算公式為：
   ^{E=    (1-4)}
式中 I_θ — 光線入射方向的光強（cd）
     θ — 光線的入射角；
     γ — 光源到照射面的距離（m）。
 
l    　照度的單位為勒克斯（Lx），1Lχ=1Lm/m²
l    　感性認識：1只40W白熾燈1米遠處的照度約為30Lx,加一搪瓷罩后增加到73 Lx。深圳12月份上午10時正對太陽光的照度為4.65X10⁴ Lx～5.25X10⁴ Lx；單邊高樓陰影下的照度約為8250～12000 Lx；樹蔭下的照度約為2050～2280 Lx。大馬路14.5米高的雙泡路燈（400W高壓鈉燈+250W金鹵燈）垂直地面照度為55～68 Lx。由此可見，人造光源與太陽光相比實在太渺小。
1.4.4 亮度
定義：發(fā)光體在視線方向單位投影面上的發(fā)光強度稱為該物體表面的亮度，符號L,單位為坎德拉每平方米（cd/m²）。表達式為：
          ^{L=    (1-5)}
式中  I_θ  — 發(fā)光體在視線方向上的光強（cd）；
Scosθ — 發(fā)光體在視線方向上的投影面積；
   θ — 視線方向與發(fā)光面法線（垂線）的夾角。
 
l            在同一位置上并排放置一個黑體和一個白色體，雖然它們的照度一樣，但人眼看起來白色體要亮得多。這是因為人眼的視網(wǎng)膜上的照度是被視物體在沿視線方向上的發(fā)光強度造成的，而白色體的反光要比黑色體強得多，所以感到白色體比黑色體亮得多。
小結(jié)：
²        光 通 量 —— 說明發(fā)光體發(fā)出的光線數(shù)量；
²          發(fā)光強度 —— 發(fā)光體在某個方向上發(fā)出的光通量密度，它表明了光
通量在空間的分布情況；
²        光 照 度 —— 表示被照表面接受光通量密度，用來鑒定被照面的照
明情況；
²        光 亮 度 —— 表示發(fā)光體單位面積上的發(fā)光強度，它表明一個物體
的明亮程度。
²        光通量、光強度、光照度和光亮度相互關(guān)系示意圖：
                                                          
                         光源      
                                             光源亮度L
                 光通量                                                眼睛
 
                                                               物體亮度L
                              發(fā)光強度I_θ                 
                         Ф             
                                 照度E      被照面
                                    
1.2無極燈照明電光源
將電能轉(zhuǎn)換為光能,從而獲得光通量的設(shè)備、器具則稱為無極燈照明電光源。十九世界愛迪生發(fā)明了白熾燈，開始了電光無極燈照明的新紀元。
1.2.1電光源的分類
  電光源按其發(fā)光原理主要可分為兩大類：熱輻射光源(即固體電光源)和氣體放電光源。
1.2.2固體熱輻射光源
    利用電流將金屬或陶瓷之類的物體加熱到白熾程度而產(chǎn)生發(fā)光的光源，白熾燈和LED燈屬于此類。                    
            
1.2.3氣體放電光源
    在電場作用下，電流通過電離的氣體而發(fā)射光的光源。按放電形式可分
弧光放電燈和輝光放電燈。

      
 
l            目前常用的燈有白熾燈、LED燈、熒光燈、高壓鈉燈、金鹵燈、霓虹燈等。
l    白熾燈光效低、壽命短、顯色性高，價格便宜，多用于家庭。
l    　LED燈可做成矩陣排列、圖形，光效提高，壽命長，較貴，一般用于交通指揮燈、　　路標字幕、廣告排……等。要配備專用電源才能工作。
l    　高壓鈉燈光效高，壽命較長，顯色性差，功率可高達1000W以上，適用路燈或廣　場用燈，需配備啟動器件或?qū)Ｓ秒娐凡拍芄ぷ鳌?br /> l    　金鹵燈光效高，壽命較長，顯色性好，功率可由70W至1000W，適用于路燈、廣場用燈，需配備啟動器件才能工作。
l    　霓虹燈做成彩色條管，可拼成文字、廣告圖形美化城市，需配備專用電路才能工作。
l     　高頻無極燈壽命特長，光效高，顯色性好，環(huán)保無公害，是21世紀優(yōu)秀的電光源，目前電功率有待提升，價格有待降低。它應(yīng)用范圍廣泛，需配備專用電子鎮(zhèn)流器。
注:1.低氣壓燈放電時，燈內(nèi)氣壓約為1%大氣壓,例如熒光燈。
      2.高氣壓燈放電時燈內(nèi)氣壓為幾個至數(shù)十個大氣壓，例如高壓鈉燈、金鹵燈、高壓氙燈、鏑燈…等。
1.2.4 電光源的特性
         以下參數(shù)用來表征電光源的特性。
l        額定電壓和額定電流:指電光源按預(yù)定要求工作所需要的電壓和電流。偏離額定值工作會影響電光源的效能和壽命。
l        額定功率：指電光源工作在額定電壓和額定電流時所消耗的有功功率。
      表達式：P=VIcosα
式中  P — 額定功率（W）；
      V — 額定電壓（V）；
           α  — 額定功率因數(shù)。
 
l    額定光通量：指電光源在額定工作條件下發(fā)出的光通量，單位為流明（Lm）；
l    發(fā)光效率：指電光源每消耗1W電功率所發(fā)出的光通量，單位為Lm/W；消耗的電功
率是從市電輸入端測量的，稱系統(tǒng)光效；
l    光衰：電光源在額定工作條件下，隨著使用時間的延長，額定光通量和光效都會逐
漸降低。衰減系數(shù)可用下式表示：
             ^{DF=(額定功率不變條件下)}
      式中  Ф_F     電光源的初始光通量；
             Ф_E     電光源使用一定時間后的光通量。
 ^{或   DF=}
               式中 DF_ƒ — 電光源的初始光效；
                    DF_e — 電光源使用一定時間后的光效。
l        壽命：必須指出的是燈壽命的要領(lǐng)闡明仍懸而未決，某些制造廠考慮燈和燈具的衰退，另一些制造廠則定義為“一批試驗燈中有50%存活的時間。”而參閱藉鳳榮等人編寫的材料，電光源的壽命有全壽命、有效壽命、平均壽命三種。
全 壽 命 —— 電光源直到完全不能使用為止的全部時間；
有效壽命 —— 電光源的發(fā)光效率下降到初始值的70%時的使用時間；
平均壽命 —— 指每批抽樣調(diào)試品有效壽命的平均值。
此處認同“平均壽命”的提法比較合理。
l    色溫：黑體被加熱到不同溫度時，人眼所看到黑體所呈現(xiàn)出的不同顏色，以此表達一個光源的光色，稱為光源的色溫。色溫以絕對溫標K為單位。
l    相關(guān)色溫：熒光燈等電光源所發(fā)射的光的顏色與黑體在某一溫度所發(fā)射的光的顏色接近時，黑體的這個溫度就稱為該電光源的相關(guān)色溫。
 
表（1）常用電光源的色溫
 

電光源名稱	色溫（K）	電光源名稱	色溫（K）
白熾燈	2800～2900	熒光高壓汞燈	5500
鹵鎢燈	3000～3200	高壓鈉燈	2000～2400
日光色熒光燈	4500～6500	金鹵燈（鹵化錫）	5000
白光色熒光燈	3000～4500	金鹵燈（鈉銦鉈）	5000～5600
暖色熒光燈	2700～2900	鏑燈	5500～6000
氙燈	5500～6000	高頻無極燈	2700～6500

l        色溫與感覺：
    大于5000K為冷色；  3300～5000K為中間；  小于3300K為暖色。
l    顯色性：指在光源無極燈照明下，與具有相同或相近色溫的黑體或日光的無極燈照明相比，各種顏色在視覺上的失真程度。顯色指數(shù)以Ra表示。
  
 

電光源名稱	顯色指數(shù)OK	電光源名稱	顯色指數(shù)OK
白熾燈	97	熒光高壓汞燈	22～51
鹵鎢燈	80～94	高壓鈉燈	20～30
日光色熒光燈	75～85	鈉銦鉈	60～65
白光色熒光燈	80～90	鹵化錫燈	93
氙燈	95～97	高頻無極燈	>80

表（2）常用電光源的顯色指
 
 
 
 
光源的色溫與顯色性之間沒有必然的聯(lián)系，具有不同光譜能量分布的光源可能有相同的色溫，但顯色性卻可能差別很大。
對一種電光源特性優(yōu)劣的評價必須全面、綜合考慮，不能只突出單項指標，光效、壽命、顯色性、色溫、光衰等基本指標都要同時顧及。目前能全部兼顧上述各項指標要求的電光源只有高頻無極燈。
1.3頻閃效應(yīng)與光污染
時下人們對光污染的討伐呼聲越來越大，而光污染的主要來源正是電光源的頻閃效應(yīng)。
1.3.1 頻閃效應(yīng)
    普通電光源都利用工頻交流電供電，工頻頻率為50Hz/60Hz,以熒光燈為例。熒光燈在用交流電源工作時，燈管兩端電壓的極性不斷改變；當(dāng)電流過零時的瞬間發(fā)出的光通量也為零。電光源光通量強弱的周期性變化，與供電頻率（50Hz/60Hz）相同，簡稱為頻閃。由于人眼的視覺暫留現(xiàn)象和熒光粉的余輝作用，人們感受不到這種強弱變化的波動。
l    定義：電光源的光通量Ф隨交流電源電壓相位周期性變化而變化，且使人眼產(chǎn)生視覺疲勞或視覺錯誤的現(xiàn)象稱為頻閃效應(yīng)，通常用波動深度δ來度量：
 
              ^δ=×100%
             式中  Φmax — 光通量大值
                      Φmin — 光通量小值
     
                     各類電光源光通量波動深度比較
 

光源種類	工作頻率 Hz	波動深度 %
白熾燈	50	5～15
鈉燈、金鹵燈	50	80～130
熒光汞燈	50	65
電感式熒光燈	50	55
電子熒光燈	40～50K	15～10
高頻無極燈	2650K	≈0

 
l      頻閃除引起人的疲勞、頭昏眼花等不適外，在工場工作環(huán)境中，當(dāng)被照物體處于轉(zhuǎn)
動狀態(tài)，且轉(zhuǎn)動速度剛好是電源頻率的整數(shù)倍時，則轉(zhuǎn)動物體（例為機床加工件）看上去好像沒有轉(zhuǎn)動一樣。這種錯覺容易造成事故的發(fā)生。
特別要指出的是近十多年來青少年近視眼的比例越來越高。這一令人擔(dān)憂的趨勢雖不能全部歸罪于燈下做作業(yè)的光污染，但從統(tǒng)計規(guī)律看來，它的確與長期浸染在電光源下的頻閃效應(yīng)直接相關(guān)。在點蠟燭和煤油燈的時代，書生們近視的比例就遠沒有當(dāng)今那么高。
l      照說太陽光自然而柔和，不存在“頻閃”。早晨與黃昏的太陽的確十分柔順舒適，但在上午11時至下午4時這段時間，太陽光也會表現(xiàn)出強烈的“頻閃”。科研人員曾用光電科學(xué)儀器對太陽光進行測試，證明從太陽光感測出來的隨機頻率約為0至數(shù)KHz,有時肉眼可以感受到太陽光“頻閃”的跳動，所以在太陽光下干活或讀書，也會感到容易疲勞和不適。
l      高頻無極燈完全消除了頻閃這一光污染的危害，而且眩光也較低，已成為當(dāng)今綠色無極燈照明領(lǐng)域中優(yōu)秀的新型電光源。
1.4無極燈照明燈具（另有專述，不作詳細介紹）
無極燈照明燈具看起來似乎很平常，其實它是一門專業(yè)性和綜合性都很強的技術(shù)，涉及的范圍包括材料科學(xué)、金屬加工、幾何光學(xué)、生理學(xué)、心理學(xué)，甚至社會政治……等等；“亮化工程”就有著相當(dāng)濃厚的社會因素，強烈的燈光和各式各樣的燈具既美化了城市環(huán)境，也造成極大的能源浪費，同時給廣大的城市居民帶來不可忽視的光污染，相關(guān)報道頗多，在此不必詳述。
1.4.1 眩光
    任何引起視覺不適的光稱為眩光。眩光常常是電光源與燈具的共同產(chǎn)物。眩光也是對過亮亮度的一種感受，常常與過分的對比相伴在一起，引起視覺不適，造成注意力分散。
    評估一個光照場所某不適觀察點的眩光常用“眩光指數(shù)”表示：
          ^{眩光指數(shù)=10㏒10[]}
           式中  L_b — 背景亮度
                  W — 立體角
                  P — 經(jīng)驗指數(shù)
通常眩光可分為“感覺到”、“能接受”、“不舒服”、“不能忍受”。雖然它們比較接近實際，但“感覺”的概念卻因人而異。
1.4.2 配光曲線
    以極坐標來表示光源在各個方向上發(fā)光強度的曲線，稱為該光源的配光曲線。如圖（4-2）所示。
               
圖（4-2）發(fā)光強度在空間的2分布和配光曲線
 
1.4.3 燈具