無(wú)極燈照明的基礎知識

1.1光的本質(zhì)
人們通常所說(shuō)的光是指“可見(jiàn)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(jué)效應。從量子物理的觀(guān)點(diǎn)，光具有二重性：粒子性和波動(dòng)性。單個(gè)光子呈粒子性，密集光子的集合衍射便呈現出波動(dòng)性。



所以，光是一種電磁輻射能，即電磁波，光線(xiàn)的方向也就是波傳播的方向。將各種電磁波按波長(cháng)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(jiàn)光光譜
 
    在圖1-1中的頻譜分布可以看出，可見(jiàn)光在整個(gè)波譜中僅占極小的部分。
1.2可見(jiàn)光譜
人類(lèi)視覺(jué)能感受到的電磁波可見(jiàn)部分的波長(cháng)范圍大約在380nm至780nm之間（1nm=10 ^-6mm），而不同波長(cháng)的光給人的顏色感覺(jué)也不同。波長(cháng)從380nm向780nm遞增時(shí)，光的顏色從紫色開(kāi)始，按藍、青、綠、黃、橙、紅的順序逐漸變化，兩種顏色之間沒(méi)有明顯的分界。將全部可見(jiàn)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(yáng)光和光源在發(fā)出可見(jiàn)光的同時(shí)，都會(huì )有紫外和紅外輻射，只是眼睛視覺(jué)反應不出來(lái)而已。太陽(yáng)光譜中，波長(cháng)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(cháng)小于290nm的光波被大氣層中的臭氧所吸收。人類(lèi)在進(jìn)化過(guò)程中紫外光和紅外光對眼睛不產(chǎn)生視覺(jué)反應。
l          波長(cháng)小于320nm的紫外輻射對生物組織有損害。
l          波長(cháng)在260nm處的紫外輻射滅菌效應大。
l          波長(cháng)253.7nm的紫外線(xiàn)作用于三基色粉或熒光粉會(huì )產(chǎn)生發(fā)光效應。
l          波長(cháng)大于780nm的近紅外光譜會(huì )產(chǎn)生熱。對光源來(lái)說(shuō)，由于紅外線(xiàn)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(shí)產(chǎn)生太多看不見(jiàn)的紅外光，所以光效低。
l          低壓汞蒸氣放電燈會(huì )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(jué)響應的計量。定義為：光源在單位時(shí)間內向周?chē)臻g輻射并引起視覺(jué)的能量，稱(chēng)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進(jìn)行；
l    　人眼對不同波長(cháng)的光的靈敏度不一樣，對波長(cháng)為555nm的黃、綠光靈敏，波長(cháng)離555nm越遠，靈敏度越低；
l    　對某一特定的光源來(lái)說(shuō)，不僅要測量它的光通量，而且要展示它的頻譜分布，評價(jià)它的視覺(jué)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輻射的光通量空間密度，稱(chēng)為光源在該方向上的發(fā)光強度，簡(jiǎn)稱(chēng)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——球面所對應的立體角（Sγ）；
Фθ——在ω立體角內所輻射的光通量（Lm）。
^{以點(diǎn)光源為球心，γ為半徑，則整個(gè)圓球所對應的立體角為：　　　
ω==4π（Sγ）           (1-2)}　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
l    　淺釋?zhuān)鹤雷由戏接幸槐K無(wú)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(guò)加上燈罩后，光線(xiàn)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(shí)增多了。因此，在電氣無(wú)極燈照明技術(shù)中，必須了解光通量在空間各個(gè)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(chēng)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 ）
 
當被照面與入射光線(xiàn)不垂直時(shí)，計算公式為：
   ^{E=    (1-4)}
式中 I_θ — 光線(xiàn)入射方向的光強（cd）
     θ — 光線(xiàn)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(shí)正對太陽(yáng)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(shù)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(jiàn)，人造光源與太陽(yáng)光相比實(shí)在太渺小。
1.4.4 亮度
定義：發(fā)光體在視線(xiàn)方向單位投影面上的發(fā)光強度稱(chēng)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(xiàn)方向上的光強（cd）；
Scosθ — 發(fā)光體在視線(xiàn)方向上的投影面積；
   θ — 視線(xiàn)方向與發(fā)光面法線(xiàn)（垂線(xiàn)）的夾角。
 
l            在同一位置上并排放置一個(gè)黑體和一個(gè)白色體，雖然它們的照度一樣，但人眼看起來(lái)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(xiàn)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：
²        光 通 量 —— 說(shuō)明發(fā)光體發(fā)出的光線(xiàn)數量；
²          發(fā)光強度 —— 發(fā)光體在某個(gè)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(lái)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(gè)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(wú)極燈照明電光源
將電能轉換為光能,從而獲得光通量的設備、器具則稱(chēng)為無(wú)極燈照明電光源。十九世界愛(ài)迪生發(fā)明了白熾燈，開(kāi)始了電光無(wú)極燈照明的新紀元。
1.2.1電光源的分類(lèi)
  電光源按其發(fā)光原理主要可分為兩大類(lèi)：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(lèi)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(lèi)。                    
            
1.2.3氣體放電光源
    在電場(chǎng)作用下，電流通過(guò)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(jià)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(cháng)，較貴，一般用于交通指揮燈、　　路標字幕、廣告排……等。要配備專(zhuān)用電源才能工作。
l    　高壓鈉燈光效高，壽命較長(cháng)，顯色性差，功率可高達1000W以上，適用路燈或廣　場(chǎng)用燈，需配備啟動(dòng)器件或專(zhuān)用電路才能工作。
l    　金鹵燈光效高，壽命較長(cháng)，顯色性好，功率可由70W至1000W，適用于路燈、廣場(chǎng)用燈，需配備啟動(dòng)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(zhuān)用電路才能工作。
l     　高頻無(wú)極燈壽命特長(cháng)，光效高，顯色性好，環(huán)保無(wú)公害，是21世紀優(yōu)秀的電光源，目前電功率有待提升，價(jià)格有待降低。它應用范圍廣泛，需配備專(zhuān)用電子鎮流器。
注:1.低氣壓燈放電時(shí)，燈內氣壓約為1%大氣壓,例如熒光燈。
      2.高氣壓燈放電時(shí)燈內氣壓為幾個(gè)至數十個(gè)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
         以下參數用來(lái)表征電光源的特性。
l        額定電壓和額定電流:指電光源按預定要求工作所需要的電壓和電流。偏離額定值工作會(huì )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(shí)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。
 
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L(cháng)m/W；消耗的電功
率是從市電輸入端測量的，稱(chēng)系統光效；
l    光衰：電光源在額定工作條件下，隨著(zhù)使用時(shí)間的延長(cháng)，額定光通量和光效都會(huì )逐
漸降低。衰減系數可用下式表示：
             ^{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(shí)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(shí)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(chǎng)考慮燈和燈具的衰退，另一些制造廠(chǎng)則定義為“一批試驗燈中有50%存活的時(shí)間。”而參閱藉鳳榮等人編寫(xiě)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(shí)間；
有效壽命 —— 電光源的發(fā)光效率下降到初始值的70%時(shí)的使用時(shí)間；
平均壽命 —— 指每批抽樣調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(shí)，人眼所看到黑體所呈現出的不同顏色，以此表達一個(gè)光源的光色，稱(chēng)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(shí)，黑體的這個(gè)溫度就稱(chēng)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(chēng)	色溫（K）	電光源名稱(chēng)	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(wú)極燈	2700～6500

l        色溫與感覺(jué)：
    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(wú)極燈照明下，與具有相同或相近色溫的黑體或日光的無(wú)極燈照明相比，各種顏色在視覺(jué)上的失真程度。顯色指數以Ra表示。
  
 

電光源名稱(chēng)	顯色指數OK	電光源名稱(chēng)	顯色指數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(wú)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(méi)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?xún)?yōu)劣的評價(jià)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(shí)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(wú)極燈。
1.3頻閃效應與光污染
時(shí)下人們對光污染的討伐呼聲越來(lái)越大，而光污染的主要來(lái)源正是電光源的頻閃效應。
1.3.1 頻閃效應
    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(shí)，燈管兩端電壓的極性不斷改變；當電流過(guò)零時(shí)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(jiǎn)稱(chēng)為頻閃。由于人眼的視覺(jué)暫留現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(dòng)。
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(jué)疲勞或視覺(jué)錯誤的現象稱(chēng)為頻閃效應，通常用波動(dòng)深度δ來(lái)度量：
 
              ^δ=×100%
             式中  Φmax — 光通量大值
                      Φmin — 光通量小值
     
                     各類(lèi)電光源光通量波動(dòng)深度比較
 

光源種類(lèi)	工作頻率 Hz	波動(dòng)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(wú)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(chǎng)工作環(huán)境中，當被照物體處于轉
動(dòng)狀態(tài)，且轉動(dòng)速度剛好是電源頻率的整數倍時(shí)，則轉動(dòng)物體（例為機床加工件）看上去好像沒(méi)有轉動(dòng)一樣。這種錯覺(jué)容易造成事故的發(fā)生。
特別要指出的是近十多年來(lái)青少年近視眼的比例越來(lái)越高。這一令人擔憂(yōu)的趨勢雖不能全部歸罪于燈下做作業(yè)的光污染，但從統計規律看來(lái)，它的確與長(cháng)期浸染在電光源下的頻閃效應直接相關(guān)。在點(diǎn)蠟燭和煤油燈的時(shí)代，書(shū)生們近視的比例就遠沒(méi)有當今那么高。
l      照說(shuō)太陽(yáng)光自然而柔和，不存在“頻閃”。早晨與黃昏的太陽(yáng)的確十分柔順舒適，但在上午11時(shí)至下午4時(shí)這段時(shí)間，太陽(yáng)光也會(huì )表現出強烈的“頻閃”?？蒲腥藛T曾用光電科學(xué)儀器對太陽(yáng)光進(jìn)行測試，證明從太陽(yáng)光感測出來(lái)的隨機頻率約為0至數KHz,有時(shí)肉眼可以感受到太陽(yáng)光“頻閃”的跳動(dòng)，所以在太陽(yáng)光下干活或讀書(shū)，也會(huì )感到容易疲勞和不適。
l      高頻無(wú)極燈完全消除了頻閃這一光污染的危害，而且眩光也較低，已成為當今綠色無(wú)極燈照明領(lǐng)域中優(yōu)秀的新型電光源。
1.4無(wú)極燈照明燈具（另有專(zhuān)述，不作詳細介紹）
無(wú)極燈照明燈具看起來(lái)似乎很平常，其實(shí)它是一門(mén)專(zhuān)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(huì )政治……等等；“亮化工程”就有著(zhù)相當濃厚的社會(huì )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(shí)給廣大的城市居民帶來(lái)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(jué)不適的光稱(chēng)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(guò)亮亮度的一種感受，常常與過(guò)分的對比相伴在一起，引起視覺(jué)不適，造成注意力分散。
    評估一個(gè)光照場(chǎng)所某不適觀(guān)察點(diǎn)的眩光常用“眩光指數”表示：
          ^{眩光指數=10㏒10[]}
           式中  L_b — 背景亮度
                  W — 立體角
                  P — 經(jīng)驗指數
通常眩光可分為“感覺(jué)到”、“能接受”、“不舒服”、“不能忍受”。雖然它們比較接近實(shí)際，但“感覺(jué)”的概念卻因人而異。
1.4.2 配光曲線(xiàn)
    以極坐標來(lái)表示光源在各個(gè)方向上發(fā)光強度的曲線(xiàn)，稱(chēng)為該光源的配光曲線(xiàn)。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(xiàn)
 
1.4.3 燈具