燈具光學(xué)講義

1、燈具光學(xué)講義,室內(nèi)燈、路燈和投光燈,了解和掌握光度學(xué)基本知識的基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)光學(xué)的基本定律，為對照明計(jì)算和燈具的控光部件（主要是反射器）的研究作準(zhǔn)備。能看懂三大類燈具（室內(nèi)燈、路燈和投光燈）的光度測試圖表，并且能從中了解燈具的光學(xué)性能并能利用圖表進(jìn)行簡單照明計(jì)算。3. 能夠根據(jù)燈具的配光曲線來設(shè)計(jì)燈具的光學(xué)部件,例如反射器等。,學(xué)習(xí)目的,電磁波頻譜圖,,電磁波頻譜圖,常用380—780nm表示可見光的范圍,平面角和立體角,,,α=,在光

2、度學(xué)物理量的基本定義中都要引用到立體角這一概念，而且立體角在照明計(jì)算中也經(jīng)常用到 。,,,,,,,,,,,l,α,A,o,B,(a),,,,,,,,,,,,,,s,A,A＇,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,r,(b),o,r,Ω,,,光度學(xué)的幾個(gè)基本概念,Ω=,平面角和立體角,輻射能和光,輻射能（Qe）、輻通量（Φe）、輻強(qiáng)度（Ie）、輻照度（Ee）、輻亮度（ Le ）；,,對應(yīng)的光度量定義： 光能量（Qv）、光通量（

3、Φv）、光強(qiáng)度（Iv）、光照度（Ev）、光亮度 （Lv ）；,Km 最大光譜光效能= 683 lm/W,,眼睛處在明視覺條件下的光譜光效率曲線,作為光度量——客觀評價(jià)的物理量，必須要規(guī)定和使用世界上認(rèn)可并適用的標(biāo)準(zhǔn)人眼和它的光譜靈敏度數(shù)值，這就是目前已被公認(rèn)的光譜光效率υ（λ）也稱視見函數(shù),,0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,υ,400,500,600,700,nm,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,λ,（ ）,υ,λ

4、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Φ,E,I,Φ=E·S,,Φ=I·Ω,I=E·L,2,,,,,,,常用光度學(xué)單位及其相互關(guān)系,光通量Φ（lm）光強(qiáng)I（cd）照度E（lx）,,常用的光度測量定律,a)照度的平方反比定律,,E=,I,垂直于光線傳播方向的照度與光源在該方向的光強(qiáng)成正比，與光源到表面的距離的平方成反比。,注意：只有點(diǎn)光源才符合距離平方反比定律。(測試距離不應(yīng)少于燈具出光口面最大尺寸的1

5、0倍。),,,,b)照度的余弦定律：,E= ·cosθ,S1面：E1= = ；,S2面：E2= ；,∵ S1=S2 cosθ∴ 顯而易見：E2= E1cosθ,將它與照度的平方反比定律結(jié)合起來就有 ：,,c)余弦立方定律,式中：I—點(diǎn)光源射向該點(diǎn)的光強(qiáng)； h—光源離該平面的高度； θ—平面法線與入射光線的夾角；

6、— OA長度。,E= · cosθ= · cos3θ,,,,,,,,,屋邊,路邊,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,γ,A,,,,,,,,。,,,,,,。,,,,。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,。,,γ,A,（ ， ）,（ ，

7、）,90,B,γ,B,γ,B,,,,,,,,,,,,,,,。,,,,,c-γ坐標(biāo)系統(tǒng),適合路燈的分布光度系統(tǒng),,國際照明學(xué)會推薦的分布光度C-γ坐標(biāo)系統(tǒng),V-H坐標(biāo)系統(tǒng),,,,適合投光燈的分布光度系統(tǒng),,國際照明學(xué)會推薦的分布光度Β -β坐標(biāo)系統(tǒng),光度學(xué)中常用的坐標(biāo),空間光強(qiáng)分布，可以通過三種方式：1、極坐標(biāo)　　　室內(nèi)燈　　路燈2、直角坐標(biāo)　　投光燈　　3、等光強(qiáng)圖　　　　　　　　　　　 　不對稱配光,,,旋轉(zhuǎn)對稱二個(gè)對

8、稱平面一個(gè)對稱平面,極坐標(biāo),直角坐標(biāo),,等光強(qiáng)曲線示意,等光強(qiáng)曲線,燈具光度測試報(bào)告解讀　　　　　　　　　和　　　　　在照明計(jì)算中的應(yīng)用,道路燈具,子午面配光曲線圓錐面配光曲線等光強(qiáng)曲線等照度曲線光通量利用系數(shù)曲線,,子午面配光曲線,圓錐面配光曲線,光源：400WHPS,等光強(qiáng)曲線,,IESNA路燈分類圖,用圓形網(wǎng)圖表示IESNA路燈分類,燈具的縱向分布分為三種（供參考）： 1、當(dāng)最大光強(qiáng)點(diǎn)位于1.0和2.25MH

9、 TRL之間時(shí)，此燈具被歸類為Short(S)分布，最大的燈具間隔是安裝高度的4.5倍； 2、在2.25和3.75MHTRL之間的，此燈具被歸類為Medium(M)分布，最大的燈具間隔是安裝高度的7.5倍； 3、在3.75和6.0MH TRL之間稱為Long(L)分布，最大的燈具間隔是安裝高度的12倍。燈具的橫向分布分為四類： 1、當(dāng)燈具位于或接近于道路邊， 50%最大光強(qiáng)的曲線位于參考軸的兩邊且屋邊1.0M寬

10、，路邊1.0-MH寬，這種燈具被稱作?類； 2、50%最大光強(qiáng)的軌跡的橫向?qū)挾仍诼愤?.75MH LRL以內(nèi)，屬于Ⅱ類； 3、部分的或全部在路邊1.75MH和2.75MH LRL之間，屬于Ⅲ類； 4、部分的或全部的在路邊2.75MH LRL以外，屬于Ⅳ類。,,最大光強(qiáng)的垂直角度以上的光分布控制,IESNA眩光控制分類,完全截光型 離開燈下點(diǎn)90°（r=90°）以上的所有角度的光強(qiáng)值為

11、0，而且在離燈下點(diǎn)80°（r=80°）的位置每1000流明的光強(qiáng)值不超過100cd（10%）。圍繞燈具的所有橫向角度都要滿足這個(gè)要求。截光型 離開燈下點(diǎn)90°（r=90°，水平）的位置的每1000流明的光強(qiáng)值不超過25cd（2.5%），而且在離燈下點(diǎn)80°（r=80°）的位置不超過100cd（10%）的燈具是達(dá)到截光水平的。同樣應(yīng)用到圍繞燈具的所有橫向角度。半截光型

12、 離開燈下點(diǎn)90°（r=90°，水平）的位置的每1000流明的光強(qiáng)值不超過50cd（5%），而且在離燈下點(diǎn)80°（r=80°）的位置不超過200cd（20%）的燈具是達(dá)到截光水平的。同樣應(yīng)用到圍繞燈具的所有橫向角度。,完全截光型燈具,Eh=kE10,等照度曲線,后面例題,當(dāng)燈具安裝在9米高，求在馬路上且垂直于馬路縱向的方向上，離燈下點(diǎn)的水平距離13.5米的地方的照度值是多少？,求照度均勻度,

13、光通量利用系數(shù)曲線,,路燈頭的仰角,光通量利用系數(shù)曲線示意,道路上照度均勻度=最小照度/平均照度,平均照度=,光源光通量×利用系數(shù)×維護(hù)系數(shù),,燈間隔距離×路寬,例題：道路寬10米，燈具的安裝間隔是15米，燈的高度10米，求路面的平均照度是多少？,用光通量利用曲線和等照度曲線計(jì)算照度均勻度,維護(hù)系數(shù)（K）,維護(hù)系數(shù)是考慮由于光源光通衰減、燈具污染及老化所引起的效率降低，以及被照場所建筑物內(nèi)墻表面、頂棚、地

14、面的反射率下降等因素使照度降低所必須乘入的系數(shù)。,室內(nèi)燈具,光通比與距高比極坐標(biāo)配光曲線空間等照度曲線平面等照度曲線利用系數(shù) CU概算曲線,最 大 距 高 比: A-A: 1.2 B-B: 1.7,CIE 分 類: 直 接 向 上 光 通 比: .0 % 向 下 光 通 比: 63.0 % 燈 具 效 率: 63.0 %,光通比與距高比,CIE 分 類: 直 接 向 上 光 通

15、比: .0 % 向 下 光 通 比: 63.0 % 燈 具 效 率: 63.0 %,θ1/2—— ½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,燈具描述：70WHPS；光源被垂直裝在一個(gè)旋轉(zhuǎn)對稱反射器內(nèi),,極坐標(biāo)配光曲線,,例：在燈下6米，距燈下點(diǎn)3米的地方的照度有多大？,空間等照度曲線,燈具描述：支架燈具；

16、36W熒光燈管,極坐標(biāo)配光曲線,極坐標(biāo)配光曲線示意,,例：在燈下6米，c-0方向距燈下點(diǎn)3米的地方的照度有多大？,平面等照度曲線,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,γ,,平面等照度曲線示意,流明法,利用燈具的配光曲線或等照度曲線， 按照燈具的布置方式直接計(jì)算室內(nèi)各點(diǎn)的照度。,逐點(diǎn)計(jì)算法,利用燈具的配光曲線考慮到房間大小形狀、房間中各個(gè)面的反射率和燈具布置方式后計(jì)算燈具直接射到工作面上的光通量和

17、射到室內(nèi)其它表面（包括墻、天花板、地板）后反射的光線再投到工作面上的光通量之和除以工作面的面積得到平均照度。,照 度 計(jì) 算,,室空間比?。遥茫?RCR=5hRC(L+W)/L*W,室內(nèi)照明計(jì)算是把房間看作直六面體，能表征房間尺寸的表式就是室空間比（室指數(shù)）。越是低而寬敞的房子，可得到的光通利用率越高，越是狹而高的房間，光通利用率越低。,,利 用 系 數(shù) : ρCC 80 70

18、 50 30 10 0　ρW 50 30 10 50 30 10 50 30 10 50 30 10 50 30 10 0 WDRC RCR COEFFICIENTS OF UTILIZATION FOR ρFC=20 0 .7

19、5 .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

20、 .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

21、.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

22、 .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

23、.25 .22 .19 .18 .125 10 .25 .20 .17 .25 .20 .17 .24 .20 .17 .24 .20 .17 .23 .19 .17 .16 .118,利用系數(shù) CU,Ρcc——頂棚空間的反射系數(shù);ρw——墻面的反射系數(shù);ρfc——地板空間的反射系數(shù);WDRC——墻面直接輻射系數(shù),平均照度=光源光通量×燈具數(shù)量×CU ×維

24、護(hù)系數(shù) /長×寬,,燈具數(shù)量=平均照度×長×寬/光源光通量× CU ×維護(hù)系數(shù),維護(hù)系數(shù)（K）,維護(hù)系數(shù)是考慮由于光源光通衰減、燈具污染及老化所引起的效率降低，以及被照場所建筑物內(nèi)墻表面、頂棚、地面的反射率下降等因素使照度降低所必須乘入的系數(shù)。,利用系數(shù)法及燈具概算曲線應(yīng)用,例 某電機(jī)裝配車間，雙側(cè)開窗，采用鋼筋混凝土多邊形屋架，因此頂棚有效反射率ρcc是47%。下弦高度12M。屋內(nèi)墻及

25、大型屋面板均噴白，因此墻面平均反射率ρw是41.5%。地面為混凝土地坪水泥砂漿抹面，因此地面反射率ρf是20% 。車間跨度W=18M，長度L=54M，柱距6M。試確定照明方案和燈數(shù)。1.照度的確定和燈型選擇：設(shè)計(jì)要求該車間平均照度為90lx。擬選用D-16號GC5-B-4型深照型400W高壓水銀熒光燈，裝于屋架下弦，工作面高度距地面0.8M。2.求室空間比：燈的計(jì)算高度為 h=12-0.8=11.2MRCR=[5 ×

26、;11.2 ×(54+ 18)]/ 54 ×18=4.153.查D-16號燈具圖表，用內(nèi)插法求出利用系數(shù)u=0.371。該車間屬于B類，維護(hù)系數(shù)K=0.7，光源光通F=20000lm應(yīng)用公式N=90×54 ×18/（20000 ×0.371 ×0.7）=16.8個(gè),利 用 系 數(shù) : ρCC 70 50

27、 30 10 0　ρW 50 30 10 50 30 10 50 30 10 50 30 10 0 RCR COEFFICIENTS OF UTILIZATION FOR ρFC=20 1 .69 .66 .64 .66 .64 .62 .63 .61 .60 .61

28、.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

29、 .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

30、 .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 .

31、13,D-16號燈具利用系數(shù)表：,,概算曲線,投光燈具,直角坐標(biāo)配光曲線等光強(qiáng)曲線區(qū)域光通量,,穿過反射器母線，且含有最大光強(qiáng)的截面上V角和H角的配光曲線,,,,,直角坐標(biāo)配光曲線,半峰發(fā)散角——在選定的通過最大光強(qiáng)的平面上，兩個(gè)為50%最大光強(qiáng)的光 強(qiáng)之間的夾角半峰邊角——在選定的通過最大光強(qiáng)的平面上，最大光強(qiáng)與50%最大光強(qiáng)之

32、 間的夾角燈的有效光束——光強(qiáng)大于或等于10%最大光強(qiáng)的所有光束稱燈具的有效 光束(IES定義),投光燈光度特性的三個(gè)定義,等光強(qiáng)曲線,區(qū)域光通量,,旋轉(zhuǎn)反射器的設(shè)計(jì)和計(jì)算,,,,,,,M,,,,,,,,反射器輪廓上的斜線段,光源光線增量間隔角度△θ,出射光線增量角△α,,,,表1計(jì)算光束中各環(huán)帶的光通,,表2計(jì)算光源各環(huán)帶內(nèi)的光通,表3光束光通與光源能提供的光通二者計(jì)算表,表4不同θ或α