燈具光學講義

關(guān)于燈具光學講義第1頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三了解和掌握光度學基本知識的基礎(chǔ)，學習光學的基本定律，為對照明計算和燈具的控光部件（主要是反射器）的研究作準備。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性能并能利用圖表進行簡單照明計算。3.能夠根據(jù)燈具的配光曲線來設(shè)計燈具的光學部件,例如反射器等。學習目的第2頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三

電磁波頻譜圖電磁波頻譜圖

常用380—780nm表示可見光的范圍第3頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三平面角和立體角

α=

在光度學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算中也經(jīng)常用到。lαAoB(a)sAA＇r(b)orΩ光度學的幾個基本概念Ω=

平面角和立體角第4頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三輻射能和光輻射能（Qe）、輻通量（Φe）、輻強度（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（Φv）、光強度（Iv）、光照度（Ev）、光亮度（Lv）；Km最大光譜光效能=683lm/W第5頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三眼睛處在明視覺條件下的光譜光效率曲線

作為光度量——客觀評價的物理量，必須要規(guī)定和使用世界上認可并適用的標準人眼和它的光譜靈敏度數(shù)值，這就是目前已被公認的光譜光效率υ（λ）也稱視見函數(shù)

00.20.40.60.81.0υ400500600700nmλ（）υλ第6頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三ΦEIΦ=E·SΦ=I·ΩI=E·L2常用光度學單位及其相互關(guān)系光通量Φ（lm）光強I（cd）照度E（lx）

第7頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三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成正比，與光源到表面的距離的平方成反比。

注意：只有點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10倍。)

第8頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三b)照度的余弦定律：E=·cosθS1面：E1==；S2面：E2=；

∵

S1=S2cosθ∴

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：第9頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三c)余弦立方定律式中：I—點光源射向該點的光強；h—光源離該平面的高度；θ—平面法線與入射光線的夾角；—OA長度。E=·cosθ=·cos3θ

第10頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三屋邊路邊γA。。。。γA（，）（，）90BγBγB。c-γ坐標系統(tǒng)適合路燈的分布光度系統(tǒng)第11頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三國際照明學會推薦的分布光度C-γ坐標系統(tǒng)

第12頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三V-H坐標系統(tǒng)適合投光燈的分布光度系統(tǒng)第13頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三國際照明學會推薦的分布光度Β

-β坐標系統(tǒng)

第14頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三光度學中常用的坐標空間光強分布，可以通過三種方式：1、極坐標室內(nèi)燈路燈2、直角坐標投光燈3、等光強圖不對稱配光旋轉(zhuǎn)對稱二個對稱平面一個對稱平面第15頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三極坐標第16頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三直角坐標第17頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三等光強曲線示意第18頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三等光強曲線第19頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三

燈具光度測試報告解讀和在照明計算中的應(yīng)用第20頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三道路燈具子午面配光曲線圓錐面配光曲線等光強曲線等照度曲線光通量利用系數(shù)曲線第21頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三子午面配光曲線圓錐面配光曲線光源：400WHPS第22頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三等光強曲線第23頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三IESNA路燈分類圖第24頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三人行道邊線1.0MH2.25MH3.75MH6.0MH2.75MH1.75MH1.0MH馬路橫跨線用圓形網(wǎng)圖表示IESNA路燈分類第25頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三

燈具的縱向分布分為三種（供參考）：1、當最大光強點位于1.0和2.25MHTRL之間時，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6.0MHTRL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、當燈具位于或接近于道路邊，50%最大光強的曲線位于參考軸的兩邊且屋邊1.0M寬，路邊1.0-MH寬，這種燈具被稱作?類；2、50%最大光強的軌跡的橫向?qū)挾仍诼愤?.75MHLRL以內(nèi)，屬于Ⅱ類；3、部分的或全部在路邊1.75MH和2.75MHLRL之間，屬于Ⅲ類；4、部分的或全部的在路邊2.75MHLRL以外，屬于Ⅳ類。第26頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三最大光強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90°（r=90°）以上的所有角度的光強值為0，而且在離燈下點80°（r=80°）的位置每1000流明的光強值不超過100cd（10%）。圍繞燈具的所有橫向角度都要滿足這個要求。截光型

離開燈下點90°（r=90°，水平）的位置的每1000流明的光強值不超過25cd（2.5%），而且在離燈下點80°（r=80°）的位置不超過100cd（10%）的燈具是達到截光水平的。同樣應(yīng)用到圍繞燈具的所有橫向角度。半截光型

離開燈下點90°（r=90°，水平）的位置的每1000流明的光強值不超過50cd（5%），而且在離燈下點80°（r=80°）的位置不超過200cd（20%）的燈具是達到截光水平的。同樣應(yīng)用到圍繞燈具的所有橫向角度。第27頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三完全截光型燈具第28頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三安裝高度修正系數(shù)k54.0062.7872.0481.5691.23101.00110.83120.69130.59140.51150.44160.39Eh=kE10等照度曲線后面例題第29頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三當燈具安裝在9米高，求在馬路上且垂直于馬路縱向的方向上，離燈下點的水平距離13.5米的地方的照度值是多少？第30頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三求照度均勻度光通量利用系數(shù)曲線路燈頭的仰角第31頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三光通量利用系數(shù)曲線示意第32頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三道路上照度均勻度=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算照度均勻度第33頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三維護系數(shù)（K）維護系數(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)。建筑物特征分類維護系數(shù)（K）

鹵鎢燈白熾燈、熒光燈、高壓氣體放電燈A．生產(chǎn)中幾乎很少有塵埃、煙、煙灰及蒸氣排出或出外部進入本房間0.8(0.85)0.75(0.8)B．生產(chǎn)中排出或外界進入少量的塵埃、煙、煙灰及蒸氣，比較明顯但不嚴重0.75(0.81)0.7(0.76)C．生產(chǎn)中排出或外界進入大量的塵埃、煙、煙灰及蒸氣，積累較快0.66(0.76)0.6(0.69)戶外露天廣場0.750.7第34頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三室內(nèi)燈具光通比與距高比極坐標配光曲線空間等照度曲線平面等照度曲線利用系數(shù)CU概算曲線第35頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三

最大距高比:

A-A:1.2B-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%

光通比與距高比第36頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三

CIE分類:直接向上光通比:.0%向下光通比:63.0%燈具效率:63.0%

第37頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三θ1/2——?照度角最大距高比:

A-A:1.2B-B:1.7第38頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三距高比：1.2距高比：1.7距高比：2.1第39頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三燈具描述：70WHPS；光源被垂直裝在一個旋轉(zhuǎn)對稱反射器內(nèi)極坐標配光曲線第40頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三例：在燈下6米，距燈下點3米的地方的照度有多大？空間等照度曲線第41頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三燈具描述：支架燈具；36W熒光燈管極坐標配光曲線第42頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三極坐標配光曲線示意第43頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三例：在燈下6米，c-0方向距燈下點3米的地方的照度有多大？平面等照度曲線第44頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三γ平面等照度曲線示意第45頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三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算室內(nèi)各點的照度。逐點計算法利用燈具的配光曲線考慮到房間大小形狀、房間中各個面的反射率和燈具布置方式后計算燈具直接射到工作面上的光通量和射到室內(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。照度計算第46頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三室空間比ＲＣＲRCR=5hRC(L+W)/L*W室內(nèi)照明計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。第47頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三利用系數(shù):

ρCC80705030100ρW5030105030105030105030105030100WDRCRCRCOEFFICIENTSOFUTILIZATIONFORρFC=200.75.75.75.73.73.73.70.70.70.67.67.67.64.64.64.631.68.65.63.66.64.62.63.62.60.61.60.59.59.58.57.56.1822.61.57.54.59.56.54.57.55.52.55.53.51.54.52.50.49.1763.54.50.47.53.49.46.52.48.46.50.47.45.49.46.44.43.1684.49.44.40.48.44.40.46.43.40.45.42.39.44.41.39.37.1605.43.38.35.43.38.34.42.37.34.40.37.34.39.36.33.32.1546.39.34.30.38.34.30.37.33.30.36.32.30.35.32.29.28.1457.35.30.26.35.30.26.34.29.26.33.29.26.32.28.26.24.1388.31.26.23.31.26.22.30.26.22.29.25.22.29.25.22.21.1319.28.23.19.28.23.19.27.22.19.26.22.19.25.22.19.18.12510.25.20.17.25.20.17.24.20.17.24.20.17.23.19.17.16.118利用系數(shù)CUΡcc——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)

第48頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三平均照度=光源光通量×燈具數(shù)量×CU×維護系數(shù)/長×寬燈具數(shù)量=平均照度×長×寬/光源光通量×

CU×維護系數(shù)第49頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三維護系數(shù)（K）維護系數(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)。建筑物特征分類維護系數(shù)（K）

鹵鎢燈白熾燈、熒光燈、高壓水銀熒光燈A．生產(chǎn)中幾乎很少有塵埃、煙、煙灰及蒸氣排出或出外部進入本房間0.8(0.85)0.75(0.8)B．生產(chǎn)中排出或外界進入少量的塵埃、煙、煙灰及蒸氣，比較明顯但不嚴重0.75(0.81)0.7(0.76)C．生產(chǎn)中排出或外界進入大量的塵埃、煙、煙灰及蒸氣，積累較快0.66(0.76)0.6(0.69)戶外露天廣場0.750.7第50頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三利用系數(shù)法及燈具概算曲線應(yīng)用例某電機裝配車間，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：燈的計算高度為h=12-0.8=11.2MRCR=[5×11.2×(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個第51頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三

利用系數(shù):

ρCC705030100ρW5030105030105030105030100RCRCOEFFICIENTSOFUTILIZATIONFORρFC=201.69.66.64.66.64.62.63.61.60.61.59.58.572.60.56.52.58.54.51.55.52.50.53.51.49.473.52.47.43.50.46.42.48.45.41.47.43.41.394.46.40.36.44.39.36.43.39.35.41.38.35.335.40.35.30.39.34.30.38.33.30.36.32.29.286.36.30.26.34.29.25.33.29.25.32.28.25.237.32.26.22.31.25.21.30.25.21.29.24.21.208.28.23.19.28.22.19.27.22.18.26.22.18.179.26.20.16.25.20.16.24.19.16.23.19.16.1510.23.18.14.22.17.14.22.17.14.21.17.14.13D-16號燈具利用系數(shù)表：第52頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三概算曲線第53頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三投光燈具直角坐標配光曲線等光強曲線區(qū)域光通量第54頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三穿過反射器母線，且含有最大光強的截面上V角和H角的配光曲線直角坐標配光曲線第55頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三半峰發(fā)散角——在選定的通過最大光強的平面上，兩個為50%最大光強的光強之間的夾角半峰邊角——在選定的通過最大光強的平面上，最大光強與50%最大光強之間的夾角燈的有效光束——光強大于或等于10%最大光強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定義第56頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三等光強曲線區(qū)域光通量第57頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三第58頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三旋轉(zhuǎn)反射器的設(shè)計和計算第59頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三第60頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三第61頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三第62頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三第63頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三第64頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三M第65頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三第66頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三第67頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三第68頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三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第69頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三第70頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三第71頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三表1計算光束中各環(huán)帶的光通環(huán)帶（度）中間角度的光強（cd）環(huán)帶常數(shù)環(huán)帶內(nèi)光通0-107200.0956810-207550.28321320-308550.46339630-409300.62858440-507450.77457650-604500.89740360-701500.99314970-80201.05821

總和2410（lm）第72頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三第73頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三表2計算光源各環(huán)帶內(nèi)的光通環(huán)帶環(huán)帶內(nèi)中間角上的光強（cd）環(huán)帶常數(shù)環(huán)帶內(nèi)光通△Fθ170-1802920.09528160-1702910.28382150-1602890.463134140-1502040.628185130-1403050.774236120-1303130.897281110-1203130.993311946100-1103061.05832490-1002901.09131680-902751.09130070-802811.05829760-702960.99329450-603040.89727340-503060.77423730-402970.62818620-302920.46313510-202510.283710-101010.09510

總和

3700（lm）第74頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三表3光束光通與光源能提供的光通二者計算表環(huán)帶（度）光束配光曲線修正后需要的光通由光源來的直接光通二者差值△Fα0-1079285110-202498216720-3046313432930-4068318549840-5067323643750-6047028118960-70174*17470-8025*25總和28169461870第75頁，講稿共85頁，2023年5月2日，星期三表4不同θ或α角度內(nèi)的光通量角度α∑△Fα角度θ∑△Fθ0

0

1051107(10×0.85×0.8=7)202182055(7+71×0.85×0.8=55)305473014740104