光源的色溫及顯色性

光源的色溫及顯色性所有固體、液體和氣體如果到達足夠高的溫度，都會發(fā)射出可見光。白熾燈中的固體鎢約在3000K時的熾熱發(fā)光，這是我們最為熟悉的人造光源。通常是隨著輻射體的溫度升高而提高，輻射光色從暗紅，經(jīng)過桔黃、發(fā)白，然后是熾蘭。這樣色溫也隨著輻射體的溫度升高而提高。這是遵循斯蒂芬—波爾茲曼定律：絕對黑體的能量亮度與物體絕對溫度的四次方成正比。1色溫將一標準黑體加熱，隨著溫度升高黑體的顏色開場沿著深紅-淺紅-橙-黃-白-藍逐漸改變，當某光源發(fā)出的光的顏色與標準黑體處于某溫度的顏色一樣時，我們將黑體當時的絕對溫度稱為光源的色溫，以絕對溫度K來表示。根本色如表所示：色溫光色氣氛效果大于5000K清涼〔帶藍的白色〕清冷的感覺?三基色熒光燈?水銀燈3300-5000K左右中間〔接近自然光〕無明顯視覺心理效果?三基色熒光燈?金鹵燈小于3300K溫暖〔帶桔花的白色〕溫暖的感覺?白熾燈?石英鹵素?zé)?顯色性光源對物體本身顏色呈現(xiàn)的程度稱為顯色性，也就是顏色逼真的程度，顯色性高的光源對顏色表現(xiàn)較好，我們所見到的顏色也就接近自然色，顯色性低的光源對顏色再現(xiàn)較差，我們所見到的顏色偏差也較大，用顯色指數(shù)〔Ra〕表示。國際照明委員會CIE把太陽的顯色指數(shù)定為100，各類光源的顯色指數(shù)各有一樣，如：高壓鈉燈的顯色指數(shù)為Ra=23,熒光燈管顯色指數(shù)Ra=60-90。顯色指數(shù)越接近100，顯色性就越好。如下列圖：不同顯色指數(shù)下的物體所呈現(xiàn)出來的效果；很好 較好 普通Ra=100 80<Ra<90 60<Ra<80表1光源一般顯色指數(shù)類別顯色類別一般顯色指數(shù)范圍適用場所舉例IARa290顏色匹配、顏色檢驗等B90>Ra280印刷、食品分檢、油漆、店鋪、飯店等II80>Ra260機電裝配、外表處理、控制室、辦公室、百貨等IIIIV60>Ra240機械加工、熱處理、鑄造等40>Ra220倉庫、大件金屬庫等光源的顯色指數(shù)與照度一起決定環(huán)境的視覺清晰度。研究說明，在照度和顯色指數(shù)之間存在一種平衡關(guān)系。從廣泛的實驗中得到的結(jié)果是：用顯色指數(shù)Ra>90的燈照明辦公室，就其外觀的滿意程度來說，要比用顯色指數(shù)低的燈[Ra<60〕照明的辦公室，照度值可降低25%以上。要注意的是針對良好的視覺外觀而言，如果為了節(jié)能而把室內(nèi)照度減少到使視功能變壞的水平，那就不對了。應(yīng)該盡可能選用有最正確顯色指數(shù)和發(fā)光效率高的光源采用適當?shù)恼斩?，以便以最小的能量費用獲得良好的視覺外觀效果。4眩光評價方法在視野范圍內(nèi)有亮度極高的物體，或亮度比照過大，或空間和時間上存在極端的比照，就可引起不舒適的視覺，或造成視功能下降，或同時產(chǎn)生這兩種效應(yīng)的現(xiàn)象，稱為眩光。眩光是影響照明質(zhì)量的最重要因素。從眩光的作用來看可分直接眩光和反射眩光，直接眩光是在觀察物體的方向或接近這一方向內(nèi)存在發(fā)光體所引起的眩光。反射眩光是發(fā)光體的鏡面反射，特別是在觀察物體方向或接近這一方向出現(xiàn)鏡面反射所引起的眩光。眩光按其效應(yīng)又可分為失能眩光和不舒適眩光。失能眩光又稱為生理眩光，這種眩光會阻礙對物體的視看效果，使視功能下降，但它不一定引起不舒適。不舒適眩光又稱為心理眩光，這種眩光使人不舒適，但它不一定阻礙對物體的視覺功能效果。表2眩光標準分類眩光指數(shù)GI眩光標準分類16可以承受的眩光勉強感到有眩光10眩光臨界值1922不舒適的眩光28不能忍受的眩光表3眩光限制等級房間長度和燈具安裝的高度〔即距高比〕；房間長度和燈具安裝的高度〔即距高比〕；由平均水平照度表示的視適應(yīng)水平；燈具種類，如燈具側(cè)面是否發(fā)光等；眩光等級G012345根據(jù)試驗，對眩光程度的感覺〔1〕燈具亮度；〔2〕〔3〕〔4〕眩光分類沒眩光不存在和輕微眩光之間輕微眩光厲害眩光厲害和不能忍受眩光之間不能忍受眩光僅4種因素值得考慮光源構(gòu)造及原理在照明工程中常用的光源有白熾發(fā)光的白熾燈和鹵鎢燈，低壓氣體放電的各種熒光燈和高強氣體放電的熒光高壓汞燈，金屬鹵化物燈和高壓鈉燈等。常用光源分類如下表：表1常用光源分類表常川照明光源白熾燈門燃發(fā)光燈而鈣燈他」■（體放電燈￡耳鈉燈金同尚化物燈高地艷燈發(fā)光一：極管（LEEXD場致發(fā)光解混花場致發(fā)光燈-鹵鈣燈■冷反射定向照明鹵偈燈（冷光杯）-PAR燈緊誑型熒光燈高！汞幻費光高壓汞燈自德灘熒光高壓汞燈鋪燈坑鈉紅U■常川照明光源白熾燈門燃發(fā)光燈而鈣燈他」■（體放電燈￡耳鈉燈金同尚化物燈高地艷燈發(fā)光一：極管（LEEXD場致發(fā)光解混花場致發(fā)光燈-鹵鈣燈■冷反射定向照明鹵偈燈（冷光杯）-PAR燈緊誑型熒光燈高！汞幻費光高壓汞燈自德灘熒光高壓汞燈鋪燈坑鈉紅U■流燈他住延燈長弧爾,燈短邨血燈輝光放電燈克虹燈菰燈注：以上各類光源原那么上都可以做成無極燈1白熾燈但凡根據(jù)熱輻射原理工作的光源都可稱為白熾燈。目前常用的白熾燈分兩類，即普通白

熾燈和鹵鎢燈。白熾燈靠電能將燈絲加熱到白熾而發(fā)光。在燈絲發(fā)光的同時還產(chǎn)生大量的紅外輻射和小量的紫外輻射，它們最終以熱能的形式而損失掉。顯然，要想提高白熾燈的光效，應(yīng)選用高熔點材料做燈絲，并使之在盡可能高的溫度下工作。白熾燈的構(gòu)造普通白熾燈泡由鎢絲、玻璃泡、燈頭、支架、引線等幾局部組成，內(nèi)充氨、氮、或氨氮混合氣體，通常的工作壓力約為1.013xl05Pa,而氨氮的比例由額定電壓和燈絲溫度而定，通常白熾燈使用氨氣在86%?98%之間。燈絲是白熾燈發(fā)光的主要部件，常用的燈絲形狀有直線燈絲、單螺燈絲、雙螺旋燈絲等。燈絲的形狀和尺寸大小對于白熾燈的壽命、發(fā)光效率都有直接的影響，同樣長短粗細的鎢絲繞成單螺旋型的光效高。燈絲構(gòu)造緊湊，發(fā)光點小，利用率就高。白熾燈類型：白熾燈泡有普泡、蘑菇泡、圓球泡、燭形泡、反射泡、節(jié)日泡和花生米燈泡等系列產(chǎn)品。白熾燈的色溫、顯色指數(shù)白熾燈的光效較低〔約為12~17lm/W〕，色溫較低一般為2400~2900K，但顯色性較高，顯色指數(shù)Ra高達99~100。到目前為止，它是應(yīng)用最廣泛的一種光源。鹵鎢燈鹵鎢燈屬于熱輻射光源，工作原理根本上與普通白熾燈一樣，在構(gòu)造上有較大的的差異。最突出的差異就是鹵鎢燈泡內(nèi)所填充的氣體含有局部鹵族元素或鹵化物。鹵鎢燈的光效較高〔約為18~21lm/W〕，色溫較低一般為2700~3300K，顯色性較高，顯色指數(shù)Ra高達99~100。鹵鎢燈的構(gòu)造鹵鎢燈是由鎢絲、充入鹵素的玻璃泡和燈頭等構(gòu)成。鹵鎢燈有雙端、單端和雙泡殼之分；雙端管狀鹵鎢燈構(gòu)造：燈呈現(xiàn)管狀，功率為100?2000W，燈管的直徑為8?10mm，長80?330mm。兩端采用磁接頭，需要時在磁管內(nèi)還裝有保險絲。這種燈主要用于室內(nèi)外泛光照明；為了使管壁處生成的鹵化物處于氣態(tài)，管壁溫度要比普通白熾燈高得多，相應(yīng)地鹵鎢燈的玻殼尺寸就要小得多，溫度也就高得多，因而必須使用耐高溫的石英玻璃或高硅氧玻璃。鹵鎢燈的分類〔1〕鹵鎢燈按充入燈泡內(nèi)的不同鹵素可為碘鎢燈和溴鎢燈；〔2〕鹵鎢燈按燈泡外殼材料的不同可分為硬質(zhì)玻璃鹵鎢燈、石英玻璃鹵鎢燈；〔3〕鹵鎢燈按工作電壓的上下不同可分為市電鹵鎢燈〔220V〕和低電壓型鹵鎢燈〔6V、12V、24V〕；〔4〕鹵鎢燈按燈頭構(gòu)造的不同可分為雙端、單端鹵鎢燈；鹵鎢燈的工作原理當充入鹵素物質(zhì)的燈泡通電工作時，從燈絲蒸發(fā)出來的鎢，在燈泡壁區(qū)域內(nèi)與鹵素化合，形成一種揮發(fā)性的鹵鎢化合物。鹵鎢化合物在燈泡中擴散運動，當擴散到較熱的燈絲周圍區(qū)域時，鹵鎢化合物分解成鹵素和鎢，釋放出來的鎢沉積在燈絲上，而鹵素再繼續(xù)擴散到其溫度較低的燈泡壁區(qū)域與鎢化合，形成鹵鎢循環(huán)。鹵鎢循環(huán)有效地抑制了鎢的蒸發(fā)，所以可以延長鹵鎢燈的使用壽命，同時可以進一步提高燈絲溫度，獲得較高的光效，并減少了使用過程中的光通量的衰減。鹵鎢燈的工作特性色表和顯色性鹵鎢燈屬低色溫光源，其色溫一般在2800?3200K之間，與普通白熾燈相比，光色度的一些，色調(diào)更冷一些，但顯色性較好，顯色指數(shù)Ra=100；鹵鎢燈的應(yīng)用鹵鎢燈在使用時應(yīng)注意以下問題：為了使在燈泡壁生成的鹵化物處于氣態(tài)，鹵鎢燈不適用于低溫場合。雙端鹵鎢燈工作時，燈管應(yīng)水平安裝，其傾斜角度不得超過40，否那么會縮短其使用壽命。由于鹵鎢燈工作時產(chǎn)生高溫〔管壁溫度600℃〕，因此，鹵鎢燈附近不準放易燃物質(zhì)，且燈腳引入線應(yīng)用耐高溫的導(dǎo)線。另外，由于鹵鎢燈燈絲細長又脆，鹵鎢燈使用時，要防止震動和撞擊，也不宜作為移動照明燈具。熒光燈熒光燈與白熾燈的發(fā)光原理完全不同，熒光燈是一種低壓氣體放電燈。所謂氣體放電就是指電流通過氣體媒介時的放電現(xiàn)象。氣體放電現(xiàn)象是非常普遍的，例如廈日雷雨時的閃電，使用電焊機時產(chǎn)生很強的光等都是氣體放電現(xiàn)象。最先把氣體放電用于照明的是使用炭精棒通電產(chǎn)生的碳弧燈，這種放電不易控制，后來人們對氣體放電從本質(zhì)上有了深入認識。于1936年成功地實現(xiàn)了在密閉管內(nèi)的放電，從而產(chǎn)生熒光燈。到目前為止，熒光燈工業(yè)已經(jīng)形成一項龐大的工業(yè)體系，產(chǎn)品種類很多，仍在不斷的開展之中，熒光燈已成為主要的照明光源。熒光燈的發(fā)光原理熒光燈的常用熒光粉是鹵磷酸鈣；一種低壓汞蒸氣體放電燈。燈管內(nèi)水銀蒸氣的原子在放電時激發(fā)出253.7nm紫外線。紫外輻射被管壁上的熒光粉吸收，轉(zhuǎn)變成可見光。轉(zhuǎn)換效率和燈的顏色主要取決于熒光粉的種類和性質(zhì)。熒光燈的光電特征電壓特性電源電壓的變化，會引起各種特性的變化。無論電壓過高或過低，都會縮短燈的壽命，因為電源電壓增高，使燈電流增大，燈管會黑化，壽命縮短；而電源電壓降低，電極溫度降低，燈不易啟動，促使電極物質(zhì)濺散，也使壽命縮短，所以要求電源電壓的波動范圍必須為額定值的±6以內(nèi)，同時燈用鎮(zhèn)流器的選擇和匹配也非常重要。熒光燈的工作特性隨著點燈時間的延長，熒光粉會老化，同時由于管內(nèi)殘留不純氣體的作用，也會使熒光粉黑化，并且由于電極物質(zhì)的發(fā)濺，會造成管端黑化，玻璃的析鈉黑化等都使熒光燈的光通量下降。一般在最初100h下降很快，以后就比擬緩慢，總光通量下降到初始光通量的70%以下〔高顯色性的熒光燈下降到60%以下〕的點燈時間定義為燈的壽命。熒光燈的電壓升高時，工作電流增大，電極溫度升高，會引起電極和燈管過熱，從而使陰仍物質(zhì)蒸發(fā)加快、管子迅速變黑，導(dǎo)致壽命降低。如果電壓過低，熒光燈啟支困難，啟輝器工作次數(shù)增加，會加劇陰極物質(zhì)的濺射，也會使壽命縮短。環(huán)境溫度對熒光燈的影響燈的工作特性，還取決于管內(nèi)汞的蒸汽壓，因此也受環(huán)境溫度影響，當溫度過低時，汞蒸汽壓力下降，汞原子電離率下降，啟動困難，同時紫外線的輻射減少。當環(huán)境溫度過高，管內(nèi)汞蒸氣壓力增高，紫外線反而減少，其他譜線增加。因此，環(huán)境溫度過低和過高都會影

響熒光燈的發(fā)光效率。熒光燈不宜用在戶外。3.2.4開關(guān)次數(shù)對壽命的影響熒光燈頻繁啟動會大大消耗陰極物質(zhì)，從而使壽命降低。通常，熒光燈壽命是指每開一次點燃3h的總使用時間。連續(xù)工作時間越長，壽命越長，因此，在頻繁開關(guān)燈具的場所不宜使用熒光燈。3.2.5各種熒光燈的光度和色度特性在一般照明光源中，根據(jù)熒光燈的光色特性分類，可分為日光色、高顯色性、三基色、冷白色和暖白色等；目前生產(chǎn)的照明用各種熒光燈的特性如下表：熒名功率色溫光稱燈: 〔〔k〕w〕表1各種熒光燈的特性27052950熒名功率色溫光稱燈: 〔〔k〕w〕表1各種熒光燈的特性27052950182700基2950色36340063006300顯

色

指

數(shù)

(Ra)初始光通〔l

m〕長度〔m

m〕額定壽

命〔h〕27002900340063008558三2700300095基 184000~9色5000650083400400095~9895~9270083000952301213364000~90.650008956500~9895~98環(huán)形2700~610522環(huán)形2700~6105224008005000~7322700~617500040002700300095~9985~998537015145840005000~90.2650095~9985~9熒光燈的開展前景熒光燈的開展前景相當迅速，燈管和控制電路的改良使燈管的光效從1940年的35lm/W開展到現(xiàn)在的100Lm/W左右，燈管壽命從2000h到現(xiàn)在的15000h。三基色熒光粉的出現(xiàn)增加了燈管的交效，改善了燈管的流明維持特性，并大大提高了熒光燈的顯色性。涂敷多光譜帶熒光粉的熒光燈有極高的顯色性〔Ra到達90以上〕和高光效，它已經(jīng)取代了較老式的燈管。現(xiàn)在有的熒光燈有涂敷熒光粉之前，先在燈管內(nèi)壁涂一層保護膜，這層保護膜可以阻止玻璃管內(nèi)的鈉元素擴散到熒光粉中，從而顯著地改善了燈的流明維持特性，同時保護膜還能反射紫外線，從而有利于減少熒光粉用量。保護膜還可以很顯著地減少每根熒光燈內(nèi)需要的汞量，像T5直管熒光燈的汞注入量僅為3mg。高強度氣體放電燈熒光高壓汞燈的光電特征熒光燈以外的氣體放電燈都屬于第三代光源。熒光燈中汞蒸氣壓力極小，缺乏1托，因此是一種低壓汞燈。目前討論的光源其汞蒸氣的壓力將是熒光燈汞蒸氣壓力的數(shù)千倍，甚至更高，因此稱為高壓汞燈。光效可達32~53Lm/w，壽命也較長，一般5000h以上。構(gòu)造及發(fā)光原理：構(gòu)造：高壓汞燈的核心部件是放電管。放電管由耐高溫的石英玻璃制成，管內(nèi)抽真空后充入氬和汞，兩端裝有鎢絲主電極，電極上涂上鋇、鍶、鈣的金屬氧化物作為電子發(fā)射物質(zhì)，在放電管的一端還裝有輔助電極，與同端的電極非常接近。發(fā)光原理：利用汞放電時產(chǎn)生的高氣壓，而獲得高的可見光發(fā)光效率；接通電源，兩端電極發(fā)生放電，產(chǎn)生電子和離子，從而引發(fā)兩個主電極的放電。但開場的放電只是在氬氣中進展，產(chǎn)生的是白色的光。隨著放電時間增長，放電管內(nèi)溫度不斷提高，汞蒸氣的壓力也逐漸上升，于是放電也逐漸轉(zhuǎn)移到在汞蒸氣中進展，發(fā)出的光也漸漸由白色變?yōu)楦恋乃{綠色。高壓汞燈的啟動與再啟動將燈電壓后，立即在主電極和輔助電極間產(chǎn)生輝光放電。瞬時，即時，即轉(zhuǎn)移到主電極間，形成弧光放電。由于放電熱量，汞XX放電，幾分鐘后，全部蒸發(fā)并到達穩(wěn)定狀態(tài)，將達穩(wěn)定狀態(tài)的時間叫啟動時間。當熒光高壓汞燈熄滅后，必須等到管冷卻，汞蒸氣壓降下來，才能再點燃，將再點燃時間稱再啟動時間，一般10min以下。如果施加高壓脈沖，即使在高溫下，汞蒸氣壓高的情況下，也能再啟動，此時稱為熱啟動。金屬鹵化物燈〔金鹵燈〕的光電特征在發(fā)光管中，除與熒光高壓汞燈一樣充填汞和稀有氣體外，還充填發(fā)光的金屬鹵化物〔以碘化物為主〕。將發(fā)光金屬制成鹵化物的燈，稱金屬鹵化物燈；金鹵燈顯色指數(shù)較高，在大功率的情況下，其光效可達100lm/W。金屬鹵化物燈的構(gòu)造金屬鹵化物燈構(gòu)造與高壓汞燈類似，發(fā)光管采用石英玻璃，玻殼設(shè)計小型化，可提高管壁的工作溫度。為了控制最冷溫度，在管端涂上保溫膜。金屬鹵化物燈的發(fā)光原理金屬鹵化物燈內(nèi)，由于管壁和電弧中心溫度相差很大，金屬鹵化物會產(chǎn)生分解和再復(fù)合的循環(huán)過程。在管壁溫度下，金屬鹵化物大量蒸發(fā)，向電弧中心擴散。在電弧中心的高溫區(qū)，金屬鹵化物分解成金屬原子和鹵素原子。金屬原子參與放電，并產(chǎn)生輻射。在電弧中心區(qū)的金屬原子和鹵素原子向管壁擴散到低溫區(qū)時，又重新復(fù)合成金屬鹵化物分子。金屬鹵化物燈的啟動特性與其它的高強度氣體放電燈一樣，金屬鹵化物燈的啟動分三個根本階段：第一階段是啟動氣體〔通常是惰性氣體，如氬〕，從不導(dǎo)電狀態(tài)轉(zhuǎn)變到導(dǎo)電狀態(tài)，緊接的階段是冷陰輝光放電并加熱電極，最后階段是熱電子電弧放電。一個設(shè)計良好的燈就是要使輝光放電階段盡量短，因為輝光放電使電極材料發(fā)生濺射，覆蓋到電弧管壁上會導(dǎo)致光輸出降低。與高壓汞燈相比擬，金屬鹵化物燈要求燈的啟動電壓高很多。這可以歸因于碘化物，特別是汞和氫碘化物的存在以及由離解的電子俘獲過程形成的帶負電的碘離子。金屬鹵化物燈的光度和色度特性金屬鹵化物燈的組成分類：一般照明用光源有鏑〔Dy〕燈、鈧鈉〔Sc-Na〕燈、鈉鉈錮〔Nal-Tll-InI3〕燈等。各種金屬鹵化物燈的紫外輻射比示燈弱，而可見光輻射較均勻，不但顯色性好，而且光效也高；下表為金屬鹵化物燈的光電參數(shù)：表2石英金屬鹵化物燈的光電參數(shù)功率〔w〕色迫溫〔k〕顯色指數(shù)(Ra)燈頭全長〔mm〕燃點位置初始流明〔lm〕額定壽命〔h〕單端石英金鹵燈3007652004207570081 G176任 1200 60015030080 2意 0 0085881150420000

表3石英金屬鹵化物燈的光電參數(shù)顯額功率色色全長燃初始定汩溫指燈點流明壽〔w〕〔k數(shù)頭〔mm〕位〔lm命〕(R置〕〔ha)〕雙端石英金鹵燈300060003500120030070114±0072R75°12005015035075132200070Fc04206000722200002503008016300水8000平01000400R72561200水150065平002000520311水0特2000平00520殊05200石英金鹵PAR〔窄光束〕燈400G3任2600350100080175 ―08意00高壓鈉燈的光電特征

高壓鈉燈是20世紀60年代初研制成功的一種高強氣體放電光源，它在高強氣體放電光源中的光效最高，因為589.0nm和589.6nm的鈉為光譜位于人眼靈敏度最高的區(qū)域，所以光效可