第1章　照明基础知识

1.1　光的基本知识

1.1.1　光的特性

1.　光的定义

光是一种自然现象，当一束光投射到物体上时，光会发生反射、折射、干涉以及衍射等现象。人们之所以能够看到客观世界中斑驳陆离、瞬息万变的景象，是因为眼睛能够接收物体发射、反射或散射的光。就光的本质而言是一种电磁波，覆盖着电磁频谱相当宽（从X射线到远红外）的范围，人类肉眼所能看到的可见光只是整个电磁波谱的一部分。

电磁波刺激人的眼睛，经过视觉神经传达到人的大脑，使人可以看到物体的形状和颜色，这段波长的电磁波称为可见光，可见光的波长不同，人眼感觉到的颜色也不同。可见光的波长范围在360～830nm之间，仅仅是电磁辐射光谱非常小的一部分。波长的范围不同决定了各种不同波长光的性质。780～380nm的光依次是红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色光，两种颜色之间没有明显的分界。将全部可见光波混合在一起就形成日光，即白色光。波长大于780nm的电磁波是红外线、微波和无线电波等。波长小于380nm的电磁波是紫外线、X射线和宇宙射线等。

光以约3 × 108 m/s速度在空间传播。由图1-1可看出大部分电磁波都是肉眼看不见的。当光通过某种物质时如水或空气，其传播速度就会减慢。光在真空中的传播速度和在媒质中的传播速度的比值称为该媒质的折射率，在折射率不同的两种媒质的界面上，入射光线产生折射与反射现象。另外光在传播过程中还会产生散射、漫反射、漫透射现象。

人们通常所说的光是指“可见光”，是光源发出的辐射能中的一部分，并能产生视觉效应。从量子物理的观点，光具有二重性：粒子性和波动性。单个光子呈粒子性，密集光子的集合衍射便呈现出波动性。所以，光是一种电磁辐射能，即电磁波，光线的方向也就是波的传播方向。

太阳光和光源在发出可见光的同时，都会有紫外和红外辐射，只是人的眼睛视觉反应不出来而已。在太阳光谱中，波长大于1400nm的光波被大气层中的水蒸气和二氧化碳强烈吸收，波长小于290nm的光波被大气层中的臭氧所吸收。

人的眼睛对不同颜色光的视觉灵敏度不同，对光谱中心部位的黄、绿色光最灵敏，对两边的紫光和红光都不灵敏。人类在进化过程中紫外光和红外光对眼睛不产生视觉反应。紫外线会伤害人的眼睛，红外线只能刺激人的皮肤产生热的感觉。

2.　辐射度量

辐射在本质上是一种能量的形式，如光辐射、热辐射、磁辐射等。辐射伴随着辐射能量的转移。辐射能量的度量通常以表1-1所列出的一些基本参量来描述。

为了对辐射度量有比较清楚的认识，下面对各参量做一些简要的说明。

①辐射能Qe。以辐射的形式发射、传播或接收的能量称为辐射能。像其他任何形式的能一样，辐射能的法定计量单位是焦耳（J）。

②辐射能密度ωe。单位体积内的辐射能称为光源的辐射能密度。用它的体密度来表示。其定义式为：

式中：V为体积。辐射能密度单位是焦耳/米3（J/m3）。

③辐射通量Φe。单位时间内辐射的总能量称为辐射通量。辐射通量也可称为辐射功率。其表示式为：

式中：dQe是在dt时间内转移的单元能量。辐射通量的单位为瓦（1W=1J/s）。

④辐射强度Ie。单位立体角（一个锥体的顶端在球心上，底面积等于球半径的平方，这锥体所包的立体角就叫做单位立体角）内离开辐射源的辐射通量称为辐射强度。其表达式为：

式中：dΦe为辐射源在dΩ立体角内所辐射出来的辐射通量。辐射强度的单位是瓦/球面度（W/sr）。

⑤辐射出射度Me。辐射体表面的单位面积内所辐射的通量称为辐射出射度。这是用来量度物体辐射能力的物理量。其表达式为：

式中：dΦe为辐射体表面的面积元ds向所有方向所发出的辐射通量。辐射出射度的单位是瓦/米2（W/m2）。

⑥辐射亮度Le。由辐射表面一点处的单位面积在给定方向上的辐射强度称为辐射亮度。在与辐射表面ds的法线成θ角的方向上，辐射亮度等于该方向上的辐射强度dIe与辐射表面在该方向垂直面上的投影面积之比。其表达式为：

式中：ds为某处辐射源表面的单位面积，θ为光源表面的法线与观察方向间的夹角。辐射亮度的单位为瓦/平方米·球面度（W/（m2 ·sr））。

Le的数值与辐射源的性质有关，并随给定方向而变。若Le不随方向而变，则Ie正比于cosθ，即：

满足上式的特殊光源称为余弦辐射体，余弦辐射体也称均匀漫反射体或朗伯体。除了黑体、灰体外，实验表明，抛毛乳白玻璃的透视光或反射光以及氧化镁、硫酸钡等表面的反射光很接近于理想的余弦辐射体。白雪对阳光的反射也符合余弦辐射体的规律。对余弦辐射体，即服从朗伯定律的辐射体可以推算出：

即余弦辐射体的辐射出射度在数值上为其辐射亮度的π倍。

⑦辐射照度Ee。辐射照度为接收面上单位面积所照射的辐射通量。其表达式为：

辐射照度的单位为W/m2。对于理想的散射面，满足条件Me=Ee

⑧光谱辐射度量（辐射量的光谱密度）。为了表征辐射，不仅要知道辐射的总通量和强度，还应知道其光谱组分。因为辐射源发出的辐射，往往由许多波长的辐射组成，为了研究各种波长所分别辐射的能量，而引入光谱辐射度量的概念。

除了特殊用途的辐射源（如红外光源和紫外光源）外，大量的辐射源是作为照明用。照明光源的特性只用前面所叙述的一些能量参数来描述是不够的，因为能量参数并没有考虑到人眼的作用。由于照明的效果最终是以人眼来评定的，因此照明光源的光学特性必须用基于人眼视觉的光学参量即光度量来描述。

人的视神经对各种不同波长的光的感光灵敏度是不一样的，对绿光灵敏，对红光灵敏度要低得多。另外，由于不同的人的视觉生理和心理作用不一样，不同的人对各种波长光的感光灵敏度也有差别。国际照明委员会（CIE）根据对许多人的大量观察结果，用平均值的方法，确定了人眼对各种波长光的平均相对灵敏度，称为“标准光度观察者”的光谱光视效率V（λ），或称视见函数。V（λ）的最大值在555nm处。此时，V（λ）=1，其他波长的V（λ）都小于1。

当光亮度大于3cd/m2时人眼的锥状细胞起主要作用，敏感的光谱范围是380 ～780nm，在555nm上最敏感，且能分辨出各种颜色，这种视觉称为明视觉，用V（λ）表示明视觉光谱光视效率。

当亮度小于0.001cd/m2时，人眼的锥状细胞不敏感而主要是柱状细胞起作用，敏感的光谱范围是330～730nm，在507nm波长上最敏感，但不能分辨出各种颜色。这种视觉叫暗视觉或夜间视觉，用V′（λ）表示暗视觉光谱光视效率。

光度量是人眼对相应辐射度量的视觉强度值，由于人眼对不同波长光的感光灵敏度不一样，能量相同而波长不同的光，在人眼中引起的视觉强度是不相同。表1-2列出了基本光度学量的定义、单位和符号。

3.　照明用词汇与单位

（1）立体角

在图1-2中，从O点看表示光向空间展开的角度称为立体角，单位为球面角度（sr）。立体角ω用下式表示：

从O点开始，半径为 r（m），球的面积为4πr2（m2），所以点的周围总立体角是4π （sr）。

（2）光通量

光通量是光辐射通量对人眼所引起的视觉强度值。光通量的表示式为：

式中：Km为辐射度量与光度量之间的比例系数；V（λ）为人眼的光谱光视效率，积分限是波长大于380nm和小于780nm的不可见光的V（λ）=0。

在式（1-11）中，等号的左边是光通量，其单位是流明（lm）；而等号的右边的Φeλ是辐射通量，单位是瓦（W）；V（λ）是一个无量纲的系数。所以等号右边存在一个系数Km，从而使两边的单位一致。显然，Km 的单位为lm/W，称为最大光谱光视效能，Km =683（lm/W）。Km表示在波长为555nm处，即人眼光谱光视效率最大（V（λ）=1）处，与1W的辐射通量相当的光通量为683（lm）。

衡量光源发出光的多少的单位为光通量，从光源发射并被人的眼睛接收的能量之和即为光通量。即光源在单位时间内发出光（可见）的总和，符号为Φ，单位是流明（lm）。光源所发出的光能是向所有方向辐射的，对于在单位时间里通过某一面积的光能，称为通过这一面积的辐射能通量。各色光的频率不同，眼睛对各色光的敏感度也有所不同，即使各色光的辐射能通量相等，在视觉上并不能产生相同的明亮程度。在各色光中，黄、绿色光能激起最大的明亮感觉。如果用绿色光作水准，令它的光通量等于辐射能通量，则对其他色光来说，激起明亮感觉比绿色光为小，光通量也小于辐射能通量。

绝对黑体在铂的凝固温度下，从5.305 × 103 cm2面积上辐射出来的光通量为1 lm。为表明光强和光通量的关系，发光强度为1坎 [德拉]的点光源在单位立体角（1球面度）内发出的光通量为1 lm。

一般情况下，同类型光源的功率越高，光通量也越大。例如，一只40W的普通白炽灯的光通量为350～470 lm，而一只40W的普通直管形荧光灯的光通量为2800 lm左右，为白炽灯的6～8倍。

（3）发光强度

发光强度简称光强，某方向每单位立体角的光通量称为发光强度，符号为I，单位是坎[德拉]（cd）。如果光源是一个点，称为点光源。图1-3表示从点光源向立体角ω（sr）发出的光通量为Φ（lm）时，发光强度I（cd）用下式表示

式中：ω 为立体角，单位为球面度（sr），Φ 为光通量，单位是流明（lm），对于点光源I=Φ/4。

发光强度的单位为坎德拉（cd）。坎德拉（Candela）是国际单位制中7个基本单位之一。其定义为：光源在给定方向上的发光强度，该光源发出555nm单色辐射，且在此方向上的辐射强度为1/683W每球面度时，在该方向上的发光强度为1cd。

（4）照度

入射到每单位面积的光通量称为照度，符号为E，单位是勒 [克斯]（lx）。在图1-4中，光通量为Φ（lm）的光入射到面积为A（m2）的面上，在此面上的照度E（lx）表示如下：

如果每平方米被照面上接收到的光通量为1（lm），则照度为1（lx）。夏季阳光强烈的中午地面照度约为5000 lx，冬天晴天时地面照度约为2000 lx，晴朗的月夜地面照度约为0.2 lx。被照明物体给定点处单位面积上的入射光通量称为该点的照度：

式中：dΦ为给定点处的面积元dA上的光通量。照度的法定计量单位为勒克斯（lx）。

对于受到光照后成为面光源的表面来说，其发光度与光照度成正比：

式中：ρ为小于1的系数，称为漫反射率，它与表面的性质有关。

（5）发光度

与照度相反，从某个面的单位面积发散的光通量称为发光度，符号为M，单位为每平方米流明（lm/m2）。假设从面积为A（m2）的面发散的光通量是Φ（lm），则发光度M（lm/m2）用下式表示：

不论从任何方向看，亮度都相同的表面称为全扩散面。在全扩散面上的发光度M（lm/m2）与亮度的关系如下式：

在图1-5中，反射光通量与入射光通量之比称为反射率。假设面的照度为E（lx），面的反射率为ρ，则反射面的发光度Mρ（lm/m2）用下式表示：

透过光通量与入射光通量之比称为透过率。假设面的透过率为τ，透过面的发光度Mτ （lm/m2）用下式表示：

吸收掉的能量与入射能量之比称为吸收率。被吸收的能量在材料中转变成热能。反射率ρ、透过率τ、吸收率σ之间有以下关系式：

（6）亮度

从某个方向看物体或光源的明亮程度称为亮度。一般是表示发光（反射、透过）面的明亮程度，亮度的符号为L，单位为每平方米坎 [德拉]（cd/m2）。

图1-6所表示的球光源，不论在什么方向都有相同的发光强度I（cd）。对着光源看它的外观面积（面对光源的正投影）时，亮度就是每单位面积A（m2）的发光强度，用下式表示：

光通量、发光强度、照度、发光度、亮度之间的关系如图1-7所示。光源表面一点处的面积元dA在给定方向上的发光强度dI与该面元在垂直平面上的正投影面积之比，称为光源在该方向上的亮度：

式中：θ为给定方向与面元法线间的夹角。

亮度的法定计量单位为坎德拉每平方米（cd/m2）。对于余弦辐射体，光亮度不随方向而变。但不要把照度与亮度的概念混淆起来，它们是两个完全不同的物理量。照度表征受照面的明暗程度，照度与光源至被照面的距离的平方成反比。而亮度是表征任何形式的光源或被照射物体表面是面光源时的发光特性。如果光源与观察者眼睛之间没有光吸收现象存在，那么亮度值与两者间距离无关。

1.1.2　光的质量

人的视觉器官在色彩刺激作用引起大脑的反应，即视觉器官受不同波长光线的物理刺激的同时产生色彩刺激信号并传给大脑，大脑将其接受的色彩信号不断地译成色彩概念，并与存储在大脑里的视觉经验结合起来，加以解释，形成了颜色知觉。颜色分非彩色和彩色。非彩色是指白色、黑色的各种深浅不同的颜色。彩色是指黑白系列以外的各种颜色。

由于感情效果和对客观事物的联想，色彩对视觉的刺激产生了一系列的色彩知觉心理效应。这种效应随着具体的时间、地点、条件（如外观形状、自然条件、个人爱好、生活习惯、形状大小及环境位置等）的不同而有所不同，一般来讲色彩可以产生温度感、距离感、重量感、空间感、阴暗感等。

1.　光源的色温

色温定义为黑体在不同温度下所辐射出的光色，与光源的光色接近时，则定义光源的相对色温为此黑体的温度。凯尔文认为，假定某一纯黑物体，能够将落在其上的所有热量吸收，而没有损失，同时又能够将热量生成的能量全部以“光”的形式释放出来的话，它便会因受到热力的高低而变成不同的颜色。

当光源所发出光的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色相同时，黑体的温度就称为该光源的色温，用绝对温度K（kelvim，或称开氏温度，K=℃ +273.15）表示。黑体辐射理论是建立在热辐射基础上的，所以白炽灯一类的热辐射光源的光谱功率分布与黑体在可见区的光谱功率分布比较接近，都是连续光谱，用色温的概念完全可以描述这类光源的颜色特性。

当一个黑体（例如铁）被加热到一定的温度时开始发出暗红色的光，温度再升高光的颜色变成暗红色、黄白色、白色、蓝白色。例如，当黑体受到的热力相当于500～550℃时，就会变成暗红色，达到1050～1150℃时，就变成黄色……因而，光源的颜色成分是与该黑体所受的热力温度相对应的。低色温呈暖色，高色温则呈冷色，例如烛光的色温是2000K，晴天中午时太阳的色温是6500K。

根据Max Planck的理论，将一个具有完全吸收与放射能力的标准黑体加热，温度逐渐升高光色也随之改变；CIE色坐标上的黑体曲线（Black Body Locus）显示黑体由红 -橙红-黄-黄白-白-蓝白的过程。黑体加温到出现与光源相同或接近光色时的温度，定义为该光源的相关色温度，单位为K。由于气体放电光源一般为非连续光谱，与黑体辐射的连续光谱不能完全吻合，所以都采用相关色温来近似描述其颜色特性。色温度在3000K左右时，光色偏黄。色温（或相关色温）在3300K以下的光源，颜色偏红，给人一种温暖的感觉。色温超过5300K时，颜色偏蓝，给人一种清冷的感觉。不同色温的光，具有不同的照明和视觉效果。通常气温较高的地区，人们多采用色温高于4000K的光源，而气温较低的地区则多用4000K以下的光源。不同光源环境的相关色温见表1-3。

光源色温不同，光色也不同，色温在3300K以下有稳重的气氛，温暖的感觉；色温在3000～5000K为中间色温，有爽快的感觉；色温在5000K以上有冷的感觉。不同光源的不同光色组成最佳环境见表1-4。

在高色温光源照射下，如亮度不高则给人们有一种阴冷的气氛；在低色温光源照射下，亮度过高会给人们有一种闷热感觉。在同一空间使用两种光色差很大的光源，将会出现层次效果，光色对比大时，在获得亮度层次的同时，又可获得光色的层次。不同的色温会引起人们在情绪上不同的反应，一般把光源的色温分成三类：

①暖色光。暖色光的色温在3300K以下，暖色光与白炽灯光色相近，红光成分较多，给人以温暖、健康、舒适的感觉，适用于家庭、住宅、宿舍、医院、宾馆等场所，或温度比较低的地方。

②暖白光。又叫中间色，它的色温在3300～5000K之间。暖白光光线柔和，使人有愉快、舒适、安详的感觉，适用于商店、医院、办公室、饭店、餐厅、候车室等场所。

③冷色光。又叫日光色，它的色温在5300K以上，光源接近自然光，有明亮的感觉，使人精力集中，适用于办公室、会议室、教室、绘图室、设计室、图书馆的阅览室、展览橱窗等场所。

2.　光源的显色性

牛顿在1664年用棱镜把白色的太阳光色散成不同色调的光谱，奠定了光颜色的物理基础。1860年麦克斯韦用不同强度的红、黄、绿三色光配出了从白光一直到各种颜色的光，奠定了三色色度学的基础。在此基础上，1931年国际照明委员会建立了CIE色度学系统，并不断完善。如今CIE色度系统已广泛用于定量地表达光的颜色。

颜色离不开照明，只有在光照下物体才有可能显示出颜色，而且光的颜色对人们的心理有非常大的影响。在不同光源照射下，同一个物体会显示出不同的颜色。例如绿色的树叶在绿光照射下，有鲜艳的绿色，在红光照射下近于黑色。由此可见，光源对被照物体颜色的显现，起着重要的作用。光源在照射物体时，能否充分显示被照物体颜色的能力，称为光源的显色性。

光源对物体颜色的显色性，也就是物体在光源的照射下物体颜色的逼真程度。光源的显色性是用显色指数来表明的，它表示物体在光下颜色比基准光（太阳光）照明时颜色的偏离，能较全面地反映光源的颜色特性。显色性高的光源对颜色的表现较好，人们所看到的颜色也就较接近自然颜色，显色性低的光源对颜色的表现较差，所看到的颜色偏差也较大。

显色性有高低之分，其关键在于光的特性，可见光的波长在380～780nm范围内，也就是在光谱中见到的红、橙、黄、绿、青、蓝、紫光的范围，如果在光源所发射的光中，所含的各色光的比例与自然光相近，则眼睛所看到的颜色也就较为逼真。

光源对物体的显色能力是通过与同色温的参考或基准光源（白炽灯）下物体外观颜色的比较。光所发射的光谱内容决定光源的光色，但同样的光色有许多，少数的甚至仅为两个单色的光波合成，对各个颜色的显色性也大不相同。相同光色的光源会有相异的光谱组成，光谱组成较广的光源，可提供较佳的显色品质。当光源光谱中很少或缺乏物体在基准光源下所反射的主波时，会使颜色产生明显的色差。色差程度越大，光源对该色的显色性越差。显色分两种：

①忠实显色。忠实显色能正确表现物质本来的颜色，要实现忠实显色需使用显色指数（Ra）高的光源，其数值接近100，显色性最好。

②效果显色。要鲜明地强调特定色彩，可以利用加色的方法来加强显色效果。采用低色温光源照射，能使红色更加鲜艳；采用中等色温光源照射，使蓝色具有清凉感；采用高色温光源照射，使物体有冷的感觉。

太阳光和白炽灯均辐射连续光谱，在可见光的波长（380～780nm）范围内，包含着红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等各种色光。物体在太阳光和白炽灯的照射下，显示出它的真实颜色，但当物体在非连续光谱的气体放电灯的照射下，颜色就会有不同程度的失真。为了对光源的显色性进行定量的评价，引入显色指数的概念。以标准光源为准，将其显色指数定为100，其余光源的显色指数均低于100。显色指数用Ra表示，Ra值越大，光源的显色性越好。在国际照明协会中一般把显色指数分成五类，见表1-5。

光源显色指数表示光源的色彩还原性能，即所谓灯下辨色性能。为了自然真实表现被照物体的色彩，光源的显色指数应大于80%以上。把白炽灯的显色指数定义为100，视为理想的基准光源。