照明系统的科学与应用

### 照明系统的科学与应用 #### 1. 光照度与出射度的计算 在照明领域，当已知光照度 \(E\)（单位为勒克斯 \(lx\) 或英尺烛光 \(fc\)）时，可根据表面反射率和透射率计算出射度 \(M\)。计算公式如下： - 基于表面反射率：\(M = r \times E\) - 基于表面透射率：\(M = t \times E\) 其中，\(r\) 和 \(t\) 分别为表面的单位反射率和透射率。 **示例 7.8**：若某表面的光照度测量值为 \(750 lx\)，表面反射率为 \(0.75\)，则该表面的出射度为： \(M = 0.75 \times 750 = 562.50 lm/m^2\) 这一计算在实际照明设计中非常重要，例如在设计室内照明时，通过计算不同表面的出射度，可以合理安排灯具的布局和功率，以达到预期的照明效果。 #### 2. 对比度的概念与计算 对比度 \(C\) 并非物理属性，而是我们对物体表面发出和透射的光能的视觉感知和响应。人眼要看清物体细节，物体之间必须存在颜色（波长）差异、发光强度（亮度）差异，或两者兼而有之。对比度的定义公式为： \(C = \frac{|L_o - L_b|}{L_b}\) 其中，\(C\) 为对比度，无量纲；\(L_o\) 和 \(L_b\) 分别为物体和背景的亮度，单位为坎德拉每单位面积。 **示例 7.9**：若物体的亮度为 \(2000 cd/m^2\)，背景的亮度为 \(100 cd/m^2\)，则亮度对比度为： \(C = \frac{|2000 - 100|}{100} = 19\) 对比度在许多场景中都有重要应用，如在展示设计中，适当提高展品与背景的对比度可以使展品更加突出，吸引观众的注意力。 #### 3. 可见光谱与颜色 可见光谱是电磁光谱中人类眼睛能够看到的部分，该范围内的电磁辐射称为可见光，简称光。一般来说，人眼对波长约 \(390 - 700 nm\) 的光有响应，对应的频率范围约为 \(430 - 770 THz\)。但可见光谱并不包含人眼能区分的所有颜色，像粉色等不饱和颜色以及品红色等紫色变体就不在其中，因为它们需要多种波长的光混合才能形成。只包含单一波长的颜色称为纯色或光谱色。 以下是常见可见光谱颜色及其大致波长范围： |颜色|波长范围（nm）| | ---- | ---- | |蓝色|约 450 - 495| |青色（蓝绿色）|约 495 - 570| |绿色|约 570 - 590| |黄色（绿红色）|约 590 - 620| |红色|约 620 - 750| |紫色（品红色或红紫色）|约 380 - 450| 可见光在穿过地球大气层时基本不受衰减。例如，洁净的空气对蓝光的散射比红光更强，所以中午的天空呈现蓝色。光学窗口也被称为“可见窗口”，因为它与人类的可见响应光谱重叠。近红外（IR）窗口、中波红外窗口和远红外（FIR）窗口超出了人类的视觉范围，但其他动物可能能够感知到。 人眼是我们获取外界信息的主要来源，它就像一个光学系统，常被比作相机，能在视网膜上形成图像，并将亮度模式转化为神经冲动。视网膜上的感光受体能够实现高分辨率的视觉成像。人眼的一个显著特性是能够适应不同的照明条件，从月光到阳光，尽管光照度相差 \(10^5\) 倍。然而，在每个具体的照明场景中，人眼对对比度的感知有严格的限制，因为人眼无法同时覆盖所有可能的亮度范围，而是会适应一个较窄的范围以实现有差异的感知。 以下是关于人眼适应不同亮度条件的流程图： ```mermaid graph LR A[初始亮度条件] --> B{亮度变化} B -- 变亮 --> C[快速适应（从暗到亮）] B -- 变暗 --> D[缓慢适应（从亮到暗）] C --> E[适应新亮度范围] D --> E ``` 当