点亮照明:采集测量数据用于照明设计

日期:  
2019年 10月 21日
作者: 
Anne Corning  | 

电灯泡的发明改变了世界。它使人类能够在白天或夜间的任何时候在任何环境光线条件下进行任何活动。爱迪生电灯公司(Edison Electric Light Company,由Thomas Edison创建)生产的第一批商业化灯泡于1880年上市。由此产生的对电气照明的需求推动了庞大的配电基础设施的建设,并在随后的数十年中为无数家庭和企业供电。

“灯泡还产生了广泛的社会和经济影响。室内照明改变了社会结构,使人类活动能够延续到夜间。 工厂和其他类型的企业可以通宵营业,大大增加了利润。电气照明还使城市能够在夜间保持活跃,这改变了社会的自然节奏,并使人们能够延迟睡觉时间。”1

照明现在是一个市场规模达到数十亿美元的行业,具有众多细分市场和子细分市场,包括:工业、住宅、商业、汽车、建筑、戏剧/娱乐、户外、医疗等。

随着时间的推移,制造商们推出了一系列灯泡技术,包括白炽灯、荧光灯、卤素灯、氙气灯和紧凑型荧光灯(CFL)。现在,LED(发光二极管)揽获了大部分销售额,并持续增长,据一些分析人士预测,到2025年,LED将拥有全球照明行业销售额的95%2

现代化LED灯泡示例。每个二极管都包含一个单独的小型二极管阵列,这些二极管组合在一起可提供高效节能的照明。不同数量和排列的二极管可以创造出以不同亮度水平向不同方向投射光线的灯泡。

照明设计艺术与科学

当为住宅、办公室等环境提供照明时,照明设计人员需要考虑多种因素,比如人体工程学、美学、能效、成本和安全性。平衡这些考虑因素有助于照明设计人员确定不同情况下的最佳照明配置。

在有些环境中,人体工程学(工作效率)是照明设计的最重要目标。举例来说,飞机驾驶舱内的照明必须足够明亮且分布正确,以使飞行员在飞行时能够看到重要的仪表。商业照明必须均匀地照亮办公空间,并减少计算机屏幕上的眩光,以使员工能够轻松完成工作任务。

亮度(照度)在照明人体工程学中起着至关重要的作用。举例来说,在手术室中,明亮的灯光对于外科手术过程中的可见度至关重要。但是,光线也不应当过于明亮,以至于医护人员在手术过程中依赖的各种显示器和监视器产生眩光并且对比度差。

除了亮度外,色度也起着至关重要的作用。各种灯光颜色和温度可能会影响外科医生从视觉上区分表明人体组织类型和组织健康状况的色差的能力。举例来说,红光照明会削弱红色物体(人体组织、静脉、伤口)的可视性,并且会给外科手术人员造成眼睛疲劳(包括身体上和心理上)3

在有些关键任务工作环境(比如手术室或飞机驾驶舱)中,设计具有正确的亮度(照度)与色度组合的照明是一项挑战。

新的技术和方法

智能设备和物联网(IoT)的出现正在彻底改变照明的工作方式,允许互联自动化系统根据传感器的反馈自行调整或进行远程控制。“LiFi”(光保真度)是一项新的开发成果,其使用光波在无法应用WiFi的地方更快速、更安全地发送数据。

近年来,人们对于光线对人体健康影响的关注促进了以人为中心的照明(HCL)方式的出现。HCL的目标是消除长时间暴露在人造光源下的任何负面影响,这些负面影响可能会破坏人体的自然节律,并对心理健康产生不利影响。举例来说,研究已显示蓝光 会干扰昼夜节律周期。

设计不良的照明环境可能产生的影响包括工作效率降低、疲劳、注意力不集中、易怒和失眠。 一些研究甚至显示出照明条件与抑郁和食欲之间存在联系4。HCL解决方案包括全天候自动调整照明,并根据不同类型的房间和正在完成的工作类型调整光线。HCL引起了人们对“色温”重要性的关注。

色温的影响

色温是描述从光源发出的光线外观的一种方法。它的测量单位为开氏度(°K),范围为1,000到10,000。商业和住宅照明应用的典型开氏度范围约为2000K至6500K。色温范围低端的光线被认为是“暖光”,而色温范围高端的光线则被认为是“冷光”。更具体来说:

  • 较高的色温(4,600K或更高)呈现为蓝白色,被称为冷色或日光色。
  • 中间色温(3,100K–4,600K)呈现为冷白色。
  • 较低的色温(3,000K以下)呈现为红色至黄白色色调,被称为暖色。5

在日常生活中,一些有关色温的外观示例包括:

  • 火光的色温约为2,000K,被认为是暖色。
  • 在典型的晴天,色温约为5,000K或5,500K,被认为是冷色。
  • 在阴沉沉的冬日,色温约为7,000K,被认为是冷色。

照明色温(从暖色到冷色)在工作场所可能会对人的情绪、精力和工作效率产生哪些影响。(图片来源

人类对光线的亮度和色温差异非常敏感。举例来说,冷色灯光有助于员工提高工作效率,并且研究已经发现,在早晨和晚上接触自然(冷色)灯光可以减少抑郁,并改善情绪、精力、警觉性和工作效率5。此外,灯光还可能会影响零售 环境中的行为。一项研究发现,改变商店的照明设计使每位客户的平均销售额提高多达12%,并且与使用冷色照明的区域相比,客户在使用暖色照明的区域停留的时间更长6

照明设计的测量

为了开发适用于任何环境的最佳照明配置,设计人员需要获取有关灯泡、灯具和照明器的亮度(发光强度)和色度的准确数据。举例来说,发光强度数据使照明设计人员能够观察空间中光源的总输出和角度分布。亮度计、分光计和色度计是通常用于测量光线的这些特征并在亮度测量数据文件中采集信息的工具。

IES(* .ies)和EULUMDAT(* .LDT)是用于亮度测量数据电子传输的两种标准文件格式。IES文件可以被视为光源的发光强度分布图,具体来说就是相对于视角的强度单位坎德拉(candela)。(有关坎德拉等照明测量术语的说明,请参阅我们的博客文章:“光之语”)。

下图显示了光源发光强度分布的视角雷达图(左)和突出显示该强度图分段截线的极坐标图(右)。

下图使用IES文件查看器查看来自上图的相同雷达数据,映射了测量点并使用雷达数据提供光源的完整表示。

如需创建IES和LDT文件,设计人员可以选择系统。传统上, 测角亮度计一直被用于生成非常准确的亮度测量数据;此外,近场测量系统也是一种选择。

Radiant提供用于测量发光强度和照度分布的近场和远场方法以及光源的统一眩光评级(UGR),以确保准确定义亮度、光束模式和眩光,从而实现最佳的人体工程学设计 。Radiant的ProMetric®近场测量系统(PM-NFMSTM为汽车、交通运输、建筑以及其他照明应用的开发人员提供了方便、自动化且全面的大型光源测量方案。

Radiant的PM-NFMS由ProMetric成像色度计、用于相对于成像色度计精确调整光线角度位置的两轴测角仪以及在测量过程中同时控制成像器和测角仪的PM-NFMS软件组成。此外,PM-NFMS还包括一套全面的数据分析工具。

在紧凑的暗室环境中,使用ProMetric成像色度计和PM-NFMS测量汽车前大灯各个角度的光通量。

Radiant的照明测量系统可在整个角度范围内测量灯光的相关色温(CCT),以确定光源从冷到热的完整色温。在灯光下观看时,灯光的CCT可以天然地增强物体的颜色。根据不同的配置,Radiant的测量系统还可以外推 显色指数(CRI)值(以及CIELAB值),这可以帮助确定自然色在光源下的呈现状态。

您所需的数据文件

您可以对Radiant的ProMetric®成像亮度计和色度计 以及ProSource® 软件所采集的测量数据进行分析,并方便地导出,将其与大多数标准光学设计软件包一起使用,比如ASAP®、FRED®、LightTools®、LucidShape®、Photopia™、IES TM -25、Opticad®、OSLO®、SimuLux®、SPEOS®、TracePro®和OpticStudio™(ZEMAX)以及通用文件格式。

Radiant的ProSource®(左)和 PM-NFMS(右)软件。

ProSource软件所收集测量数据的格式为RSM(Radiant来源模型)文件。该文件包含所有光源测量信息,包括图像数据,因此可以随时查看详细的测量结果。RSM是用于在光学和照明设计软件中描述真实光源的近场输出的最准确方法,因为RSM包含光源或照明系统所有视角的完整测量信息,包括亮度图像。如此丰富的数据为分析、光线集生成以及不同光源3D模型的创建提供了充分的灵活性。

ProSource软件生成的RSM光线集数据比蒙特卡洛法(Monte Carlo)生成的随机光线集效率更高,因为它们只需20%的光线数量即可提供等效的信息,从而可以更快速地进行光学设计分析,并且提供更高的精度。

如需了解更多有关如何生成测量数据集以满足您的所有照明设计需求的信息,请观看我们的网络研讨会: “Solutions for IES/LDT File Creation” (英语):


引用文献

  1. Ornelas, J., “The invention of the light bulb and why it changed the world”,2014年12月8日
  2. Top Trends in the Lighting Industry”, Civitta,2019年4月25日。
  3. Yahnke, C., “The Science Behind Properly Lighting an Operating Room”,医疗照明系列白皮书: #HC010,由Kenall发表,检索时间:2019年10月16日。
  4. How Lighting Affects the Productivity of Your Workers”,北卡罗来纳大学肯南-弗拉格勒商学院,2017年9月11日。
  5. Understanding Color Temperature: Create Ambience with Light”, Westinghouse,检索时间:2019年10月16日。
  6. Faithfull, M., “Does lighting boost retail sales?”,LUX Review,2015年6月9日。
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