《照明人机工效学 原书第3版》（美）彼得·R.博伊斯（Peter R.Boyce）著；程天汇，刘正豪，刘杏琪，江怡辰译|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《照明人机工效学 原书第3版》

【作　者】（美）彼得·R.博伊斯（Peter R.Boyce）著；程天汇，刘正豪，刘杏琪，江怡辰译

【丛书名】照明工程先进技术丛书

【页 数】 535

【出版社】 北京：机械工业出版社 , 2023.03

【ISBN号】978-7-111-72114-7

【价 格】249.00

【分 类】电气照明-工效学

【参考文献】 （美）彼得·R.博伊斯（Peter R.Boyce）著；程天汇，刘正豪，刘杏琪，江怡辰译. 照明人机工效学 原书第3版. 北京：机械工业出版社, 2023.03.

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图书目录：

《照明人机工效学 原书第3版》内容提要：

《照明人机工效学 原书第3版》内容试读

第1部分基础

第1章光

1.1引言

本书探讨的是人与光之间的关系，要想充分理解这种关系，首先必须了解光是什么，如何量化描述其特性，以及光是如何产生和被控制的。本章探讨的就是这些主题。

1.2光与辐射

对物理学家来说，（可见）光只是电磁波谱中的一部分，后者范围包括波长只有几飞米（符号为fm,1fm=105m)的宇宙射线，到波长几千米的无线电波（见图1.1）。其中波长范围在380~780m内的电磁辐射能引起人类视觉系统的反应，人眼中的视觉光感受器可以吸收此波段的能量，从而产生视觉。其他生物对电磁波谱的敏感范围各不相同，不过可见光是根据人类的视觉来定义的。

可惜人眼视觉系统对于380~780m范围内辐射的反应不是均匀分布的，这导致我们无法用描述电磁波特性的常规物理量来描述可见光，还必须根据人类视觉对于不同光谱的不同灵敏度来对辐射量加权，从而得出一组特殊的量。

用来检测人眼光谱灵敏度的基本原理是视觉等效效应，具体来说就是不同波长的光辐射给人眼带来不同的亮度感知。在380~780m范围内的某种单一波长构成的光辐射具有特定的亮度和光色两种属性。如果我们让观察者观看分别由两个完全相同的单波长并且相同辐射度的光源照射的两个大小完全相等的视场，并且持续时间相同，那么观察者会认为这两个视场无法区分，也就是在各种属性上都是等价的，我们就可以认为两者的视觉效果是相同的。如果这两个视场分别由两个波长相同但辐射度不同的光源照射，那么辐射度高的视场看起来会更亮；如果照射的波长和辐射度都不同，则两个视场的亮度和颜色也都不同。在这种情况下，我们可以通过调节其中一个视场的辐射度大小来使得两个视场看起来亮度相同，也就是所谓的亮度等效。假设两个视场的辐射度分别

是R和R2,对应的波长分别是入1和2，那么亮度等效效应可以用公式表示为

照明人机工效学（原书第3版)

10￥

102

无线电波

100

-780nm

10-2日

微波

700

104A

红外线

106

600

紫外线

◆一可见光

108

-500

10-10

X射线

400

10-12

伽马射线

380nm

10-14

宇宙射线

1016

波长/m

图11电磁辐射波谱分布图。不同波段之间的分界线只是示意

VR=VR2

式中，V和V2就是使方程成立的加权因子。因为唯一可测量的物理量是辐射度，所

以每组亮度等效都会得出一个比值V,/W2。通过多次测量不同波长之间的亮度等效，并

结合V/W=（V/W2)×(V/W)的数学等价关系，我们就可以推导出每种波长对应的

视觉灵敏度相对于标准波长的灵敏度，即'/V标准。通常选择的标准波长是人类视觉灵

敏度最大的波长，也就是辐射度相同情况下看起来亮度最大的波长。最后我们就可以绘制出波长及其对应的”，值曲线，该曲线可以定量描述出不同波长的光给人的亮度感受的相对值。这条曲线就叫作人类视觉的相对光谱灵敏度曲线。根据这条曲线，我们可以把用来描述电磁辐射的物理量转换为适用于可见光测量的物理量。

1.3CIE标准观察者

遗憾的是，并不存在一种对所有人在所有条件下都适用的统一的相对光谱灵敏度曲线，也不可能存在。各种相对光谱灵敏度曲线要受到测量亮度等效的方法的影响，取决于受刺激的视觉光感受器以及所通过的视觉系统通道(Kaiser,1981)。关于这些问题的更多细节详见第2章。目前我们知道的人类视网膜中含有两种视觉光感受器：一种主要在光照充足时，也就是所谓的明视觉情况下工作（锥状光感受器）：另一种则在光照

第1章光3

不足时，也就是所谓的暗视觉条件下工作（杆状光感受器）。这两种视觉光感受器有非常不同的相对光谱灵敏度。确定这些光谱灵敏度需要各国间达成共识，负责居间协调的国际组织叫作国际照明委员会(CIE)。1924年，CE基于Gibson和Tyndall(1923)的

成果推出了C正标准明视觉观察者，他们两个人从几个实验中获取数据从而得到一条平

滑且对称的光谱灵敏度曲线（Viikari等，2005)。他们做的实验采用视角非常小的视场，直径的可视角度小于2°，而出光量刚好足够让视觉系统进入明视觉状态。后来Judd

(1951)的研究表明CE标准明视觉观察者对于短波长的光太不敏感，随后CE推出了

修订版标准明视觉观察者光谱灵敏度曲线（CE,1990),将波长460m以下的敏感度

在原有基础上大大提升。新的CE修订版明视觉观察者是对原有CE标准明视觉观察

者的补充，而不是替代。原有的C正标准明视觉观察者仍在照明行业中广泛采用，这是

因为460m以下波长灵敏度的调整对于覆盖很宽波长范围的常见白光光源来说影响很小。只有那些出光集中在460加m波长以下的特殊光源才需要改用修订版明视觉观察者

(CE,1978),比如说一些彩色信号灯、彩色显示器和蓝光LED等窄波段光源。

1951年，CE确立了CE标准暗视觉观察者，基于Wald(1945)和Crawford(1949)》的针对中心20°角视场范围在0.00003cd/m2亮度下的测量结果。这项研究在科学上很有意义，因为它详细分析了杆状光感受器的光谱灵敏度，但长期以来在照明行业的应用却很少，因为几乎所有的照明设备都不会在暗视觉条件下工作。不过近年来中间视觉（见1.5节）逐渐热门，人们需要了解光源是如何同时刺激锥状光感受器和杆状光

感受器的。因此，CE标准明视觉和暗视觉观察者的应用都越来越广泛（见1.6.4.5节)。

CE标准和修订版明视觉观察者及CE标准暗视觉观察者如图1.2所示，标准和

修订版明视觉观察者都是在555nm处灵敏度最高，而标准暗视觉观察者则是在507nm

1.0f

标准明视觉观察者修订版明视觉观察者标准暗视觉观察者

0.8

10°视角明视觉观察者

0.6

案

0.4

0.2

:

300

400

500

600

700

800

波长/nm

图1.2CE标准明视觉观察者、修订版明视觉观察者、标准暗视觉观察者以及10°视角明视觉

观察者分别对应的相对光效函数曲线

4照明人机工效学（原书第3版)

处具有最大灵敏度（CIE,1983,1990)。这些相对光谱灵敏度曲线的正式名称分别为

1924CIE明视觉光谱光效函数、CE1988修订版2°视角明视觉光谱光效函数和1951

CIE暗视觉光谱光效函数，更常见的叫法是CIEV()、CEVM()和CIE()曲线。

这些曲线是把辐射量转化为光度量的理论基础。

1.4光度量

对于某个辐射源发出的电磁辐射最基本的度量是它的辐射通量，是对其辐射能量

的速率的衡量，单位是W。而用来测量光源的最基本物理量是光通量，是将其辐射量

乘积，在人类视觉系统光谱380~780m的波段范围内拆分成若干小段，然后根据各个小段对应波长的相对光谱灵敏度系数进行加权求和后的结果。这个过程可以用下式表示：

Φ=K∑平，V,△1

式中，Φ是光通量(1m)；平，是在一个微小的波长间隔△2范围内的辐射通量(W)；':是对应波段的光谱光效系数；K.是一个常数(1m/W)。

在国际单位制(SI)中，辐射通量的单位是W,而光通量的单位是lm。对于CIE标准和修订版明视觉观察者，常数K的值为6831m/W;而对于CIE标准暗视觉观察者，

Km的值为1700lm/W。这些数字来源于CE的定义，即在555nm处1W辐射通量产生的光通量为683lm,无论是明视觉还是暗视觉条件下。由于555nm是CE标准和修订

版明视觉观察者的最大灵敏度，所以该常数在明视觉状态下是不变的。但对于CE标

准暗视觉观察者，在555nm处的相对光谱灵敏度仅为0.402。因此，暗视觉的常数为17001m/W。在进行任何测量和计算之前，必须先确定采用哪种观察者模型。这一要求

使得CE建议，只要采用了标准暗视觉观察者，那么相应的各种数据之前都应该加上

“暗视觉”这个词，比如说暗视觉光通量。

光通量是用来衡量一个光源在所有方向上总的光输出的物理量，除此之外，我们还需要衡量光源在某个特定方向上发出的光通量，由此得到一个新物理量一发光强度。发光强度是在指定方向上每单位立体角范围内发射的光通量，单位是坎德拉(cd),等效于流明每球面度(1m/sr)。发光强度通常用来衡量灯具出光的分布情况。

光通量和发光强度都有对应的单位面积单位，落在某表面单位面积上的光通量称为照度，单位是流明每平方米(1m/m),又叫勒克斯(1x)。光源在给定方向上每单位投影面积发出的发光强度即为亮度，其单位是坎德拉每平方米（cd/m2)。表面的入射照度是应用最广泛的照明设计标准，而某表面的亮度值与该表面的主管亮度息息相关。表1.1总结了这些光度学物理量。

不难理解，入射到某表面上的光量和从该表面反射出来的光量之间存在某种关系。这种关系取决于该表面的反射特性。对于一个完全漫反射的表面，这种关系可以表示为

第1章光5

亮度=照度×反射率

式中，亮度单位是cd/m2；照度单位是lm/m2。

对于漫反射表面，反射率的定义为反射光通量与人射光通量之比。而对于非漫反射表面，该公式仍然成立，只是要把反射率替换为亮度因子。亮度因子定义为在特定位置特定观察角度下，物体的亮度与完全白色漫反射表面之间的亮度比。从这个定义可以清楚地看出，一个非漫反射表面可以有许多不同的亮度因子。表1.1总结了这些定义。

表1.1光度学物理量

物理量

定义

单位

光通量

光源发出的所有可见光的量

Im

发光强度

在某一方向上，光源在特别小的圆锥体范围内发出的

cd

光通量，也就是单位立体角范围内的光通量

照度

单位面积上的光通量

Im/m2

在某一方向上，光源在特别小的圆锥体范围内发出

亮度

的，垂直于发射方向的单位面积上的光通量，也就是单

cd/m2

位面积上的发光强度

反射率

某表面反射光通量与人射光通量之比

对于漫反射表面

亮度=（照度×反射率）m

亮度因子

在特定位置特定观察角度下，物体的亮度与完全白色漫反射表面之间的亮度比

对于非漫反射表面，在特

亮度=（照度×亮度因子）m

定位置特定观察角度下

光度学漫长的历史上出现了许多不同的照度和亮度单位，表1.2列出了其中的一些，以及它们与国际标准单位之间的换算关系。

表12一些照度和亮度单位，以及它们与国际标准单位之间的换算关系

物理量

单位

量纲

换算因数

勒克斯(x)

流明/米2(1m/m2)

1

米烛光(mc)

流明/米2(1m/m2)

照度

辐透(ph)

流明/厘米2(1m/cm)

10000

英尺烛光(fe)

流明/英尺2(1m/m2)

10.76

尼特(nt)

坎德拉/米2(cd/m2)

熙提(sb)

坎德拉/厘米2(cd/cm)

10000

亮度

坎德拉/英寸2(cd/im)

1550

坎德拉/英尺2(cd/)

10.76

照度和亮度在照明设计中被广泛采用，明白这些物理量的定义是必要的，在此基础上能够理解其大小概念也很有用。表13给出了一些常见场景下的典型照度和亮度

值，都是用CE标准明视觉观察者模型测量得到的。

6

照明人机工效学（原书第3版）

表1.3典型的照度和亮度数值

情景

照度/(1m/m2)

典型表面

亮度/(cd/m2)

温带夏季的晴天

100000

草地

3200

温带夏季的多云天

16000

草地

500

纺织厂检查

1500

浅灰色布料

140

办公室

500

白纸

120

重型工程

300

钢铁

20

照明良好的道路

10

水泥路面

1.0

月光

0.5

柏油路面

0.01

在照明设计中，除了照度和亮度值以外还有其他的光度量。一个是光出射度(1山minous exitance)(Cuttle,.2010),对于一个完全漫反射表面，出射度是落在该表面上的照度和其表面反射率的乘积。光出射度的通常单位是lmm?,也可以用lm/或fL。与亮度不同的是，出射度不包含出光方向的信息。

另外两个物理量是针对照度的三维(3D)测量：圆柱照度和标量照度。在国际单

位制的定义中，照度指的是平面上某一点的光通量密度。这对于衡量照在某个桌面或

者眼睛上的光的量是有用的，但是对于描述落在3D物体上的光的量没什么价值。圆

柱照度是落在空间中某一点的小柱面垂直面上的平均照度。标量照度是落在空间中某

一点的小球体表面上的平均照度。这些测量值可以用来量化有多少光会落在空间中的

3D物体上，比如街上的行人或博物馆里的展览品。

圆柱和标量照度只是简单的平均值，所以提供给我们的信息非常有限。因此我们需要另外一种物理量，即矢量照度。和所有的矢量一样，它包含两个元素一大小和方向。矢量的大小是通过空间中某一点的平面的两个面之间差值的最大值，而方向则是差值最大的平面的法向。矢量照度可以表示光线在空间中的大小和方向(Lyns等，1966)。当与标量照度相结合形成矢量/标量比时，就有可能了解光在不同形式的物体上可能形成的强度、位置、高光和阴影(Cuttle,2008)。这些度量在感知中的作用将在第6章中讨论。

1.5某些局限

前文所定义的那些光度学物理量可以精确地计算或测量，不过这些量仅仅表示光在特定状态下的视觉效果。具体来说，它们代表了视网膜中央2°角范围内（也就是中央凹)的亮度反应。改变这些刺激的位置、视场的大小或光照水平都会改变视觉系统的光谱灵敏度。

如果把落在中央2°角范围内的刺激移到视网膜外围，就会改变光谱灵敏度，对于可见光谱短波段更为敏感(Weale,1953)。不过这种现象没有纳入任何测光系统的考虑范畴，因为其实际意义很小。后面第2章将会谈到，从视觉生理上来说，人眼主

···试读结束···