Bài giảng Kỹ thuật chiếu sáng - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

Bộ lao động thương binh và xà hội
Trường đại học sư phạm kỹ thuật nam định

TP BI GING

K THUT CHIU SÁNG
Mã số: TB2013-03-03

Ban biên soạn:

Th.s. Hà Thị Thịnh
Th.s. Nguyễn Hùng Khụi

Nam định 2013


LỜI NĨI ĐẦU
Sự phát triển của sự nghiệp cơng nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước, các đơ
thị, khu cơng nghiệp, các xa lộ, các cơng trình văn hóa thể thao đang phát triển nhanh
chóng. Việc chiếu sáng các cơng trình này khơng chỉ là mối quan tâm của các công ty
chiếu sáng đô thị, các nhà thiết kế chiếu sáng kiến trúc mà còn là mối quan tâm chung
của toàn xã hội.
Hiện nay ở Việt nam với tổng số trên 700 đô thị đang trên đà quy hoạch xây
dựng và phát triển, nhu cầu về chiếu sáng tăng trưởng rất lớn. Với số dân đô thị chỉ
chiếm 26% dân số cả nước nhưng sử dụng trên 80% tổng điện năng, trong đó chiếu
sáng sử dụng tới 27% tổng điện năng.
Việc đầu tư xây dựng các nhà máy điện khơng theo kịp tốc độ phát triển kinh
tế, tình trạng thiếu điện còn diễn biến lâu dài cho nên việc sử dụng điện năng hiệu quả
và tiết kiệm phải là quốc sách hàng đầu. Kỹ thuật chiếu sáng đã chuyển từ chiếu sáng
tiện nghi trong đó chú trọng tiện nghi nhìn sang chiếu sáng tiện ích mà nội dung cơ
bản là vừa đảm bảo tiện nghi nhìn, thỏa mãn điều kiện lao động tốt nhất nhưng triệt để

tiết kiệm điện năng.
Tập bài giảng được biên soạn với mong muốn tạo điều kiện thuận lợi cho quá
trình giảng dạy, nghiên cứu và học tập tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam
Định và cũng là tài liệu tham khảo cho các cán bộ kỹ thuật làm việc trong lĩnh vực
chiếu sáng, các hội viên của Hội chiếu sáng đô thị Việt Nam.
Tập bài giảng được chia làm 5 chương:
Chương 1: Những khái niệm cơ bản về ánh sáng
Chương 2: Cấu tạo của đèn và bộ đèn chiếu sáng
Chương 3: Hệ thống điện chiếu sáng
Chương 4: Lắp đặt, vận hành, bảo dưỡng và quản lý hệ thống chiếu sáng
Chương 5: Ứng dụng phần mềm thiết kế chiếu sáng
Trong quá trình biên soạn tập bài giảng, nhóm biên soạn đã cập nhật các kiến
thức cơ bản về kỹ thuật chiếu sáng và công nghệ chiếu sáng hiện đại, tiết kiệm và hiệu
quả, phản ánh được xu thế phát triển của khoa học công nghệ chiếu sáng hiện đại phù
hợp với tiêu chuẩn Việt nam. Tuy nhiên nhóm biên soạn đã hết sức cố gắng nhưng
chắc chắn không thể tránh được những thiếu sót, rất mong nhận được ý kiến đóng góp
của bạn đọc để tập bài giảng được hồn thiện hơn.
Nhóm biên soạn

i


Mục lục
LỜI NÓI ĐẦU.................................................................................................................. i
Chương 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ÁNH SÁNG ...................................... 1
1.1. Lịch sử phát triển của kỹ thuật chiếu sáng ........................................................... 1
1.2. Vai trò của chiếu sáng........................................................................................... 2
1.3. Bản chất của ánh sáng........................................................................................... 2
1.3.1. Bản chất sóng hạt của ánh sáng ..................................................................... 2
1.3.2. Nguồn sáng tự nhiên và quang phổ liên tục................................................... 3

1.3.3. Nguồn sáng nhân tạo và quang phổ vạch ...................................................... 4
1.4. Một số hiện tượng phát sáng ................................................................................ 5
1.4.1. Hiện tuợng phát sáng do nung nóng .............................................................. 5
1.4.2. Hiện tuợng phát sáng do phóng điện ............................................................. 6
1.4.3. Hiện tượng phát sáng huỳnh quang ............................................................... 7
1.4.4. Hiện tượng phát sáng lân quang .................................................................... 8
1.4.5. Hiện tượng phát sáng thứ cấp ........................................................................ 9
1.5. Các đại lượng cơ bản đo ánh sáng và các dụng cụ đo ánh sáng ........................... 9
1.5.1. Các đại lượng cơ bản đo sánh sáng ................................................................ 9
1.5.2. Thông lượng năng lượng của bức xạ ánh sáng nhìn thấy ............................ 11
1.5.3. Quang hiệu ................................................................................................... 14
1.5.4. Cường độ sáng ............................................................................................. 15
1.5.5. Độ rọi ........................................................................................................... 15
1.5.6. Độ sáng (còn gọi là độ trưng) ...................................................................... 17
1.5.7. Độ chói ......................................................................................................... 17
1.5.8. Nhiệt độ màu ................................................................................................ 19
1.6. Các định luật quang học và ứng dụng trong kỹ thuật chiếu sáng ....................... 21
1.6.1. Sự phản xạ.................................................................................................... 21
1.6.2. Sự truyền xạ ................................................................................................. 22
1.6.3. Sự khúc xạ.................................................................................................... 24
1.6.4. Sự che chắn .................................................................................................. 24
1.6.5. Sự hấp thụ .................................................................................................... 25
1.6.6. Định luật Lambert về sự khuyếch tán đều ................................................... 26
1.7. Mắt người và sự cảm thụ ánh sáng (HT thị giác) .............................................. 27
1.7.1. Cấu tạo mắt người ........................................................................................ 27
1.7.2. Sự giải mã hình ảnh ..................................................................................... 28
1.7.3. Q trình thích nghi ..................................................................................... 29
1.7.4. Cảm giác chiều sâu của vật cần nhìn ........................................................... 29
ii

1.7.5. Cực cận và cực viễn của mắt ...............................................................................29
1.7.6. Trường nhìn (thị trường) của mắt ................................................................ 30
1.7.7. Độ tương phản .............................................................................................. 30
1.7.8. Hiện tượng chói lóa ......................................................................................31
Chương 2: CẤU TẠO CỦA ĐÈN VÀ BỘ ĐÈN CHIẾU SÁNG .................................43
2.1. Bóng đèn nung sáng ............................................................................................ 43
2.1.1. Cấu tạo của bóng đèn nung sáng ..................................................................43
2.1.2. Các bộ đèn nung sáng thông dụng ............................................................... 45
2.2. Bóng đèn huỳnh quang .......................................................................................46
2.2.1. Đặc điểm cấu tạo ..........................................................................................46
2.2.2. Các bộ đèn huỳnh quang thơng dụng ...........................................................48
2.3. Bóng đèn phóng điện cuờng độ cao (HID- Hingh Intentsity Discharge). .........49
2.3.1. Cấu tạo của bóng đèn phóng điện ................................................................ 49
2.3.2. Các bộ đèn phóng điện HID thơng dụng ......................................................50
2.4. Đèn phát sáng quang điện (LED- Lighting Emitting Diode) ............................. 53
2.5. Đèn cảm ứng (đèn không điện cực) ....................................................................54
2.6. Đèn Sulfua ..........................................................................................................55
2.7. Cấu tạo của bộ đèn chiếu sáng công cộng ..........................................................56
2.7.1. Cấu tạo chung của một bộ đèn chiếu sáng cơng cộng .................................56
2.7.2. Các bộ phận chính của bộ đèn chiếu sáng công cộng ..................................57
2.7.3. Các thông số cơ học chủ yếu của bộ đèn chiếu sáng công cộng ..................61
2.7.4. Các thông số điện chủ yếu của bộ đèn chiếu sáng công cộng .....................63
2.7.5. Các thông số về quang học của bộ đèn chiếu sáng công cộng.....................64
2.7.6. Phân loại các bộ đèn chiếu sáng công cộng .................................................72
Chương 3. HỆ THỐNG ĐIỆN CHIẾU SÁNG ............................................................. 74
3.1. Quy chuẩn hệ thống chiếu sáng ..........................................................................74
3.2. Thiết kế chiếu sáng dân dụng .............................................................................75
3.2.1. Phương pháp suất phụ tải chiếu sáng ...........................................................75
3.2.2. Phương pháp hệ số sử dụng .........................................................................76

3.2.3. Tính tốn chiếu sáng theo phương pháp điểm .............................................77
3.2.4. Thiết kế chiếu sáng theo phương pháp điểm ...............................................79
3.2.5. Hệ thống cung cấp điện ................................................................................87
3.2.6. Tính và chọn tiết diện dây dẫn cho mạng điện chiếu sáng ..........................89
3.3. Thiết kế chiếu sáng công cộng ............................................................................96
3.3.1. Sơ lược về lịch sử các phương pháp, trình tự thiết kế .................................96
3.3.2. Các tiêu chuẩn chiếu sáng đường giao thông và yêu cầu cơ bản .................97
3.3.3. Các nguyên tắc cơ bản .................................................................................97
iii


3.3.4. Phương pháp tỉ số R trong thiết kế chiếu sáng .......................................... 101
3.4.5. Phương pháp độ chói điểm trong thiết kế chiếu sáng ................................ 107
3.4.6. Thiết kế chiếu sáng tại các điểm đặc biệt trên đường giao thông .............. 111
3.4. Thiết kế chiếu sáng công nghiệp .......................................................................... 125
3.4.2. Chiếu sáng cơng viên, vườn hoa.................................................................... 125
3.4.3. Chiếu sáng cơng trình thể thao ngoài trời - những nguyên tắc chung ........... 131
3.4.4. Một số vấn đề cần nghiên cứu chiếu sáng đô thị ........................................... 133
3.4.5. Ô nhiễm ánh sáng .......................................................................................... 134
3.4.6. Quy hoạch chiếu sáng .......................................................................................... 135
3.5. Điều khiển hệ thống chiếu sáng ................................................................................. 136
Chương 4: LẮP ĐẶT, VẬN HÀNH, BẢO DƯỠNG VÀ QUẢN LÝ HỆ THỐNG
CHIẾU SÁNG ............................................................................................................. 140
4.1. Lắp đặt và vận hành hệ thống chiếu sáng ......................................................... 140
4.1.1. Lắp đặt ................................................................................................................ 140
4.1.2. Vận hành hệ thống chiếu sáng ................................................................... 142
4.2. Tiết kiệm điện năng trong chiếu sáng ............................................................... 144
4.3. Các hiện tượng xuống cấp và bảo dưỡng của hệ thống chiếu sáng .................. 144
4.3.1. Hiện tượng xuống cấp hệ thống chiếu sáng ............................................... 144
4.3.2. Bảo dưỡng hệ thống chiếu sáng ................................................................. 145

4.4. Quản lý và nâng cấp hệ thống chiếu sáng ........................................................ 145
4.4.1. Quản lý ....................................................................................................... 145
4.4.2. Nâng cấp hệ thống chiếu sáng ................................................................... 146
ÔN TẬP CHƯƠNG 4 ................................................................................................. 146
4.1. Lắp đặt và vận hành hệ thống chiếu sáng ......................................................... 146
4.2. Tiết kiệm điện năng trong chiếu sáng ............................................................... 146
4.3. Các hiện tượng xuống cấp và bảo dưỡng hệ thống chiếu sáng ........................ 146
4.4. Quản lý và nâng cấp hệ thống chiếu sáng ........................................................ 146
Chương 5: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM THIẾT KẾ CHIẾU SÁNG ........................... 147
5.1. Sử dụng phần mềm thiết kế chiếu sáng công cộng Ulysse 2.2 ......................... 147
5.2. Sử dụng phần mềm thiết kế chiếu sáng Dialux 4.9 .......................................... 156
ÔN TẬP CHƯƠNG 5 ................................................................................................. 196
PHỤ LỤC .................................................................................................................... 197
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 202

iv


Chương 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ÁNH SÁNG
1.1. Lịch sử phát triển của kỹ thuật chiếu sáng
Ngay từ thời kỳ sơ khai con người đã biết tạo ra ánh sáng từ lửa, tuy nhiên
lúc đó con người dùng lửa với tư cách là nguồn nhiệt chứ không phải là nguồn sáng.
Trải qua một thời kỳ dài của lịch sử, con người mới phát minh ra loại đèn thắp sáng
bằng chất khí. Sau khi nhà hố học người Áo K.Auer phát minh ra đèn măng sông
chế tạo bằng chất chịu được nhiệt độ cực cao đã cho ánh sáng trắng khi đốt cháy
trong ngọn lửa chất khí thì đèn măng sông trở nên phổ biến khắp các thành phố lớn
trên thế giới, đến nỗi tưởng như khơng thể cịn loại đèn nào có thể thay thế được.
Tuy nhiên cuối thế kỷ 19 người ta bắt đầu nhận thấy ưu điểm khi thắp sáng
bằng điện. Cho đến nay người ta vẫn chưa biết chính xác ai là người đầu tiên chế tạo
ra chiếc đèn điện đầu tiên. Tuy nhiên để đi đến chiếc bóng đèn hồn thiện như ngày

nay chắc chắn phải có sự cống hiến của nhiều nhà khoa học, trong đó người có cơng
lớn nhất và là người đã đăng ký bản quyền phát minh đầu tiên về bóng đèn dây tóc
vào năm 1878 là Thomas Edison - một nhà phát minh nổi tiếng của Mỹ. Để ghi nhận
công lao và sự nỗ lực của ông trong việc đem ánh sáng đến cho nhân loại mà ngày
nay người ta đã tưởng nhớ ông như là cha đẻ của mọi loại bóng đèn điện dùng sợi
đốt.
Đêm 24/12/1879 Edison mời hàng trăm người thuộc đủ mọi thành phần
trong xã hội ở thành phố New York tới dự bữa tiệc tại nhà ông nhằm quảng cáo sản
phẩm đèn điện do ông chế tạo lần đầu tiên. Tại bữa tiệc này ông cho thắp sáng hàng
loạt bóng đèn ở tất cả khu nhà ở, xưởng máy, phịng thí nghiệm và sân vườn. Kết quả
bữa tiệc đã giúp ông nhận được sự tài trợ của chính quyền cho đề án thắp sáng thành
phố. Cuối cùng, đến 5 giờ sáng ngày 04/9/1882 hàng trăm ngọn đèn trên các phố
đồng loạt bật sáng làm cả một góc thành phố NewYork tràn ngập ánh sáng điện,
đánh dấu thời khắc lịch sử ánh sáng điện chinh phục bóng đêm. Đây cũng được
xem là thời điểm ra đời của ngành chiếu sáng đô thị.
Tại Việt Nam trước đây, chiếu sáng đô thị được xây dựng trên cơ sở lưới đèn
chiếu sáng công cộng được xây dựng từ thời Pháp thuộc, chủ yếu dùng bóng đèn sợi
tóc. Đến năm 1975, những ngọn đèn cao áp đầu tiên được lắp đặt tại khu vực quảng
trường Ba Đình và lăng Chủ tịch Hồ Chí Minh. Ngồi chiếu sáng đường phố, các loại
chiếu sáng khác của đô thị như chiếu sáng công viên, vườn hoa, chiếu sáng cảnh quan
các cơng trình kiến trúc văn hoá, lịch sử, thể thao, chiếu sáng tượng đài... hầu như
chưa có gì.
Hội nghị chiếu sáng đơ thị lần thứ nhất vào tháng 4/1992 là một mốc khởi
1


đầu cho sự phát triển của ngành chiếu sáng đô thị Việt Nam. Thực trạng chiếu sáng
đô thị lúc bấy giờ vẫn còn rất kém, lạc hậu so với các đô thị trong khu vực. Sau Hội
nghị chiếu sáng đô thị toàn quốc lần thứ hai vào tháng 12/1995 tổ chức tại Đà
Nẵng, cùng với sự phát triển vượt bậc của nền kinh tế, lĩnh vực chiếu sáng đô thị ở

nước ta đã thực sự hình thành và phát triển. Hiện nay chúng ta đã có Hội chiếu sáng
đơ thị Việt nam.

1.2. Vai trò của chiếu sáng
Tại các nước phát triển, điện năng dùng cho chiếu sáng chiếm từ 8 đến 13%
tổng điện năng tiêu thụ. Hệ thống chiếu sáng đơ thị bao gồm nhiều thành phần khác
nhau, trong đó có thể kể đến chiếu sáng phục vụ giao thơng, chiếu sáng các cơ quan
chức năng của đô thị.
Chiếu sáng đường phố tạo ra sự sống động, hấp dẫn và tráng lệ cho các đơ
thị về đêm, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống cho người dân đô thị, thúc đẩy
sự phát triển thương mại và du lịch. Đặc biệt, hệ thống chiếu sáng trang trí cịn tạo
ra khơng khí lễ hội, sự khác biệt về cảnh quan của các đô thị trong các dịp lễ tết và
các ngày kỷ niệm lớn hoặc trong thời điểm diễn ra các hoạt động chính trị, văn hóa xã
hội cũng như sự kiện quốc tế.
Trong điều kiện thiếu hụt về điện năng của nước ta, đã có những lúc, những
nơi chiếu sáng quảng cáo bị coi là phù phiếm, lãng phí và khơng hiệu quả. Điều này
xuất phát từ góc độ tiêu thụ năng lượng mà chưa nhận thức tổng quát vai trị của
chiếu sáng đơ thị. Do đó cần có sự đánh giá chính xác và khách quan về hiệu quả
mà chiếu sáng đem lại không chỉ về mặt kinh tế, mà cịn cả trên các bình diện văn
hóa - xã hội. Khơng chỉ nhìn nhận những hiệu quả trực tiếp trước mắt, có thể tính
được bằng tiền mà cịn cả hiệu quả gián tiếp và lâu dài mà chiếu sáng đem lại trong
việc quảng bá, thúc đẩy sự phát triển của thương mại, du lịch và dịch vụ.
Chỉ có như vậy, hệ thống chiếu sáng đơ thị mới có thể phát triển và duy trì một
cách bền vững, đóng một vai trị ngày một xứng đáng trong các cơng trình hạ tầng kỹ
thuật đơ thị.
Để làm được việc đó chúng ta phải đẩy mạnh việc nghiên cứu, ứng dụng,
phát triển lý thuyết về chiếu sáng đơ thị ngày càng hồn thiện nhằm xây dựng đô thị
Việt Nam vừa mang phong cách hiện đại vừa giữ gìn được nét truyền thống.

1.3. Bản chất của ánh sáng

1.3.1. Bản chất sóng hạt của ánh sáng
+ Ánh sáng nhìn thấy, tia cực tím, tia X, sóng radio, sóng truyền hình,…tất
2


cả đều là những dạng năng lượng điện từ được truyền trong khơng gian dưới dạng
sóng, cũng giống như các bức xạ điện từ khác được đặc trưng bởi bước sóng λ, tần số
ν, hoặc chu kỳ T với ν = 1/T hoặc c = ν.λ
+ Có thể chia bước sóng thành các phạm vi sau, ta nhận thấy ánh sáng nhìn thấy
chỉ là dải hẹp từ 380nm 780nm
• Từ 3000 m đến 1000 m
• Từ 1000 m đến 100 m

Sóng dài (LW = long wave)

• Từ 100 m đến 10 m

Sóng trung (MW = medium wave)

• Từ 10 m đến 0,5 m

Sóng ngắn (SW = Short wave)

• Từ 0,5 m n 1,0 mm

Súng vụ tuyn (FM)

ã T 1000 àm n 0,78 àm

Súng raa

ã T 780 nm n 380 nm

Súng hồng ngoại

• Từ 380 nm đến 10 nm

Ánh sáng nhìn thấy

• Từ 100 A0 đến 0,01 A0

Tia cực tím (tia tử ngoại, UV)

• Từ 0,01 A0 đến 0,001 A0

Tia X

( 1 µm = 10-6 m; 1 nm = 10-9 m; 1 A0 = 10-10 m)
+ Theo thuyết lượng tử, ánh sáng cịn mang bản chất hạt (photon), có năng lượng
E = hν = hc / λ ; trong đó h là hằng số Plank = 6,626176  10-34Js
Tại sao các vật thể phát ra ánh sáng? Ta phải dùng thuyết lượng tử để giải thích như
sau:
+ Một photon bị biến mất khi nó va vào và đẩy một điện tử vịng ngồi lên trạng
thái kích thích ở các quỹ đạo xa nhân hơn sự hấp thu năng lượng ánh sáng của vật chất
+ Một photon được sinh ra khi điện tử từ trạng thái kích thích chuyển sang một
quỹ đạo khác gần nhân hơn và tải đi một năng lượng mà nguyên tử bị mất dưới dạng
tia sáng mà bước sóng tỷ lệ nghịch với năng lượng được truyền đi sự phát ra năng
lượng ánh sáng của vật chất.
+ Như vậy căn cứ vào bước sóng ta có thể phân biệt được sóng ánh sáng và
các dạng năng lượng khác trên quang phổ điện từ.

1.3.2. Nguồn sáng tự nhiên và quang phổ liên tục
+ Ánh sáng nhìn thấy khác với các dạng bức xạ điện từ khác ở khả năng làm
kích hoạt võng mạc của mắt người.
+ Vùng ánh sáng nhìn thấy có bước sóng dao động từ 380nm 780nm
3


+ Thí nghiệm đã chứng minh: dải phổ của ánh sáng mặt trời là dải quang phổ
liên tục có bước sóng thay đổi từ 380nm 780nm như hình sau:
+ Ánh sáng mặt trời được coi là nguồn sáng chuẩn để đánh giá chất lượng của
nguồn sáng nhân tạo.

Lăng kính
Tia sáng đơn
sắc đầu ra
lăng kính

Ánh sáng
mặt trời

Phổ ánh sáng

Hình 1.1. Thí nghiệm quang phổ liên tục
+ Ánh sáng mặt trời có rất nhiều cơng dụng khác ngồi chiếu sáng: sinh ra
vitamin D khi tắm nắng buổi sáng, diệt vi khuẩn (do có một lượng rất bé tia cực
tím), phát điện, thu nhiệt, sấy khô.
+ Hiện nay người ta đang nghiên cứu thiết bị dẫn ánh sáng tự nhiên vào trong
các toà nhà nhằm giảm tiền điện cũng như có lợi cho sức khoẻ.
1.3.3. Nguồn sáng nhân tạo và quang phổ vạch
Vật đen

Nguồn
sángnhân tạo

(đèn chiếu
sáng)

Khe hẹp

Lăng kính

Hình 1.2.Thí nghiệm quang phổ vạch
+ Ánh sáng nhân tạo có quang phổ vạch đứt quãng. Hình 1.2 là kết quả thí
nghiệm xác định quang phổ của một số nguồn sáng nhân tạo sau khi đi qua lăng kính.
+ Nói chung ánh sáng nhân tạo khơng tốt bằng ánh sáng mặt trời (xét dưới góc
4


độ chiếu sáng). Về mặt tâm - sinh lý, trải qua hàng triệu năm tiến hóa, hệ thần kinh
của con người đã thích nghi hồn tồn với ánh sáng ban ngày nên với bất kỳ nguồn
sáng nào không phải là ánh sáng mặt trời đều không tốt đối với mắt. Ước mơ của con
người luôn luôn hướng đến việc tạo ra các nguồn sáng giống như ban ngày, do đó
để đánh giá chất lượng của các nguồn sáng nhân tạo người ta thường lấy ánh sáng
ban ngày làm chuẩn để so sánh.
Ánh sáng đèn tuýp ta thường thấy cũng chỉ có màu xanh, tức là có quang phổ
vạch mặc dù ban đêm ta cảm thấy nó khá dễ chịu. Với sự tiến bộ của kỹ thuật, hiện
nay người ta có thể chế tạo các nguồn sáng có khả năng phát ra các bức xạ có
quang phổ liên tục gần với ánh sáng trắng như đèn xenon, song giá thành rất đắt
nên chủ yếu dùng cho các loại xe hơi đắt tiền.

1.4. Một số hiện tượng phát sáng

1.4.1. Hiện tuợng phát sáng do nung nóng
Bất kỳ vật thể nào có nhiệt độ > 00K đều bức xạ năng lượng dưới dạng sóng
điện từ, khi được nung nóng đến nhiệt độ khoảng 10000K sẽ phát ra bức xạ ánh
sáng (cũng là loại sóng điện từ). Nhiệt độ càng cao thì cường độ ánh sáng tăng lên và
màu sắc bề ngoài cũng trở nên sáng hơn. Các loại đèn điện chiếu sáng thường dùng
dịng điện để đốt nóng sợi đốt (dây tóc) bằng kim loại. Hiện tượng phát sáng khi
nung nóng bằng dịng điện được nhà khoa học Anh Humphrey DaVy phát hiện năm
1802. Sau đó nhà phát minh người Mỹ Edison mới chế tạo ra đèn sợi đốt đầu tiên.
Hiện tượng phát xạ ánh sáng do nung nóng được giải thích như sau: Khi có
điện áp đặt vào hai đầu dây tóc, các điện tử ở các lớp ngoài của nguyên tử được giải
phóng khỏi nguyên tử và dịch chuyển trong mạng tinh thể kim loại. Trong quá trình
di chuyển, điện tử ln ln có va chạm với các ngun tử, do đó động năng của
điện tử đã truyền một phần cho nguyên tử. Kết quả là các nguyên tử bị kích thích và
một số điện tử lớp trong nhảy ra lớp ngồi (nếu lớp đó chưa đầy). Điện tử này có xu
hướng trở về vị trí trống gần hạt nhân hơn (vị trí ổn định) và nếu điều đó xảy ra thì
điện tử sẽ mất một lượng năng lượng E (thế năng) đồng thời giải phóng một photon
có bước sóng  = c.h/E (có thể là ánh sáng nhìn thấy hoặc khơng nhìn thấy).
Năng lượng bức xạ có thể bao gồm quang năng, nhiệt năng và bức xạ hồng ngoại.
Ứng dụng hiện tượng này để chế tạo các loại đèn sợi đốt như đèn sợi đốt chân
không (trong dân dụng 50W75W), đèn sợi đốt halogen (còn gọi là đèn halogenVonfram).

5


1.4.2. Hiện tuợng phát sáng do phóng điện
Hiện tượng này do nhà khoa học Anh Edward Townsend phát hiện đầu tiên. Hiện
tượng phóng điện trong chất khí là q trình diễn ra rất phức tạp, phụ thuộc vào áp
suất khí, công suất nguồn điện và dạng điện trường. Tuy nhiên có thể mơ tả tóm tắt
thơng qua thí nghiệm sau đây: cho ống phóng điện thủy tinh chứa hơi kim loại hoặc
một khí trơ nào đó ở áp suất thấp, bên trong có đặt 2 điện cực và được nối với nguồn

1 chiều thông qua biến trở điều chỉnh được.
+ Khi điện áp tăng lên thì dịng điện tăng theo (đoạn AB). Ngun nhân có
dịng điện là do các ion tự do tồn tại trong chất khí.
+ Đến điểm B (điểm xảy ra phóng điện) thì dịng điện tăng rất nhanh còn điện
áp giảm xuống đến điểm M (điểm duy trì phóng điện). Ngun nhân dịng điện tăng
là do hiện tượng ion hóa chất khí làm cho số điện tử tăng lên nhanh.
+ Đến điểm D (bằng cách giảm R) sẽ xảy ra hiện tượng phóng điện hồ quang.
Nguyên nhân là do điện cực bị đốt nóng quá mức làm phát xạ điện tử bằng hiệu ứng
nhiệt-ion. Cần lưu ý nếu áp suất cao sẽ xảy ra hiện tượng phóng điện tia lửa chứ
khơng phải phóng điện tỏa sáng vì hiện tượng phóng điện khơng tự duy trì được.
Khi ứng dụng hiện tượng này vào đèn điện chiếu sáng, người ta chỉ cho đèn
làm việc trong khoảng BD với điểm làm việc M được xác lập nhờ điện trở R gọi là
“chấn lưu”. Điện áp tại điểm B được gọi là điện áp phóng điện hay điện áp mồi. Khi
phóng điện, các nguyên tử khí bị kích thích lên mức năng lượng cao hơn, sau đó trở
về trạng thái ban đầu thì phát ra phơton gây nên hiện tượng phát sáng hướng từ
cực âm sang cực dương. Ánh sáng phát ra thường đơn sắc và mang màu đặc trưng
của khí trong ống thủy tinh. Ngồi ánh sáng nhìn thấy, tùy vào chất khí mà cịn có
các tia hồng ngoại hay tử ngoại. Nếu có phát tia tử ngoại thì ống phóng điện phải làm
bằng thủy tinh có đặc tính cản tia tử ngoại (thủy tinh natri cacbonat), tránh hủy diệt
sinh vật sống, tia hồng ngoại khơng nguy hiểm vì nó chỉ có tác dụng nhiệt.
u(V)
Katot

R=30k

300 E

E

R=300

B
200

R
u

Anot
Anot

C

100

M’

M

A

E
-5

10

10-4

10-3

10-2

Hình 1.3. Thí nghiệm phóng điện trong chất khí

6

10-1

1

logic
c


Đối với nguồn điện xoay chiều hình sin thì chiều dịng điện duy trì trong ống
thủy tinh liên tục thay đổi theo tần số nguồn điện. Cả dòng điện và điện áp trong ống
phóng điện khơng cịn là hình sin nữa nên nó được xem là một phần tử phi tuyến. Mặc
dù mắt người không cảm nhận được nhưng ánh sáng do đèn tạo ra là ánh sáng nhấp
nháy liên tục.

B
M
M
B

Hình 1.4. Phóng điện trong chất khí với nguồn điện hình sin
Năng lượng bức xạ gồm quang năng, nhiệt năng, bức xạ hồng ngoại, bức xạ tử
ngoại có tỷ lệ thay đổi theo áp suất và loại khí sử dụng. Ứng dụng hiện tượng này để
chế tạo các loại đèn hơi phóng điện Natri áp suất thấp, Natri áp suất cao, đèn halogen
kim loại (hơi thủy ngân cao áp).
1.4.3. Hiện tượng phát sáng huỳnh quang

Hiện tượng huỳnh quang được biết đến vào giữa thế kỉ 19 bởi nhà khoa học
người Anh GeorgeG.Stoke. Khi cho ánh sáng tử ngoại chiếu vào chất phát huỳnh
quang thì một phần năng lượng của nó biến đổi thành nhiệt, phần còn lại biến đổi
thành ánh sáng có bước sóng dài hơn nằm trong dải quang phổ nhìn thấy được.
Giải thích theo thuyết lượng tử như trong hình 1.5 một photon bức xạ tử ngoại
(hình bên trái) va chạm với một electron của một nguyên tử chất huỳnh quang,
kích thích và đưa electron này lên mức năng lượng cao hơn. Sau đó, electron này
rơi xuống mức năng lượng thấp hơn và phát ra ánh sáng dưới dạng một photon (hình
bên phải) trong vùng ánh sáng nhìn thấy được.

7


Hình 1.5. Giải thích hiện tượng phát sáng huỳnh quang
Ứng dụng hiện tượng này người ta chế tạo ra đèn huỳnh quang gồm bóng thuỷ
tinh khơng cho tia tử ngoại xuyên qua, trong đó chứa chất thuỷ ngân ở áp suất thấp.
Khi phóng điện, các điện tử phát xạ từ điện cực kích thích nguyên tử thuỷ ngân và
tạo ra tia tử ngoại (bước sóng 253,7nm), các tia tử ngoại đập vào thành ống (có quét
bột huỳnh quang) làm đèn phát sáng.
Nhìn chung hiệu suất phát sáng của đèn huỳnh quang khá cao. Chất huỳnh
quang có rất nhiều loại nhưng thường dùng chất halophosphat canxi 3Ca(PO4)2.CaF2
để quét vào bên trong thành ống phóng điện một lớp mỏng.
Năng lượng bức xạ từ hiện tượng phóng điện ngồi tia tử ngoại có thể cịn
có tia hồng ngoại, nhưng theo định luật Stokes ta không thể biến đổi tia hồng
ngoại về miền ánh sáng nhìn thấy (bước sóng ngắn hơn).
Các loại đèn huỳnh quang hiện nay gồm T12-T10-T8-T5, compact,… Ý nghĩa
của các ký hiệu này được đề cập ở các chương sau.
1.4.4. Hiện tượng phát sáng lân quang
Lân quang là một dạng phát quang, trong đó các phân tử của chất lân quang
hấp thụ ánh sáng, chuyển hóa năng lượng của các photon thành năng lượng của các

electron sang trạng thái lượng tử có mức năng lượng cao nhưng khá bền vững. Sau
đó electron chậm chạp rơi về trạng thái lượng tử ở mức năng lượng thấp hơn và giải
phóng một phần năng lượng trở lại dưới dạng các photon.
Lân quang khác với huỳnh quang ở chỗ việc electron trở về trạng thái cũ kèm
theo nhả ra photon rất chậm chạp. Trong huỳnh quang, sự rơi về trạng thái cũ của
electron gần như tức thời khiến photon được giải phóng ngay. Do vậy các chất lân
quang hoạt động như những bộ lưu trữ ánh sáng: thu nhận ánh sáng và chậm chạp nhả
ra ánh sáng sau đó.
Sở dĩ có sự trở về trạng thái cũ chậm chạp của các electron là do một trong số
8


các trạng thái kích thích khá bền nên việc chuyển hóa từ trạng thái này về trạng thái
cơ bản bị cấm bởi một số quy tắc lượng tử. Việc xảy ra sự trở về trạng thái cơ bản chỉ
có thể được thực hiện khi dao động nhiệt đẩy electron sang trạng thái khơng bền gần
đó, để từ đó nó rơi về trạng thái cơ bản. Điều này khiến hiện tượng lân quang phụ
thuộc vào nhiệt độ: nhiệt độ càng lạnh thì trạng thái kích thích càng được bảo tồn lâu
hơn.
Đa số các chất lân quang có thời gian tồn tại của trạng thái kích thích chỉ vào cỡ
miligiây, có một số chất có thể lên tới vài phút hoặc thậm chí vài giờ. Trong thực tế
ta thấy con đom đóm phát sáng được là nhờ chất lân quang.
Hiện tượng lân quang không được ứng dụng trong kỹ thuật chiếu sáng vì hiệu quả thấp
và trạng thái phát sáng khơng bền. Nó chỉ dùng trong chế tạo các đồ chơi cho trẻ em.
1.4.5. Hiện tượng phát sáng thứ cấp
Nói cách khác đây không phải là nguồn sáng thực sự như các hiện tượng đã
nêu ở trên. Khi một vật được chiếu sáng thì bản thân nó cũng có thể phản xạ một
phần ánh sáng gọi là phát sáng thứ cấp. Chỉ có vật đen tuyệt đối mới hấp thụ tồn bộ
ánh sáng.
Dựa vào hiện tượng này ta có thể giải thích màu sắc của các vật trong tự
nhiên: Sự thể hiện màu của vật là do ánh sáng phản xạ tạo thành (ví dụ vật màu đỏ

phản xạ tia màu đỏ, các màu khác thì nó hấp thụ). Trước đây có rất nhiều lý thuyết
màu sắc khác nhau xuất hiện chủ yếu sử dụng trong ngành dệt nhuộm. Với sự ra đời
của thuyết lượng tử, hiện nay người ta đã xây dựng hoàn chỉnh thuyết màu hiện đại
dựa vào bản chất sóng hạt của ánh sáng.
Một vật thể bất kỳ tiếp nhận ánh sáng chiếu vào sẽ xẩy ra các hiện tượng: phản
xạ, xuyên qua, hấp thụ. Mỗi hiện tượng này lại có những tính chất riêng, ví dụ phản
xạ lại có các loại phản xạ đều, phản xạ khuyếch tán,…. Các hiện tượng này được
nghiên cứu để chế tạo các bộ phận của đèn (đặc biệt là tấm phản quang) nhằm điều
khiển sự phân bố ánh sáng của nguồn sáng hiệu quả nhất. Vấn đề này sẽ xét trong các
phần sau.

1.5. Các đại lượng cơ bản đo ánh sáng và các dụng cụ đo ánh sáng
1.5.1. Các đại lượng cơ bản đo sánh sáng
Khái niệm: Xét một đường cong kín bất kỳ (L). Từ một điểm O trong không gian
ta vẽ các đường thẳng tới mọi điểm trên đường cong (L) gọi là các đường sinh. Khi
đó phần khơng gian giới hạn bởi các đường sinh này được gọi là góc khối nhìn đường
cong (L) từ đỉnh 0.
9


Độ đo của góc khối là diện tích phần mặt cầu có bán kính r = 1, tâm tại điểm O
bị cắt bởi góc khối trên.
Ký hiệu góc khối:  (Chữ cái Hy Lạp, đọc là Ơmega)
Steradian là góc khối mà dưới góc đó người quan sát đứng ở tâm O của một
quả cầu R=1m thì nhìn thấy diện tích S=1m2 trên mặt cầu.
Ý nghĩa: Góc khối là góc trong khơng gian, đặc trưng cho góc nhìn (tức là từ
một điểm nào đó nhìn vật thể dưới một góc khối). Trong kỹ thuật chiếu sáng, góc
khối biểu thị cho khơng gian mà nguồn sáng bức xạ năng lượng của nó.
Ví dụ tính tốn một số góc khối.

Hình 1.6. Góc khối
Cho quả cầu tâm O bán kính R, một hình nón có đỉnh tại O cắt mặt
cầu với một diện tích S thì độ lớn của góc khối là:  

S
R2

Cho 2 hình cầu bán kính R và kR đồng tâm O. Giả sử một góc khối  chắn
hình cầu R với diện tích S1=2R2(1-cos) và hình cầu kR với diện tích S2=
2k2R2(1-cos). Khi đó góc khối là:

S1
k 2 R2
S
  2  2 (1  cos )
2 (1  cos )  2 2
2
R
(kR)
(kR)

10


Hình 1.7a. Góc khối chắn hình cầu

Hình 1.7b. Góc khối chắn hình nón

Cho mặt cầu tâm O, bán kính R. Góc khối chắn bởi hình nón đỉnh tại O, góc
đỉnh 2, diện tích mặt cầu bị chắn là S. Ta có góc khối



S 2Rh 2R( R  R cos )
 2 
 2 (1  cos )
R2
R
R2

Ta thấy góc khối là đại lượng khơng phụ thuộc bán kính R. Trường hợp tại đỉnh
O nhìn tồn bộ mặt cầu (=1800) ta có góc khối lớn nhất  = 4 (Sr)
Tính góc khối chắn diện tích dS bé tuỳ ý từ điểm O: khi đó ta coi dS là mặt
phẳng. Trên dS ta lấy điểm M là trọng tâm của dS, sau đó vẽ mặt cầu tâm O bán kính
R = OM thì góc khối nhìn diện tích dS từ O là: d  

Hình 1.7c. Góc khối nhìn nón

dS. cos
R2

Hình 1.7d. Góc khối nhìn cầu

1.5.2. Thơng lượng năng lượng của bức xạ ánh sáng nhìn thấy
Năng lượng điện cung cấp cho nguồn sáng khơng phải biến đổi hồn tồn
thành ánh sáng mà biến đổi thành nhiều dạng năng lượng khác nhau như hóa năng,
bức xạ nhiệt, bức xạ điện từ. Các bức xạ ánh sáng chỉ là một phần của bức xạ điện từ
11

do nguồn phát ra. Dưới góc độ kỹ thuật chiếu sáng ta chỉ quan tâm đến năng lượng
bức xạ ánh sáng nhìn thấy mà thơi, do đó người ta đưa ra khái niệm thông lượng
năng lượng của bức xạ ánh sáng nhìn thấy, đó là phần năng lượng bức xạ thành ánh
sáng của nguồn sáng trong một giây theo mọi hướng được xác định theo các công
thức:
2

Phổ ánh sáng liên tục: W  .d với 380nm ≤ 1, 2 ≤ 780nm

1

Phổ ánh sáng ban ngày (loại phổ liên tục):

780nm

 W  .d

380nm

Phổ ánh sáng rời rạc (quang phổ vạch)

n

 Pi 
i 1

Trong đó:

W() là phân bố phổ năng lượng của nguồn sáng (W/nm).
P(i) là mức năng lượng của tia đơn sắc thứ i phát ra từ nguồn sáng (W)

i là bước sóng của tia đơn sắc thứ i thoả mãn 380nm ≤ i ≤ 780nm

Đơn vị đo của thông lượng là (W)
Khái niệm: Thông lượng năng lượng của ánh sáng nhìn thấy là một khái niệm có ý
nghĩa quan trọng về mặt vật lý. Tuy nhiên trong kỹ thuật chiếu sáng thì khái niệm này
ít được quan tâm.
Thật vậy, giả sử có hai tia sáng đơn sắc màu đỏ (=700nm) và màu vàng
(=577nm) có cùng mức năng lượng tác động đến mắt người thì kết quả nhận
được là mắt người cảm nhận tia màu đỏ tốt hơn màu vàng. Điều này có thể giải
thích là do sự khúc xạ qua mắt (vai trị là thấu kính hội tụ) khác nhau: các tia
sáng có  bé bị lệch nhiều và hội tụ trước võng mạc, các tia có  lớn thì lại hội tụ
sau võng mạc, chỉ có tia =555nm (vàng) là hội tụ ngay trên võng mạc.
Trên cơ sở này người ta xây dựng đường cong hiệu quả ánh sáng V() của
mắt người (hình 1.8).
Đường cong 1 ứng với thị giác ban ngày và đường cong 2 ứng với thị giác
ban đêm.
Biểu thức gần đúng của đường cong V() được cho trong phụ lục ở cuối sách,
đồng thời trong phụ lục cũng có bảng giá trị của hàm V() .

12


Hình 1.8. Đường cong hiệu quả ánh sáng V()
Như vậy rõ ràng thông lượng năng lượng không thể dùng trong kỹ thuật chiếu
sáng phục vụ con người, do đó người ta phải đưa vào một đại lượng mới trong đó
ngồi W() còn phải kể đến đường cong V(), đại lượng này gọi là quang thông và
được xác định như sau:
n

Nguồn sáng phát quang phổ vạch (đèn chiếu sáng):   Pi .V i 

i 1

Nguồn sáng đơn sắc:  = 683.P().V() với =const
2

Nguồn sáng có quang phổ liên tục:   380  W  .d 
1

780nm

Ánh sáng ban ngày:   380

W  .d 

380nm

Trong : n là tổng số tia sáng đơn sắc do nguồn phát ra
P(i) là mức năng lượng của tia đơn sắc thứ i (W)
W() là phân bố phổ năng lượng của các tia sáng liên tục (W/nm)
i là bước sóng của tia đơn sắc thứ i (nm)
683 lm/W là hằng số vật lý xuất phát từ định nghĩa đơn vị cường độ sáng
(Cadela), biểu thị sự chuyển đổi đơn vị năng lượng sang đơn vị cảm nhận thị giác. Giá
trị 683 được đưa vào để tạo ra giá trị tương đương với định nghĩa cũ của cadela.
1 và 2 là giới hạn bước sóng (cận dưới và trên) của quang phổ liên tục
Ý nghĩa: Về bản chất, quang thơng cũng chính là năng lượng nhưng ở đây đơn vị
tính khơng phải bằng t mà bằng Lumen. Đây là đại lượng rất quan trọng dùng
cho tính tốn chiếu sáng, thể hiện phần năng lượng mà nguồn sáng bức xạ thành ánh
sáng ra tồn bộ khơng gian xung quanh. Để thấy rõ sự khác nhau giữa Oát và Lumen
ta có sự so sánh sau:
13

Giả sử có một nguồn sáng cơng suất 1W biến đổi tồn bộ cơng suất này thành
ánh sáng nhìn thấy. Nếu ánh sáng nó phát ra là một tia đơn sắc = 555nm (màu
vàng) sẽ cho quang thông 683 lm nhưng nếu ánh sáng phát ra là quang phổ liên tục
với năng lượng phân bố đều thì quang thơng khoảng 179 lm (xem phụ lục 1).
Ký hiệu:  (ký hiệu chữ cái Hy Lạp, đọc là phi)
Đơn vị: Lm (Lumen). Lumen là quang thông do nguồn sáng phát ra trong một góc
khối bằng 1 Sr
Ví dụ giá trị quang thơng một số nguồn sáng thông dụng:
Xét một nguồn sáng điểm có cường độ sáng I khơng đổi theo mọi phương thì
quang thơng là :  

4

 Id   4
0

Thiết bị dùng để đo quang thông gọi là Lumen kế.
Quang thông do mặt trời gửi xuống trái đất là 145.1017lm
1.5.3. Quang hiệu
Định nghĩa: Quang hiệu là tỷ số giữa quang thông do nguồn sáng phát ra và công
suất điện mà nguồn sáng tiêu thụ.
Ý nghĩa: Trong kỹ thuật chiếu sáng người ta không dùng khái niệm hiệu suất theo
nghĩa thông thường (tính theo tỷ lệ %) mà sử dụng khái niệm quang hiệu. Quang hiệu
thể hiện đầy đủ khả năng biến đổi năng lượng mà nguồn sáng tiêu thụ thành quang
năng.
Một số tài liệu gọi khái niệm này là hiệu suất của nguồn sáng. Tuy nhiên, nếu ta
sử dụng khái niệm hiệu suất thì sẽ liên tưởng đến tỉ lệ % (giá trị ≤ 1) giữa các đại
lượng cùng đơn vị đo. Trái ngược hoàn toàn với quan niệm về hiệu suất, quang hiệu

lại có giá trị lớn hơn 1 rất nhiều và là tỉ số của 2 đơn vị đo khác nhau (lm/W) do đó
việc dùng khái niệm hiệu suất là không hợp lý.
Ký hiệu:  (Chữ cái Hy Lạp, đọc là êta).
Đơn vị: lm/W (lumen/Oát)
Ví dụ: Quang hiệu một số nguồn sáng thông dụng (theo tài liệu Schréder năm 2006).
Nguồn sáng
Bóng đèn dây tóc

Cơng suất(W)
100

Quang thơng(Lm) Quang hiệu (Lm/W)
1500
15

Bóng huỳnh quang

36

2600

80

Bóng compact

20

1200

60

Bóng cao áp thủy ngân

250

13000

52

Bóng cao áp MetalHalide

250

20000

80

Bóng cao áp Sodium

250

27000

108

14


1.5.4. Cường độ sáng
Khái niệm: Xét trường hợp một nguồn sáng điểm đặt tại O và ta quan sát theo

phương Ox. Gọi dlà quang thơng phát ra trong góc khối dΩ lân cận phương Ox.
Cường độ sáng của nguồn theo phương Ox được định nghĩa là: I 

d 
d

Cường độ sáng I của nguồn phụ thuộc vào phương quan sát. Trong trường
hợp đặc biệt, nếu I không thay đổi theo phương nguồn đẳng hướng), ta có quang
thơng phát ra trong tồn khơng gian là:   4 I
Ý nghĩa: Cường độ sáng là đại lượng quang học cơ bản, các đại lượng quang học
khác đều là đại lượng dẫn suất xác định qua cường độ sáng
Ký hiệu: I (Viết tắt của tiếng Anh là Intensity: cường độ)
Đơn vị: Cd (cadela). Cadela có nghĩa là “ngọn nến”, đây là một trong 7 đơn vị đo
lường cơ bản (m, kg, s, A, K, mol, cd).
Định nghĩa: Cd “Cadela là cường độ sáng theo một phương đã cho của nguồn phát
bức xạ đơn sắc có tần số 540.1012Hz (=555mm) và cường độ năng lượng theo
phương này là 1/683 W/Sr”.
Ví dụ: Đèn sợi đốt 40W/220V có I = 35 Cd (theo mọi hướng)
Ngọn nến có I = 0,8 Cd (theo mọi hướng)
Theo định nghĩa với nguồn sáng đơn sắc = 555nm thì 1W = 683lm. Nếu
nguồn sáng đơn sắc có ≠555nm thì 1W = 683.V().
Ví dụ: nguồn sáng đơn sắc có = 650nm thì 1W = 683.0,2 = 136,6 lm

X
d

d

I

O

Hình 1.9. Nguồn sáng đơn sắc
1.5.5. Độ rọi
Khái niệm: Giả thiết mặt S được rọi sáng bởi một nguồn sáng. Độ rọi tại một điểm
nào đó trên mặt S là tỉ số E 

d
, trong đó d là quang thơng tồn phần do nguồn
dS

gửi đến diện tích vi phân dS lân cận điểm đã cho.
15


Nếu mặt S được chiếu sáng đều với tổng quang thơng gửi đến S là  thì độ rọi
tại mọi điểm trên mặt S là E 


S

Ký hiệu: E

Hình 1.10. Độ rọi

Hình 1.11. Cường độ sáng của nguồn
theo phương chiếu

Đơn vị: Lux hay Lx (đọc là luych). Lux là đơn vị đo độ chiếu sáng của một bề mặt.
Độ chiếu sáng duy trì trung bình là các mức lux trung bình đo được tại các điểm

khác nhau của một khu vực xác định. Một lux bằng một lumen trên mỗi mét vuông.
Ý nghĩa: Thể hiện lượng quang thông chiếu đến 1 đơn vị diện tích của một bề mặt
được chiếu sáng, nói cách khác nó chính là mật độ phân bố quang thông trên bề mặt
chiếu sáng.
Xét một nguồn sáng điểm O, bức xạ tới mặt ngun tố hình trịn dS có tâm M
cách O một khoảng r. Cường độ sáng của nguồn theo phương OM là I (hình 1.11).
Do dS khá nhỏ nên, xem là mặt phẳng, do đó ta gọi, n là pháp tuyến của dS và  là
góc giữa ( n , OM). Ta có cơng thức độ rọi

E

I
d I .d  I .dS.cos
E

.cos



r2
dS
dS
r 2 .dS

Công thức này cho thấy độ rọi trên bề mặt nào đó phụ thuộc vào khoảng cách r và độ
nghiêng của mặt so với phương quan sát và nó được sử dụng chủ yếu trong các tính
tốn chiếu sáng. Đây chính là cơng thức của định luật tỷ lệ nghịch bình phương.
Một số giá trị độ rọi thường gặp
* Trưa nắng không mây 100.000 lux
* Đêm trăng trịn khơng mây 0,25 lux

* Ban đêm với hệ thống chiếu sáng công cộng 1030 lux
* Nhà ở bình thường ban đêm: 159300lux
* Phịng làm việc: 400600lux
16


1.5.6. Độ sáng (còn gọi là độ trưng)
Khái niệm: Cho một mặt phát sáng S có kích thước giới hạn (có thể là bề mặt của
nguồn sáng hoặc bề mặt vật phản xạ ánh sáng,…). Độ sáng tại một điểm nào đó trên
mặt S là tỉ số R 

d
, trong đó d là quang thơng do phần tử dS (lân cận điểm đã
dS

cho) phát ra theo mọi hướng

Hình 1.12. Độ sáng
Mặt phát sáng đều là mặt có độ trưng như nhau ở mọi điểm của mặt
Đặc điểm: Độ trưng đặc trưng cho sự phát sáng theo mọi phương của vật phát
sáng (bao gồm nguồn sáng và ánh sáng phản xạ của vật được chiếu sáng).
Ý nghĩa: Xét về công thức tính và thứ ngun thì độ trưng giống độ rọi nhưng ở độ
rọi xét bề mặt vật được chiếu sáng bởi nguồn sáng khác còn độ trưng xét bề mặt của
vật mà bản thân nó phát sáng. Đơn vị của độ rọi là Lux cũng khác đơn vị độ trưng là
Lm/m2
Nguồn sáng ở đây cần hiểu theo nghĩa rộng hơn là "mặt phát sáng" bao gồm
nguồn phát ra ánh sáng và nguồn ánh sáng phản xạ của vật được chiếu sáng.
Độ rọi E trên bề mặt được chiếu sáng không phụ thuộc vào hệ số phản xạ bề mặt
nhưng độ trưng của bề mặt được chiếu sáng thì phụ thuộc vào hệ số phản xạ bề mặt.
Ký hiệu: R

Đơn vị: Lm/m2 là độ trưng của một nguồn sáng hình cầu có diện tích mặt ngồi 1m2
phát ra quang thơng 1 Lumen phân bố đều theo mọi phương.
1.5.7. Độ chói
Khái niệm: Hai bóng đèn sợi đốt hình trịn cơng suất 40W thì có cùng quang
thơng. Một bóng thủy tinh trong, một bóng thủy tinh mờ thì bóng thủy tinh trong sẽ
gây chói mắt hơn. Điều này được giải thích là: với bóng thuỷ tinh mờ, tia sáng bức
xạ từ nguồn khi đập vào bề mặt thuỷ tinh mờ (vỏ bóng đèn), nó bị tán xạ theo
nhiều hướng và cường độ sáng theo một hướng nhất định giảm đi so với cường độ
của tia tới do đó ít chói hơn --> độ chói phụ thuộc vào cường độ sáng.
Mặt khác với đèn pha xe máy nếu nhìn trực diện ta thấy chói mắt nhưng nếu
17


nhìn nghiêng một góc nào đó thì sẽ bớt chói mắt hơn --> độ chói phụ thuộc vào
phương quan sát, được đặc trưng bằng diện tích biểu kiến của mặt phát sáng theo
phương quan sát.

Hình 1.13. Độ chói
Từ những nhận xét trên ta thấy cần thiết phải đưa ra khái niệm độ chói phụ
thuộc vào cường độ sáng của nguồn và diện tích biểu kiến của mặt phát sáng
Mắt người đặt tại điểm O quan sát bề mặt phát sáng dS theo phương OM. Bề
mặt dS nghiêng một góc  so với phương OM. Gọi dI là cường độ sáng phát ra bởi
dS theo phương OM thì ta có định nghĩa độ chói là L 

dI
dS. cos

Ý nghĩa: Thể hiện mật độ phân bố cường độ sáng phát ra từ một đơn vị diện tích của
bề mặt đó theo một hướng xác định đến một người quan sát.
Độ chói phụ thuộc vào tính chất phản quang của bề mặt và hướng quan sát

(không phụ thuộc vào khoảng cách từ mặt đó đến điểm quan sát). Nhìn chung mọi vật
thể được chiếu sáng ít nhiều đều phản xạ ánh sáng (đóng vai trị như nguồn sáng thứ
cấp) nên cũng có thể gây ra chói mắt người. Ví dụ ban đêm ánh sáng hắt lên từ mặt
đường nhựa được chiếu sáng cũng có thể làm chói mắt người lái xe.
Độ chói đóng vai trò rất quan trọng khi thiết kế chiếu sáng, là cơ sở khái niệm
về tri giác và tiện nghi nhìn.
Độ chói trung bình của mặt đường là tiêu chuẩn đầu tiên để đánh giá chất
lượng của chiếu sáng đường phố.
Ký hiệu: L
Đơn vị: Cd/m2. 1Cd/m2 là độ chói của một mặt phẳng phát sáng đều có diện tích 1m2
và có cường độ sáng 1Cd theo phương vng góc với nguồn đó.

18


Ví dụ về độ chói một số bề mặt:
+ Bề mặt đèn huỳnh quang: 5.00015.000cd/m2
+ Bề mặt đường nhựa chiếu sáng với độ rọi 30lux có độ chói khoảng 2cd/m2
+ Mặt trời mới mọc : khoảng 5.106 Cd/m2
+ Mặt trời giữa trưa : khoảng 1,5  2.109 Cd/m2
1.5.8. Nhiệt độ màu
Nhiệt độ màu của một nguồn sáng được thể hiện theo thang Kelvin (K) là biểu
hiện màu sắc của ánh sáng do nó phát ra. Tưởng tượng một thanh sắt khi nguội có
màu đen, khi nung đều đến khi nó rực lên ánh sáng da cam, tiếp tục nung nó sẽ có
màu vàng, và tiếp tục nung cho đến khi nó trở nên “nóng trắng”. Tại bất kỳ thời điểm
nào trong q trình nung, chúng ta có thể đo được nhiệt độ của thanh thép theo độ
Kelvin (oC + 273) và gán giá trị đó với màu được tạo ra.
Đối với đèn sợi đốt, nhiệt độ màu chính là nhiệt độ bản thân nó. Đối với
đèn huỳnh quang, đèn phóng điện thì nhiệt độ màu chỉ là tượng trưng bằng cách so
sánh với nhiệt độ tương ứng của vật đen tuyệt đối bị nung nóng.

Hình 1.14. Biểu đồ Kruithof
Khi nói đến nhiệt độ màu của đèn là người ta có ngay cảm giác đó là nguồn
sáng “ấm”, “trung tính” hay là “mát”. Nói chung, nhiệt độ càng thấp thì nguồn càng
ấm, và ngược lại. Để dễ hình dung điều này ta xét một số giá trị nhiệt độ màu sau đây:
Lúc mặt trời lặn, đèn sợi đốt 25000K  30000K
Ánh sáng ban ngày quang mây 45000K  50000K
Ánh sáng khi trời nhiều mây (ánh sáng lạnh) 60000K  10.0000K
Khi thiết kế chiếu sáng cần phải chọn nhiệt độ màu của nguồn sáng phù hợp với
19


đặc điểm tâm-sinh lý người, đó là với độ rọi thấp thì chọn nguồn sáng có nhiệt độ
màu thấp và ngược lại với yêu cầu độ rọi cao thì chọn các nguồn sáng "lạnh" có nhiệt
độ màu cao. Đặc điểm sinh lý này đã được Kruithof chứng minh. Qua các cơng trình
nghiên cứu của mình, ơng đã xây dựng được biểu đồ Kruithof làm tiêu chuẩn đầu
tiên lựa chọn nguồn sáng của bất kỳ đề án thiết kế chiếu sáng nào (tất nhiên sau đó
cịn có các tiêu chuẩn khác).
Trong biểu đồ Kruithof, vùng gạch chéo gọi là vùng môi trường ánh sáng tiện
nghi. Với một độ rọi E (lux) cho trước, người thiết kế chiếu sáng phải chọn nguồn
sáng có nhiệt độ màu nằm trong miền gạch chéo để đảm bảo không ảnh hưởng đến
tâm-sinh lý của con người, nếu không đảm bảo điều kiện này sẽ gây ra hiện tượng "ơ
nhiễm ánh sáng", có thể gây tổn hại đến sức khỏe.
1.5.9. Độ hồn màu (cịn gọi là chỉ số thể hiện màu)
Cùng một vật nhưng nếu được chiếu sáng bằng các nguồn sáng đơn sắc khác
nhau thì mắt sẽ cảm nhận màu của vật khác nhau, tuy nhiên bản chất màu sắc của
vật thì khơng hề thay đổi. Ví dụ một tờ giấy bình thường màu đỏ, nếu đặt trong bóng
tối nó có thể có màu xám, tuy nhiên ta vẫn nói đó là tờ giấy màu đỏ.
Như vậy chất lượng ánh sáng phát ra của nguồn sáng cịn phải được đánh giá
qua chất lượng nhìn màu, tức là khả năng phân biệt màu sắc của vật đặt trong ánh sáng

đó. Để đánh giá sự ảnh hưởng ánh sáng (do nguồn phát ra) đến màu sắc của vật, người
ta dùng chỉ số độ hồn màu hay cịn gọi là chỉ số thể hiện màu của nguồn sáng,
ký hiệu CRI (Color Rendering Index). Nguyên nhân sự thể hiện màu của vật bị biển
đổi là do sự phát xạ phổ ánh sáng khác nhau giữa nguồn sáng và vật được chiếu sáng
Chỉ số CRI của nguồn sáng thay đổi theo thang chia từ 0 đến 100. Giá trị CRI=0
ứng với nguồn ánh sáng đơn sắc khi làm biến đổi màu của vật mạnh nhất, CRI=100
ứng với ánh sáng mặt trời khi màu của vật được thể hiện thực chất nhất. Nói chung chỉ
số CRI càng cao thì chất lượng nguồn sáng được chọn càng tốt. Để dễ áp dụng trong
kỹ thuật chiếu sáng, người ta chia CRI thành 4 thang cấp độ sau:
Bảng 1.1. Phạm vi ứng dụng của các nhóm hồn màu
Nhóm
hồn màu
1A

Chỉ số hồn
màu CRI
CRI > 90

Chất lượng
nhìn màu

Chất lượng nhìn màu và phạm vi ứng
dụng

Cao

Cơng việc cần sự hồn màu chính xác, ví dụ
việc kiểm tra in màu, nhuộm màu, xưởng vẽ
Công việc cần đánh giá màu chính xác hoặc
cần có sự hồn màu tốt vì lý do thể hiện, ví

1B

80 < CRI < 90

Cao

dụ chiếu sáng trưng bày
20