光的基本知識(shí)

1、光的基本知識(shí)光的特性1.光的定義光是一種自然現(xiàn)象，當(dāng)一束光投射到物體上時(shí)，光會(huì)發(fā)生反射、折射、干涉以及衍射等現(xiàn)象。人們之所以能夠看到客觀世界中斑駁陸離、瞬息萬(wàn)變的景象，是因?yàn)檠劬δ軌蚪邮瘴矬w發(fā)射、反射或散射的光。就光的本質(zhì)而言是一種電磁波，覆蓋著電磁頻譜相當(dāng)寬（從X射線到遠(yuǎn)紅外）的范圍，人類肉眼所能看到的可見(jiàn)光只是整個(gè)電磁波譜的一部他。電磁波刺激人的眼睛，經(jīng)過(guò)視覺(jué)神經(jīng)傳達(dá)到人的大腦，使人可以看到物體的形狀和顏色，這段波長(zhǎng)的電磁波稱為可見(jiàn)光，可見(jiàn)光的波長(zhǎng)不同， 人眼感覺(jué)到的顏色也不同?？梢?jiàn)光的波長(zhǎng)范圍在360830nm之間，僅是電磁輻射光譜非常小的一部分。波長(zhǎng)的范圍不同決定了各種不同波長(zhǎng)光的性質(zhì)

2、。780380nm的光依次是紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七色光，兩種顏色之間沒(méi)有明顯的分界。將全部可見(jiàn)光波混合在一起就形成日光，即白色光。波長(zhǎng)大于780nm的電磁波是紅外線、微波和無(wú)線電波等。波長(zhǎng)小于380nm的電磁波是紫外線、X射線和宇宙射線等。光以約3X108m/s速度在空間傳播。由圖2-1可看出大部分電磁波都是肉眼看不見(jiàn)的。當(dāng)光通過(guò)某種物質(zhì)時(shí)如水或空氣，其傳播速度就會(huì)減慢。 光在真空中的傳播速度和在媒質(zhì)中的傳播速度比值稱為該媒質(zhì)的折射率，在折射率不同的兩種媒質(zhì)的界面上。入射光線產(chǎn)生折射與發(fā)射現(xiàn)象。另外光在傳播過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生散射，漫反射、漫透射現(xiàn)象。波長(zhǎng)0.001 nm10 nm200nm3

3、80nm 780nm0.002nm1mm100KmX射線遠(yuǎn)紫外線近紫外線.可見(jiàn)光.近紅外線遠(yuǎn)紅外線無(wú)線電波 聲音J顏色紫綠黃橙紅波長(zhǎng)/nm380430430490490 550550 590590 640640780圖2-1電磁波的波譜人們通常所說(shuō)的光是指：“可見(jiàn)光”，它是由光源發(fā)出的輻射能中的一部分，并能產(chǎn)生視覺(jué)效應(yīng)。從量子物理的觀點(diǎn)，光具有二重性：粒子性和波動(dòng)性。單個(gè)光子呈粒子性，密集光子的集合衍射便呈現(xiàn)出波動(dòng)性。所以，光是一種電磁輻射能，即電磁波，光線的方向也就 是波的傳播方向。太陽(yáng)光和光源在發(fā)出可見(jiàn)光的同時(shí)，都會(huì)有紫外的紅外輻射。只是人的眼睛視覺(jué)反應(yīng)不出來(lái)而已。在太陽(yáng)光譜中，波長(zhǎng)大于1

4、40Onm的光波被大氣層中的水蒸氣和二氧化碳強(qiáng)烈吸收，波長(zhǎng)小于290nm的光波被大氣層中的臭氧所吸收。人的眼睛對(duì)不同顏色光的視覺(jué)靈敏度不同，對(duì)光譜中心部位的黃、綠色光最靈敏，對(duì)兩邊的紫光和紅光都不靈敏。人類在進(jìn)化過(guò)程中紫外光和紅外光對(duì)眼睛不產(chǎn)生視覺(jué)反應(yīng)。紫外線會(huì)傷害人的眼睛，紅外線只能刺激人的皮膚產(chǎn)生熱的感覺(jué)。2.輻射度量輻射在本質(zhì)上是一種能量的形式，如光輻射、熱輻射、磁輻射等。輻射伴隨著輻射能 量的轉(zhuǎn)移。輻射能量的度量通常以表2-1所列出的一些基本參量來(lái)描述。表2-1輻射能量的試題基本參量量的名稱符號(hào)定義單位單位符號(hào)焦耳J輻射能Qe3dQe/dV焦耳/m 3J/m輻射能密度WWdQ e/dt

5、2W/m輻射通量*e2W/md© ee/dVW/sr輻射初射度MeW/球面度d* ee/d®輻射強(qiáng)度le為點(diǎn)光源輻射能量所張開(kāi)的立體角W/m .球面度2W/m . srd/ ie/dAcos 0日為觀察方向與光源表面法線輻照度Ee的夾角d 0 ee/dA22W/mW/m為了對(duì)輻射度量有比較清楚的認(rèn)識(shí)，下面對(duì)各參量作一些簡(jiǎn)要的說(shuō)明。 輻射能Qe。能輻射的形式發(fā)射、傳播或接收的能量稱為輻射能，與其他任何形式的能一樣，輻射能的法定計(jì)量單位是焦耳(J)。 輻射能密度。單位積內(nèi)的輻射能稱為光源的輻射能密度。用它的體密度來(lái)表示。其定義式為e = dQ Qe/dV( 2-1)式中，V為體

6、積。輻射能密度單位是焦耳/米3 (J/m3 )。 輻射通量e。單位時(shí)間內(nèi)輻射的總能量稱為輻射通量。輻射通量也可稱為輻射功率。其表示式為e = dQe/dt(2-2)式中，d Qe是在dt時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)移的單元能量，輻射通量的單位為瓦(1W = 1J/S)。 輻射強(qiáng)度e。在單位立體角(一個(gè)錐體的頂端在球心上，底面積等于球半徑的 平方，這錐體所包的立本角就叫做單位立休角)內(nèi)離開(kāi)輻射源的輻射通量稱為 輻射強(qiáng)度。其表達(dá)式為'e = d e /d 門(mén)(2-3)式中，d e為輻射源在立體角內(nèi)所輻射出來(lái)的輻射通量。輻射強(qiáng)度的單位是瓦/球面度(W/sr)。 輻射出射度汕e。輻射體表面的單位面積內(nèi)所輻射的通量

7、為輻射出射度。這是用來(lái)量度物體輻射能力的物理量。其表達(dá)式為AI e = d e/ds(2-4)式中，d e為輻射體表面的面積元ds向所有方向所發(fā)出的輻射通量。輻射出射度的單位是瓦 /米 2 (W/m 2 )。 輻射亮度Le。由輻射表面一點(diǎn)處的單位積在給定方向上的輻射強(qiáng)度稱為輻射亮度。在與輻射表面dA的法線成二角的方向上，輻射亮度等于該方向上的輻射強(qiáng) 度d|e與輻射表面在該方向垂直面上的投影面積之比。其表達(dá)式為L(zhǎng)e = d Ie /dA COS V(2-5)式中，dA為某處輻射源表面的單位面積，V為光源表面的法線與給定方向間的夾角。輻射亮度的單位為 W/球面度平方米(W/ ( m2 . sr)。

8、Le的數(shù)值與輻射源的性質(zhì)有關(guān)，并隨給定方向而變。若Le不隨方向而變，則 Le正比于cos，即 e = O COS j(2-6)滿足上式的特殊光源稱為余弦輻射體，余弦輻射體也稱均勻漫反射體或朗伯體。除了黑體、灰體外，實(shí)驗(yàn)表明，拋毛乳白玻璃的透視光或反射光以及氧化鎂、硫酸鋇等 表面的反射光很接近于理想的余弦輻射體。白雪對(duì)陽(yáng)光的反射也符合余弦輻射體的規(guī) 律。對(duì)余弦輻射體，即服從朗伯定律的輻射體可以按式(2-7 )推算出：AI e = n Le( 2-7)即余弦輻射體的輻射出射度在數(shù)值上為其輻射亮度的n倍。 輻射照度上e。輻射照度為接收面上單位面積所照射的輻射通量。其表達(dá)式為；e = d e/dA(2

9、-8)輻射照度的單位為 W/ m 2。對(duì)于理想的散射面，滿足條件 I e = i '. e。'e = n Le(2-9) 光譜輻射度量(輻射量的光譜密度)。為了表征輻射，不僅要知道輻射的總通量 和強(qiáng)度，還應(yīng)知道其光譜組分。因?yàn)檩椛湓窗l(fā)出的輻射，往往由許多波長(zhǎng)的輻 射組成，為了研究各種波長(zhǎng)分別輻射的能量，弓I入了光譜輻射度量的概念。除了特殊用途的輻射源(如紅外光源和紫外光源)外，大量的輻射源是作為照 明用。照明光源的特性只用前面所敘述的一些能量參數(shù)來(lái)描述是不夠的。因?yàn)?能量參數(shù)并沒(méi)有考慮到人眼的作用。由于照明的效果最終是以人眼來(lái)評(píng)定的， 因此照明光源的光學(xué)特性必須用基于人眼視覺(jué)的

10、光學(xué)參量即光度量來(lái)描述。人的視神經(jīng)對(duì)各種不同波長(zhǎng)的感光靈敏度不一樣的。對(duì)綠光靈敏，對(duì)紅光靈敏度要低得多。另外，由于不同人的視覺(jué)生理和心理作用不一樣，不同的人對(duì)各種波長(zhǎng)光的感光靈敏度也有差別。國(guó)際照明委員會(huì)（CIE ）根據(jù)對(duì)許多人的大量觀察結(jié)果，用平均值的方法，確定了人眼對(duì)各種波長(zhǎng)的平均相對(duì)靈敏度，稱為“標(biāo)準(zhǔn)光度觀察者”的光譜光視效率vC ），或稱視見(jiàn)函數(shù)。v（，）的最大值在555nm處。此時(shí)，V（ ） = 1,其他波長(zhǎng)的V（）都小于1。2當(dāng)光亮度不小于 3cd/ m 時(shí)，人眼的錐狀細(xì)胞起主要作用，敏感的光譜范圍是380780,在555nm波長(zhǎng)處最敏感，且能分辨出各種顏色， 這種視覺(jué)稱為明 視覺(jué)

11、，用V（）表示明視覺(jué)光譜光視效率。當(dāng)亮小于0.001cd/ m2時(shí)，人眼的錐狀細(xì)胞不敏感而主要是柱狀細(xì)胞起作用，敏感的光譜范圍是 330730nm ,在507nm波長(zhǎng)處最敏感，但不能分辨出各 種顏色。這種視覺(jué)叫暗視覺(jué)或夜間視覺(jué)，用（，）表示暗視覺(jué)光譜光視效率。光度量是人眼對(duì)相應(yīng)輻射度量的視覺(jué)強(qiáng)度值，由于人眼對(duì)不同波長(zhǎng)光的感光靈敏度不一樣，能量相同而波長(zhǎng)不同的光，在人眼中引起的視覺(jué)強(qiáng)義是不相同。表2-2列出了基本光度學(xué)的量、定義、單位和符號(hào)。表2-2 基本光度學(xué)的量、定義、單位和符號(hào)量的名稱符號(hào)定義式單位單位符號(hào)光能量*= KMkEV®d扎個(gè)流明1m光出射度Md$/dA流明咪221m/

12、 m光照度Ed$/dA勒克斯（流明/米 2）21x(1m/ m )發(fā)光強(qiáng)度Id ©/dec坎德拉（流明/球面度）Cd(1m/sr)光亮度LdI/dAcos 日坎德拉/米 22Cd/ m光量QJ*dt流明秒1m.s3照明用詞匯與單位（1）立體角在圖2-2中，從0點(diǎn)看表示空間展開(kāi)的角度稱為立體角，單位為球面角度（sr）。立體角灼 用下式表示：2- = A/r（ 2-10）從0點(diǎn)開(kāi)始，半徑為r（m）,球的面積為4n （sr）。（2）光通量光通量是光輻射通量對(duì)人眼所引起的視覺(jué)強(qiáng)度值。光通量的表示式為：780=K J.Vd = Ki® "V d（2-11）式中，K羽為輻射度

13、量與光度量之間的比例系數(shù)；V 為人眼的光譜光視效率，積分限是波長(zhǎng)小于380nm和大于780nm的不可見(jiàn)光，7= 0.在式（2-11 ）中，等號(hào)的左邊是光通量，其單位是流明（1m）;而等號(hào)的右邊的* “是eA輻射通量，單位是瓦（ W）; V（扎堤一個(gè)無(wú)量綱的系數(shù)。所以等號(hào)右邊存在一個(gè)系數(shù)Km,從而使兩邊的單位一致。顯然，K、.的單位為1m/W，稱為最大光譜光視效能，K、. = 683（1m/W）。KM表示在波長(zhǎng)為555nm處，即人眼光譜視效最大（ V（h ）= 1 ）處，與1W的輻 射通量相當(dāng)?shù)墓馔繛?6831m。衡量光源發(fā)出光的多少的單位為光通量，從光源發(fā)射并被人的眼睛接收的能量之和即為光通

14、量。即光源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出光（可見(jiàn)）的總和，符號(hào)為©，單位是流明（Im）。光源所發(fā)出的光能是向所有方向輻射的，對(duì)于在單位時(shí)間里通過(guò)某一面積的光能，稱為通過(guò)這一面積的輻射能通量。 各色光的頻率不同，眼睛對(duì)各種色光的敏感度也有所不同， 即使各色 光的輻射能通量相等，在視覺(jué)上并不能產(chǎn)生相同的明亮程度。在各色光中，黃、綠色光能激起最大的明亮感覺(jué)。 如果有綠色光作水準(zhǔn)， 令它的光通量等于輻射能通量， 則對(duì)其他色光來(lái) 說(shuō)，激起明亮感覺(jué)比綠色光小，光通量也小于輻射能通量。絕對(duì)黑體在鉑的凝固溫度下，從5.305 103cm2面積上輻射出來(lái)的光通量為1lm。為表明光強(qiáng)的光通量的關(guān)系，發(fā)光強(qiáng)度為1坎德拉

15、的點(diǎn)光源在單位立體角（1球面度）內(nèi)發(fā)出的光通量為1lm。一般情況下，同類型光源的功率越高，光通量也越大。例如：一只40W的普通白熾燈的光通量為3504701m，而一只40W的普通直管形熒光燈的光通量為28001m左右，為白熾燈的68倍。(3) 發(fā)光強(qiáng)度發(fā)光強(qiáng)度簡(jiǎn)稱光強(qiáng)，某方向單位立體角的光通量稱為發(fā)光強(qiáng)度，符號(hào)為I，單位是坎德拉(cd)。如果光源是一個(gè)點(diǎn)，稱為光源。圖2-3表示從光源向立體角 (sr)發(fā)出的光通量為 (Im )時(shí)，發(fā)出強(qiáng)度I (cd)用下式表示：I =/，(2-12)式中，國(guó)為立體角，單位為球面度(sr), ©為光通量，單位是流明，對(duì)于點(diǎn)光源l=$/4n .發(fā)光強(qiáng)度的

16、單位為坎德拉 (cd)。坎德拉(Can dela)是國(guó)際單位制中7個(gè)基本單位之一。 其定義為：坎德拉(cd)是一光源在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度，該光源發(fā)出555nm單色輻射，且在此方向上的輻射強(qiáng)度為 1/683W每球面度時(shí)，在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度為1cd。(4) 照度入射到每單位面積的光通量稱為照度，符號(hào)為E,單位是勒克斯(1x)。在圖2-4中，光通量為(1m)的光入射到面積為 A (m2 )面積上，在此面上的照度E (1x)表示如下：(2-13)E= /A如果每平方米被照面上接收到的光通量為1 (lm),則照度為1 (lx)。夏季陽(yáng)光強(qiáng)烈的中午地面照度約為5000lx。冬天晴天時(shí)地面照度約為200

17、0lx，晴朗的月夜地面照度約為0.21IX。被照明物體給定點(diǎn)處單位面積上的入射光通量稱為該點(diǎn)的照度：E = d /dA(2-14)式中，d 為給定處的面元 dA上的光通量。照度的法定計(jì)量單位為勒克斯( 1x)。對(duì)于受到光照后成為面光源的表面來(lái)說(shuō)，其光出射度與光照度成正比:式中，r為小于1的系數(shù)，稱為漫反射率，它與照射表面的性質(zhì)有關(guān)。(5) 發(fā)光度與照度相反，從某個(gè)面的單位面積發(fā)散的光通量稱為發(fā)光度，符號(hào)為M，單位為每平方米流明(1m/m 2)。假設(shè)從面積為 A ( m2 )的面發(fā)散的光通量是 $ ( 1m),則發(fā)光度M (1m/ m 2 )用下式表示：M = /A( 2-16)不論從任何方向看

18、，亮度都相同的表面稱為全擴(kuò)散面。在全擴(kuò)散面上的發(fā)光度M (1m/m2 )與亮度的關(guān)系如下式：M = n L(2-17)在圖2-5中，反射通量與入射光通量之比稱為反射率。假設(shè)面的照度為 E (lx),面的反射率為 P,則反射面的發(fā)光度M ? (1m/ m 2 )用下式表示：M ;?= 'E透過(guò)光通量與入射光通量之比稱為透過(guò)率。假設(shè)面的透過(guò) 率為.，透過(guò)面的發(fā)光度 M (1m/ m 2 )用下式表示：M = - E(2-19)吸收掉的能量與入射能量之比稱為吸引率。被吸收的能量在材料中轉(zhuǎn)變成熱能。反射率透過(guò)率.、吸收率匚之間有以下關(guān)系式：' + .+- = 1 (2-20)(6) 亮度從某個(gè)方向看物體或光源的明亮程度稱為亮度。一般是表示發(fā)光(反射、透過(guò))面的明亮程度，亮度的符號(hào)為L(zhǎng),單位為每平方米坎德拉(cd/ m 2 ).圖2-6所表示的球光源不論在什么方向都有相同的發(fā)光強(qiáng)度I (cd),對(duì)著光源看它的外觀面積(面對(duì)光源的正投影)時(shí)，亮度就是每單位面積A (m2 )的發(fā)光強(qiáng)度，用下式表示:光通量、發(fā)光強(qiáng)度、照度、發(fā)光度、