光的基本知識

1、光的基本知識光的特性1.光的定義光是一種自然現象，當一束光投射到物體上時，光會發(fā)生反射、折射、干涉以及衍射等現象。人們之所以能夠看到客觀世界中斑駁陸離、瞬息萬變的景象，是因為眼睛能夠接收物體發(fā)射、反射或散射的光。就光的本質而言是一種電磁波，覆蓋著電磁頻譜相當寬（從X射線到遠紅外）的范圍，人類肉眼所能看到的可見光只是整個電磁波譜的一部他。電磁波刺激人的眼睛，經過視覺神經傳達到人的大腦，使人可以看到物體的形狀和顏色，這段波長的電磁波稱為可見光，可見光的波長不同， 人眼感覺到的顏色也不同?？梢姽獾牟ㄩL范圍在360830nm之間，僅是電磁輻射光譜非常小的一部分。波長的范圍不同決定了各種不同波長光的性質

2、。780380nm的光依次是紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七色光，兩種顏色之間沒有明顯的分界。將全部可見光波混合在一起就形成日光，即白色光。波長大于780nm的電磁波是紅外線、微波和無線電波等。波長小于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的。當光通過某種物質時如水或空氣，其傳播速度就會減慢。 光在真空中的傳播速度和在媒質中的傳播速度比值稱為該媒質的折射率，在折射率不同的兩種媒質的界面上。入射光線產生折射與發(fā)射現象。另外光在傳播過程中還會產生散射，漫反射、漫透射現象。波長0.001 nm10 nm200nm3

3、80nm 780nm0.002nm1mm100KmX射線遠紫外線近紫外線.可見光.近紅外線遠紅外線無線電波 聲音J顏色紫綠黃橙紅波長/nm380430430490490 550550 590590 640640780圖2-1電磁波的波譜人們通常所說的光是指：“可見光”，它是由光源發(fā)出的輻射能中的一部分，并能產生視覺效應。從量子物理的觀點，光具有二重性：粒子性和波動性。單個光子呈粒子性，密集光子的集合衍射便呈現出波動性。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。太陽光和光源在發(fā)出可見光的同時，都會有紫外的紅外輻射。只是人的眼睛視覺反應不出來而已。在太陽光譜中，波長大于1

4、40Onm的光波被大氣層中的水蒸氣和二氧化碳強烈吸收，波長小于290nm的光波被大氣層中的臭氧所吸收。人的眼睛對不同顏色光的視覺靈敏度不同，對光譜中心部位的黃、綠色光最靈敏，對兩邊的紫光和紅光都不靈敏。人類在進化過程中紫外光和紅外光對眼睛不產生視覺反應。紫外線會傷害人的眼睛，紅外線只能刺激人的皮膚產生熱的感覺。2.輻射度量輻射在本質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描述。表2-1輻射能量的試題基本參量量的名稱符號定義單位單位符號焦耳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®輻射強度le為點光源輻射能量所張開的立體角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為了對輻射度量有比較清楚的認識，下面對各參量作一些簡要的說明。 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，輻射能的法定計量單位是焦耳(J)。 輻射能密度。單位積內的輻射能稱為光源的輻射能密度。用它的體密度來表示。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。單位時間內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時間內轉移的單元能量，輻射通量的單位為瓦(1W = 1J/S)。 輻射強度e。在單位立體角(一個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)內離開輻射源的輻射通量稱為 輻射強度。其表達式為'e = d e /d 門(2-3)式中，d e為輻射源在立體角內所輻射出來的輻射通量。輻射強度的單位是瓦/球面度(W/sr)。 輻射出射度汕e。輻射體表面的單位面積內所輻射的通量

7、為輻射出射度。這是用來量度物體輻射能力的物理量。其表達式為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。由輻射表面一點處的單位積在給定方向上的輻射強度稱為輻射亮度。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 度d|e與輻射表面在該方向垂直面上的投影面積之比。其表達式為Le = 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的數值與輻射源的性質有關，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，實驗表明，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。白雪對陽光的反射也符合余弦輻射體的規(guī) 律。對余弦輻射體，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。其表達式為；e = d e/dA(2

9、-8)輻射照度的單位為 W/ m 2。對于理想的散射面，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 和強度，還應知道其光譜組分。因為輻射源發(fā)出的輻射，往往由許多波長的輻 射組成，為了研究各種波長分別輻射的能量，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來描述是不夠的。因為 能量參數并沒有考慮到人眼的作用。由于照明的效果最終是以人眼來評定的， 因此照明光源的光學特性必須用基于人眼視覺的

10、光學參量即光度量來描述。人的視神經對各種不同波長的感光靈敏度不一樣的。對綠光靈敏，對紅光靈敏度要低得多。另外，由于不同人的視覺生理和心理作用不一樣，不同的人對各種波長光的感光靈敏度也有差別。國際照明委員會（CIE ）根據對許多人的大量觀察結果，用平均值的方法，確定了人眼對各種波長的平均相對靈敏度，稱為“標準光度觀察者”的光譜光視效率vC ），或稱視見函數。v（，）的最大值在555nm處。此時，V（ ） = 1,其他波長的V（）都小于1。2當光亮度不小于 3cd/ m 時，人眼的錐狀細胞起主要作用，敏感的光譜范圍是380780,在555nm波長處最敏感，且能分辨出各種顏色， 這種視覺稱為明 視覺

11、，用V（）表示明視覺光譜光視效率。當亮小于0.001cd/ m2時，人眼的錐狀細胞不敏感而主要是柱狀細胞起作用，敏感的光譜范圍是 330730nm ,在507nm波長處最敏感，但不能分辨出各 種顏色。這種視覺叫暗視覺或夜間視覺，用（，）表示暗視覺光譜光視效率。光度量是人眼對相應輻射度量的視覺強度值，由于人眼對不同波長光的感光靈敏度不一樣，能量相同而波長不同的光，在人眼中引起的視覺強義是不相同。表2-2列出了基本光度學的量、定義、單位和符號。表2-2 基本光度學的量、定義、單位和符號量的名稱符號定義式單位單位符號光能量*= KMkEV®d扎個流明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點看表示空間展開的角度稱為立體角，單位為球面角度（sr）。立體角灼 用下式表示：2- = A/r（ 2-10）從0點開始，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人眼所引起的視覺強度值。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；V 為人眼的光譜光視效率，積分限是波長小于380nm和大于780nm的不可見光，7= 0.在式（2-11 ）中，等號的左邊是光通量，其單位是流明（1m）;而等號的右邊的* “是eA輻射通量，單位是瓦（ W）; V（扎堤一個無量綱的系數。所以等號右邊存在一個系數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 射通量相當的光通量為 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。即光源在單位時間內發(fā)出光（可見）的總和，符號為©，單位是流明（Im）。光源所發(fā)出的光能是向所有方向輻射的，對于在單位時間里通過某一面積的光能，稱為通過這一面積的輻射能通量。 各色光的頻率不同，眼睛對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，在視覺上并不能產生相同的明亮程度。在各色光中，黃、綠色光能激起最大的明亮感覺。 如果有綠色光作水準， 令它的光通量等于輻射能通量， 則對其他色光來 說，激起明亮感覺比綠色光小，光通量也小于輻射能通量。絕對黑體在鉑的凝固溫度下，從5.305 103cm2面積上輻射出來的光通量為1lm。為表明光強的光通量的關系，發(fā)光強度為1坎德拉

15、的點光源在單位立體角（1球面度）內發(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)光強度發(fā)光強度簡稱光強，某方向單位立體角的光通量稱為發(fā)光強度，符號為I，單位是坎德拉(cd)。如果光源是一個點，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，發(fā)出強度I (cd)用下式表示：I =/，(2-12)式中，國為立體角，單位為球面度(sr), ©為光通量，單位是流明，對于點光源l=$/4n .發(fā)光強度的

16、單位為坎德拉 (cd)。坎德拉(Can dela)是國際單位制中7個基本單位之一。 其定義為：坎德拉(cd)是一光源在給定方向上的發(fā)光強度，該光源發(fā)出555nm單色輻射，且在此方向上的輻射強度為 1/683W每球面度時，在該方向上的發(fā)光強度為1cd。(4) 照度入射到每單位面積的光通量稱為照度，符號為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)。夏季陽光強烈的中午地面照度約為5000lx。冬天晴天時地面照度約為200

17、0lx，晴朗的月夜地面照度約為0.21IX。被照明物體給定點處單位面積上的入射光通量稱為該點的照度：E = d /dA(2-14)式中，d 為給定處的面元 dA上的光通量。照度的法定計量單位為勒克斯( 1x)。對于受到光照后成為面光源的表面來說，其光出射度與光照度成正比:式中，r為小于1的系數，稱為漫反射率，它與照射表面的性質有關。(5) 發(fā)光度與照度相反，從某個面的單位面積發(fā)散的光通量稱為發(fā)光度，符號為M，單位為每平方米流明(1m/m 2)。假設從面積為 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散面。在全擴散面上的發(fā)光度M (1m/m2 )與亮度的關系如下式：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透過光通量與入射光通量之比稱為透過率。假設面的透過 率為.，透過面的發(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變成熱能。反射率透過率.、吸收率匚之間有以下關系式：' + .+- = 1 (2-20)(6) 亮度從某個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)面的明亮程度，亮度的符號為L,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)光強度I (cd),對著光源看它的外觀面積(面對光源的正投影)時，亮度就是每單位面積A (m2 )的發(fā)光強度，用下式表示:光通量、發(fā)光強度、照度、發(fā)光度、