光的基本知识

光的基本知识

光的特性

1.光的定义

光是一种自然现象，当一束光投射到物体上时，光会发生反射、折射、干涉以及衍射等现象。人们之所以能够看到客观世界中斑驳陆离、瞬息万变的景象，是因为眼睛能够接收物体发射、反射或散射的光。就光的本质而言是一种电磁波，覆盖着电磁频谱相当宽（从X射线到远红外）的范围，人类肉眼所能看到的可见光只是整个电磁波谱的一部他。

电磁波刺激人的眼睛，经过视觉神经传达到人的大脑，使人可以看到物体的形状和颜色，这段波长的电磁波称为可见光，可见光的波长不同，人眼感觉到的颜色也不同。可见光的波长范围在360～830nm之间，仅是电磁辐射光谱非常小的一部分。波长的范围不同决定了各种不同波长光的性质。780～380nm的光依次是红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色光，两种颜色之间没有明显的分界。将全部可见光波混合在一起就形成日光，即白色光。波长大于780nm的电磁波是红外线、微波和无线电波等。波长小于380nm的电磁波是紫外线、X射线和宇宙射线等。

光以约sm/X1038速度在空间传播。由图2-1可看出大部分电磁波都是肉眼看不见的。当光通过某种物质时如水或空气，其传播速度就会减慢。光在真空中的传播速度和在媒质中的传播速度比值称为该媒质的折射率，在折射率不同的两种媒质的界面上。入射光线产生折射与发射现象。另外光在传播过程中还会产生散射，漫反射、漫透射现象。

波长

0.001nm 10nm 200nm 380nm 780nm 0.002nm 1mm 100Km

X射线 远紫外线 近紫外线 可见光 近红外线 远红外线 无线电波 声音

颜色 紫 蓝 绿 黄 橙 红

波长/nm 380～430 430～490 490～550 550～590 590～640 640～780

图2-1电磁波的波谱

人们通常所说的光是指：“可见光”，它是由光源发出的辐射能中的一部分，并能产生视觉效应。从量子物理的观点，光具有二重性：粒子性和波动性。单个光子呈粒子性，密集光子的集合衍射便呈现出波动性。所以，光是一种电磁辐射能，即电磁波，光线的方向也就是波的传播方向。 太阳光和光源在发出可见光的同时，都会有紫外的红外辐射。只是人的眼睛视觉反应不出来而已。在太阳光谱中，波长大于1400nm的光波被大气层中的水蒸气和二氧化碳强烈吸收，波长小于290nm的光波被大气层中的臭氧所吸收。

人的眼睛对不同颜色光的视觉灵敏度不同，对光谱中心部位的黄、绿色光最灵敏，对两边的紫光和红光都不灵敏。人类在进化过程中紫外光和红外光对眼睛不产生视觉反应。紫外线会伤害人的眼睛，红外线只能刺激人的皮肤产生热的感觉。

2.辐射度量

辐射在本质上是一种能量的形式，如光辐射、热辐射、磁辐射等。辐射伴随着辐射能量的转移。辐射能量的度量通常以表2-1所列出的一些基本参量来描述。

表2-1辐射能量的试题基本参量

量的名称 符号 定义 单位 单位符号

辐射能

辐射能密度

辐射通量

辐射初射度

辐射强度

辐照度 Qe

e

e

e

e

e

dQe/dV

dQe/dt

dee/dV

dee/d

为点光源辐射能量所张开的立体角

d/e/dAcos

为观察方向与光源表面法线的夹角dee/dA 焦耳

焦耳/m3

W

W/m2

W/球面度

W/m2. 球面度

W/m2 J

J/m3

W

W/m2

W/sr

W/m2. sr

W/m2

为了对辐射度量有比较清楚的认识，下面对各参量作一些简要的说明。

① 辐射能Qe。能辐射的形式发射、传播或接收的能量称为辐射能，与其他任何形式的能一样，辐射能的法定计量单位是焦耳（J）。

② 辐射能密度e。单位积内的辐射能称为光源的辐射能密度。用它的体密度来表示。其定义式为

e＝dQ Qe/dV （2-1）

式中，V为体积。辐射能密度单位是焦耳/米3（J/m3）。

③ 辐射通量e。单位时间内辐射的总能量称为辐射通量。辐射通量也可称为辐射功率。其表示式为

e ＝dQe/dt （2-2）

式中，d Qe是在dt时间内转移的单元能量，辐射通量的单位为瓦（1W＝1J/S）。

④ 辐射强度e。在单位立体角（一个锥体的顶端在球心上，底面积等于球半径的平方，这锥体所包的立本角就叫做单位立休角）内离开辐射源的辐射通量称为辐射强度。其表达式为

e＝de/d ( 2-3)

式中，de为辐射源在d立体角内所辐射出来的辐射通量。辐射强度的单位是瓦/球面度（W/sr）。

⑤ 辐射出射度e。辐射体表面的单位面积内所辐射的通量为辐射出射度。这是用来量度物体辐射能力的物理量。其表达式为

e＝de/ds (2-4)

式中，de为辐射体表面的面积元ds向所有方向所发出的辐射通量。辐射出射度的单位是瓦/米2（W/m2）。

⑥ 辐射亮度eL。由辐射表面一点处的单位积在给定方向上的辐射强度称为辐射亮度。在与辐射表面dA的法线成角的方向上，辐射亮度等于该方向上的辐射强度deI与辐射表面在该方向垂直面上的投影面积之比。其表达式为

eL＝d eI/dAcos (2-5)

式中，dA为某处辐射源表面的单位面积，为光源表面的法线与给定方向间的夹角。辐射亮度的单位为W/球面度平方米（W/（m2. sr））。

eL的数值与辐射源的性质有关，并随给定方向而变。若eL不随方向而变，则eL正比于cos,即

e＝ocos (2-6)

满足上式的特殊光源称为余弦辐射体，余弦辐射体也称均匀漫反射体或朗伯体。除了黑体、灰体外，实验表明，抛毛乳白玻璃的透视光或反射光以及氧化镁、硫酸钡等表面的反射光很接近于理想的余弦辐射体。白雪对阳光的反射也符合余弦辐射体的规律。对余弦辐射体，即服从朗伯定律的辐射体可以按式（2-7）推算出：

e＝πeL （2-7）

即余弦辐射体的辐射出射度在数值上为其辐射亮度的π倍。

⑦ 辐射照度e。辐射照度为接收面上单位面积所照射的辐射通量。其表达式为

e＝de/dA （2-8）

辐射照度的单位为W/ m2。对于理想的散射面，满足条件e＝e。

e＝πeL （2-9）

⑧ 光谱辐射度量（辐射量的光谱密度）。为了表征辐射，不仅要知道辐射的总通量和强度，还应知道其光谱组分。因为辐射源发出的辐射，往往由许多波长的辐射组成，为了研究各种波长分别辐射的能量，引入了光谱辐射度量的概念。

除了特殊用途的辐射源（如红外光源和紫外光源）外，大量的辐射源是作为照明用。照明光源的特性只用前面所叙述的一些能量参数来描述是不够的。因为能量参数并没有考虑到人眼的作用。由于照明的效果最终是以人眼来评定的，因此照明光源的光学特性必须用基于人眼视觉的光学参量即光度量来描述。

人的视神经对各种不同波长的感光灵敏度不一样的。对绿光灵敏，对红光灵敏度要低得多。另外，由于不同人的视觉生理和心理作用不一样，不同的人对各种波长光的感光灵敏度也有差别。国际照明委员会（CIE）根据对许多人的大量观察结果，用平均值的方法，确定了人眼对各种波长的平均相对灵敏度，称为“标准光度观察者”的光谱光视效率V)(，或称视见函数。V)(的最大值在555nm处。此时，V)(＝1,其他波长的V)(都小于1。

当光亮度不小于3cd/ m2时，人眼的锥状细胞起主要作用，敏感的光谱范围是380～780,在555nm波长处最敏感，且能分辨出各种颜色，这种视觉称为明视觉，用V)(表示明视觉光谱光视效率。

当亮小于0.001cd/ m2时，人眼的锥状细胞不敏感而主要是柱状细胞起作用，敏感的光谱范围是330～730nm，在507nm波长处最敏感，但不能分辨出各种颜色。这种视觉叫暗视觉或夜间视觉，用)('表示暗视觉光谱光视效率。

光度量是人眼对相应辐射度量的视觉强度值，由于人眼对不同波长光的感光灵敏度不一样，能量相同而波长不同的光，在人眼中引起的视觉强义是不相同。表2-2列出了基本光度学的量、定义、单位和符号。

表2-2 基本光度学的量、定义、单位和符号

量的名称 符号 定义式 单位 单位符号

光能量  ＝KdV 流明 1m

光出射度 M d/dA 流明/米2 1m/2m

光照度 E d/dA 勒克斯（流明/米2） 1x(1m/2m)

发光强度 I d/d 坎德拉（流明/球面度） Cd(1m/sr)

光亮度 L dI/dAcos 坎德拉/米2 Cd/2m

光量 Q dt 流明.秒 1m.s

3.照明用词汇与单位

（1）立体角

在图2-2中，从0点看表示空间展开的角度称为立体角， 单位为球面角度（sr）。立体角 用下式表示：

＝A/r2 （2-10）

从0点开始，半径为r(m),球的面积为4π（sr）。

（2）光通量

光通量是光辐射通量对人眼所引起的视觉强度值。光通量

的表示式为：

＝KdVe＝KdVe780380 （2-11）

式中，K为辐射度量与光度量之间的比例系数；

V为人眼的光谱光视效率，积分限是波长小于380nm和大

于780nm的不可见光，V＝0.

在式（2-11）中，等号的左边是光通量，其单位是流明（1m）； 而等号的右边的e是辐射通量，单位是瓦（W）；V是一个无量纲的系数。所以等号右边存在一个系数K,从而使两边的单位一致。显然，K的单位为1m/W，称为最大光谱光视效能，K＝683（1m/W）。K表示在波长为555nm处，即人眼光谱视效最大（V＝1）处，与1W的辐射通量相当的光通量为683lm。

衡量光源发出光的多少的单位为光通量，从光源发射并被人的眼睛接收的能量之和即为光通量。即光源在单位时间内发出光（可见）的总和，符号为，单位是流明（lm）。光源所发出的光能是向所有方向辐射的，对于在单位时间里通过某一面积的光能，称为通过这一面积的辐射能通量。各色光的频率不同，眼睛对各种色光的敏感度也有所不同，即使各色光的辐射能通量相等，在视觉上并不能产生相同的明亮程度。在各色光中，黄、绿色光能激起最大的明亮感觉。如果有绿色光作水准，令它的光通量等于辐射能通量，则对其他色光来说，激起明亮感觉比绿色光小，光通量也小于辐射能通量。