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s m /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。

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
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Q e 。

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 ω。

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 ω＝dQ Q e /dV （2-1）
式中，V 为体积。

辐射能密度单位是焦耳/米3
（J/m 3
）。

③
辐射通量e φ。

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 φ ＝dQ e /dt （2-2）
式中，d Q e 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 I 。

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 I ＝d e φ/d Ω ( 2-3)
式中，d e φ为辐射源在d Ω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 M 。

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 M ＝d e φ/ds (2-4) 式中，d e φ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/m 2
）。

⑥
辐射亮度e L 。

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θ角的方向上，辐射亮度等于该方向上的辐射强
度d e I 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
e L ＝d e I /dA ⨯cos θ (2-5)
式中，dA 为某处辐射源表面的单位面积，θ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/（m 2
. sr ））。

e L 的数值与辐射源的性质有关，并随给定方向而变。

若e L 不随方向而变，则e L 正比
于cos θ,即
e I ＝o I cos θ (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 M ＝πe L （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 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 E ＝d e φ/dA （2-8） 辐射照度的单位为W/ m 2。

对于理想的散射面，满足条件e M ＝e E 。

e E ＝πe L （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 )(λ，或称视见函数。

V )(λ的最大值在555nm 处。

此时，V )(λ＝1,其他波长的V )(λ都小于1。

当光亮度不小于3cd/ m 2
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 )(λ表示明视觉光谱光视效率。

当亮小于0.001cd/ m 2
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)('λ∨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。

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ω 用下式表示：
ω＝A/r 2 （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：
φ＝K M ()λλλλd V e Φ⎰＝K M
()λλλd V e Φ⎰
780
380
（2-11）
式中，K M 为辐射度量与光度量之间的比例系数；
()λV 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，()λV ＝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φ
λ
e 是
辐射通量，单位是瓦（W ）；()λV 是一个无量纲的系数。

所以等号右边存在一个系数K M ,从而使两边的单位一致。

显然，K M 的单位为1m/W ，称为最大光谱光视效能，K M ＝683（1m/W ）。

K M 表示在波长为555nm 处，即人眼光谱视效最大（()λV ＝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φ，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。

绝对黑体在铂的凝固温度下，从5.3052
3
10cm ⨯面积上辐射出来的光通量为1lm 。

为表明光强的光通量的关系，发光强度为1坎[德拉]的点光源在单位立体角（1球面度）内发出的光通量为1lm 。

一般情况下，同类型光源的功率越高，光通量也越大。

例如：一只40W 的普通白炽灯
的光通量为350～470lm，而一只40W的普通直管形荧光灯的光通量为2800lm左右，为白炽灯的6～8倍。

（3）发光强度
发光强度简称光强，某方向单位立体角的光通量称为发光强度，符号为l，单位是坎[德拉]（cd）。

如果光源是一个点，称为光源。

图2-3表示从光源向立体角ω（sr）发出的光通量为φ（lm）时，发出强度I (cd)用下式表示：
I＝φ/ω（2-12）
式中，ω为立体角，单位为球面度（sr），φ为光通量，单位是流明，对于点光源I=φ/4π.
发光强度的单位为坎德拉（cd）。

坎德拉（Candela）是国际单位制中7个基本单位之一。

其定义为：坎德拉（cd）是一光源在给定方向上的发光强度，该光源发出555nm单色辐射，且在此方向上的辐射强度为1/683W每球面度时，在该方向上的发光强度为1cd。

（4）照度
入射到每单位面积的光通量称为照度，符号为E，单位是勒[克斯]（1x）。

在图2-4中，光通量为φ（1m）的光入射到面积为A（m2）面积上，在此面上的照度E（1x）表示如下：
E＝φ/A （2-13）
如果每平方米被照面上接收到的光通量为1（lm），则照度为1（lx）。

夏季阳光强烈的中午地面照度约为5000lx。

冬天晴天时地面照度约为2000lx，晴朗的月夜地面照度约为0.21lx。

被照明物体给定点处单位面积上的入射光通量称为该点的照度：
E＝dφ/dA (2-14)
式中，dφ为给定处的面元dA上的光通量。

照度的法定计量单位为勒克斯（1x）。

对于受到光照后成为面光源的表面来说，其光出射度与光照度成正比：
M＝ρE （2-15）式中，ρ为小于1的系数，称为漫反射率，它与照射表面的性质有关。

（5）发光度
与照度相反，从某个面的单位面积发散的光通量称为发光度，符号为M，单位为每平方米流明（1m/m 2）。

假设从面积为A（m2）的面发散的光通量是φ（1m），则发光度M （1m/ m2）用下式表示：
M＝φ/A （2-16）不论从任何方向看，亮度都相同的表面称为全扩散面。

在全扩散面上的发光度M（1m/ m2）与亮度的关系如下式：
M＝πL （2-17）在图2-5中，反射通量与入射光通量之比称为反射率。

假设面的照度为E（lx），面的反射率为ρ，则反射面
的发光度M
（1m/ m2）用下式表示：
ρ
＝ρE
M
ρ
透过光通量与入射光通量之比称为透过率。

假设面的透过
率为τ,透过面的发光度Mτ（1m/ m2）用下式表示：
＝τE （2-19）
M
τ
吸收掉的能量与入射能量之比称为吸引率。

被吸收的能量在材料中转变成热能。

反射率ρ、透过率τ、吸收率σ之间有以下关系式：
ρ+τ+σ＝1 （2-20）（6）亮度
从某个方向看物体或光源的明亮程度称为亮度。

一般是表示发光（反射、透过）面的明亮程度，亮度的符号为L，单位为每平方米坎[德拉]（cd/ m2）.
图2-6所表示的球光源不论在什么方向都有相同的发光强度I（cd），对着光源看它的外观面积（面对光源的正投影）时，亮度就是每单位面积A（m2）的发光强度，用下式表示：
L ＝I A （2-21） 光通量、发光强度、照度、发光度、亮度之间的关系如图2-7所示。

光源表面一点处的面元dA 在给定方向上的发光强度d I 该面元在垂直平面上的正投影面积之比，称为光源在该方向上的亮度：
L ＝d I/dA θcos ⨯ (2-22) 式中，θ为给定方向与面元法线间的夹角。

亮度的法定计量单位为坎德拉每平方米（cd/ m 2
）。

对于余弦辐射体，光亮度不随方向而变，但不要把照度与亮度的概念混淆起来。

它们是两个完全不同的物理量。

照度表征受照面的明暗程度，照度与光源至被照面的距离的平方成反比。

而亮度是表征任何形式的光源或被照射物体表面是面光源时的发光特性。

如果光源与观察者眼睛之间没有光吸收现象存在，那么亮度值与二者间距离无关。

球光源。