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光学基础知识


江西华烨节能照 明股份有限公司
光学基础知识 讲师:高攀宁

制定:2009-10-27

光的波粒二象性
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光一直被认为是最小的物质,虽然它是个最特殊的物质,但可以说探索光的本性也就等于探索物质的本 性。历史上,整个物理学正是围绕着物质究竟是波还是粒子而展开的。 光学的任务是研究光的本性,光的

辐射、传播和接收的规律;光和其他物质的相互作用(如物质对光的 吸收、散射、光的机械作用和光的热、电、化学、生理效应等)以及光学在科学技术等方面的应用。先 熟悉一下有关光的基本知识。 关于光的本性问题,笛卡儿在他《方法论》的三个附录之一《折光学》中提出了两种假说。一种假说认 为,光是类似于微粒的一种物质;另一种假说认为光是一种以“以太”为媒质的压力。 1663年,英国物理学家胡克重复了格里马第的试验,并通过对肥皂泡膜的颜色的观察提出了“光是以太 的一种纵向波”的假说。根据这一假说,胡克也认为光的颜色是由其频率决定的。 然而1672年,伟大的牛顿在他的论文《关于光和色的新理论》中谈到了他所作的光的色散实验:让太阳 光通过一个小孔后照在暗室里的棱镜上,在对面的墙壁上会得到一个彩色光谱。他认为,光的复合和分 解就像不同颜色的微粒混合在一起又被分开一样。在这篇论文里他用微粒说阐述了光的颜色理论。第一 次波动说与粒子说的争论由“光的颜色”这根导火索引燃了。从此胡克与牛顿之间展开了漫长而激烈的 争论。 波动说的支持者,荷兰著名天文学家、物理学家和数学家惠更斯继承并完善了胡克的观点。 1905年3月,爱因斯坦在德国《物理年报》上发表了题为《关于光的产生和转化的一个推测性观点》的 论文他认为对于时间的平均值,光表现为波动;对于时间的瞬间值,光表现为粒子性。这是历史上第一 次揭示微观客体波动性和粒子性的统一,即波粒二象性。这一科学理论最终得到了学术界的广泛接受。 1921年,爱因斯坦因为"光的波粒二象性"这一成就而获得了诺贝尔物理学奖。

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光学的前辈

VS 粒子说 波动说

波粒二象性

生命之光-------阳光
1665年,牛顿(Isaac Newton)进行了太阳光实验,让太阳光通过窗板的小圆孔照射在 玻璃三角棱镜上,光束在棱镜中折射后,扩散为一个连续的彩虹颜色带,牛顿称之为 光谱,表示连续的可见光谱。而可见光谱只是所有电磁波谱中的一小部分。

生命之光-------阳光

三基色的由来
牛顿认为白光(太阳光)使复杂的,由无数种不同的光线混合,各种光线在玻璃中受到 不同程度的折射。棱镜没有改变白光而只是将它分解为简单的组成部分,把这些组成 部分混合,能够重新恢复原来的白色。利用第二块棱镜可以将扩散的光再次合成为白 光。在重新合成之前,通过屏蔽部分光谱,可以产生各种颜色。Young在1802年的实 验表明:如果在红、绿、蓝区域选择部分光谱,这三者适当的混合可以再现白光。 后来,Helmholtz成功地定量分析了这种现象。混合物中红、绿、蓝比例的变化可以产 生多种颜色,几乎可以产生任何颜色,红色、绿色、蓝色三者等量的混合可以再现白 色。所以:红、绿、蓝这三种颜色就称为“三原色”(RGB)。

颜色的度量─CIE1931色度图
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CIE:国际照明委员会 明度、色调和饱和度称为颜色视觉三特性。明度就是明亮的程度;色调是由波长决定的色别,如700nm光的色调 是红色,579nm光的色调是黄色,510nm光的色调是绿色等等;饱和度就是纯度,没有混入白色的窄带单色,在 视觉上就是高饱和度的颜色。光谱所有的光都是最纯的颜色光,加入白色越多,混合后的颜色就越不纯,看起来 也就越不饱和。 国际照明委员会(CIE)1931年制定了一个色度图,用组成某一颜色的三基色比例来规定这一颜色,即用三种基 色相加的比例来表示某一颜色,并可写成方程式: (C)=R(R)+G(G)+B(B) 式中,(C)代表某一种颜色,(R)、(G)、(B)是红、绿、蓝三基色,R、G、B是每种颜色的比例系数 ,它们的和等于1,即R+G+B=1,“C”是指匹配即在视觉上颜色相同,如某一蓝绿色可以表达为: (C)=0.06(R)+0.31(G)+0.63(B) 如果是二基色混合,则在三个系数中有一个为零;如匹配白色,则R、G、B应相等。 任何颜色都用匹配该颜色的三基色的比例加以规定,因此每一颜色都在色度图中占有确定的位置。色度图中: X轴色度坐标相当于红基色的比例; Y轴色度坐标相当于绿基色的比例。图中没有Z轴色度坐标(即蓝基色所占的比例),因为比例系数X+Y+Z =1,Z的坐标值可以推算出来,即1一(X+Y)=Z。 国际照委会制定的CIE1931色度图如附图31。色度图中的弧形曲线上的各点是光谱上的各种颜色即光谱轨迹 ,是光谱各种颜色的色度坐标。红色波段在图的右下部,绿色波段在左上角,蓝紫色波段在图的左下部。图下方 的直线部分,即连接400nm和700nm的直线,是光谱上所没有的、由紫到红的系列。靠近图中心的C是白色,相 当于中午阳光的光色,其色度坐标为X=0.3101,Y=0.3162。 设色度图上有一颜色S,由C通过S画一直线至光谱轨迹O点(590nm),S颜色的主波长即为590nm,此处光 谱的颜色即S的色调(橙色)。某一颜色离开C点至光谱轨迹的距离表明它的色纯度,即饱和度。颜色越靠近C越 不纯,越靠近光谱轨迹越纯。S点位于从C到590nm光谱轨迹的45%处,所以它的色纯度为45%(色纯度%=( CS/CO)× 100。从光谱轨迹的任一点通过C画一直线抵达对侧光谱轨迹的一点,这条直线两端的颜色互为补色 (虚线)。从紫红色段的任一点通过C点画一直线抵达对侧光谱轨迹的一点,这个非光谱色就用该光谱颜色的补 色来表示。表示方法是在非光谱色的补色的波长后面加一C字,如536G,这一紫红色是536nm绿色的补色。 CIE1931色度图有很大的实用价值,任何颜色,不管是光源色还是表面色,都可以在这个色度图上标定出来 ,这就使颜色的描述简便而准确了。例如为了保证颜色标志的正确辨认和交通安全的管制,在CIE1931色度图上 规定了具体的范围,它适用于各种警告信号和颜色标志的编码。再如在CIE1931色度图上,可推出由两种颜色相 混合所得出的各种中间色。如Q和S相加,得出Q到S直线的各种中间颜色,如T点,由C通过T抵达552nm的光谱色 ,可由552nm的波长颜色看出T的色调,并可由T在C与552nm光谱色之间所占位置看出它的纯度。

色度图

常用照明术语 –光通量
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光通量 (luminous flux ) 单位:流明(lm) 光源在1S内发出的光量总和称为光源的光通量。 绝对黑体在铂的凝固温度下.从5.305*103cm2面积上辐射出来的光通量 为1lm. 当物体的吸收率α=1时,则表示该物体能全部吸收投射来的各种波长的热 辐射线,这种物体称为绝对黑体,或简称黑体(black body)。 理解:可以认为向水泵一样,1S抽多少升水,光源则1S出多少光通量。

常用照明术语 –光强
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光 强 ( luminous intensity ) 单位:坎德拉(cd) 光源在某一给定方向的单位立体角内发射的光通量称为光源在该方向的发 光强度,简称光强。 光通量是1S 360°的总和,光强则是其中一个角度的光通量。

常用照明术语 –照度
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照 度 (illuminance) 单位:勒克斯(lx)
入射到单位面积上的光通量称为照度,即 ,单位勒克斯(lx)。1lm的光 通量均匀分布在1m2的平面上所产生的照度为1lx。

常用照明术语 –亮度
反射系数(reflectance factor)人们观看物体时,总是要借助于反射光,所以要经 常用到 "反射系数"的概念.反射系数(reflectance factor)是某物体表面的流明 数与入射到此表面的流明数之比,以R表示. 亮度(luminance)是指一个表面的明亮程度,以L表示, 即从一个表面反射出来的光 通量.不同物体对光有不同的反射系数或吸收系 数.光的强度可用照在平面上的光 的总量来度量,这叫入射光(inci-dent light)或照度(illuminance).若用从平面 反射到眼球中的光量来度量光 的强度,这种光称为反射光(reflection light)或 亮度(brightness). 例如,一般白纸大约吸收入射光量的20%,反射光量为80%;黑纸 只反射入 射光量的3%.所以,白纸和黑纸在亮度上差异很大. L=R× E 光 效 ( luminous efficacy of light source) 单位:流明/瓦(lm/W) 光源所发出的总光通量与该光源所消耗的电功率(瓦)的比值,称为该光源的光 效。 平均寿命 ( average life) 单位:小 时(h) 指一批灯燃点,当其中有 50%的灯损坏不亮时所燃点的小时数。

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配光曲线:就是表示一个灯具或光源发射出的光在空间中的分布情况。

常用照明术语
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色 温 CT-colour temperatur e 当光源所发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色相同时,黑体的温度就称为该光源 的色温,用绝对温度K(kelvim)表示。 黑体辐射理论是建立在热辐射基础上的,所以白 炽 灯一类的热辐射光源的光谱功率分布与 黑体在可见区的光谱功率分布比较接近,都是连续光谱,用色温的概念完全可以描述这类光 源的颜色特性。 相关色温 CCT-correlated colour temperature 当光源所发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色接近时,黑体的温度就称为该光源 的相关色温,单位为K。 由于气体放电光源一般为非连续光谱,与黑体辐射的连续光谱不能完全吻合,所以都采用相 关色温来近似描述其颜色特性。 色温(或相关色温)在3300K以下的光源,颜色偏红,给人一种温暖的感觉。色温超过 5300K时,颜色偏兰,给人一种清冷的感觉。通常气温较高的地区,人们多采用色温高于 4000K的光源,而气温较低的地区则多用4000K以下的光源。 根据Max Planck的理论,将一具完全吸收与放射能力的标准黑体加热,温度逐渐升高光度亦随 之改变;CIE色座标上的黑体曲线(Black body locus)显示黑体由红——橙红——黄——黄白——白—— 蓝白的过程.黑体加温到出现与光源相同或接近光色时的温度,定义为该光源的相关色温度,称 色温,以绝对温K(Kelvin,或称开氏温度)为单位(K=℃+273.15).因此,黑体加热至呈红色时温度 约527℃即800K,其他温度影响光色变化. 在很好的照明条件下,眼睛对 550nm 波长的光(黄光)的敏感程度是红光或蓝光的 20 倍 。这也是为什么大部分车的雾灯和马路的路灯采用黄光的一个重要原因。 灯的色温越高,它对雾和雨的穿透力越差(越不亮)。

常用照明术语
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灯具效率 灯具效率(也叫光输出系数)是衡量灯具利用能量效率的重要标准,它是灯具输出的 光能量与灯具内光源输出的光能量之间的比例。 显色指数 (Ra) colour rendering index 太阳光和白 炽 灯均辐射连续光谱,在可见光的波长( 380nm-760nm)范围内, 包含着红、橙、黄、绿、青、兰、紫等各种色光。物体在太阳光和白 炽 灯的照射 下,显示出它的真实颜色,但当物体在非连续光谱的气体放电灯的照射下,颜色 就会有不同程度的失真。我们把光源对物体真实颜色的呈现程度称为光源的 显色 性。 为了对光源的显色性进行定量的评价,引入 显色指数 的概念。以标准光源为准, 将其显色指数定为 100,其余光源的显色指数均低于100。 显色指数 用 Ra 表示 , Ra 值越大,光源的显色性越好。 光源效率也就是每一瓦电力所发出的量,其数值越高表示光源的效率愈高,所以 对于使用时间较长之场所,如办公室走廊\道路\隧道等,效率通常是一个重要的 考虑因素

类别 Ra 适用范围 1A >90 美术馆、博物馆及印刷等行业及场所 2B 80—90 家庭、饭馆、高级纺织工艺及相近行业 2 60—80 办公室、学校、室外街道照明 3 40—60 重工业工厂、室外街道照明 4 20—40 室外道路照明及一些要求不高的地方


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