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就在人们认为光就是一种电磁波,惠更斯在光学上完全战胜牛顿时,人类进入了20世纪。
短短十年内,量子理论和相对论相继建立,物理学由经典物理进入了现代物理学。
牛顿精神神奇的在量子理论中复活,量子理论的确立,很大原因建立于人们对光学的几个重要的波动学说无法解释的实验的理论研究。
爱因斯坦提出光量子的概念,再次回到光的粒子性的问题。
至此,光是具有波粒二象性的物质成为理论上的妥协点。
之后的意大利物理学家德布罗意更是提出所有物质都具有波粒二象性的理论,即认为所有的物体都既是波又是粒子。
将人类对物质的属性的理解完全展拓了。
那么,做一个简单的总结:
从光的波动性上讲,光是电磁波的一部分。
请大家看下图。
从这张图,我们可以看出:
可见光在整个电磁波谱中仅仅占据了很小的一部分,波长从380nm到780nm。
波长比可见光长的辐射称为红外辐射。
波长比可见光短的辐射称为紫外辐射。
二、光的传播
因为我们这门课,侧重于研究照明方面的光学知识,所以在研究光的时候,多从宏观角度去看问题。
1.光的速度
各种辐射能在真空中的传播速度为,每秒299793Km。
当辐射能通过介质时,波长和速度发生改变;
而频率由产生电磁波的辐射源决定,它不随所遇到的介质而改变。
表1-1给出了不同介质中的光速。
波长代表相邻波峰之间的距离。
因在波谱中的范围不同,单位也不同。
请看下图
皮米(pm)、飞米(fm)、阿米(am)
书本上提到了电力传输波,这里我们来简单聊一下无线电传输。
利用无线电的手段,将由电厂制造出来的电力转换成为无线电波发送出去,在通过特定的接收装置将无线电波收集起来并转换为电力,供人们使用。
此技术目前仍处于研究阶段,早在前两年,各国科学家就开始研究利用无线电力传输技术,在月球建设太阳能发电站,然后将其传送到地球为人类提供服务。
日本也在大力研究当中并计划在2015年前后将其投入到居民生活当中。
在2010CES展会(国际消费类电子产品展览会,简称国际消费电子展,英文名InternationalConsumerElectronicsShow每年1月在美国内华达州拉斯维加斯举行,由消费电子协会赞助。
在展览期间,会有许多产品的预览或宣布新产品。
常简称为CES。
)上,海尔推出了一款无尾电视,正是应用了无线电力传输技术。
2.光的反射
当光线遇到非透明物体表面时,大部分光被反射,小部分光被吸收。
光线在镜面和扩散面上的反射状态有以下几种:
●规则反射——镜面反射。
遵循几何光学中的光的反射定律。
●散反射光线从某方向入射到经散射处理的铝板、经涂刷处理的金属板或毛面白漆涂层,反射光向各个不同方向散开,但其总的方向是一致的,其光束的轴线方向仍遵守反射定律。
●漫反射光线从某一方向入射到粗糙表面或无光泽镀层的表层时,光线被分散在许多方向。
在宏观上不存在规则反射,这种光的反射称为漫反射。
如果反射遵从朗伯余弦定律:
即向任意方向的光强与该反射面法线方向的光强所成的角度的余弦成比例,而与光入射方向无关,这种光的反射称为各向同性漫反射。
在这种情况下,从反射面的各个方向看去,反射光亮度均相同。
●混合反射光线从某方向入射到漆釉或带高度光泽的漆层上时,规则反射和漫反射并存,称为混合反射。
这种反射在定向反射方向上的发光强度比其他方向要大得多,且有最大亮度,其亮度分布是不均匀的。
3.光的折射与投射
1)折射光线穿过光滑界面进入第二种介质,会按下述规律变化。
(用天大的课件第一章演示)
2)透射前面我们在讲光的反射时,提到光线照射到非透明物体情况。
如果光线照射到透明物体表面时,一部分光被反射,一部分光被吸收,大部分光投射过去。
投射光在空间分布状态有以下几种情况:
我们可以对照光的反射来研究。
●规则投射光线照射到透明材料上时,按照斯涅尔定律投射。
●散透射光线穿过如磨砂玻璃等材料时,在投射方向上光强较大,其它方向光强较小,表面亮度也不均匀。
●漫透射光线照射到散射性好的材料如乳白玻璃上时,投射光向各个方向散开并均匀分布在整个半球空间内,其遵循朗伯定律。
●混合透射透射特性介于规则透射和漫透射之间。
3)吸收是由于光能转变成能量的其它形态。
如果媒质是均匀的,则当一定波长的平行光束穿过该媒质时,光强损失如下
其中,
为何波长有关的线吸收率。
有些材料在可见光范围内对不同波长有不同的吸收率。
我们可以用这种材料制作滤色片。
在某种特定条件下,媒质的吸收率可以为负值,这就意味着光线通过这些材料时,光强增加了,这就是激光器的原理。
1.1.2光是如何进行定量描述的
可见光是可以用辐射量和光学量这两种量值系统来度量的,把可见光作为物理现象来研究,应采用辐射量值系统;
而研究与人的视觉有光问题时,采用光学量值系统。
我们研究的是光学量值问题,下面先介绍几个概念。
一、光通量
(luminousflux)
1.定义:
光源在单位时间内发出的光量
2.公式:
3.单位:
lm(流明)
它是根据辐射对标准观察者( 对于任何刺激,锥体细胞的反应通过积分计算出来,即将刺激的光谱功率分布逐个按波长乘以每个锥体细胞的光谱灵敏度,然后将所有的乘积加起来。
如果刺激是物体,它的光谱功率分布是照射物体的光源的光谱功率分布与其光反射率的乘积。
我们需要一个目视色度计,它能显示与理想观察者遇到的任何刺激匹配的颜色。
制造这种色度计的最容易的方法是利用3种单色(单一波长)的假设光。
在制造目视色度计时,对于该理想观察者,最佳的原色是450nm、550nm和650nm的颜色,每种原色只能刺激一类感受器。
原色与感受器光谱灵敏度最大值相一致,产生最大效率。
通过改变450nm、550nm和650nm波长的光的光量,任何刺激都可以匹配。
原色为450nm、550nm和650nm的目视色度计标准化以后,就可用来测量理想观察者感兴趣的任何刺激的颜色。
)的作用导出的光通量。
对于上面的公式,大家现在还不好理解,等我们学完第三节光与人的关系后,相信大家会有一个更好的理解。
二、发光强度
1.定义光源在给定方向的单位立体角中发射的光通量定义为光源在该方向上的光强度。
2.公式
3.单位cd(坎德拉)
三、光照度E
1.定义物体被照亮的程度,单位表面接受到的光通量。
3.单位lx(勒克斯)1lx的照度是比较小的,在此照度下大致能辨认周围的物体,进行区别细小零件的工作是不可能的。
(举例)
四、光出射度M
1.定义光源表面上某一微小面元
向半个空间发出的光通量为
,则此面元的光出射度为
3.单位
光出射度和照度具有相同的量纲,其区别在于光出射度是表示发光体发出的光通量表面密度,照度则表示被照物体接受的光通量密度。
对于因反射或透射而发光的二次发光表面,其光出射度是
反射发光
透射发光
五、亮度L
1.定义光源在某一方向上的光亮度
是光源在该方向上的单位投影面在单位立体角中发射的光通量。
式中
为通过给定点的辐射束元传输的并包含给定方向立体角
内传播的光通量。
3.单位坎德拉每平方米(
)
1.1.3近代光源的技术指标和评价方式
1.2色度学基础概念
1.2.1什么是颜色
国际照明委员会和我国国家标准规定,颜色是目视感知的一种属性,可用白、黑、灰、黄、绿、红等颜色名称进行描述。
光源色是指光源发射的颜色。
物体色是光被物体反射或透射后的颜色。
表面色是漫反射、不透明物体表面的颜色。
一、无彩色和彩色
颜色分为无彩色和彩色两大类。
无彩色在知觉上是指无色调的知觉色,通常用白、灰、黑等色名。
白色、黑色和各种深浅不同的灰色,可以排列成一个系列,称为黑白系列。
黑白系列的无彩色代表物体反射比的变化,在视觉上表现为明度的变化,愈接近白色,明度越高,愈接近黑色,明度愈低。
白色、黑色和灰色对光谱各波长的反射没有选择性,故称他们为中性色。
彩色在知觉意义上是指有色调的知觉色,彩色有三个特性:
色调、明度和彩度。
无彩色只有明度的差别,没有色调和彩度这两个特性。
对于无彩色的物体只能根据明度的差别来辨认物体。
二、颜色的混合
颜色可以通过光混合,也可以通过染料混合,但两种混合的结果是不同的,前者称为相加混合,后者称为相减混合。
因为颜色光的混合是由于不同颜色光引起眼睛的同时兴奋,而染料混合则是不同波长的光在所混合的染料微粒中逐渐被吸收。
对于相加混合,符号以下颜色混合定律。
●人的视觉只能辨别颜色的3种变化:
明度、色调、彩度。
●在有两种成分的混合色中,如果一个成分连续的变化,混合色外貌也随之连续变化。
补色率:
每一种颜色都有一个相应补色。
如果某一颜色和其补色以适当比例混合,便产生白色或灰色;
如果按其它比例混合,则产生偏向比重大的颜色成分的非饱和色。
中间色率:
任何两个互补色相混合,便产生中间色,其色调取决于两颜色的相对数量,其饱和度取决于两者在色调顺序上的远近。
●颜色外貌相同的光,不管其光谱组成是否一样,在颜色混合中具有相同的效果。
颜色代替率:
相似颜色混合后仍相似。
颜色混合方法来产生或代替各种所需要的颜色,现代色度学就是在此定律基础上的。
●由各种颜色光组成的总亮度等于组成混合光的各颜色光的亮度总和,该定律称为亮度相加定律。
相减混合
用图例说明
1.2.2色彩是如何表达的
各种光源发出的光,由于光谱功率分布的差异,显现出各种不同的颜色。
世间万物的光谱发射率(或投射率)不尽相同,因而大自然在日光下照射下才显得五彩缤纷。
如何表达光源和物体的颜色,下面介绍两种系统。
一、孟赛尔系统
孟塞尔所创建的颜色系统是用颜色立体模型表示颜色的方法。
它是一个三维类似球体的空间模型,把物体各种表面色的三种基本属性色相、明度、饱和度全部表示出来。
以颜色的视觉特性来制定颜色分类和标定系统,以按目视色彩感觉等间隔的方式,把各种表面色的特征表示出来。
目前国际上已广泛采用孟塞尔颜色系统作为分类和标定表面色的方法。
孟塞尔颜色立体如图所示,中央轴代表无彩色黑白系列中性色的明度等级,黑色在底部,白色在顶部,称为孟塞尔明度值。
它将理想白色定为10,将理想黑色定为0。
孟塞尔明度值由0-10,共分为11个在视觉上等距离的等级。
在孟塞尔系统中,颜色样品离开中央轴的水平距离代表饱和度的变化,称之为孟塞尔彩度。
彩度也是分成许多视觉上相等的等级。
中央轴上的中性色彩度为0,离开中央轴愈远,彩度数值愈大。
该系统通常以每两个彩度等级为间隔制作一颜色样品。
各种颜色的最大彩度是不相同的,个别颜色彩度可达到20。
孟塞尔颜色立体水平剖面上表示10种基本色。
如图5-18所示,它含有5种原色:
红(R)、黄(Y)、绿(G)、蓝(B)、紫(P)和5种间色:
黄红(YR)、绿黄(GY)、蓝绿(BG)、紫蓝(PB)、红
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