光學基礎知識

1、光學基礎知識制定：制定：2009-10-272009-10-27講師：高攀寧光的波粒二象性光一直被認為是最小的物質(zhì)，雖然它是個最特殊的物質(zhì)，但可以說探索光的本性也就等于探索物質(zhì)的本性。歷史上，整個物理學正是圍繞著物質(zhì)究竟是波還是粒子而展開的。光學的任務是研究光的本性，光的輻射、傳播和接收的規(guī)律；光和其他物質(zhì)的相互作用（如物質(zhì)對光的吸收、散射、光的機械作用和光的熱、電、化學、生理效應等）以及光學在科學技術(shù)等方面的應用。先熟悉一下有關光的基本知識。關于光的本性問題，笛卡兒在他方法論的三個附錄之一折光學中提出了兩種假說。一種假說認為，光是類似于微粒的一種物質(zhì)；另一種假說認為光是一種以“以太”為媒質(zhì)的

2、壓力。1663年，英國物理學家胡克重復了格里馬第的試驗，并通過對肥皂泡膜的顏色的觀察提出了“光是以太的一種縱向波”的假說。根據(jù)這一假說，胡克也認為光的顏色是由其頻率決定的。然而1672年，偉大的牛頓在他的論文關于光和色的新理論中談到了他所作的光的色散實驗：讓太陽光通過一個小孔后照在暗室里的棱鏡上，在對面的墻壁上會得到一個彩色光譜。他認為，光的復合和分解就像不同顏色的微?；旌显谝黄鹩直环珠_一樣。在這篇論文里他用微粒說闡述了光的顏色理論。第一次波動說與粒子說的爭論由“光的顏色”這根導火索引燃了。從此胡克與牛頓之間展開了漫長而激烈的爭論。 波動說的支持者，荷蘭著名天文學家、物理學家和數(shù)學家惠更斯繼承

3、并完善了胡克的觀點。 1905年3月，愛因斯坦在德國物理年報上發(fā)表了題為關于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個推測性觀點的論文他認為對于時間的平均值，光表現(xiàn)為波動；對于時間的瞬間值，光表現(xiàn)為粒子性。這是歷史上第一次揭示微觀客體波動性和粒子性的統(tǒng)一，即波粒二象性。這一科學理論最終得到了學術(shù)界的廣泛接受。1921年，愛因斯坦因為光的波粒二象性這一成就而獲得了諾貝爾物理學獎。光學的前輩 VS 粒子說 波動說 波粒二象性生命之光-陽光1665年，牛頓(Isaac Newton)進行了太陽光實驗，讓太陽光通過窗板的小圓孔照射在玻璃三角棱鏡上，光束在棱鏡中折射后，擴散為一個連續(xù)的彩虹顏色帶，牛頓稱之為光譜，表示連續(xù)的可

4、見光譜。而可見光譜只是所有電磁波譜中的一小部分。生命之光-陽光三基色的由來牛頓認為白光(太陽光)使復雜的，由無數(shù)種不同的光線混合，各種光線在玻璃中受到不同程度的折射。棱鏡沒有改變白光而只是將它分解為簡單的組成部分，把這些組成部分混合，能夠重新恢復原來的白色。利用第二塊棱鏡可以將擴散的光再次合成為白光。在重新合成之前，通過屏蔽部分光譜，可以產(chǎn)生各種顏色。Young在1802年的實驗表明：如果在紅、綠、藍區(qū)域選擇部分光譜，這三者適當?shù)幕旌峡梢栽佻F(xiàn)白光。后來，Helmholtz成功地定量分析了這種現(xiàn)象?；旌衔镏屑t、綠、藍比例的變化可以產(chǎn)生多種顏色，幾乎可以產(chǎn)生任何顏色，紅色、綠色、藍色三者等量的混合

5、可以再現(xiàn)白色。所以：紅、綠、藍這三種顏色就稱為“三原色”(RGB)。顏色的度量CIE1931色度圖 CIE:國際照明委員會明度、色調(diào)和飽和度稱為顏色視覺三特性。明度就是明亮的程度；色調(diào)是由波長決定的色別，如700nm光的色調(diào)是紅色，579nm光的色調(diào)是黃色，510nm光的色調(diào)是綠色等等；飽和度就是純度，沒有混入白色的窄帶單色，在視覺上就是高飽和度的顏色。光譜所有的光都是最純的顏色光，加入白色越多，混合后的顏色就越不純，看起來也就越不飽和。 國際照明委員會（CIE）1931年制定了一個色度圖，用組成某一顏色的三基色比例來規(guī)定這一顏色，即用三種基色相加的比例來表示某一顏色，并可寫成方程式： (C)

6、=R(R)+G(G)+B(B)式中，（C）代表某一種顏色，（R）、（G）、（B）是紅、綠、藍三基色，R、G、B是每種顏色的比例系數(shù)，它們的和等于1，即RGB1，“C”是指匹配即在視覺上顏色相同，如某一藍綠色可以表達為： (C)=0.06(R)+0.31(G)+0.63(B) 如果是二基色混合，則在三個系數(shù)中有一個為零；如匹配白色，則R、G、B應相等。 任何顏色都用匹配該顏色的三基色的比例加以規(guī)定，因此每一顏色都在色度圖中占有確定的位置。色度圖中： X軸色度坐標相當于紅基色的比例； Y軸色度坐標相當于綠基色的比例。圖中沒有Z軸色度坐標（即藍基色所占的比例），因為比例系數(shù)XYZ1，Z的坐標值可以推

7、算出來，即1一（XY）Z。 國際照委會制定的CIE1931色度圖如附圖31。色度圖中的弧形曲線上的各點是光譜上的各種顏色即光譜軌跡，是光譜各種顏色的色度坐標。紅色波段在圖的右下部，綠色波段在左上角，藍紫色波段在圖的左下部。圖下方的直線部分，即連接400nm和700nm的直線，是光譜上所沒有的、由紫到紅的系列?？拷鼒D中心的C是白色，相當于中午陽光的光色，其色度坐標為X03101，Y03162。 設色度圖上有一顏色S，由C通過S畫一直線至光譜軌跡O點（590nm），S顏色的主波長即為590nm，此處光譜的顏色即S的色調(diào)（橙色）。某一顏色離開C點至光譜軌跡的距離表明它的色純度，即飽和度。顏色越靠近C

8、越不純，越靠近光譜軌跡越純。S點位于從C到590nm光譜軌跡的45處，所以它的色純度為45（色純度（CSCO）100。從光譜軌跡的任一點通過C畫一直線抵達對側(cè)光譜軌跡的一點，這條直線兩端的顏色互為補色（虛線）。從紫紅色段的任一點通過C點畫一直線抵達對側(cè)光譜軌跡的一點，這個非光譜色就用該光譜顏色的補色來表示。表示方法是在非光譜色的補色的波長后面加一C字，如536G，這一紫紅色是536nm綠色的補色。 CIE1931色度圖有很大的實用價值，任何顏色，不管是光源色還是表面色，都可以在這個色度圖上標定出來，這就使顏色的描述簡便而準確了。例如為了保證顏色標志的正確辨認和交通安全的管制，在CIE1931色

9、度圖上規(guī)定了具體的范圍，它適用于各種警告信號和顏色標志的編碼。再如在CIE1931色度圖上，可推出由兩種顏色相混合所得出的各種中間色。如Q和S相加，得出Q到S直線的各種中間顏色，如T點，由C通過T抵達552nm的光譜色，可由552nm的波長顏色看出T的色調(diào)，并可由T在C與552nm光譜色之間所占位置看出它的純度。 色度圖 常用照明術(shù)語 光通量光通量 (luminous flux ) 單位：流明（lm） 光源在1S內(nèi)發(fā)出的光量總和稱為光源的光通量。 絕對黑體在鉑的凝固溫度下.從5.305103cm2面積上輻射出來的光通量為1lm. 當物體的吸收率=1時，則表示該物體能全部吸收投射來的各種波長的熱

10、輻射線，這種物體稱為絕對黑體，或簡稱黑體（black body）。 理解：可以認為向水泵一樣，1S抽多少升水，光源則1S出多少光通量。 常用照明術(shù)語 光強光 強 （ luminous intensity ） 單位：坎德拉（cd） 光源在某一給定方向的單位立體角內(nèi)發(fā)射的光通量稱為光源在該方向的發(fā)光強度，簡稱光強。光通量是1S 360的總和，光強則是其中一個角度的光通量。 常用照明術(shù)語 照度照 度 (illuminance) 單位：勒克斯（lx） 入射到單位面積上的光通量稱為照度，即 ，單位勒克斯（lx）。1lm的光通量均勻分布在1m2的平面上所產(chǎn)生的照度為1lx。 常用照明術(shù)語 亮度 反射系數(shù)(

11、reflectance factor)人們觀看物體時,總是要借助于反射光,所以要經(jīng)常用到 反射系數(shù)的概念.反射系數(shù)(reflectance factor)是某物體表面的流明數(shù)與入射到此表面的流明數(shù)之比,以R表示. 亮度(luminance)是指一個表面的明亮程度,以L表示, 即從一個表面反射出來的光通量.不同物體對光有不同的反射系數(shù)或吸收系 數(shù).光的強度可用照在平面上的光的總量來度量,這叫入射光(inci-dent light)或照度(illuminance).若用從平面反射到眼球中的光量來度量光 的強度,這種光稱為反射光(reflection light)或亮度(brightness). 例

12、如,一般白紙大約吸收入射光量的20%,反射光量為80%;黑紙只反射入 射光量的3%.所以,白紙和黑紙在亮度上差異很大. L=RE光 效 （ luminous efficacy of light source） 單位：流明/瓦（lm/W） 光源所發(fā)出的總光通量與該光源所消耗的電功率（瓦）的比值，稱為該光源的光效。平均壽命 （ average life） 單位：小 時（h） 指一批燈燃點，當其中有 50%的燈損壞不亮時所燃點的小時數(shù)。配光曲線：就是表示一個燈具或光源發(fā)射出的光在空間中的分布情況。 常用照明術(shù)語 色 溫 CT-colour temperatur e 當光源所發(fā)出的光的顏色與黑體在某一

13、溫度下輻射的顏色相同時，黑體的溫度就稱為該光源的色溫，用絕對溫度K（kelvim）表示。 黑體輻射理論是建立在熱輻射基礎上的，所以白 熾 燈一類的熱輻射光源的光譜功率分布與黑體在可見區(qū)的光譜功率分布比較接近，都是連續(xù)光譜，用色溫的概念完全可以描述這類光源的顏色特性。 相關色溫 CCT-correlated colour temperature 當光源所發(fā)出的光的顏色與黑體在某一溫度下輻射的顏色接近時，黑體的溫度就稱為該光源的相關色溫，單位為K。 由于氣體放電光源一般為非連續(xù)光譜，與黑體輻射的連續(xù)光譜不能完全吻合，所以都采用相關色溫來近似描述其顏色特性。 色溫（或相關色溫）在3300K以下的光源

14、，顏色偏紅，給人一種溫暖的感覺。色溫超過5300K時，顏色偏蘭，給人一種清冷的感覺。通常氣溫較高的地區(qū)，人們多采用色溫高于4000K的光源，而氣溫較低的地區(qū)則多用4000K以下的光源。根據(jù)Max Planck的理論,將一具完全吸收與放射能力的標準黑體加熱,溫度逐漸升高光度亦隨之改變;CIE色座標上的黑體曲線(Black body locus)顯示黑體由紅橙紅黃黃白白藍白的過程.黑體加溫到出現(xiàn)與光源相同或接近光色時的溫度,定義為該光源的相關色溫度,稱色溫,以絕對溫K(Kelvin,或稱開氏溫度)為單位(K=+273.15).因此,黑體加熱至呈紅色時溫度約527即800K,其他溫度影響光色變化.

15、在很好的照明條件下，眼睛對 550nm 波長的光（黃光）的敏感程度是紅光或藍光的 20 倍。這也是為什么大部分車的霧燈和馬路的路燈采用黃光的一個重要原因。 燈的色溫越高，它對霧和雨的穿透力越差（越不亮）。 常用照明術(shù)語 燈具效率 燈具效率(也叫光輸出系數(shù))是衡量燈具利用能量效率的重要標準，它是燈具輸出的光能量與燈具內(nèi)光源輸出的光能量之間的比例。顯色指數(shù) （Ra） colour rendering index 太陽光和白 熾 燈均輻射連續(xù)光譜，在可見光的波長（ 380nm-760nm）范圍內(nèi)，包含著紅、橙、黃、綠、青、蘭、紫等各種色光。物體在太陽光和白 熾 燈的照射下，顯示出它的真實顏色，但當物體在非連續(xù)光譜的氣體放電燈的照射下，顏色就會有不同程度的失真。我們把光源對物體真實顏色的呈現(xiàn)程度稱為光源的 顯色性 。 為了對光源的顯色性進行定量的評價，引入 顯色指數(shù) 的概念。以標準光源為準，將其顯色指數(shù)定為 1