計量論壇

標(biāo)題: 光色度學(xué)知識 [打印本頁]

作者: 清水冰棍 時間: 2006-11-25 09:34
標(biāo)題: 光色度學(xué)知識
光是照明設(shè)計最主要的部份，其為一種輻射能量，可為吾人眼睛所察知；此外，光亦無時不與吾人週遭環(huán)境發(fā)生互動關(guān)係，影響吾人對環(huán)境的視覺經(jīng)驗與觀感。因此在學(xué)習(xí)照明設(shè)計之前，瞭解光本身的性質(zhì)與活動的特性，實有助於日後應(yīng)用許多不同方法對光加以控制，包括燈具的設(shè)計、材質(zhì)的使用、光源與燈具的選擇，進(jìn)而影響整個照明環(huán)境的佈光效果。
光的性質(zhì)
光被定義為「可為視覺評價之輻射能量」，即光為能量的一種形式，藉輻射方式傳送，並能刺激眼睛視網(wǎng)膜產(chǎn)生視覺感知。輻射能及光的研究已有數(shù)世紀(jì)之久，有關(guān)光的理論主要如下：

1. 微粒子理論(Corpuscular Theory)：1660 年代首先由牛頓(Isaac Newton)提出，其認(rèn)為所有加熱的物體會散發(fā)光的能量粒子(particles)，能量即藉此物質(zhì)傳遞。每一粒子具有同樣高的速度且根據(jù)不同顏色而大小互異，這些微小粒子被假定以直線前進(jìn)且可被反射及屈折。

2. 波動理論(Wave Theory)：1670 年，Christian Huygens 發(fā)展出另一套波動理論，指出前進(jìn)波上每一點皆作為下一個波的來源且持續(xù)放射傳送，Huygens 的這套波動理論可以解釋光的反射及折射現(xiàn)象，且認(rèn)為光色係根據(jù)波長決定。18 世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)光的干涉與繞射現(xiàn)象即已更加認(rèn)定光的波動說。

3. 電磁波理論(Electromagnetic Theory)：支持波動理論的證明一直持續(xù)整個19世紀(jì)，19世紀(jì)中由馬克斯威爾(James Maxwell)及赫茲(Heinrich Hertz)將光總結(jié)於電磁理論，進(jìn)一步確定光波乃某固定波段的電磁波，即所有的輻射能均包含電磁波並以光速傳遞。光係電磁波譜(electromagnetic spectrum)的一部份，藉波的移動傳遞能量。

4. 光量子理論 (Quantum Theory)：1900 年由普朗克(M. Plank)大膽假設(shè)光能量的量子化，即電磁波只能攜帶一定基本數(shù)量整數(shù)倍的能量。1905 年愛因斯坦提出光量子說，認(rèn)為光波具有獨立存在的粒子性質(zhì)，這些粒子稱為光量子(quanta，photons)，簡稱光子，其能量正是電磁波量子化的基本數(shù)量，頻率愈高光子能量愈大，且電磁波的強(qiáng)度與光子的數(shù)目成正比。
5. 物質(zhì)波理論(Unified Theory)：光的本質(zhì)究竟是波還是微粒？依 1924 年布羅格理(L. de. Broglie)提出物質(zhì)波的觀念，亦為目前對光的解釋，即光具有波與粒子的二元性，視場合而顯現(xiàn)不同特性。粒子的主要物理量為能量(E)與動量(P)，對波而言則為波長(λ)與頻率(υ)。此兩者皆有簡單的正比或反比關(guān)係：
E ＝ hυ
P ＝ h /λ
(比率常數(shù) h 是普朗克常數(shù))

可確定的是，光是一種能量，因其自光源直線向外放射而具有輻射特性；光可穿透所有種類的透明物質(zhì)，並可在真空中傳遞而無須倚靠任何媒介；自然光源可為太陽或閃電，人工光源主要為白熾燈或氣體放電燈，前者係加熱燈絲至600℃以上而產(chǎn)生光，後者即藉激發(fā)電子撞擊氣體原子釋放能量產(chǎn)生光輻射。
光與輻射能頻譜
所有形式的輻射能皆具有二項特性，即波長與頻率，根據(jù)電磁波理論：
光速＝波長 × 頻率 (在真空狀態(tài)，光速為 3×105 km/sec)

?波長(wavelength)：波峰到波峰或波谷到波谷的距離，單位為 nm 或μm。
1 nm (nanometer) ＝ 10-9 m，1μm ＝ 10-10 m。
?頻率(frequency)：一秒鐘通過的波數(shù)或週期，單位為週期 / 秒(cycle/sec) 或赫(hertz, Hz)、千赫(kilohertz)、兆赫(megahertz)。

根據(jù)不同輻射能的波長與頻率排列所得的圖形稱為輻射能頻譜(radiant energy spectrum)或電磁波譜。整個輻射能頻譜(圖1-1)綜括自宇宙射線(波長最短，頻率最高)、g 射線、c 射線、紫外線、可見光、紅外線、微波、廣播及電視等無線電波至電力傳送(波長最長，頻率最低)等電磁波(波長範(fàn)圍由 10-16～105 m)。接近中央地帶即為可見光譜(visible spectrum)，係唯一人眼可察知的部份，紫外線與紅外線分別與其左右相鄰；紫外線頻率較高、波長較短，紅外線則頻率較低、波長較長，兩者皆不可見。
高←───頻率───→低
紫             可             紅
外             見             外
線             光             線
短←───波長───→長
380 nm ～ 770 nm

1. 紫外線(ultraviolet, UV)：紫外線輻射依其與可見光之距離分為近、中、遠(yuǎn)三區(qū)帶：

?近程紫外線(UV-A)             315～400 nm
?中程紫外線(UV-B)             280～315 nm
?遠(yuǎn)程紫外線(UV-C)             100～280 nm

(1) 近程(near)紫外線：此部份紫外線以“黑光”(black light)(300～400 nm)為代表，其涵蓋於可見光範(fàn)圍內(nèi)的部份為暗紫色。近程紫外線可使具螢光成份之物質(zhì)產(chǎn)生螢光效應(yīng)，多用於辨識偽鈔或營造特殊舞臺效果如酒吧、舞池等處。

(2) 中程(middle)紫外線：日光浴即利用太陽輻射此部份的紫外線曬黑皮膚，過度曝曬於太陽底下則會曬傷皮膚，甚至導(dǎo)致皮膚老化及皮膚癌。某些光源則特別為進(jìn)行人工日光浴而設(shè)計。通常大多數(shù)燈具使用的硬質(zhì)玻璃(hard glass)即可過濾紫外線的此一部份。

(3) 遠(yuǎn)程(far)紫外線：遠(yuǎn)程紫外線輻射對人類甚為危險，其在 220～300 nm 的部份可殺菌，但亦會造成對眼球的傷害，導(dǎo)致白內(nèi)障及眼角膜損壞；此部份紫外線廣泛用於製藥過程的殺菌或醫(yī)院病房消除傳染病的感染。另外，在 180～220 nm 部份，以製造臭氧為主的紫外線曾廣泛用於乾衣業(yè)以及淨(jìng)化空氣，因瞭解到足夠濃度的臭氧具有毒性後已漸不使用。

2. 可見光(visible)：輻射能頻譜的可見光部份波長在 380～770 nm，吾人能看到這世界全賴此部份對人眼產(chǎn)生的視覺作用。可見光依波長的不同而有顏色之別，透過三稜鏡的分光清楚可見紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫色光，其中以紅光波長最長，紫光則最短。中午的晝光即平均包含這些不同波長的色光，顯現(xiàn)混合而成的白色光。
3. 紅外線(infrared)：紅外線輻射能波長在 770～106 nm 。紅外線並非如紫外線般以波長來評量，而是以其如何作用於物體表面來評斷。主要應(yīng)用於工業(yè)加熱、烘乾(烤)，以及紅外線偵測如自動門等。紅外線亦可分為近、遠(yuǎn)二區(qū)帶：

?近程(短波)紅外線                      770～1,400 nm
?遠(yuǎn)程(長波)紅外線                   1,400～1,000,000 nm

可見光與紅外線可穿透人體肌肉組織，影響其生化過程，有益人體健康。長期隔離於陽光會破壞人體生理時鐘的明暗節(jié)奏、體溫控制與血液中荷爾蒙的分泌。紫外線無法穿透皮膚肌理，但過度曝曬會對皮膚產(chǎn)生嚴(yán)重影響，甚至引起皮膚癌；由於紫外線可破壞皮膚細(xì)胞，醫(yī)學(xué)上用於放射療法。因此所有會產(chǎn)生紫外線的光源，例如某些石英鹵素?zé)簟⒀}金屬燈及水銀燈，應(yīng)避免直射人體，否則必須於光源前加裝保護(hù)鏡過濾紫外線，以減少對人皮膚及眼睛的傷害。

[ 本帖最后由 vandyke 于 2008-8-31 10:00 編輯 ]

作者: 清水冰棍 時間: 2006-11-25 09:35
標(biāo)題: 發(fā)點關(guān)于光色度學(xué)的一些知識吧(二)
光的活動
光本身並無實體，因此吾人並看不見光，除非自物體(某種程度的實體)表面反射或透過的光進(jìn)入人眼。亦即當(dāng)光遭遇到物體表面，而與被照物產(chǎn)生某種形式的互動如反射、透射、折射或吸收，其它可能的變化尚有偏光、繞射或干涉，唯有如此，光才可以被感知及評量(圖1-2)。(照明設(shè)計較少涉及繞射與干涉現(xiàn)象，故不予討論。)

1. 反射(reflection)：吾人所看到的物體，其實是該物體所反射的光在人眼視網(wǎng)膜上成像所致(圖1-3)。也就是說，沒有光的存在，物體無法反射光而吾人也無法看見物體。

(1) 鏡反射(specular reflection)：鏡反射發(fā)生於光亮平滑的表面，光線的反射角恰等於其入射角；光源愈小，理論上愈接近點光源，反射光線的控制則愈精確；又因反射光的集中特性易引起眩光，亦可使被照物晶亮耀眼。材質(zhì)如光面或鏡面，色調(diào)可為淺、中、深色調(diào)。

(2) 定向擴(kuò)散反射(spread reflection) ：又可稱半鏡反射(semi-specular reflection)。因反射表面的微小差異，使光線朝反射方向些微擴(kuò)散；反射光的集光程度仍可引起某種程度的眩光及視覺干擾，亦可使被照物呈現(xiàn)光澤感。材質(zhì)如噴砂、磨光的表面或金屬的毛絲面等。
(3) 漫反射(diffuse reflection)：即光離開一表面如平光白漆或灰泥牆面，而呈全方向的反射現(xiàn)象，可造成一般的柔和感。材質(zhì)如霧面或具有質(zhì)感的表面皆可產(chǎn)生光線的漫反射。

2. 透射(transmission)：光穿透過某介質(zhì)後繼續(xù)前進(jìn)的現(xiàn)象稱為透射，該介質(zhì)須具透光性，且部份光為介質(zhì)所吸收(圖1-4)。

(1) 直線或直接透射(straight through or direct transmission)：通常可直接透射者為透明材質(zhì)，因部份為被透射物吸收的緣故，透射光通常稍弱於入射光；但其行進(jìn)方向並無改變，即透射角等於入射角，以致光源之影像清晰可見。材質(zhì)如清玻璃、染色透明玻璃或透明壓克力。

(2) 定向擴(kuò)散透射(spread transmission)：通常可定向擴(kuò)散透射者為半透明材質(zhì)，光穿透後略為擴(kuò)散，但其光束方向大體仍維持一定，光源亦隱約可見。材質(zhì)如噴砂玻璃、壓花玻璃或塑膠板，及某些玻璃磚等。

(3) 漫透射(diffuse transmission)：透射光朝各方向散開，且其光束的整體已不可辨，亦使光源影像模糊。材質(zhì)如乳白玻璃或壓克力等，通常一般漫(透)射板(diffusers)穿透率為 40%～60%。

3. 折射(refraction)：折射係當(dāng)光由一介質(zhì)通過另一介質(zhì)，行進(jìn)方向的位移或改變的屈折現(xiàn)象。例如光離開空氣進(jìn)入玻璃或水中，因為介質(zhì)密度的改變而造成光線的彎折(圖1-5)。

4. 吸收(absorption)：當(dāng)光觸及一表面或介質(zhì)，不是被反射即是透射，且多少會損失一些光，即被此表面或介質(zhì)所吸收。通常深色表面比淺色表面吸收更多的光，霧面黑體提供接近完全的吸收。

5. 偏光(polarization)：在通常情況下，光波係朝各方向振動且與行進(jìn)方向成直角，若將所有方向的光波濾掉，僅留下某一方向或平面允許其振動，光線亦較原先為弱，這種使光波只朝某一平面前進(jìn)的現(xiàn)象稱為偏光或梳光(圖1-6)。偏光材料的使用可降低反射眩光，改善工作視能(visibility)，例如太陽眼鏡能消除日光的閃耀，相機(jī)鏡頭所使用的偏光鏡亦可濾掉不必要的反射光。
常用術(shù)語
如圖1-7所示，光源發(fā)出光的量稱為光通量，而在某方向上光的分佈密度稱為發(fā)光強(qiáng)度，照度為光落在物體表面的密度，而吾人所見的並非照度而是該物體所反射的亮度。這些照明常用術(shù)語的定義如下：

?光通量(luminous flux)：即一光源所放射出光能量的速率或光的流動速率(flow rate)，為說明光源發(fā)光能力的基本量，單位為流明 (lumen，lm)(圖1-8)。例如一個100瓦(W)的燈泡可產(chǎn)生1750 lm ，而一支40 W 冷白色日光燈管則可產(chǎn)生 3150 lm 的光通量。根據(jù)定義，1 lm 為發(fā)光強(qiáng)度(I) 1 cd 的均勻點光源在 1 球面度立體角(W)內(nèi)發(fā)出的光通量(F)。
光通量(F) ＝ I × W    lm

?發(fā)光強(qiáng)度(luminous intensity, candlepower)：發(fā)光強(qiáng)度簡稱光度，係指從光源一個立體角(單位為 sr)所放射出來的光通量(圖1-9)，也就是光源或照明燈具所發(fā)出的光通量在空間某選定方向上的分佈密度，單位為燭光(candle or candela，cd)。發(fā)光強(qiáng)度為 1 cd 的光源可放射出 12.57 lm 的光通量。

發(fā)光強(qiáng)度( I ) = 光通量 / 立體角 = F / W    cd
1 lm / sr ＝ 1 candela (cd)
1 cd ＝ 12.57 lm

?照度(illuminance)：受照平面上接受光通量的密度，可用每一單位面積的光通量來測量(圖1-10)。1 lm 的光通量均勻分佈在 1平方公尺(㎡) 的表面，即產(chǎn)生 1 勒克斯(lux, lx) 的照度；1 lm 的光通量落在 1 平方英呎(ft2 )的表面，其照度值為 1 呎燭光(footcandle, fc)。

照度( E ) ＝光通量 / 面積＝ F / A
公制單位： lm / ㎡＝ lux (lx)
英制單位： lm / ft2 ＝ footcandle (fc)
1 fc ＝ 10.76 lx； 1 lx ＝ 0.093 fc

?輝度或亮度(luminance, brightness)：當(dāng)吾人目視某物所看到的，可以兩種方式表達(dá)：一用於較高發(fā)光值者如光源或燈具，直接以其發(fā)光強(qiáng)度來表示；另一則用於本身不發(fā)光只反射光線者如室內(nèi)表面或一般物體，以亮度表示。亮度即被照物每單位面積在某一方向上所發(fā)出或反射的發(fā)光強(qiáng)度(圖1-11)，用以顯示被照物的明暗差異，公制單位為燭光 / 平方公尺(candela/㎡，cd/㎡)或尼特(nit)，英制單位為呎朗伯(footlambert，fL)。

亮度( L ) ＝發(fā)光強(qiáng)度 / 面積＝ I / AP
公制單位：cd / ㎡ (nt)
英制單位：footlambert(fL) ＝ 1/p cd/ft2
1 fL ＝ 3.426 cd/㎡

表1-1. 照度與亮度單位換算表
照度 lux footcandles
lux (lx)             1       0.0929
footcandles (fc)          10.76       1
亮度 cd/㎡(nit) footlambert
candela(cd)/㎡ (nit)          1       0.2919
footlambert (fL)          3.426       1

根據(jù)英制伯朗定律 footlambert = footcandles × reflectance = 1/p cd/ft2 ，且假設(shè)某材料具一均勻反射表面，可導(dǎo)出公制亮度計算的簡便公式如下(圖1-12)：

L  ＝  rE / p cd/㎡
(r 為材料表面反射比，E 為表面照度。)

?反射比及反射率(reflectance  and reflection factor)：某表面的亮度取決於落於其上的光量與該表面所能反射光線的能力；其所能反射光的多寡與分佈型式則取決於該材料表面的性質(zhì)，以反射光與入射光的比值來表示，稱為該材料表面的反射比或反射率(%)(表1-2)。完美的黑色表面反射比為 0 ，亦即無論多少光落於其上皆無亮度產(chǎn)生而全被吸收；反之，一完美白色表面的反射比為 1  (反射率 100 %，吸收率 0 %)。
反射比的測量，首先將照度計置於物體表面讀出其表面照度值 E i (incident light)，再將照度計置於其上 5～8 cm (感光部份朝該表面且確定無陰影遮擋)，即可測出其所反射的照度值 E r (reflected light)，表面照度除反射照度所得之商即為該材料表面的反射比。

反射比(reflectance ) ＝ E r  /  E i
反射率(reflection factor ) ＝ E r  /  E i ×100 %

表1-2. 常用材料的反射特性
材料種類反射率 % 吸收率 %
新白漆 75～90 10～25
舊白漆 50～70 30～50
粉彩漆 40～60 60～40
木材 / 淺橡木 25～35 65～75
      / 深橡木 10～15 85～90
      / 桃花心木    6～12 88～94
      / 核桃木    5～10 90～95
水泥，白水泥 20～40 60～80
大理石 30～70
花崗石 20～25
磚 10～40 60～90
石膏板 / 礦纖板 50～70

作者: lymex 時間: 2007-5-27 06:53
很好，補(bǔ)充一點：
發(fā)光強(qiáng)度，是對點光源而言的。盡管手電或者LED仍然廣泛采用發(fā)光強(qiáng)度作為重要參數(shù)，比如“某手電是10000燭光”，某LED是2000mcd。
其中，燭光太老了，幾十年前就用坎德拉替代了，也就是cd。
其中，LED用mcd而不用cd（1000mcd=1cd），是因為早期的LED太暗，比如超高亮度的才不到0.1cd，因此才習(xí)慣用mcd來表示。

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