第一章光学基本知识1

1、第一章第一章 光学基本知识光学基本知识光学基本知识光学基本知识 剧场的演出效果，电视剧、电视广告的摄制、摄影，舞厅、卡拉0K厅中对灯光的要求是很讲究的。 了解灯光的有关知识，包括光的电磁波学说、光的传播规律、人眼与视觉对色彩的感觉等知识，以及对灯光的控制、布置和布光技巧等，是从事音视灯光技术者必须掌握的。 第一节第一节 光光一、 光的电磁波学说二 、光的光子学说三 、光的性质四、光的特性与人的视觉特性一 光的电磁波学说 光的电磁波的学说： 光是一种电磁波，以电磁波的形式在空间传播，它与其他电磁波一样具有电磁波的一切特性。 光的电磁波学说 在电磁波谱中，波长以380780nm的电磁波作用于人的视

2、觉器官而产生视觉，这部分光叫可见光，电磁波谱的这一段称为光谱。 光的电磁波学说 电磁波从380nm向780nm增加时，光的颜色将从紫色开始，逐渐向蓝、绿、黄、红色转变。 光的电磁波学说 紫色光的光谱为380430nm 蓝色光的光谱为430450nm 绿色光的光谱为490570nm 黄色光的光谱为570600nm 红色光的光谱为630780nm。 波长小于380nm是一个紫外波段 波长大于780nm是一个红外波段。 光的电磁波学说 习惯上将紫外光线、红外光线、可见光统称为光 光的电磁波学说 电磁波学说能很好地解释许多与光的传播有关现象，比如反射、折射、干涉、偏振等。 二 光的光子学说 光子学说:

3、 光是以一份一份集中能量形式从辐射源发射，并向空间沿直线传播或与物质发生作用。这一份一份的光叫做光子。光子具有能量和动量，它在空间占有一定位置，并作为一个整体以光速在空间移动。光子与其他实物粒子不同的地方在于它没有静止质量。 三 光的性质 光既具有粒子性，又具有波动性，称为光的波粒二象性。 在发射和光的作用中，光主要表现为粒子性，而在传播现象中则主要表现为波动性。 四、光的特性与人的视觉特性 可见光的波长不同，人眼对其产生的颜色感觉也不同。 在白天，人眼对波长为555nm的黄绿光最敏感。波长偏离555nm越远，人眼对其感光的灵敏度越低。 光的特性与人的视觉特性 用来衡量电磁波所引起视觉能力的量

4、，称为光谱光效能。任一波长可见光的光谱光效能与555nm光谱光效能之比，称为该波长的相对光谱效率V()。 V()国际照明委员会(CIE) 正式推荐的光谱光效率V()的数值 第二节第二节 光和色彩的作用光和色彩的作用 一 光热效应二 光电效应三 光的化学作用四 光的发光作用一 光热效应 当物质加热到一定温度时便会发光 光能被物质吸收后，也可以变为热能 因此在功率较大的照明装置中，热效应就成为一个工程问题，需要考虑加装散热装置和采取排热措施。 二 光电效应 光照射到某些物质上，这被照物质就会发射电子或发生电子迁移，如光电管与光电池，这种现象叫做光电效应。 光电效应中，在功率相同条件下，不同波长的光

5、产生的效应也不同，也就是说，波长不同时光接收器的灵敏度不同，这种现象叫做光谱选择性。 三 光的化学作用 光能被某些物质吸收后，能产生化学反应，这就称做光化作用。 四 光的发光作用 光的发光作用是指某些物质在光的激发下成为新的光源，发射出可见光。 第三节第三节 光学度量光学度量一 光通量二 发光强度三 照度四 亮度 一 光通量 光源在单位时间内向周围空间辐射出去的，并使人眼产生光感的能量，称为光通量，用符号表示，单位为流明(lm)。 光通量 由于人眼对黄绿光最敏感，在光学中以它为基准作出如下的规定：当发出波长为555nm黄绿色光的单色光源，其辐射功率为1w时，则它所发出的光通量为680lm。由此

6、，可得出某一波长的光源的光通量计算式如下： 680V()P 式中 波长为的光源的光通量(lm)； V()波长为的光的相对光谱光效率； P 波长为的光源的辐射功率(w)。光通量 例 已知钠光灯发出波长为589nm的单色光，设其辐射功率为10.3w，试计算其发出的光通量。 解 从图13相对光谱光效率的曲线(实线)中可查得，对应于波长589nm的V()=0.78，则钠光灯发出的光通量为： 680V()P=6800.7810.35463.1(lm)光通量 每消耗1w电功率所发出的光通量，称为发光效率，简称光效(lm/w)。 光通量 例如：一个普通40W白炽灯泡发出的光通量约为350 lm，一个40W直

7、管型日光灯的光通量约为2000 lm。 二 发光强度 光源在空间某一方向上的光通量的空间密度，称为光源在这一方向上的发光强度，简称光强，符号为I，单位为坎德拉(cd)，过去称为烛光。 发光强度 发光强度为表示光源发光能力大小的物理量，可以用下式表达： 式中：为光源在立体角内所辐射的总的光通量(流明)，为光源给定方位的立体角(球面度)。 球面度就是球面面积S与球半径r平方的比值，公式为：Sr2。由于一个完整球面面积为4r2，所以整个球体所包含的立体角为4球面度。即12.6球面度。 发光强度 例如，一只40w白炽灯发出350lm光通量，它的平均光强为350428cd(因球的表面积为4r2，故球的立

8、体角为4球面度)，若在灯上面装上白色搪瓷平盘灯罩，则灯正下方的发光强度能提高到7080cd，即灯泡的光通量在空间分布更集中了。发光强度 1979年第十六届国际计量大会上通过了发光强度新定义：光源发出频率为540.01541012Hz的单色辐射，在给定方向上的辐射强度为1683W球面度时，其发光强度为1cd。 三 照度 照度表示被照面上每单位面积上接收到的光通量(面密度)，用来判别被照面上的照明情况，其符号为E，单位为勒克斯(lx)。 点光源产生的照度 照度 当光通量均匀照射在被照表面积A上时，则其照度为： 1勒克斯(lx)等于1流明(lm)的光通量均匀分布在1平方米(m2)的被照面上，即1勒克

9、斯1流明平方米。 照度1 lx的照度值是较小的，在此照度下人们仅能模糊地辨认物体的轮廓。在40w白炽灯下1m处的照度约为30lx，加一搪瓷伞形罩后的照度就增加到73lx。一般在白天的室内照度值为500 lx；晴天时室外的照度值为1000 lx；没有月亮的深夜照度值仅为002 lx左右。阴天中午室外照度为80020000lx，晴天中午在阳光下的室外照度可高达80000120000lx，无云满月夜晚的地面上照度约为0.2lx。发光强度与照度的关系 四 亮度 发光体在视线方向单位投影面积上的发光强度，称为该发光体的表面亮度，以符号L表示，单位为坎德拉每平方米(cdm2) (过去曾定单位为nt(尼特)

10、，即1nt1cdm2)，即1m2表面上在其法线方向的光强度为1cd的面光源，它在该方向的亮度为1cdm2。 亮度 表面亮度的定义数学表达式为： 式中L发光体沿方向的表面亮度(cdm2)； I发光体沿方向的发光强度(cd)； Acos发光体在视线方向上的投影面(m2)；亮度 晴天天空的平均亮度约为0.5104cdm2(即0.5cdcm2) 40W荧光灯的表面亮度约为0.7104cdm2(即0.7cdcm2)。 亮度超过16cdcm2(16104cdm2)，人眼是不能忍受的。亮度 值得注意的是，发光体的亮度是一个表征发光体本身特性的量，它与观测距离无关。 第四节第四节 视觉的基本特性视觉的基本特性

11、一 概述二 人的视觉特点三 人眼对亮度的感受概述 光能够引起人眼的视觉感受，它不仅与光的亮度有关，还与颜色有关，即与光的能量大小有关即与光的波长有关。 这种关系不仅与人眼的感光细胞组成有主要联系，而且还跟人的情绪、环境、甚至于习惯有联系。人的视觉特点 在明亮的条件下，人眼对波长555nm的黄绿色光最敏感 在昏暗的条件下，人眼对波长507nm的光最敏感。 人的视觉特点 人眼有两个光谱光效率:-在明亮条件下的光谱光效率叫做明视觉光谱光效率 - 在昏暗条件下的光谱光效率叫做暗视觉光谱光效率人的视觉特点 人眼视网膜上有两种不同感受性的感光细胞，即杆状细胞和锥状细胞。 这两种感受细胞有许多不同特点： （1）杆状细胞对507nm的光线最敏感，锥状细胞对555nm的光线最敏感。 （2）杆状细胞对光感受性很强，但不能分辨颜色。而锥状细胞对光感受性很弱，但会有颜色的感觉。