第1章 光 视觉 颜色

1.1 光

1.1.1光的本质

什么是光？光的本质是什么？这是一个难以用简单语句表述的问题。光的传播、干涉、衍射和偏振现象可以用波动学说来解释，早在1864年，麦克斯韦就提出了光是一电磁波的理论。而在考虑光和物质粒子相互作用的场合里，光就又具有粒子的性质了。例如，作为光电管机理的光电效应，当光照射到金属板上时，金属中的电子吸收光的能量而逸出金属板，一个电子从光吸收的能量是一定的，这能量值为hν，普朗克常数h=6.626×10 -34J/s，ν称为光的振动频率，单位是Hz。电子从光吸收的能量hν不是分成许多次如每次为0.1hv或0.01hν吸收的，电子只是每次吸收一个hν单位能量。电子吸收的能量大于此值，则逸出金属，小于此值则不逸出。按照通常道理理解，在以极弱的光长时间照射金属时，由于金属板中的电子长时间地一点一点吸收能量，金属板中的电子迟早会逸出金属。然而，事实并非如此，即hν只和照射光的频率有关，当此频率达到电子能逸出的频率时，不管光如何弱，电子都会逸出。光的强弱与每秒钟内逸出的电子数有关，而与是否能逸出无关。就是说，逸出电子的动能与光的强度无关，而简单地依赖于频率，即随频率线性增加。为了解释这个现象，必须认为光波中的能量，即一份一份的hν附于一个一个的粒子中，这种粒子就是光子，光线就是流动的光子。这就是光的波粒二重性。

光的波动性，是指光是一种电磁波。图1-1所示为各种不同波长的电磁波频谱。从中可以看出，作为可见光，它只占极小的一部分，和其他电磁波一样，它也具有波长、频率、发射、吸收、传播速度等特性。电磁波能量的传播称为辐射，辐射在通过物质时一般不改变频率，速度则随物质而改变。在真空中，光速是一常数c=2.9979×108m/s，光的速度、频率与波长之间的关系为：

其中，λ为波长。

电磁波包括电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线、宇宙射线等。通常所谓的光就是指人眼所能感觉到的辐射，称可见光，波长范围从380～780nm。由单一波长组成的光称为单色光。实际上，严格意义上的单色光几乎是不存在的，所有光源所产生的光至少要占据很窄的一段波带。激光可以说是最接近于理想单色光的光源。

到达地球表面的太阳光的波长范围从290～1700nm，比可见光范围宽得多。波长短于290nm的太阳辐射光被大气层中较高部位的臭氧所吸收，而波长大于1700nm的部分则被大气层中较低部位的水气和二氧化碳强烈吸收。波长超出可见光谱的紫色和红色两端的电磁辐射，分别称为紫外辐射和红外辐射。紫外延伸至1nm，红外延伸到1mm。虽然人眼不能感觉紫外和红外辐射的存在，但从生理上是能感觉到的，如果辐射强度足够的话，人们会感到皮肤发热，所以所有辐射一旦被吸收都能产生热，并不是像通常所认为的只有红外辐射才伴随有特殊的发热效应。此外，波长小于320nm的紫外辐射对生物组织有损害，照射皮肤过久，往往会使皮肤发红和起疱。

光的微粒性就是指光束是微粒流，发光体不断发射出微粒，微粒的运动速度就是光速，这些粒子就是光子。不同波长的光，具有不同的能量，即由不同能量的光子组成。光子具有的能量E正比于光的频率：

光子所具有的能量hν是频率为ν的光所具有的能量的最小单位，不能再分割了，故光子又称光量子。在光和其他物质相互作用时，能量的交换是以hv的形式一份一份地进行的，也就是说，能量是不连续的。

1.1.2光的产生和传播

1.1.2.1 光的产生

通常，光按两种方式产生，即温度辐射和发光。

温度辐射又称热辐射，就是指物质在高温下辐射出热能。蜡烛、白炽灯的发热就是人所共知的现象。在热辐射进程中，发出辐射的物体内部能量并不改变，只依靠加热来维持它的温度，使辐射得以持续地进行下去。低温时辐射发红外光，500℃左右即开始辐射暗红色的可见光，温度越高，短波长的辐射便更丰富，1500℃时即发出白炽光，其中相当多的是紫外光。对某一温度下，作为最大温度辐射的物体，称为黑体，这种辐射即是黑体辐射。黑色的物体对光和热有良好的吸收作用，辐射是吸收的逆进程。因此吸收好的黑体其辐射也最大。通常的标准灯便是热辐射光源，这种光源有两个主要参数：一个是描述发光强弱的，称光强；另一个是描述光源的辐射能量随波长变化的光谱分布的，称色温。当某一白炽灯光源的光谱分布和温度为T的黑体的辐射的光谱分布相同时，T即为该光源的色温。黑体辐射的能量分布曲线E（λ）可由普朗克公式描述为：

式中，λ为波长（m）；h为普朗克常数（J/s）；c是真空中光速（m/s）；k为玻耳兹曼常数（J/K）；T是绝对温度（K）。

当知道光源的色温，即可由式（1-3）求得其光谱分布。不同温度黑体辐射的能量分布见图1-2。

发光是发光物体依靠除温度以外的原因产生可见光的现象的总称。发光就是其他任何种类能量变换成光能的过程，通常通过激发过程来完成，所以又称激发发光。由于物质的种类和激发的种类不同，它发出光的波长范围也不同。按激发的方式不同分如下几类：

（1）生物发光：萤火虫、发光细菌等的生物发光。

（2）化学发光：由化学反应直接引起的发光，物质的燃烧属于化学反应，由这种反应引起的发光是热辐射。黄磷因氧化而自燃发光就是这种例子。

（3）光致发光：由光、紫外线、X射线等激发而引起的发光。由汞蒸气产生的紫外线激发荧光粉，能高效率地转变为可见光，这就是已广泛使用的荧光灯。X射线和γ射线激发也能产生可见光。

（4）阴极射线发光：由电子束激发荧光物质发光，其应用例子是电视机的显像管，又称阴极射线管。

（5）燃烧发光：碱金属和碱土金属及其盐类，放在火中发出特有的光，被用做焰色反应，如钠离子为黄光、锶离子为猩红色光等。

（6）电致发光：没有像白炽灯那样转变为热能再发光的现象，而直接由电能转变为光能。

1）气体或伴随气体放电而发光，如霓虹灯和各种放电灯。

2）加交流或直流电场于硫化锌等粉末材料产生发光，如场致发光板。

3）在磷化镓、磷砷化镓、镓铝砷、铟镓铝磷、铟镓氮等一类半导体PN结处注入载流子时的发光，如通常的发光二极管。还有一些小分子有机物或聚合物半导体制成有机物发光二极管的发光。

激发是一个能量转移过程。一个系统得到激发，得到能量由低能态E1跃迁到高能态E2，当它由高能态回到低能态时，根据能量守恒原理，多余的能量就可能以光的形式释放出来，这就是激发发光。发光波长的长短决定于能量差ΔE=E2-E1，ΔE正是发射的光子所具有的能量，由式（1-1）和式（1-2）得：

当由高能态回到低能态时，不一定就有辐射，非辐射复合还是存在的，在实际激发过程中，要使辐射复合增加，应尽量减少非辐射复合。

1.1.2.2 光的传播

光在真空中以3×108m/s的速度沿直线传播。当通过某种媒质时，例如空气或玻璃，其传播速度就会减小。光在真空中的速度和在媒质中的速度的比值就称为该媒质的折射率。

任何类型的光，其传播速度c等于波长λ和频率v的乘积，如式（1-1）。式中，频率由每秒内通过某一固定点的波数所确定。例如波长为400nm的紫色光，在真空中的频率为7.5×1014Hz；而波长为750nm的红光，在真空中的频率为4×1014Hz。

在折射率不同的两种媒质的界面上，入射光线会分成两部分，一部分反射回第一种媒质，另一部分则折射入第二种煤质，如图1-3所示。

（1）镜面反射定律

在和入射光波长相比为光滑的界面上所产生的反射称为镜面反射。入射光线、反射光线以及过入射点的界面法线都位于同一个平面。入射光线、反射光线与法线的夹角相等，分别位于法线的两边。

反射光线和入射光线的能量之比，除受其他因素的影响外，主要取决于两种媒质折射率的比值和入射角的大小。入射角越接近90°时，反射光的能量比就越接近于100%。

（2）折射定律

光线穿过光滑界面进入第二种媒质时，会按下述规律改变方向：入射光线、折射光线以及过入射点的界面法线都位于同一个平面。如果入射光线处在折射率为n1的媒质中，且和法线的夹角是θ1，折射光线处在折射率为n2的媒质中，且和法线的夹角是θ2，则

式中，θ1和θ2分别在法线的两边。这就是斯涅耳（Snall）定律。

（3）全反射

当光线从高折射率媒质进入到低折射率媒质，例如从玻璃到空气时，只有当入射角θ1小于临界角arcsin（n1/n2）时才会有折射光线，其临界角即相应于方程式（1-5）中θ2=90°。例如对折射率为1.5的玻璃，其临界角为θ1=41°49′。如果光线的入射角大于临界角，那么就没有折射光线，入射光线的能量都被反射了。这种现象就称为全反射。全反射提供了一种理想镜面反射的方法，并已被广泛应用于棱镜式双筒望远镜、反射式信号和灯具的制造。它的另一种应用是纤维光学，即光沿着可弯曲的光纤可传得很远。

（4）吸收和散射

光线在通过物质媒介的过程中，由于吸收和散射的原因，其能量总会有所损失。

吸收是由于光能转换成能量的其他形态时引起的，一般光能会转换成热能，也可能转换成不同波长的辐射如荧光，而在光电池中就转换成电能，在植物的光合作用中转换成化学能。光在媒质中穿过时，其光强呈指数衰减。

光在不均匀媒质中传播会产生散射，这是由于无数个杂乱无章的界面对光进行多次的反射和折射引起的。云和雾就是由于空气中存在的悬浮水滴而造成散射的例子。

（5）漫反射和漫透射

当光线遇到某种表面，该表面的不平整程度与光的波长差不多或大于光的波长时，就不再存在单一的反射或折射光线，而像光的散射一样，光能在入射点上向四面八方散开。这种光回到入射光所在媒质的现象称为漫反射，而透射入第二种媒质的现象称为漫透射。一般来说，反射光和透射光的精确角分布既取决于表面入射角的大小，又取决于表面的粗糙程度。

均匀漫射体就是指它的反射光分布和光的入射角无关，而在与表面法线成θ角的方向上，反射光强度和cosθ成正比。这就是适用于均匀漫射体的余弦定律。测量光源光通量的积分球内壁的氧化镁或硫酸钡涂层很接近于均匀漫射体。

（6）偏振

作为电磁波的光波有垂直于光传播方向的电场，对每个波，有一个由场方向和传播方向组成的平面，这就是波的偏振平面。某种透明晶体仅对偏振面和某一特定方向相同的光波有透射作用，这样生成的光又称为面偏振光。

对于特定的入射角，我们可发现在由入射光和入射点的表面法线所组成的入射平面和偏振平面重合时，反射光强度为零。这一特定的入射角就称为布儒斯特（Brewster）角。当θ1+θ2=90°时，布儒斯特角就等于θ1（图1-3），从式（1-5）得知，其值等于arctan（n2/n1），对于从空气到玻璃界面的反射来说，布儒斯特角约为56°。

当非偏振光以布儒斯特角入射时，反射光线在垂直于折射光线的平面上产生偏振。我们可利用此特性，来减少光滑表面上的反射光线所产生的眩光。

（7）干涉和衍射

在照明领域，干涉和衍射这两种现象会有技术方面的应用。

当屏幕被两个分开的但又相干的光源照明时，就会出现干涉现象。“相干”是指两个光源辐射出来的光有着完全相同的波长，并有固定的位相关系。这两个光源的光线互相合并后，在屏幕的某一处，同相位的两个光波互相叠加；而在另一处，异相位的两个光波彼此抵消，通常在屏幕上可以看到两束光波间的干涉为明暗相间的图案。现代照明技术已把干涉应用于分色滤光片，用它来反射和透射光谱中某些指定波长的光。

衍射就是光线绕着障碍物边缘发生弯曲的现象。衍射效应一般很小，肉眼是不易觉察到的，但在像高倍率的望远镜和显微镜那样的光学仪器中，衍射的影响相当重要。在检测光源光谱的仪器中所使用的衍射光栅，就同时应用了干涉和衍射两种效应。

1.1.3人眼的光谱灵敏度

人眼在可见光范围内的视觉灵敏度是不均匀的，它随波长而变化（图1-4）。另外，人眼的光谱灵敏度，随环境亮度的改变而变化。图1-4中右面的曲线是明视觉条件下的灵敏度曲线，左面的曲线是暗视觉条件下的灵敏度曲线。照明技术大多与较多的亮度环境有关，所以我们应重视明视觉条件，明视觉条件下的相对视见度数值列于表1-1中。像路灯一般在明视觉和暗视觉之间的亮度条件下使用，这就需要采用中间视觉亮度条件下的光谱灵敏度曲线，其应位于上述两条曲线之间。

1.1.3.1 明视觉

在亮度超过10cd·m-2的环境里，视觉完全由眼中视网膜背面的锥状感受细胞起作用，最大的视觉响应在绿色区的555nm处。这条明视觉视见函数曲线是在大量实验工作的反复比较之后，于1924年得到国际公认的。它在光度单位、颜色和光测量中起着极为重要的作用。在明视觉条件下，正常人的眼睛都能感受到颜色。相应波长的颜色标在图的上方。曲线以V（λ）表示。

1.1.3.2 暗视觉

当环境亮度低于10 -2cd/m2时，就属于暗视觉的范围。眼睛适应暗视觉状态所需时间约45min，而明视觉的适应时间仅需2～3min。暗视觉视见度曲线以V′（λ）表示，即图1-4中左面的曲线，其峰值约在507nm，和V（λ）相比较，峰值波长移向可见光谱的蓝端，相距48nm。此外，单色视见度峰值也从680lm/W提高到1725lm/W，达到2.54倍。

暗视觉的特点是，用视觉中心看物体时反而不如用眼角看得清楚。其原因是，在亮度水平极低的情况下主要由视网膜背面的柱状感受细胞起作用，而它在视网膜的中央凹处很少。与锥状感受细胞不同，柱状感受细胞对颜色差异不灵敏，因此，暗视觉状态下的世界是无色的。

1.1.3.3 中间视觉

当景物的亮度增加到10 -2cd/m2以上时，除明亮度增加外，还可以发现三个效应。第一，中央凹处的视觉开始变得和边缘部分一样容易，随后还会变得更容易。第二，可以感觉到的颜色，开始时很弱，随后逐渐增强。第三，不同颜色的相对明亮度发生变化，尤其是红色的明亮度比蓝色的明亮度显得更强。这些都是由于随着亮度的变化，锥状感受细胞和柱状感受细胞对视觉的作用也发生了变化，这在1.1.4节中将深入讨论。中间视觉（10 -2～10cd/m2）下对不同波长的总响应，均位于如图1-4所示的两条曲线之间，且随着亮度的增加，从左边移向右边，视见度的峰值则逐渐下降。

1.1.4光度学及其测量

照明光源和灯具的主要性能指标是光学参数。

1.1.4.1 能量的辐射分布

光源的总辐射能量是各种波长能量的总和，波长不同，能量也不同。我们称发光器件的辐射能量随波长而变化的情况为发光器件辐射能量的光谱分布，以Pλ表示。发光器件在λ1～λ2波长范围内的辐射功率可表示为：

如果是全部波长范围内的辐射功率，则为：

Pλ是一个相对的分布函数。光谱分布的两个主要参数是它的峰值波长和光谱带宽。

1.1.4.2 辐射度量及单位

（1）辐射能U

度量辐射能的物理量称辐射度。

辐射能是一种传播着电磁波的能量，度量辐射能的单位是焦耳。

（2）辐射通量或辐射功率P

单位时间内流过面积元dσ的能量，称为流过dσ的辐射通量。

辐射通量的单位是W。

（3）辐射强度J

J的定义是：单位时间在单位立体角内所辐射的能量。

J的单位是：W/sr。

对点辐射源，在整个空间的辐射通量P为：

如果辐射通量在空间分布均匀，即Jφθ不随φ和θ而改变，则：

（4）面辐射度M

对于实际的辐射体，由于占有一定的面积，常用面辐射度来度量物体的辐射能力，定义为单位面积所辐射的通量。

dP是辐射体的表面dσ向一切方向（在2π立体角内）所发出的辐射通量，面辐射度可以用W/m2作为单位。

（5）辐射照度H

落在单位面积上辐射通量的数值，称为辐射照度H。

dP是落在元表面dσ上的通量值。辐射照度H也用W/m2作为单位。

（6）辐射亮度R

定义Rθ为面辐射源在角θ所决定方向v上的亮度，也就是在给定方向上单位有效面积在单位立体角内的辐射通量值：

Rθ的数值与辐射面的性质有关，并且随给定方向而改变，通常以W/m2·sr为单位。

1.1.4.3 朗伯定律

对于某些面辐射源或理想的漫射面，辐射亮度Rθ不随给定方向θ变化，我们称这些面辐射源是遵守朗伯定律的辐射源。这种源又称为余弦辐射体或朗伯光源，对于这些表面，所有方向亮度都相等，而且元表面dσ的辐射强度dJθ与表面法线和给定方向间夹角θ的余弦成正比，即

也可以写成

式中，Jo是垂直方向的辐射强度；Jθ是与Jo成θ角方向的辐射强度。式（1-16）表示该光源辐射强度分布符合余弦分布。

1.1.4.4 光度量及单位

对于可见光的辐射通常采用光度学的量来描述。度量辐射能的上述各个量是仅与客观条件有关的物理量。但光度学的量不仅与客观条件有关，而且还与人眼的视见度有关，也就是说，它是一种生物物理量。在辐射度学中引入的各个量，乘上一个与视觉有关的比例系数——即视见度Kλ，就得到光度学中的各个量，如表1-2所示。

（1）光能Q

光能就是辐射能落于人眼而引起视觉的这部分能量的大小，其单位是lm·s。

（2）光通量F

假定某辐射体发出的光线是波长为λ的单色光，该辐射体单位时间内所辐射的能量就是辐射通量Pλ，由该量中能为人眼所感觉的那部分称为光通量Fλ，它表示单位时间流出光能的大小，单位是lm。

各波长发出的总光通量则为：

由它可以计算器件的效率，用以判别发光器件或材料的性能好坏。

（3）发光强度I

一光源在单位立体角内所发出的光通量称为该光源的光强I。

一个点光源所发出的光强是各方向相同，则光通量

就是说一个光源的发光强度I确定后，它的总光输出也就完全确定了，其他的光学结构（如反射腔、二次配光透镜等）不能使它增大，而只是可以将光从其他方向向某一方向集中，以提高该方向的光强，或者将光按设计方案进行重新分布，以适应照明环境的要求。

发光强度的单位是坎德拉（cd），一单位立体角内发出1流明的光称为1坎德拉。坎德拉是一光源在给定方向上的发光强度，该光源发出频率为540×1012Hz的单色辐射，且在此方向上的辐射强度为1/683W/sr。

（4）面发光度L

对于有一定面积的发光体来说，在单位面积上所发出的光通量被称为面发光度。

即面积为1m2的均匀发光面发出1流明的光通量，它与方向无关。

（5）亮度B

与辐射亮度R类似，发光体的表面dσ在与其法线成θ角的方向上的亮度Bθ等于

式中，dF为立体角dω的光通量。

亮度单位为cd/m2，即每平方米表面沿法线方向产生1坎德拉的光强。

（6）照度E

照度表示被照明物体的单位面积所接受的总光通量，即

照度的单位是勒克斯（lx）。1勒克斯为1平方米面积上接受1流明的光通量，单位是lm/m2。

1.1.4.5 光度学参数的测量

光度学参数包括法向光强、光强分布、半值角、总光通量和亮度、面发光度、照度等。

（1）法向光强Iv

光强I的测定是非常重要的，如总光通量、亮度等都可以从I导出。有了标准光源和校正好视见度的接收器即可进行法向光强Iv的测定。将标准光源置于距接收器r0处，如图1-5。这时r0的大小至少要比光源和接收器本身线度大10倍以上，以满足点光源的条件。驱动电源采用数值可调的恒流电源。强度为I的标准光源在接收器上产生的照度σ为：

接收器处于光源正前方，θ=90°，故：

如此定标后，将待测光源置于同样距离的位置，可测出该光源的法向光强Iv。将Iv乘上相对强度的角分布Rθ，可以求得其他任何方向的发光强度Iθ。从Iv和Iθ可用球带系数法求出此光源的总光通量。

（2）总光通量F

光源的总光通量是描述光源总的光输出的重要参数。总光通量也可以直接测量，常用方法是积分球法。积分球实际是由两个半球体组成的一个空心球体，球体上开有出射窗口，此处安装视见度校正过的接收器。球的内表面涂有白色的氧化镁或硫酸钡涂料，使其反射为符合朗伯定律（即为余弦反射体）的漫反射，以使在积分球的内表面各处产生均匀的照度。待测光源置于球中，并以一屏挡住光源向出射窗口的直射光。接收器上的照度正比于光源的总光通量F。实际测定时只要将标准光源标定仪器，然后将标准光源换成待测光源即可测出。

积分球法是一种比较法，由于球的内表面的反射率是波长的函数，因此严格地讲，标准光源应与待测光源具有相同的光谱分布。此外，由于球内的光源会吸收自己发出的光，当标准光源与待测光源形状、大小相差悬殊时，它们的吸收也不相同，必须进行校正。这时可在球壁的另一处安上一个辅助光源，并用挡板挡住其向接收器的直射光，测量有无待测光源时接收器的读数比，此即为校正值。当然，也可以将光源放在球外，但此时接收器窗口与接收器的距离应是大于进光窗口直径的10倍以上。

测出一个光源的光通量后，即可根据输入功率求得发光效率，单位是lm/W。

（3）发光强度的角分布

发光强度的角分布Iθ是描述器件在空间各个方向上的发光强度分布的。Iθ主要取决于光源封装形式、封装透镜的几何参数。测量设备如图1-6所示。灯具支架最好是左右和上下都可由计算机控制转动的。国际规定，测试汽车前照灯的距离应是25m，而测试体育场用的常用泛光灯具，距离最好达到33m。

（4）亮度测量

按前面的方法可以测量光强，只要用测得的光强除以在给定方向上表面的投影面积就可以得到亮度。常用的简便方法是在表面前放一块已知大小的光栏，特别是在发光表面的亮度不同时，这种方法更为有用，可以确定亮度分布和平均亮度。

（5）照度测量

照明工程师常需在现场进行照度测量，便携式照度计最为适用。照度计通常由进行过视见度曲线校正的硅光电池和数字式电表组成。垂直入射照明，光电池的响应是Io，则同样的照明以θ角入射时，理想的响应Iθ为Iθ=Iocosθ。而实际的光电池由于表面反射性质的影响并不具有这种响应，且误差随着θ角的增大而增大。在光电池上放上漫射的圆板或穹形圆盖，就可以大大减小误差，这就是余弦修正。