第二章 光与色.

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1 第二章 光与色

2 主要内容 光与光源 颜色的形成 光度学基础 物体的光谱特性

3 2.1 光与光源 2.1.1 光的本质 只有在光的照射下，人们才能感知物体的形态与颜色，没有光就没有颜色，光是人们感知色彩的必要条件，色来源与光。简言之，光是色的源泉，色是光的表现。

4 可见光：波长380nm到780nm（1nm＝10-9m）的电磁波。
2.1.1 光的本质 各个波段的电磁波特征与用途 电磁辐射 (Electromagnetic Radiation) 电磁辐射是一种波动的能量。电磁辐射说明电磁波的发射和传播，是透过空间或介质传递其 能量。电磁辐射依频率一般区分为无线电波、微波、红外光、可见光、紫外光、X射线和伽玛射线等几种 形式。依据各个波段具有的能量特征，可得知在非常低温下(接近绝对零度时)，物质内的原子仅能辐射出 无线电波和微波；当在摄氏零度左右(水的冰点) 则原子可辐射红外光；在表面温度约摄氏5～6千度的物质(如太阳表面)，才会有可见光的辐 射；在温度百万度的物体表面，就会有X射线；到了表面温度达百亿度的物体表面，也会有伽玛射线呈现。除了物体表面温度可说明不同波段的电磁辐射来源之外，气体被强光照射下所产生的「荧光效应」，也 会有少量的高能量电磁波，如紫外光、X射线呈现。至于在核爆、超新星爆发时，则也会有大量的紫外光、X射线和伽玛射线呈现。 实际上，电磁波频谱常以所具有的能量（如电子伏特，1电子伏特为1.62x10-19焦耳）、波 长（如公里、公尺、公分、微米(1微米=10-4公分)、埃(A0，1 A0=10-8公分=10-4微米)或频率(如每秒来 回一次，称之为「赫兹」(Hertz))来表示。所用表示法的不同，取决于工作使用的方便性。 无线电波 (Radio) 无线电波是一种电磁波，在电磁波谱中，其范围波长为15公分～2公里的电磁波。无线电波 常被用于长距离的通讯，如电视机、收音机等频道都是运用到无线电波不易被阻挡、折射、变频等特性。 现今也用无线电波来探索宇宙遥远处的奥秘。 微波 (Microwave) 微波是一种电磁波，在电磁波谱中，其范围波长为0.1～15公分的电磁波。微波常被用于短 距离的通讯或遥控，如电视机、冷气机、音响等遥控器都是运用到微波的原理。现今也已应用2450MHz的 频率于厨房中的烹煮食物。 红外光 (Infrared) 红外光是一种电磁波，在电磁波谱中，其范围自波长为7000埃(1A0 =10-8公分=10-4微米)的红光到波长为0.1公分的微波。红外光是M. Herschel于1800年所发现的。红外光有着显著的热效应，可用温差电偶、光敏电阻或光电管 等仪器探测。按波长略可分成0.75～3微米(1微米=10-4公分)的近红外区、3～30微米的中红外区和30～ 1000微米的远红外区等三段。应用红外光谱，在研究分子结构、固态物质的光学性质、夜视环境等，用途 极大。 可见光 (Optical-light) 可见光是一种电磁波，其范围波长约为4000～7000埃 (1A0=10-8公分=10-4微米)。透过菱镜可得知可见光的组成颜色，通常界定波长约为4000～ 4500埃的为紫光；波长约为4500～5200埃的为蓝光；波长约为5200～5600埃的为绿光；波长约为5600～ 6000埃的光为黄光；波长约为6000～6250埃的光为橘光；波长约为6250～7000埃的光为红光。 紫外光 (Ultraviolet) 紫外光是一种电磁波，在电磁波谱中，其范围波长为100～4000埃(1A0 =10-8公分=10-4微米)的电磁波。这一范围开始于可见光的短波极限，而与长波X射线的波长 相重迭。紫外光是J. W. Ritter于1801年所发现的。应用上，在测定气体或液体中如氯、二氧化硫、二氧化氮、二硫 化炭、臭氧、汞等特定分子，以及各种未饱和化合物的成分的紫外吸收光谱，用途很大。 X射线 (X-ray) X射线是一种穿透力很强的电磁波，在电磁波谱中，其范围波长为0.1～100埃(1A0 =10-8公 分=10-4微米)的电磁波。X射线是伦琴 (W. Rongen)于1895年所发现的，所以X射线又被称为「伦琴」射线。X射线通常是由高速电子与 固体碰撞而产生的，或是强光照射下所产生的「荧光效应」也会有少量的X射线呈现。因为它的强穿透力 较不会损伤周遭组成物质，所以可用来作非破坏性物品等材料检验，以及动物的身体内部骨骼等医学检查 。 伽玛射线 (γ-ray) γ射线的特征和X射线极为相似，是一种辐射能量高且穿透力极强的电磁波，在电磁波谱中 ，其范围波长为0.1埃(1A0 =10-8公分=10-4微米) 以下的电磁波。γ射线是维拉德 (P. Villard) 于1900年所证实的。γ射线通常是由极高速电子与原子核碰撞而产生。 大气层对电磁波的屏障 十九世纪中叶 (1865 年)，马克斯威尔阐明了「电磁辐射」 (或称为电磁波)理论，说明了可见光是电磁波的一种，此外还有其它许多种类的电磁辐射，从无线电波到伽玛射线皆是。除了可见光以外，其余的电磁辐射均无法以肉眼看到。这些以往我们肉眼看不见而不知道它们存在的东西，现今我们该如何去探索它们呢﹖现代天文学借着科技研发的各波段新型望远镜来观看肉眼无法见到的事物，新型望远镜可侦测太空传来各种不同的电磁辐射，并解读其信息，以揭开宇宙的奥秘。换言之，所有电磁辐射依照波长的长度排列，就可以得到电磁波谱，每个光谱区段各有不 同的特性，也带给我们有关宇宙中各种不同的信息。图7的电磁波频谱，说明地球的大气层仅留有可见光 和无线电波段的透明窗口，让可见光和无线电波可到达地 可见光：波长380nm到780nm（1nm＝10-9m）的电磁波。

5 色散实验 色散现象说明：白光实际是由各种色光组成的，这些色光不是由棱镜创造出来的，棱镜仅仅是把原已经存在着的各种色光加以分解而已。

6 单色光 在物质中传播的速度随波长的不同而不同，波长越短，偏折程度越大，波长越长，偏折程度越小。 单色光：波长只有一个 光色 波长(nm)
频率(1014Hz) 红 780～630 700 4.3 橙 630～600 620 4.8 黄 600～570 580 5.2 绿 570～500 546 5.5 青 500～470 500 6.0 蓝 470～420 436 6.4 紫 420～380 420 7.2

7 复色光 复色光：由多种单色光混合而成的光

8 2.1.2 光源 物体：发光体(光源)、不发光体 光源：自然光源与人工光源 印刷行业常用光源： 车间照明用光源－日光灯、白炽灯
制版光源－金属卤化物灯、镝灯

9 (1) 光源的相对光谱功率分布 分光辐射度计原理图

10 光谱密度 光谱密度：在以波长λ为中心的微小波长范围内的辐射能与该波长的宽度之比。
光谱密度表示了单位波长区间内辐射能的大小。通常光源中不同波长色光的辐射能是随波长的变化而变化的，因此，光谱密度是波长的函数。光谱密度与波长之间的函数关系称为光谱分布。

11 光源的相对光谱功率分布 光源的相对光谱功率分布，决定了光源的颜色特性。也就是说，光源的颜色特性，取决于在发出的光线中，不同波长上的相对能量比例，而与光谱密度的绝对值无关。绝对值的大小只反映光的强弱，不会引起光源颜色的变化。

12 典型光源的相对光谱功率分布

13 (2) 照明体概念 在GB/T 3978-2008（标准照明体和照明观测条件）中的定义。
照明体是指“在影响物体颜色视觉的整个波长范围内所定义的相对光谱功率分布”； 色度学标准照明体是“由CIE用相对光谱功率分布所定义的照明体A、C、D65其它照明体D。由相对光谱功率分布定义的照明体可以不必由光的物理发射体――光源来准确地提供和实现。”； 色度学标准光源是“由CIE规定的人工光源，它们的辐射近似色度学标准照明体”。

14 光源 照明体A：应为完全辐射体在绝对温度2856K（根据1990年国际实用温标）时发出的光。照明体A的相对光谱功率分布根据普朗克辐射定律计算。 照明体C：代表相关色温大约为6774K的平均日光，光色近似阴天天空的昼光； 照明体D50、D55、D65、D75：代表相关色温分别为5003K、5503K、6504K和7504K时相状态的昼光（X0=95.05，Y0=100.00，Z0=108.91）；

15 CIE规定了四种标准照明体的色温标准： 标准照明体A：代表完全辐射体在2856K发出的光，钨丝灯光，其光色偏黄
　　标准照明体B：代表相关色温约为4874K的直射阳光，表示中午平均直射阳光 　　标准照明体C：代表相关色温大约为6774K的平均日光 　　标准照明体D65：代表相关色温大约为6504K的日光 　　标准照明体D：代表标准照明体D65以外的其它日光

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17 2.2 颜色的形成 光源 彩色物体 大脑 眼睛 颜色感觉形成的四要素：光源、颜色物体、人眼、大脑

18 颜色的定义 中国国家标准（GB/T ）：“光—光作用于人眼引起除形象以外的视觉特性”

19 2.3 光度学基础 光度量的定义及其单位 光度学 光能量 光通量 发光强度 光通量密度 亮度

20 光度量（photometric quantity）
由光度学得到的规格化的明亮度量 都是用对应的辐射量乘以光视效能得到 光度量是由视觉心理来评价物理量时得到的量，称为心理物理量（psychophysical quantity）

21 光能量(luminous energy)Q
光通量与照射时间的乘积，单位流明秒(lumen second)，符号lm·s

22 四个单位的图示:

23 光通量(luminous flux) Φ 由光源向各个方向射出的光功率，也即每一单位时间射出的光能量，以Φ表示，单位为流明(lumen ) ，符号 lm。 光通量是用光视效能评价辐通量得到的量，即能够被人眼视觉系统所感受到的那部分辐射功率的大小的量度

24 一只40W的日光灯输出的光通量大约是2100流明。

25 常见电光源的发光效率，是指1W的电功率能转化成多少光通量。
常见光源的大致效率（流明/瓦） 白炽灯，15 日光灯，50 钠灯，120

26 发光强度I 光强度(luminous intensity)是光源在指定方向单位立体角内包含的光通量，以I表示，单位为坎德拉(candela，简称cd)。1坎德拉表示在单位立体角内辐射出1流明的光通量。 立体角Ω(sr) 光通量Φ(lm)

27 立体角Ω：单位球面度(steradian)，符号sr，规定在半径r的球面上面积为r2的面元对球心的张角为1sr。

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29 光源总的光通量为： 如果光源的I(φ,θ)在各个方向上相同，则：

30 常见光源发光强度（cd）： 太阳，2.8E27 高亮手电，10000 实际光源或灯具各方向的发光强度不同。为了描述其发光的空间分布特性，需要用发光强度分布曲线（又叫配光曲线）来表示。它是照明计算和设计的一个重要依据。

31 钨丝灯发光强度曲线 3000瓦超高压短弧氙灯发光强度曲线

32 光通量（面）密度 光通量（面）密度( luminous flux [surface] density)：光源面上一点处单位面积上的光通量为该光源在这点处的光通量密度。 照度 光出射度

33 照度 照度(illuminance)：在接收面上的一点处的光照度等于照射在包括该点在内的一个面元上的光通量dΦ与该面元的面积dS之比，即
单位勒克斯(lux)，符号lx。当1lm的光通量均匀地照射在1m2的面积上时，这个面上的照度就是1 lx，即1 lx=1 lm/m2

34 常见照度 阳光直射（正午）下：110,000 阴天室外：1000 商场内：500 普通房间灯光下：100 满月照射下：0.2
烛光（20cm远处）：10～15 距60W台灯60cm桌面：300； 黄昏室内：10 夜间路灯：0.1

35 一些实际情况下的光照度的近似值（lx） 无月夜空光在地面上产生的光照度 3×10-4 接近天顶的满月在地面产生的照度 0.2
工作场所必须的照度 20~100 晴朗的夏日在采光良好时的室内照度 100~500 夏天太阳不能直接照到的漏天地面照度 1000~10000 正午漏天地面的照度 100000

36 光出射度 单位流明每平方米(lm/m2)。光出射度在数值上等于单位面积光源所发射出的光通量。
光出射度(luminous exitance) M：离开光源表面一点处的面元的光通量dΦ与该面元的面积dS之比，即 单位流明每平方米(lm/m2)。光出射度在数值上等于单位面积光源所发射出的光通量。

37 照度E和光出射度M的表达式完全相同，但含义不同。

38 1.6 亮度(luminance) L 亮度描述了光源在单位面积上的发光强度，单位是坎德拉每平方米(cd/m2)

39 一些实际光源的光亮度近似值（cd/m2) 在地球大气层外看到的太阳 190×107 在地面上看到的太阳 150×107 普通碳弧的喷火口
15×107 超高压球型水银灯 120×107 钨丝白炽灯 500~1500×104 乙炔焰 8×104 煤油灯焰 1.5×104 距太阳为75°角的明朗天空 0.15×104 阳光照明的洁净雪面 4×104 地球上所看到的满月表面 0.25×104 无月的夜空 10-4 与人眼的最小灵敏阈对应的物体 ×10-6 1mW氦氖激光器 16×107

40 B A

41 The image on the left shows a light projecting onto a light colored wall, and the image on the right shows the same light projecting onto a dark colored wall. In both cases, the measured illuminance on the wall is the same, since the same amount of light is landing on the surface. However, the wall in the image on the left has a higher luminance value than the wall in the image on the right since the measured brightness is higher. 问3，照度和被照物体的亮度有什么关系？ 答3，亮度=反射率*照度/π

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43 2.3.2 光度学基本定律 (1) 朗伯余弦定律

44 (1) 朗伯余弦定律 朗伯余弦定律描述了辐射源向半球空间内的辐射亮度沿高低角变化的规律，即理想反射体单位表面积向空间某方向单位立体角反射（发射）的辐射亮度与表面法线夹角的余弦成正比。漫反射体的辐射亮度分布遵从朗伯余弦定律，自身发射的黑体辐射源也遵从朗伯余弦定律，凡辐射亮度遵从朗伯余弦定律的辐射源称为朗伯辐射源。

45 (2) 光传播定律 光传播律示意图

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47 2.4 物体的光谱特性 Φi Φρ Φ τ

48 (1) 透射

49 (2) 反射

50 黄、红、绿、蓝等典型的光谱反射曲线

51 (3)吸收 物体对光的吸收有两种形式：如果物体对入射白光中所有波长的光都等量吸收，称为非选择性吸收。例如白光通过灰色滤色片时，一部分白光被等量吸收，使白光能量减弱而变暗。如果物体对入射光中某些色光比其它波长的色光吸收程度大，或者对某些色光根本不吸收，这种不等量地吸收入射光称为选择性吸收。例如白光通过黄色滤色片时，蓝光被吸收，其余色光均可透过。

52 (4) 荧光 荧光是一种光致发光的冷发光现象。当某种常温物质经某种波长的入射光（通常是紫外线或X射线）照射，吸收光能后进入激发态，并且立即退激发并发出出射光（通常波长比入射光的的波长长，在可见光波段）；而且一旦停止入射光，发光现象也随之立即消失。具有这种性质的出射光就被称之为荧光。 为了提高印刷材料，如纸张的白度，常常使用荧光增白剂。荧光增白剂是一种荧光染料，或称为白色染料，也是一种复杂的有机化合物。它的特性是能激发入射光线产生荧光，使所染物质获得类似荧石的闪闪发光的效应，使肉眼看到的物质很白，达到增白的效果。

53 作业 教材P20：1～8