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1.什么是光?

起初,人們把能引起眼睛有“明亮”感覺的“射線”叫做“光”。隨著科學的進步,才認識到光其實就是一種電磁波,又稱為電磁輻射。它和電臺、電視臺發射的電波同屬一大類。只不過它的波長短得多。波長從1nm(納米)到1mm(毫米)(1nm=10的負6次方nm)的電磁輻射都是光學研究的對象,因此,這一段電磁輻射叫做光學輻射,簡稱光輻射。
波長大約從380-780nm這很小一部分光輻射是人眼可感知的可見光,更準確地說是看得見的光輻射,應該叫可見輻射??梢娸椛涫刮覀儺a生的明亮感是一種生理效應。好比我們吃糖,我們感到的糖的甜味也是糖刺激味覺器官產生的一種生理效應。因此我們應該把可見輻射能使視覺器官產生明亮感覺的生理效應和可見輻射本身區別開來。正如甜味和糖不是一回事一樣?!肮狻边@個詞在不同場合有不同的含義。有時是指可見輻射,有時是指可見輻射作用于視覺器官產生的生理效應即光視效應,有時又是指整個光學輻射。

2.光的顏色是怎么回事?

我們不僅能看到可見輻射,而且能感覺到它還帶有顏色。單一成分可見輻射的顏色隨波長而變。波長在380nm附近的輻射呈紫色,780nm附近的輻射呈暗紅色。顏色隨波長的變化如下圖所示, 不同顏色之間沒有明確的分界線,顏色的過渡是漸變的??梢娸椛洳粌H使人有光亮和顏色的感覺,而且不同顏色的可見輻射具有特定的心理效應。紅色使人感覺到喜慶、熱烈、溫暖;紫藍色光使人感覺到冷峻、沉靜;淺綠色光則使人有清新、活潑的感覺。因此,在照明工程中常常用各種色彩光束營造環境,烘托氣氛;還用特顏色的光來治療各種心理和生理疾病。

3.什么是紫外線、紅外線?
   
所謂紫外線、紅外線,誰確的說應該稱為紫外輻射和紅外輻射。人們最早認識和研究的是可見輻射即俗稱可見光。后來科學家在研究用三菱鏡展開的太陽光譜時,發現在光譜的紫色光邊界和紅色光邊界之外,還存在看不見的,但和看得見的光具有類似性質的“光”存在。因為它們分別位于可見光譜區紫色光和紅色光之外,因此就獲得了現在的名稱。
紅外輻射波長范圍是780nm--1mm。紫外輻射的波長范圍是1--380nm,其中1nm到大約200nm的輻射會被空氣吸收而不能在空氣中傳播,只能在真空中傳播,因此,這一部分又稱為真空紫外輻射。雖然我們看不見這兩種輻射,由于它們具有多種物理、化學和生物的效應,不僅和我們的生活有密切關系,而且在科學技術上有很重要的應用。無論是太陽輻射和各種人造光源,都含有或多或少的的紫外和紅外輻射。在照明工程中,一方面要合理利用對人體、環境有益的紫外和紅外輻射;另一方面要盡力避免和限制對人體、環境及照明對象有害的這兩種輻射;同時還要廣泛拓展它們在科學技術、醫藥衛生、醫療保健等方面的應用,以造福人類社會

4.人眼是怎樣感受光的?  
  
人的視覺器官主要由眼睛、視覺神經和大腦的相關部分組成。人眼的構造如圖所示,眼睛好像照相機,它的瞳孔好似照相機的光圈,瞳孔周圍的虹膜就起光圈的作用,它能根據光線的強弱調節瞳孔的大小,控制進入眼睛的光量。晶狀體則像照相機的鏡頭,它將外界景物聚焦成像在視網膜上。起感光作用的是視網膜上的感光細胞,它將感受到的信息通過視覺神經傳送到大腦的視覺中樞,形成明暗、顏色、形狀、動態、遠近等視知覺,以獲取外部世界的信息。
視網膜上的感光細胞有兩種,在正對瞳孔的中央部分布著密集的錐狀細胞,在中央部位的四周則主要是桿狀細胞。錐狀細胞約800萬個,又有三種,分別對光譜中的紅綠藍三區域的光產生反應。而桿狀細胞約1.2億個,其靈敏度高,能感受微弱的光。
在光線明亮的環境下,光亮度大于幾cd/m2(坎德拉/每平方米)時,桿狀細胞失去活性,主要是錐狀細胞起主要感光作用,這時的視覺叫明視覺。明視覺的特點是能分辨視覺的顏色,并對物體的細節有精確的辨別能力。這時眼睛對波長為555nm的綠色光靈敏度最高。隨著波長的逐漸減小和逐漸增加,靈敏度均逐漸減低,直到380nm和780nm,靈敏度降為零,即不產生光感覺了。當處在很暗的環境下,光亮度小于百分之幾cd/m2時,錐狀細胞失去活性,桿狀細胞恢復感光功能,這時的視覺叫暗視覺。其特點是只能分辨明暗,而沒有顏色感覺,并且辨別物體的細節能力大大降低。暗視覺對波長為507nm的輻射的靈敏度最高。在上述兩種情況之間,人處在較暗而又不是很暗的情況中,又如“暮色茫?!睍r,人的視覺叫做中間視覺。在亮度較高時還能分辨顏色,亮度較低時就只有明暗感覺了。

5.什么是照明?
照明,就是利用光對物體或環境進行照射,使人們可以看清物體或環境的總稱。采用太陽光(直射日光和天空光)進行照明稱為天然采光;利用人造光(光源)稱為人工照明。根據用途不同,人工照明可分為生活照明和生產照明兩大類。
生活照明包括家居照明和公共照明。家居照明是指住宅中的起居室照明、客廳照明、臥室照明、書房照明、餐廳照明及衛生間照明等。公共照明是指商業照明、學校照明、體育場館照明、展覽館照明、醫院照明、辦公樓照明及道路廣場照明等。
生產照明包括工礦照明和交通照明。工礦照明是指工廠車間的一般照明、局部照明是、事故照明、特殊照明等。交通照明是指車輛照明、船舶照明、鐵路照明及航空照明等。
照明具有科學和藝術兩種屬性。以藝術表現為主導的照明有廣告照明、舞臺照明、影視照明及景觀照明等。
總之,照明無處不在,現代社會離不開照明。而照明必須經過良好的設計,才能滿足人們生活和生產的視覺、心理和藝術欣賞的需求。


6.什么是光源的發光強度?
  
在黑暗的環境中我們習慣使用手電筒來照明,小小的手電筒在照明射的方向上能發出很強的光,甚至超過了某些比它體積大得多的光源,這是因為手電筒在該方向的發光強度大于被比較的光源,盡管它發出的光通量并不大。
發光強度簡稱光強,它是用于表示光源在一個方向上發光強弱程度的光度量。一個光源在給定方向上的光強(符號為I)等于在包含該方向的立體角元內發出的光通量除以立體角元之商:I=dΦ/dΩ。立體角是表示空間范圍的一個量。
發光強度的國際單位制(SI)單位為坎德拉(cd),是SI的七個基本單位之一。1979年國際計量大會通過了坎德拉的新定義:坎德拉是一光源在給定方向的發光強度,該光源發出的頻率為540×1012HZ(赫茲)的單色輻射,且在此方向上的輻射強度為(1/683)W/sr(讀為瓦每球面度)。一支普通蠟燭的發光強度約為1cd.

7.什么是光通量?
  
我們知道,光源向周圍空間輻射不同波長的電磁波(光波),光的傳播過程是能量的傳播過程。在單位時間內通過一面積的輻射能,稱為通過該面積的輻射通量,它客觀反映了光源輻射能量的多少??梢詾椤癢”(瓦)為單位來表示它發出的輻射功率?(即輻射通量)。
這一輻射通量中,包含了各種波長的電磁波,例如紅外線、紫外線、可見光等。對于可見光,人眼對不同波長的可見光的敏感度不同,即不同波長但輻射通量相同的光波,對人眼造成的亮度感不一樣。如黃綠光最亮,紅光和紫光讓人覺得暗得多。人眼的這一特性稱為光譜光視效率(Vλ)。由于人眼的這種特性,我們不能直接用光源的輻射通量來表示可見光能的大小,而必須以人眼的光感覺,即輻射通量所具有的光視覺效應的“強弱”、“多少”來表示光源發光的多少,在光度學中用光通量表示。
光通量的單位叫“流明”(lm)。1979年第16屆國際計量大會決議,功率1瓦、波長為555nm的單色輻射具有的光通量為683lm.

8.光源的發光多少如何測量?

光源的總光通量的測量方法有兩種:一種方法是用分布光度計測量光源發光強度的空間分布,每一方向的光強乘以相應的立體角就是這個方向發出的光通量。再將所有各方向的光通量加起來,就得到光源的總光通量。另一種方法是用球形光度計將被測光源和總光通量已知的標準光源進行比較測量,而得到被測光源的總光通量。
在照明工程中,往往對光源(或包括光源的燈具)的總光通量更感興趣,同一類型不同額定功率的光源,自然是功率大的光通量相對高。不同種類的光源,即使額定功率相同,其實光通量也不盡相同。如一只功率為40W的普通白熾燈,它的光通量約會330lm;而一只功率為40W、管徑為16mm的環形熒光燈,它的光通量約為3000lm。如果把光源放入燈具,那么這款包括光源的燈具的總光通量與單光源的光通量比,就會減少。所以,對不同型號的燈具,燈具的效率不一樣。

9.什么是照度?

光照射到一個物體上,我們說這個物體表面被照明了。而受光物體表面被光照射的程度,可以用照度這個光度量來表示。照度這個量被定義為落在某一面單元上的光通量除以這個面元面積之商。

照度的單位叫“勒克斯”(lx),當1lm的光通量均勻的照射在1平方面積上時,這個面積上的照度就等于1lx,即1lx=1lm/1平方。


10.什么是亮度?

一個發光體的發光面和被光照射的物體表面的明亮程度,是可以被人眼直接感覺到的,但人眼感覺到的明亮程度,叫做視亮度(Brightness)或主觀亮度,它可能受到觀察環境及光源本身的一些因素的影響。主觀感覺還由于眼睛適應情況的不同而有相當大的差別。
在光度學中用亮度(Luminance)這個量來表示發光面和被光照射的表面的明亮程度。作為專業術語,亮度被定義為光源表面一點處的面元在給定方向上的發光強度除以該面元在垂直于給定方向上的正投影面積之商。亮度的國際單位制單位是cd/m2(坎德拉每平方米)
亮度可以是發光面的亮度,也可以是物體表面在光照射下反射或透射光的亮度,即為次光源的亮度。一般來說,表面上不同部位的亮度不同,同一部位的亮度也隨觀察方向而變化。因此描述和測量亮度時,應明確部位和方向。

11.光照射到物體上時會發生什么現象?

光既具有波動性也具有粒子性,在物理學中稱為光的波粒二相性。用光的粒子性解釋光照射物體上時,光與物體的相互作用更加形象??梢詫⒁皇庀胂蟪蔀橐蝗阂詷O高的速度向著某個方向飛行的的小球,我們稱之為光子。當光子接觸到了物體時,較典型的情況是,有一些光子被反彈回來,我們稱之為反射;余下的光子突破了表面穿出,我們稱之為透射;另外一部分光子被物體內部的粒子糾纏住,直接被消化吸收,我們稱之為吸收。光與物體作用的形式主要是上面所說的光的反射、光的透射、光的吸收。
可用反射比、透射比和吸收比來定量的表示反射、透射和吸收的多少。
此外,由于物體內部粒子光子的作用,當光從一種物質進入另一種物質時,可能改變光子的傳輸方向。如果這種作用的結果造成光子向空間各個方向傳播,那么這種作用稱之為散射。如果改變光子的飛行速度,因而在光傾斜進入物體或射出物體時就會發生折射現象,就像把筷子插入水中會看到筷子彎折了。

12.站在河岸看水底,感覺河底比實際深了還是淺了?
  
眼睛看到水中或其他介質中的物體時,看到的是物體的虛像,并非實際物體,這是由于光的折射而產生的。光在空氣中的傳播速度約為30萬km/s(千米每秒),在玻璃、水或其他透明物體內傳播時,其速度就明顯降低了。
光從第一種介質進入第二種介質時,兩種介質不同,光速不同,入射角和折射角也不同。站在河岸上看水底,由于光在水中較空氣中的傳播速度慢,光波由一種媒介進入到另一種媒介會發生折射。如人在河岸向水中看,這時水底在人眼中所成的像為圖中虛線所示,人看到的河底實際上是經光的折射形成的虛像,所以由岸邊向水中看,虛像比實際河底淺。而由水中向岸上看,虛像比實際物體位置高,可形象地稱為“人看魚淺,魚看人高”。

13.光的反射有哪幾種情況?

我們知道光射到物體表面時會發生反射現象。當物體的表面是理想的光潔平面時,光的反射完全符合反射定律,即反射光與物體表面的夾角和入射光與物體表面的夾角相等。物理學中稱為規則反射和鏡反射。若物體的表面非常粗糙,光就會向物體對面的整個空間的各個方向反射,這在物理學中稱為漫反射。若漫反射光在各個方向均勻分布,則對所有方向的亮度均相等,這叫各向同性漫反射。
實際上不存在理想的鏡反射和理想的漫反射。大多數情況介于鏡反射與漫反射之間,有些情況可能鏡反射的成分多一些,有些情況可能漫反射的成分多一些,這種情況稱為混合反射。

14.光的透射有哪幾種情況?

當光入射到透明或半透明材料表面時,一部分被反射,一部分被吸收,還有一部分可以透射過去。
由于透射材料的品種不同,透射光在空間分布的形態共分三種:規則透射、漫透射和混合透射。
(1)規則透射
當光線照射到透明材料上時,透射光是按照幾何光學的定律進行方向性很強的定向透射,這就是規則透射。
(2)漫透射
光線穿過粗糙表面的透射材料(如磨砂玻璃)時,透射光彌散開,在宏觀上不存在規則透射,稱之為漫透射。
若光線照射到漫射性好的透光材料上時(如乳白玻璃等),透射光將向所有的方向散開并均勻分布在整個半球空間內,這時亮度在各個方向上均相同時,這稱為各向同性漫透射(以前稱為均勻漫透射)。
(3)混合透射
光線照射到透射材料上,其透射性能介于規則透和漫透射(或散透射)之間的情況,稱為混合透射。
當光線達到玻璃幕墻表面時會同時發生反射和透射兩種物理反應。

15.睛朗的天空為什么看上去是藍色的?

天空即包圍著地球的大氣層,自身是不發光的,天空呈現的顏色是太陽光經過大氣層對它作用的效果。由于空氣中含有氣體分子、大量塵埃、冰晶、水滴和其它微粒,所以,當太陽光透過大氣層時,會遇到空氣中的這些微粒,這些微粒對光有散射作用。
太陽光包含了可見光的全部波長范圍。常說太陽光包含紅、橙、黃、綠、青、藍、紫7色光,其中紅光波長最長,紫光波長最短。晴朗的天空中主要是空氣分子,它對波長較長的紅橙色光散射較少,穿透能力較強,透過較多,可較多地穿過大氣層到達地面,而波長較短的青、藍、紫色光,容易被空氣中的氣體分子散射開來,散射較多,穿透能力較弱,直接透過的相對較少。又因為紫色光通過大氣時被吸收相對較多,并且人眼對它們不太敏感,所以晴朗的天空呈現出蔚藍的顏色。

16.你了解太陽光嗎?

太陽光,又叫太陽輻射,是太陽向宇宙空間發射的電磁波。太陽是一個表面溫度約會6000K(開爾文)的熾熱氣體球。太陽光的光譜范圍包括從伽馬射線到無線電波,而99.9%以上的能量集中在0.2-10um(微米)的光譜范圍內。大約50%的太陽輻射能量在可見光譜區,7%在紫外光譜區,43%在紅外光譜區。
在地球位于曰地平均距離處時,地球大氣上界垂直于太陽光線的輻射照度,稱為太陽常數,其值約為1367W/m2(瓦/每平方米)。太陽光通過大氣時會發生散射和吸收,大部分可直接到達地面,稱為直射太陽光;一部分被散射后又到達地面,稱為散射太陽光。太陽光通過大氣后強度和光譜功率分布都發生了變化。直射太陽光的相關色溫約為5000K,平均日光的相關色溫約為6500K。一個地方太陽光的強弱隨緯度、海拔、太陽高度角以及天氣、氣候條件而不同。
太陽光是巨大的廉價能源。生物能、風能、水能、溫差能和潮夕能,歸根結底都是太陽能的轉化形式。
太陽光孕育了豐富多彩的世界,太陽光對人類的身體健康以及心理都具有重要的影響。
人類超過80%的信息是通過視覺得到的,而沒有照明也就無法通過視覺得到大量信息。太陽光(包括由月球反射太陽光而產生的月光)對人類的照明具有不可替代的重要地位,它是人類發明火以前的唯一的照明光源。至今仍是人們白天生活中不可缺少的天然光源。目前,人們已經開發越來越多的方法將太陽能用于照明,如用太陽電池板白天接收太陽能并存儲起來用于夜晚照明,利用光纖等方式將太陽光引入到室內照明等。

17.同一物體在不同光源照射下為什么會顯現不同的顏色?
對于不發光的物體,首先要有光照明它,人眼才能觀察到它的顏色。物體本身反射或透射不同波長的照明光。照明光源的光譜成分和物體自身的光譜反射比(或光譜透射比)共同決定了物體顯現的顏色。因此,對于確定的物體,變換光源,物體的顏色也將隨之改變。例如在日光下觀察白布,日光含有可見波段內從長波到短波全部光譜成分,日光可以稱為“白光”。白布基本上對日光的各個波長的反射比接近一致,因此,人眼觀察到白色。若將白布拿到藍色光源下觀察,由于藍色光源缺少長波部分,白布反射的光也就只有短波部分,所以在該光源下觀察,白布就變成藍色。同樣,在綠光下觀察,將呈現綠色。在紅光下觀察,呈現紅色。
因此,照明光源對物體呈現的顏色起重要作用。在博物館、商場、服裝店等需要準確辨別的場所,要特別注意光源的顯色特性。

18.顏色可以測量嗎?
人眼觀察物體時,除感受到物體的形態、遠近、明暗之外,還感受到物體的顏色。最初,人們只是對所感知到的每一種顏色取一個名字:紅色、白色、黃色等,以便于彼此區別。而我們眼睛能分辨的顏色有成千上萬種,用取名的方法來表示所有的顏色顯然是行不通的,也是不精確的。隨著科學技術的進步,人們逐漸認識到,我們所感知到的顏色實際上是外界的光刺激視覺器官所產生的一種生理效應。這種效應的信息再由大腦中樞處理而形成顏色知覺。因此,顏色的測理不同于純粹物理量的測量,有它自身的特點。除了要考慮引起顏色視覺的光輻射的強弱和它的光譜組成外,還要考慮視覺器官的生理特性和顏色視覺規律。色度學就是研究對顏色進行定量測量的一門學科。
實驗表明,任何一種顏色都可用特別選擇的三種單色光波按一定比例混合產生?,F在常用的是紅綠藍三種單色光,這就是人們常說的三原色。由人眼觀測,用三原色取不同比例即可配出可見光區不同波長的顏色。因而,每一波長的光的顏色就對應一組三原色的比值,這樣就得到了人眼的色覺函數。國際照明委員會總結了科學家的實驗結果,統一了色覺函數值,它體現了人類顏色視覺的平均特性。這樣就可根據光的光譜組成(無論是光源發生的,或是物體反射和透射的)計算顏色的三刺激值和色品坐標。因此任何一種顏色就可用它的色品坐標來表示,從而實現了顏色的測量。CIE為這種方法建立了標準色度系統來規范顏色表示和測量。這是一種混色系統,是用心理物理學的方法來表示和測量顏色的。
另外一類方法則是根據人們感知顏色的三種屬性:色調、明度和飽和度,將它們分為若干級次,做成標準色樣,并按一定規律排列。每一片色樣給出一個標號,將被測量的顏色與標準色樣做目視比較,找出與被測量顏色相同的色樣,則該色樣的標號就是被測顏色的標號,也就是被測量顏色的測量值。
這類測量方法有好幾種,最有名的、應用最廣泛的是孟塞爾顏色系統。
不同顏色的光會產生不同的心理和生理效應。因此,在照明工程中,不僅要關注照明的“數量”,還要關注所用光源的顏色及其光譜的組成。

19.用什么參數表示光源的表觀顏色?

對于不發光的物體,首先要有光照明它,人眼才能觀察到它的顏色;物體本身反射或透射不同波長的照明光。照明光源的光譜成分和物體自身的光譜反射比(或光譜透射比)共同決定了物體顯現的顏色。因此對于確定的物體,變換光源,物體的顏色也將隨之改變。例如在日光下觀察白布,日光含有可見波段內從長波到短波全部光譜成分,日光可以稱為“白光”,白布基本上對日光的各個波長的反射比接近一致,因此,人眼觀察到白色。若將白布拿到藍色光源下觀察,由于藍色光源缺少長波部分,白布反射的光也就只有短波部分,所以在該光源下觀察,白布就變成藍色,同樣,在綠光下觀察,將呈現綠色,在紅光下觀察,呈現紅色。

因此,照明光源對物體呈現的顏色起重要作用。在博物館、商場、服裝店等需要準確辨色的場所,要特別注意光源的顯色特性。

20.光源的顯色性是什么意思?如何表示?

人類長期在日光下生活和工作,夜晚則靠火光取得光亮。在這種條件下,人們觀察物體的顏色有了較為固定的認識。也就是說,在這種條件下感受到物體的顏色才是它“真實”的顏色。

一些人工光源,如熒光燈、汞燈、鈉燈等,其光色可能與火光或日光相似,但其光譜功率分布卻有很大差別,因此,人們在這些人工光源下所看到的物體顏色與在火光或日光條件下所看到的顏色有不同程度的差別。

光源的顯色性是指與日光或火光等參照光源比較,一個光源顯現被照物體顏色“真實”程度的性能。

“顯色指數”是在被測光源照明時物體的顏色與參照光源照明時的顏色符合程度的度量。具體方法是用若干標準顏色樣品,計算其在參照光源下和待測光源下顏色樣品的色差,色差越小,顯色指數越大,待測光源的顯色性越好;反之,顯色指數小,待測光源的顯色性就差。

一般顯色指數的最大值為100Ra,白熾燈、鹵鎢燈的一般顯色指數在95~100之間,短弧氙燈約為94~98,高顯色熒光燈和金屬鹵化物燈約為80~95,普通熒光燈約為50~70,高壓熒光汞燈約為30~40,高壓鈉燈為20~25。需要準確分辨顏色的工作,必須用高顯色性的光源照明。顯色指數低于50的光源只能用作不需要分辨顏色的場合,如普通的道路照明。

我國《建筑照明設計標準》(GB 50034-2004)規定:在長期工作場所、照明光源的顯色指數不宜小于80。根據國際照明委員會(CIE)標準的規定,在長期工作或停留的室內照明光源顯色指數不宜低于80。但對于工業建筑生產場所的照明(安裝高度大于6m的直接型燈具)可以例外,顯色指數可低于80,但最低限度必須能夠辨認安全色。

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