1.什么是光?

起初,人们把能引起眼睛有“明亮”感觉的“射线”叫做“光”。随着科学的进步,才认识到光其实就是一种电磁波,又称为电磁辐射。它和电台、电视台发射的电波同属一大类。只不过它的波长短得多。波长从1nm(纳米)到1mm(毫米)(1nm=10的负6次方nm)的电磁辐射都是光学研究的对象,因此,这一段电磁辐射叫做光学辐射,简称光辐射。
波长大约从380-780nm这很小一部分光辐射是人眼可感知的可见光,更准确地说是看得见的光辐射,应该叫可见辐射。可见辐射使我们产生的明亮感是一种生理效应。好比我们吃糖,我们感到的糖的甜味也是糖刺激味觉器官产生的一种生理效应。因此我们应该把可见辐射能使视觉器官产生明亮感觉的生理效应和可见辐射本身区别开来。正如甜味和糖不是一回事一样。“光”这个词在不同场合有不同的含义。有时是指可见辐射,有时是指可见辐射作用于视觉器官产生的生理效应即光视效应,有时又是指整个光学辐射。

2.光的颜色是怎么回事?

我们不仅能看到可见辐射,而且能感觉到它还带有颜色。单一成分可见辐射的颜色随波长而变。波长在380nm附近的辐射呈紫色,780nm附近的辐射呈暗红色。颜色随波长的变化如下图所示, 不同颜色之间没有明确的分界线,颜色的过渡是渐变的。可见辐射不仅使人有光亮和颜色的感觉,而且不同颜色的可见辐射具有特定的心理效应。红色使人感觉到喜庆、热烈、温暖;紫蓝色光使人感觉到冷峻、沉静;浅绿色光则使人有清新、活泼的感觉。因此,在照明工程中常常用各种色彩光束营造环境,烘托气氛;还用特颜色的光来治疗各种心理和生理疾病。

3.什么是紫外线、红外线?
   
所谓紫外线、红外线,谁确的说应该称为紫外辐射和红外辐射。人们最早认识和研究的是可见辐射即俗称可见光。后来科学家在研究用三菱镜展开的太阳光谱时,发现在光谱的紫色光边界和红色光边界之外,还存在看不见的,但和看得见的光具有类似性质的“光”存在。因为它们分别位于可见光谱区紫色光和红色光之外,因此就获得了现在的名称。
红外辐射波长范围是780nm--1mm。紫外辐射的波长范围是1--380nm,其中1nm到大约200nm的辐射会被空气吸收而不能在空气中传播,只能在真空中传播,因此,这一部分又称为真空紫外辐射。虽然我们看不见这两种辐射,由于它们具有多种物理、化学和生物的效应,不仅和我们的生活有密切关系,而且在科学技术上有很重要的应用。无论是太阳辐射和各种人造光源,都含有或多或少的的紫外和红外辐射。在照明工程中,一方面要合理利用对人体、环境有益的紫外和红外辐射;另一方面要尽力避免和限制对人体、环境及照明对象有害的这两种辐射;同时还要广泛拓展它们在科学技术、医药卫生、医疗保健等方面的应用,以造福人类社会

4.人眼是怎样感受光的?  
  
人的视觉器官主要由眼睛、视觉神经和大脑的相关部分组成。人眼的构造如图所示,眼睛好像照相机,它的瞳孔好似照相机的光圈,瞳孔周围的虹膜就起光圈的作用,它能根据光线的强弱调节瞳孔的大小,控制进入眼睛的光量。晶状体则像照相机的镜头,它将外界景物聚焦成像在视网膜上。起感光作用的是视网膜上的感光细胞,它将感受到的信息通过视觉神经传送到大脑的视觉中枢,形成明暗、颜色、形状、动态、远近等视知觉,以获取外部世界的信息。
视网膜上的感光细胞有两种,在正对瞳孔的中央部分布着密集的锥状细胞,在中央部位的四周则主要是杆状细胞。锥状细胞约800万个,又有三种,分别对光谱中的红绿蓝三区域的光产生反应。而杆状细胞约1.2亿个,其灵敏度高,能感受微弱的光。
在光线明亮的环境下,光亮度大于几cd/m2(坎德拉/每平方米)时,杆状细胞失去活性,主要是锥状细胞起主要感光作用,这时的视觉叫明视觉。明视觉的特点是能分辨视觉的颜色,并对物体的细节有精确的辨别能力。这时眼睛对波长为555nm的绿色光灵敏度最高。随着波长的逐渐减小和逐渐增加,灵敏度均逐渐减低,直到380nm和780nm,灵敏度降为零,即不产生光感觉了。当处在很暗的环境下,光亮度小于百分之几cd/m2时,锥状细胞失去活性,杆状细胞恢复感光功能,这时的视觉叫暗视觉。其特点是只能分辨明暗,而没有颜色感觉,并且辨别物体的细节能力大大降低。暗视觉对波长为507nm的辐射的灵敏度最高。在上述两种情况之间,人处在较暗而又不是很暗的情况中,又如“暮色茫茫”时,人的视觉叫做中间视觉。在亮度较高时还能分辨颜色,亮度较低时就只有明暗感觉了。

5.什么是照明?
照明,就是利用光对物体或环境进行照射,使人们可以看清物体或环境的总称。采用太阳光(直射日光和天空光)进行照明称为天然采光;利用人造光(光源)称为人工照明。根据用途不同,人工照明可分为生活照明和生产照明两大类。
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、客厅照明、卧室照明、书房照明、餐厅照明及卫生间照明等。公共照明是指商业照明、学校照明、体育场馆照明、展览馆照明、医院照明、办公楼照明及道路广场照明等。
生产照明包括工矿照明和交通照明。工矿照明是指工厂车间的一般照明、局部照明是、事故照明、特殊照明等。交通照明是指车辆照明、船舶照明、铁路照明及航空照明等。
照明具有科学和艺术两种属性。以艺术表现为主导的照明有广告照明、舞台照明、影视照明及景观照明等。
总之,照明无处不在,现代社会离不开照明。而照明必须经过良好的设计,才能满足人们生活和生产的视觉、心理和艺术欣赏的需求。


6.什么是光源的发光强度?
  
在黑暗的环境中我们习惯使用手电筒来照明,小小的手电筒在照明射的方向上能发出很强的光,甚至超过了某些比它体积大得多的光源,这是因为手电筒在该方向的发光强度大于被比较的光源,尽管它发出的光通量并不大。
发光强度简称光强,它是用于表示光源在一个方向上发光强弱程度的光度量。一个光源在给定方向上的光强(符号为I)等于在包含该方向的立体角元内发出的光通量除以立体角元之商:I=dΦ/dΩ。立体角是表示空间范围的一个量。
发光强度的国际单位制(SI)单位为坎德拉(cd),是SI的七个基本单位之一。1979年国际计量大会通过了坎德拉的新定义:坎德拉是一光源在给定方向的发光强度,该光源发出的频率为540×1012HZ(赫兹)的单色辐射,且在此方向上的辐射强度为(1/683)W/sr(读为瓦每球面度)。一支普通蜡烛的发光强度约为1cd.

7.什么是光通量?
  
我们知道,光源向周围空间辐射不同波长的电磁波(光波),光的传播过程是能量的传播过程。在单位时间内通过一面积的辐射能,称为通过该面积的辐射通量,它客观反映了光源辐射能量的多少。可以为“W”(瓦)为单位来表示它发出的辐射功率?(即辐射通量)。
这一辐射通量中,包含了各种波长的电磁波,例如红外线、紫外线、可见光等。对于可见光,人眼对不同波长的可见光的敏感度不同,即不同波长但辐射通量相同的光波,对人眼造成的亮度感不一样。如黄绿光最亮,红光和紫光让人觉得暗得多。人眼的这一特性称为光谱光视效率(Vλ)。由于人眼的这种特性,我们不能直接用光源的辐射通量来表示可见光能的大小,而必须以人眼的光感觉,即辐射通量所具有的光视觉效应的“强弱”、“多少”来表示光源发光的多少,在光度学中用光通量表示。
光通量的单位叫“流明”(lm)。1979年第16届国际计量大会决议,功率1瓦、波长为555nm的单色辐射具有的光通量为683lm.

8.光源的发光多少如何测量?

光源的总光通量的测量方法有两种:一种方法是用分布光度计测量光源发光强度的空间分布,每一方向的光强乘以相应的立体角就是这个方向发出的光通量。再将所有各方向的光通量加起来,就得到光源的总光通量。另一种方法是用球形光度计将被测光源和总光通量已知的标准光源进行比较测量,而得到被测光源的总光通量。
在照明工程中,往往对光源(或包括光源的灯具)的总光通量更感兴趣,同一类型不同额定功率的光源,自然是功率大的光通量相对高。不同种类的光源,即使额定功率相同,其实光通量也不尽相同。如一只功率为40W的普通白炽灯,它的光通量约会330lm;而一只功率为40W、管径为16mm的环形荧光灯,它的光通量约为3000lm。如果把光源放入灯具,那么这款包括光源的灯具的总光通量与单光源的光通量比,就会减少。所以,对不同型号的灯具,灯具的效率不一样。

9.什么是照度?

光照射到一个物体上,我们说这个物体表面被照明了。而受光物体表面被光照射的程度,可以用照度这个光度量来表示。照度这个量被定义为落在某一面单元上的光通量除以这个面元面积之商。

照度的单位叫“勒克斯”(lx),当1lm的光通量均匀的照射在1平方面积上时,这个面积上的照度就等于1lx,即1lx=1lm/1平方。


10.什么是亮度?

一个发光体的发光面和被光照射的物体表面的明亮程度,是可以被人眼直接感觉到的,但人眼感觉到的明亮程度,叫做视亮度(Brightness)或主观亮度,它可能受到观察环境及光源本身的一些因素的影响。主观感觉还由于眼睛适应情况的不同而有相当大的差别。
在光度学中用亮度(Luminance)这个量来表示发光面和被光照射的表面的明亮程度。作为专业术语,亮度被定义为光源表面一点处的面元在给定方向上的发光强度除以该面元在垂直于给定方向上的正投影面积之商。亮度的国际单位制单位是cd/m2(坎德拉每平方米)
亮度可以是发光面的亮度,也可以是物体表面在光照射下反射或透射光的亮度,即为次光源的亮度。一般来说,表面上不同部位的亮度不同,同一部位的亮度也随观察方向而变化。因此描述和测量亮度时,应明确部位和方向。

11.光照射到物体上时会发生什么现象?

光既具有波动性也具有粒子性,在物理学中称为光的波粒二相性。用光的粒子性解释光照射物体上时,光与物体的相互作用更加形象。可以将一束光想象成为一群以极高的速度向着某个方向飞行的的小球,我们称之为光子。当光子接触到了物体时,较典型的情况是,有一些光子被反弹回来,我们称之为反射;余下的光子突破了表面穿出,我们称之为透射;另外一部分光子被物体内部的粒子纠缠住,直接被消化吸收,我们称之为吸收。光与物体作用的形式主要是上面所说的光的反射、光的透射、光的吸收。
可用反射比、透射比和吸收比来定量的表示反射、透射和吸收的多少。
此外,由于物体内部粒子光子的作用,当光从一种物质进入另一种物质时,可能改变光子的传输方向。如果这种作用的结果造成光子向空间各个方向传播,那么这种作用称之为散射。如果改变光子的飞行速度,因而在光倾斜进入物体或射出物体时就会发生折射现象,就像把筷子插入水中会看到筷子弯折了。

12.站在河岸看水底,感觉河底比实际深了还是浅了?
  
眼睛看到水中或其他介质中的物体时,看到的是物体的虚像,并非实际物体,这是由于光的折射而产生的。光在空气中的传播速度约为30万km/s(千米每秒),在玻璃、水或其他透明物体内传播时,其速度就明显降低了。
光从第一种介质进入第二种介质时,两种介质不同,光速不同,入射角和折射角也不同。站在河岸上看水底,由于光在水中较空气中的传播速度慢,光波由一种媒介进入到另一种媒介会发生折射。如人在河岸向水中看,这时水底在人眼中所成的像为图中虚线所示,人看到的河底实际上是经光的折射形成的虚像,所以由岸边向水中看,虚像比实际河底浅。而由水中向岸上看,虚像比实际物体位置高,可形象地称为“人看鱼浅,鱼看人高”。

13.光的反射有哪几种情况?

我们知道光射到物体表面时会发生反射现象。当物体的表面是理想的光洁平面时,光的反射完全符合反射定律,即反射光与物体表面的夹角和入射光与物体表面的夹角相等。物理学中称为规则反射和镜反射。若物体的表面非常粗糙,光就会向物体对面的整个空间的各个方向反射,这在物理学中称为漫反射。若漫反射光在各个方向均匀分布,则对所有方向的亮度均相等,这叫各向同性漫反射。
实际上不存在理想的镜反射和理想的漫反射。大多数情况介于镜反射与漫反射之间,有些情况可能镜反射的成分多一些,有些情况可能漫反射的成分多一些,这种情况称为混合反射。

14.光的透射有哪几种情况?

当光入射到透明或半透明材料表面时,一部分被反射,一部分被吸收,还有一部分可以透射过去。
由于透射材料的品种不同,透射光在空间分布的形态共分三种:规则透射、漫透射和混合透射。
(1)规则透射
当光线照射到透明材料上时,透射光是按照几何光学的定律进行方向性很强的定向透射,这就是规则透射。
(2)漫透射
光线穿过粗糙表面的透射材料(如磨砂玻璃)时,透射光弥散开,在宏观上不存在规则透射,称之为漫透射。
若光线照射到漫射性好的透光材料上时(如乳白玻璃等),透射光将向所有的方向散开并均匀分布在整个半球空间内,这时亮度在各个方向上均相同时,这称为各向同性漫透射(以前称为均匀漫透射)。
(3)混合透射
光线照射到透射材料上,其透射性能介于规则透和漫透射(或散透射)之间的情况,称为混合透射。
当光线达到玻璃幕墙表面时会同时发生反射和透射两种物理反应。

15.睛朗的天空为什么看上去是蓝色的?

天空即包围着地球的大气层,自身是不发光的,天空呈现的颜色是太阳光经过大气层对它作用的效果。由于空气中含有气体分子、大量尘埃、冰晶、水滴和其它微粒,所以,当太阳光透过大气层时,会遇到空气中的这些微粒,这些微粒对光有散射作用。
太阳光包含了可见光的全部波长范围。常说太阳光包含红、橙、黄、绿、青、蓝、紫7色光,其中红光波长最长,紫光波长最短。晴朗的天空中主要是空气分子,它对波长较长的红橙色光散射较少,穿透能力较强,透过较多,可较多地穿过大气层到达地面,而波长较短的青、蓝、紫色光,容易被空气中的气体分子散射开来,散射较多,穿透能力较弱,直接透过的相对较少。又因为紫色光通过大气时被吸收相对较多,并且人眼对它们不太敏感,所以晴朗的天空呈现出蔚蓝的颜色。

16.你了解太阳光吗?

太阳光,又叫太阳辐射,是太阳向宇宙空间发射的电磁波。太阳是一个表面温度约会6000K(开尔文)的炽热气体球。太阳光的光谱范围包括从伽马射线到无线电波,而99.9%以上的能量集中在0.2-10um(微米)的光谱范围内。大约50%的太阳辐射能量在可见光谱区,7%在紫外光谱区,43%在红外光谱区。
在地球位于曰地平均距离处时,地球大气上界垂直于太阳光线的辐射照度,称为太阳常数,其值约为1367W/m2(瓦/每平方米)。太阳光通过大气时会发生散射和吸收,大部分可直接到达地面,称为直射太阳光;一部分被散射后又到达地面,称为散射太阳光。太阳光通过大气后强度和光谱功率分布都发生了变化。直射太阳光的相关色温约为5000K,平均日光的相关色温约为6500K。一个地方太阳光的强弱随纬度、海拔、太阳高度角以及天气、气候条件而不同。
太阳光是巨大的廉价能源。生物能、风能、水能、温差能和潮夕能,归根结底都是太阳能的转化形式。
太阳光孕育了丰富多彩的世界,太阳光对人类的身体健康以及心理都具有重要的影响。
人类超过80%的信息是通过视觉得到的,而没有照明也就无法通过视觉得到大量信息。太阳光(包括由月球反射太阳光而产生的月光)对人类的照明具有不可替代的重要地位,它是人类发明火以前的唯一的照明光源。至今仍是人们白天生活中不可缺少的天然光源。目前,人们已经开发越来越多的方法将太阳能用于照明,如用太阳电池板白天接收太阳能并存储起来用于夜晚照明,利用光纤等方式将太阳光引入到室内照明等。

17.同一物体在不同光源照射下为什么会显现不同的颜色?
对于不发光的物体,首先要有光照明它,人眼才能观察到它的颜色。物体本身反射或透射不同波长的照明光。照明光源的光谱成分和物体自身的光谱反射比(或光谱透射比)共同决定了物体显现的颜色。因此,对于确定的物体,变换光源,物体的颜色也将随之改变。例如在日光下观察白布,日光含有可见波段内从长波到短波全部光谱成分,日光可以称为“白光”。白布基本上对日光的各个波长的反射比接近一致,因此,人眼观察到白色。若将白布拿到蓝色光源下观察,由于蓝色光源缺少长波部分,白布反射的光也就只有短波部分,所以在该光源下观察,白布就变成蓝色。同样,在绿光下观察,将呈现绿色。在红光下观察,呈现红色。
因此,照明光源对物体呈现的颜色起重要作用。在博物馆、商场、服装店等需要准确辨别的场所,要特别注意光源的显色特性。

18.颜色可以测量吗?
人眼观察物体时,除感受到物体的形态、远近、明暗之外,还感受到物体的颜色。最初,人们只是对所感知到的每一种颜色取一个名字:红色、白色、黄色等,以便于彼此区别。而我们眼睛能分辨的颜色有成千上万种,用取名的方法来表示所有的颜色显然是行不通的,也是不精确的。随着科学技术的进步,人们逐渐认识到,我们所感知到的颜色实际上是外界的光刺激视觉器官所产生的一种生理效应。这种效应的信息再由大脑中枢处理而形成颜色知觉。因此,颜色的测理不同于纯粹物理量的测量,有它自身的特点。除了要考虑引起颜色视觉的光辐射的强弱和它的光谱组成外,还要考虑视觉器官的生理特性和颜色视觉规律。色度学就是研究对颜色进行定量测量的一门学科。
实验表明,任何一种颜色都可用特别选择的三种单色光波按一定比例混合产生。现在常用的是红绿蓝三种单色光,这就是人们常说的三原色。由人眼观测,用三原色取不同比例即可配出可见光区不同波长的颜色。因而,每一波长的光的颜色就对应一组三原色的比值,这样就得到了人眼的色觉函数。国际照明委员会总结了科学家的实验结果,统一了色觉函数值,它体现了人类颜色视觉的平均特性。这样就可根据光的光谱组成(无论是光源发生的,或是物体反射和透射的)计算颜色的三刺激值和色品坐标。因此任何一种颜色就可用它的色品坐标来表示,从而实现了颜色的测量。CIE为这种方法建立了标准色度系统来规范颜色表示和测量。这是一种混色系统,是用心理物理学的方法来表示和测量颜色的。
另外一类方法则是根据人们感知颜色的三种属性:色调、明度和饱和度,将它们分为若干级次,做成标准色样,并按一定规律排列。每一片色样给出一个标号,将被测量的颜色与标准色样做目视比较,找出与被测量颜色相同的色样,则该色样的标号就是被测颜色的标号,也就是被测量颜色的测量值。
这类测量方法有好几种,最有名的、应用最广泛的是孟塞尔颜色系统。
不同颜色的光会产生不同的心理和生理效应。因此,在照明工程中,不仅要关注照明的“数量”,还要关注所用光源的颜色及其光谱的组成。

19.用什么参数表示光源的表观颜色?

对于不发光的物体,首先要有光照明它,人眼才能观察到它的颜色;物体本身反射或透射不同波长的照明光。照明光源的光谱成分和物体自身的光谱反射比(或光谱透射比)共同决定了物体显现的颜色。因此对于确定的物体,变换光源,物体的颜色也将随之改变。例如在日光下观察白布,日光含有可见波段内从长波到短波全部光谱成分,日光可以称为“白光”,白布基本上对日光的各个波长的反射比接近一致,因此,人眼观察到白色。若将白布拿到蓝色光源下观察,由于蓝色光源缺少长波部分,白布反射的光也就只有短波部分,所以在该光源下观察,白布就变成蓝色,同样,在绿光下观察,将呈现绿色,在红光下观察,呈现红色。

因此,照明光源对物体呈现的颜色起重要作用。在博物馆、商场、服装店等需要准确辨色的场所,要特别注意光源的显色特性。

20.光源的显色性是什么意思?如何表示?

人类长期在日光下生活和工作,夜晚则靠火光取得光亮。在这种条件下,人们观察物体的颜色有了较为固定的认识。也就是说,在这种条件下感受到物体的颜色才是它“真实”的颜色。

一些人工光源,如荧光灯、汞灯、钠灯等,其光色可能与火光或日光相似,但其光谱功率分布却有很大差别,因此,人们在这些人工光源下所看到的物体颜色与在火光或日光条件下所看到的颜色有不同程度的差别。

光源的显色性是指与日光或火光等参照光源比较,一个光源显现被照物体颜色“真实”程度的性能。

“显色指数”是在被测光源照明时物体的颜色与参照光源照明时的颜色符合程度的度量。具体方法是用若干标准颜色样品,计算其在参照光源下和待测光源下颜色样品的色差,色差越小,显色指数越大,待测光源的显色性越好;反之,显色指数小,待测光源的显色性就差。

一般显色指数的最大值为100Ra,白炽灯、卤钨灯的一般显色指数在95~100之间,短弧氙灯约为94~98,高显色荧光灯和金属卤化物灯约为80~95,普通荧光灯约为50~70,高压荧光汞灯约为30~40,高压钠灯为20~25。需要准确分辨颜色的工作,必须用高显色性的光源照明。显色指数低于50的光源只能用作不需要分辨颜色的场合,如普通的道路照明。

我国《建筑照明设计标准》(GB 50034-2004)规定:在长期工作场所、照明光源的显色指数不宜小于80。根据国际照明委员会(CIE)标准的规定,在长期工作或停留的室内照明光源显色指数不宜低于80。但对于工业建筑生产场所的照明(安装高度大于6m的直接型灯具)可以例外,显色指数可低于80,但最低限度必须能够辨认安全色。

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