光的基本性质及其度量

 

      光，不仅是支持生命的重要能量，也是生活中的重要信息源。显然，如果没有光，就不可能有我们现在的文明。正是光，为我们提供了很有价值的信息资源。由于安防界要和光打交道（因为安防监控的场景离不开光），因而我们首先必须了解光的基本性质及其度量。

       很久以前，人们就对光学现象进行了研究，并认识到光有直线传播的特点。在17世纪，牛顿根据光直线传播的现象，提出光是由光源飞岀的微粒流的假说，认为这些微粒在均匀媒质中沿着直线方向等速度飞行，并以微粒流的观点对反射和折射定律做了解释。随着生产和科学技术的发展，又发现了许多用光的直线传播概念不能解释的较为复杂的光现象，如光的干涉、衍射和偏振等。于是惠更斯、杨氏和费涅耳等提出了光的波动学说，认为光是发光材料中分子振动的结果，这些振动通过一种假想的弹性媒质，以水波一样的方式传播出去。光的波动理论能够解释光的干涉和衍射等现象。到I860年，麦克斯韦电磁理论建立后，才认识到光也是一种电磁现象。原来光和无线电波一样，也是一种电磁波，只不过光的波长比无线电波短得多而已。

        电磁波包括的范围很广，如现在已经发现的宇宙射线，其波长小于几个皮米（lpm=10¯¹²m）,  而广播用的无线电波的波长则达上千米，它们都属于电磁波的范畴。光波仅仅是电磁波中的一小部分，它包括的波长区间约从几个纳米（lnm=109m）到1mm左右。这些光并不是人眼都能看得见的，其中只有波长从380nm到780nm范围内的电磁波，才能引起人眼感光细胞的直接感觉。这一段波谱我们称为可见光区（即380-780nm,必须牢记，这样才不会错误说岀大于700nm的是红外光）。为了清楚起见，分别将紫外、可见和红外光部分放大，如图1-1所示。在可见光中，波长最短的是紫光，稍长的是蓝光，以后的顺序是青光、绿光、黄光、橙光和红光，红光的波长最长。而在不可见光中，波长比紫光短的光称为紫外线，比红光长的叫红外线。表1-1列出了光的各个波长区域。波长小于200nm的光成为真空紫外，因为这部分光在空气中很快被吸收，所以只能在真空中传播。

图1-1   紫外线、可见光和红外线波长

 

       现在常用的光波波长的单位是微米（卩m）.、纳米（nm）,其关系为1pm=103nm„应当指出，图1-1和表1-1只表示各波长区间的大致范围和相互位置，并没有也不可能给出区间的严格界限。实际上，各个区域之间都是逐步过渡而不是截然分开的。

表1-1光的各个波长区域
 

 

       由于光波也是一种电磁波，因此可以用麦克斯韦方程来描写。由麦克斯韦方程可知，迅速变化着的电磁场必定要向四周传播。电磁波在媒质中传播速度。由下式决定。

υ=λv/n（1-1）

式中，速度υ的单位是m/s；λ为波长，单位是m；v为频率，单位是Hz；n为媒质的折射率。在真空中，n=l,光传播速度c=299 792 458m/s,一般近似记为3xl08m/so除非特别指明，今后凡提到光的波长、速度，通常均指真空中的波长、速度。

       利用麦克斯韦理论能很好地说明光在传播过程中的反射、折射、干涉、衍射、偏振，以及光在各向异性介质中的传播等现象。但在研究过程中，人们发现在光与物质的互相作用方面，如物质对光的吸收、色散和散射等，用电磁理论仍不能给岀令人满意的解释。1900年普朗克在研究黑体辐射的能量按波长分布这一问题时发现，谐振子辐射是不连续的，提出了辐射的量子论。1905年，爱因斯坦在解释光电发射现象时也提岀了光量子的概念，从而逐渐地形成了新的微粒理论——量子论。量子论认为，光是由许多光量子组成的，这些光量子具有的能量为hv,其中h=(6.6260755±0.0000040)x[()34j.S,称为普朗克常数。以后的光电效应、X光散射等实验证实了光量子理论，并肯定了光具有粒子性。然而，光的干涉、衍射等现象又必须肯定光具有波动性。事实使人们认识到光具有波粒二重性，后来发展的量子电动力学也较好地反映了光的这种二重性，从而使人们对光的本性有了进一步认识。当然这种认识仍然是近似的，但它更接近客观实际了。

      辐射是一种能的形式，它有电磁本质，又具有量子性质。凡高于绝对零度的物体都会进行热辐射，温度低的物体发射红外光，温度升高到500°C时开始发射暗红色可见光，温度升高到1500°C时开始发白光。这种靠加热物体并保持一定温度而使内能不变的持续辐射，称为物体热辐射或温度辐射。因此，凡能发射连续光谱而辐射是温度函数的物体，就称为热辐射体，如一切动植物体、太阳及钙丝白炽灯等。

       若物体不是靠加热保温维持辐射，而是靠外部能量激发的辐射，则称为发光。显然，它不是温度的函数，其发光光谱是非连续光谱。这种靠外部能量激发的发光方式有电致发光、光致发光、化学发光等。一般，发光的物体也就是光源。由于发光是一种非平衡辐射过程，其发光光谱主要是线光谱或带光谱。

       由于光辐射伴随着辐射能的转移，这种辐射能及其引起的特性，需以能量或有效的物理量来测量。因此，为了研究光辐射现象的规律，测定出供给光源的能量(如电能)转换成光能效率的高低，通常以表1-2中所列出的一些基本参量来描述光源的辐射特性。

表1-2  辐射度量与单位

       表1-2中已详细列出了各参量的定义式与单位，这里仅对定义式与单位之外的部分做一简要说明。辐射亮度厶的数值与辐射源的性质有关，并随给定方向而变。若乙不随方向而变，则/e正比于COS8,即

图1-2   余弦辐射体

       此式可用图1-2表示。满足式(1-2)的特殊光源称为余弦辐射体,余弦辐射体也称为均匀漫反射体或朗伯体。除了黑体、灰体外，实验表明，抛毛乳白玻璃的透视光或反射光，抛毛乳白板的反射光,以及氧化镁、硫酸制等表面的反射光很接近于理想的余弦辐射体,白雪对阳光的反射也符合余弦辐射体的规律。对余弦辐射体，即服从朗伯定律的辐射体，可推算出

       即余弦辐射体的辐射出射度在数值上为其辐射亮度的兀倍。对于理想的散射面，满足条件脇=£e,于是由式(1-3)可得

       为了表征辐射，不仅要知道辐射的总通量和强度，还应知道其光谱组分。因为光源发出的光，往往由许多波长的光组成。为了研究各种波长的光所分别辐射的能量，还需要引入光谱辐射度量，即单位波长间隔内的辐射度量，其度量和单位如表1-3所示。

表1-3   光谱辐射度量

        光源发出的光在每单位波长间隔内的辐射通量称为光谱辐射通量(曾称为辐射通量的光谱密度或单色辐射通量)Φλ。由于光源发出的各种波长的Φλ一般是不同的，因此若在λ到λ+dλ间隔内的辐射通量是dΦλ，则在波长人处的光谱辐射通量为

若按整个光谱积分该函数，则可求得总的辐射通量值为

其他光谱辐射度量也有类似的关系。

        照明光源的特性只用前面所叙述的一些能量参数来描述是不够的，因为能量参数并没有考虑到人眼的作用。由于照明的效果最终是以人眼来评定的，因此照明光源的光学特性必须用基于人眼视觉的光学参量，即光度量来描述。

        光度量是人眼对相应辐射度量的视觉强度值。人的视神经对各种不同波长的光的感光灵敏度不一样，能量相同而波长不同的光，在人眼中引起的视觉强度不相同。国际照明委员会（CIE）用平均值的方法，确定了人眼对各种波长的光的平均相对灵敏度，称为光谱光视效率或视见函数v(λ)。图1-3所示为明视觉和暗视觉两种情况下的人眼视见函数曲线。明视觉视见函数v(λ)的最大值在555nm处，此时v(λ)=1,其他波长的v(λ)都小于1；暗视觉视见函数V´(λ)的最大值在507nm处，波长偏短。各种波长下的v(λ)值可由GB3102.6—93光及有关电磁辐射的量和单位中查出。表1-4列出了基本光度学的量、定义、单位和符号。

图   视觉典型的响应曲线

 

表1-4    光度量和单位

式中，Km为辐射度量与光度量之间的比例系数：v(λ)为人眼的光谱光视效率，积分限的变换是波长小于380nm和大于780nm的不可见光，v(λ)=0。
       式（1-7）中，Φ是光通量，其单位是流明（Im）；Φeλdλ是辐射通量，单位是瓦（W）；V（λ）是一个无量纲（即量纲为1）的系数，所以引进一个系数Km，从而使两边的单位一致。显然，Km的单位为1m／W，其值为683lm／W，称为最大光谱光视效能。它表示在波长为555nm处，即v(λ)=1处，与1W的辐射通量相当的光通量为6831m；换句话说，此时11m相当于1/683W。

       对于点光源所产生的照度，有下述的距离平方反比定律：用点光源照明时，被照面的照度与光源的发光强度/成正比，而与被照面到光源的距离/的平方成反比，即

如果被照面不垂直于光线方向，而其法线与光线的夹角为8,则式（1-8）应改写成

对于受到光照后成为面光源的表面来说,其光出射度与光照度（两者的不同如图1-4所示）成正比，即

式中，Ρ为小于1的系数（漫反射率），与表面的性质有关。

图1-4  光出射度与光照度

 

对于余弦辐射体，光亮度不随方向而变，它和光出射度M之间存在着同式（1-3）相似的关系，即

       必须注意，不要把照度与亮度的概念相混淆，它们是两个完全不同的物理量。照度表征受照面的明暗程度，照度与光源至被照面的距离的平方成反比。而亮度是表征任何形式的光源或被照射物体表面是面光源时的发光特性。如果光源与观察者眼睛之间没有光吸收现象存在，那么亮度值与两者间距离无关。

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