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1、光学基础知识江西华烨节能照江西华烨节能照 明股份有限公司明股份有限公司制定： 2009-10-27讲师：高攀宁光的波粒二象性 光一直被认为是最小的物质，虽然它是个最特殊的物质，但可以说探索光的本性也就等于探索物质的本性。历史上，整个物理学正是围绕着物质究竟是波还是粒子而展开的。 光学的任务是研究光的本性，光的辐射、传播和接收的规律；光和其他物质的相互作用（如物质对光的吸收、散射、光的机械作用和光的热、电、化学、生理效应等）以及光学在科学技术等方面的应用。先熟悉一下有关光的基本知识。 关于光的本性问题， 笛卡儿 在他 方法论 的三个附录之一 折光学 中提出了两种假说。一种假说认为，光是类似于微粒

2、的一种物质；另一种假说认为光是一种以 “以太 ”为媒质的压力。 1663年，英国物理学家胡克重复了格里马第的试验，并通过对肥皂泡膜的颜色的观察提出了 “光是以太的一种纵向波 ”的假说。根据这一假说，胡克也认为光的颜色是由其频率决定的。然而 1672年，伟大的牛顿在他的论文 关于光和色的新理论 中谈到了他所作的光的色散实验：让太阳光通过一个小孔后照在暗室里的棱镜上，在对面的墙壁上会得到一个彩色光谱。他认为，光的复合和分解就像不同颜色的微粒混合在一起又被分开一样。在这篇论文里他用微粒说阐述了光的颜色理论。 第一次波动说与粒子说的争论由 “光的颜色 ”这根导火索引燃了。从此胡克与牛顿之间展开了漫长而

3、激烈的争论。 波动说的支持者，荷兰著名天文学家、物理学家和数学家惠更斯继承并完善了胡克的观点。 1905年 3月，爱因斯坦在德国 物理年报 上发表了题为 关于光的产生和转化的一个推测性观点 的论文他认为 对于时间的平均值，光表现为波动；对于时间的瞬间值，光表现为粒子性 。这是历史上第一次揭示微观客体波动性和粒子性的统一，即波粒二象性。这一科学理论最终得到了学术界的广泛接受。 1921年，爱因斯坦因为 “光的波粒二象性 “这一成就而获得了诺贝尔物理学奖。光学的前辈VS粒子说 波动说波粒二象性生命之光 -阳光1665年，牛顿 (Isaac Newton)进行了太阳光实验，让太阳光通过窗板的小圆孔照

4、射在玻璃三角棱镜上，光束在棱镜中折射后，扩散为一个连续的彩虹颜色带，牛顿称之为光谱 ，表示连续的可见光谱。而可见光谱只是所有电磁波谱中的一小部分。生命之光 -阳光三基色的由来牛顿认为白光 (太阳光 )使复杂的，由无数种不同的光线混合，各种光线在玻璃中受到不同程度的折射。棱镜没有改变白光而只是将它分解为简单的组成部分，把这些组成部分混合，能够重新恢复原来的白色。利用第二块棱镜可以将扩散的光再次合成为白光。在重新合成之前，通过屏蔽部分光谱，可以产生各种颜色。 Young在 1802年的实验表明：如果在红、绿、蓝区域选择部分光谱，这三者适当的混合可以再现白光。后来， Helmholtz成功地定量分析

5、了这种现象。混合物中红、绿、蓝比例的变化可以产生多种颜色，几乎可以产生任何颜色，红色、绿色、蓝色三者等量的混合可以再现白色。所以：红、绿、蓝这三种颜色就称为 “三原色 ”(RGB)。颜色的度量 CIE1931色度图 CIE:国际照明委员会 明度、色调和饱和度称为颜色视觉三特性 。明度就是明亮的程度；色调是由波长决定的色别，如 700nm光的色调是红色， 579nm光的色调是黄色， 510nm光的色调是绿色等等；饱和度就是纯度，没有混入白色的窄带单色，在视觉上就是高饱和度的颜色。光谱所有的光都是最纯的颜色光，加入白色越多，混合后的颜色就越不纯，看起来也就越不饱和。 国际照明委员会（ CIE） 1

6、931年制定了一个色度图，用组成某一颜色的三基色比例来规定这一颜色，即用三种基色相加的比例来表示某一颜色，并可写成方程式： (C)=R(R)+G(G)+B(B)式中，（ C）代表某一种颜色，（ R）、（ G）、（ B）是红、绿、蓝三基色， R、 G、 B是每种颜色的比例系数，它们的和等于 1，即 R G B 1， “C”是指匹配即在视觉上颜色相同，如某一蓝绿色可以表达为： (C)=0.06(R)+0.31(G)+0.63(B) 如果是二基色混合，则在三个系数中有一个为零；如匹配白色，则 R、 G、 B应相等。 任何颜色都用匹配该颜色的三基色的比例加以规定，因此每一颜色都在色度图中占有确定的位置

7、。色度图中： X轴色度坐标相当于红基色的比例； Y轴色度坐标相当于绿基色的比例。图中没有 Z轴色度坐标（即蓝基色所占的比例），因为比例系数 X Y Z 1， Z的坐标值可以推算出来，即 1一（ X Y） Z。 国际照委会制定的 CIE1931色度图如附图 31。色度图中的弧形曲线上的各点是光谱上的各种颜色即光谱轨迹，是光谱各种颜色的色度坐标。红色波段在图的右下部，绿色波段在左上角，蓝紫色波段在图的左下部。图下方的直线部分，即连接 400nm和 700nm的直线，是光谱上所没有的、由紫到红的系列。靠近图中心的 C是白色，相当于中午阳光的光色，其色度坐标为 X 0 3101， Y 0 3162。

8、设色度图上有一颜色 S，由 C通过 S画一直线至光谱轨迹 O点（ 590nm）， S颜色的主波长即为 590nm，此处光谱的颜色即 S的色调（橙色）。某一颜色离开 C点至光谱轨迹的距离表明它的色纯度，即饱和度。颜色越靠近 C越不纯，越靠近光谱轨迹越纯。 S点位于从 C到 590nm光谱轨迹的 45处，所以它的色纯度为 45（色纯度（ CS CO） 100。从光谱轨迹的任一点通过 C画一直线抵达对侧光谱轨迹的一点，这条直线两端的颜色互为补色（虚线）。从紫红色段的任一点通过 C点画一直线抵达对侧光谱轨迹的一点，这个非光谱色就用该光谱颜色的补色来表示。表示方法是在非光谱色的补色的波长后面加一 C字，

9、如 536G，这一紫红色是 536nm绿色的补色。 CIE1931色度图有很大的实用价值，任何颜色，不管是光源色还是表面色，都可以在这个色度图上标定出来，这就使颜色的描述简便而准确了。例如为了保证颜色标志的正确辨认和交通安全的管制，在 CIE1931色度图上规定了具体的范围，它适用于各种警告信号和颜色标志的编码。再如在 CIE1931色度图上，可推出由两种颜色相混合所得出的各种中间色。如 Q和 S相加，得出 Q到 S直线的各种中间颜色，如 T点，由 C通过 T抵达 552nm的光谱色，可由 552nm的波长颜色看出 T的色调，并可由 T在 C与 552nm光谱色之间所占位置看出它的纯度。 色度

10、图常用照明术语 光通量 光通量 (luminous flux ) 单位：流明（ lm） 光源在 1S内发出的光量总和称为光源的光通量。 绝对黑体在铂的凝固温度下 .从 5.305 103cm2面积上辐射出来的光通量为 1lm. 当物体的吸收率 =1时，则表示该物体能全部吸收投射来的各种波长的热辐射线，这种物体称为绝对黑体，或简称黑体（ black body）。 理解：可以认为向水泵一样， 1S抽多少升水，光源则 1S出多少光通量。常用照明术语 光强 光 强 （ luminous intensity ） 单位：坎德拉（ cd） 光源在某一给定方向的单位立体角内发射的光通量称为光源在该方向的发光强度，简称光强。 光通量是 1S 360的总和，光强则是其中一个角度的光通量。