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第一篇 光與顏色

1 光與光源
 

1．1可見光
光是一種電磁波。電磁波的波長范圍寬廣，低至1 nm以下，高達10 km以上。其輻射類型包括宇宙射線、x射線、紫外線、可見光、紅外線、雷達、無線電和電視廣播、交流電等(如圖1
所示) r 。在整個電磁波譜中，只有很小的一段進入人眼后能引起視覺感知，這部分光輻射稱為可見光輻射，簡稱可見光?？梢姽庾V的短波長端為360—400 nm，長波長端為?60—830 nln。
 

一般認為可見光的波長范圍在380—780 am。因此，廣義上的光指的是包括x射線、紫外光、可見光、紅外光等在內(nèi)的光輻射，而狹義上的光通常就是指可見光。

不同波長的可見光輻射引起人們不同的顏色感覺，單一波長的光輻射表現(xiàn)為一種顏色，稱為單色光或光譜色。牛頓(Newton)通過對太陽光的色散試驗表明，白色陽光可分解成由紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等光譜色組成的譜帶；反之，這些單色光又可以合成原來的白光。因此，白光是各種單色光的集合。實際上，單色光的顏色是連續(xù)變化的，不存在嚴格的界限。同時，試驗指出，可見光區(qū)除了572、503和478 nnl這三個光譜點不受光強變化的影響外，其它各波長的單色光顏色感覺都會隨光強度的不同而變化。
 

人們在日常生活中見到單色光的機會不多，一般接觸到的都是如自然界中的太陽自光等復色光。這是由不同波長的單色光組合而成的混色光。復色光的不同波長輻射的相對功率分布決定了人們對它的顏色感覺。所以，一定組分的復色光對應一種確定的顏色。但是，一種顏色感覺并不只對應一種光譜組合，即兩種組分完全不同的復色光，有可能引起完全相同的顏色感覺，這就是顏色科學中很重要的同色異譜問題。
 

1．2光源及其光譜分布
 

光是由光源發(fā)出的。凡能發(fā)射紫外線、可見光、紅外線等各種電磁輻射的物質(zhì)都可稱為光源，其中又有自然光源和人造光源之分。常見的自然光源有太陽光、晝空、夜空、月和星等；
人造光源的范圍很廣，包括熱輻射或溫度輻射光源、氣體放電光源、固體發(fā)光光源、激光器等各種類型，還有蠟燭、油燈、火焰、電弧等也屬于人造光源。
 

不管是自然光源還是人造光源，大多是由單色光組成的復色光。光源的輻射能按波長分布的規(guī)律，隨光源的不同而變化。設(shè)以波長A為中心的微小波長寬度dA范圍內(nèi)的輻射量為
，則單位波長間隔所對應的輻射量稱為光譜密度  ，即 ：X =dX／dA  (1)式(1)中的輻射量可以是輻射通量、輻射強度、輻射亮度、輻射照度等。一般而言，波長不同，其對應的光譜密度也不同。
 

將光源的光譜密度與波長之間的對應關(guān)系用函數(shù)來表示，稱此函數(shù)為該光源的光譜分布 (A)。
 

光源的光譜能量分布或光譜功率分布，常用直角坐標系的光譜功率分布曲線來表示。此時，橫坐標表示波長A，縱坐標表示單位波長間隔內(nèi)的輻射功率。在色度學研究中，常常關(guān)心的各波長輻射功率的相對比例，而非光源的絕對光譜功率分布。這時，可令光譜分布函數(shù)的最大值為1，將函數(shù)的其它值進行歸化。經(jīng)過歸化后的光譜分布稱為相對光譜功率分布，其各波長對應值仍保持和絕對光譜功率分布相一致。根據(jù)光譜功率分布的不同，光源的典型光譜大致可以分為線光譜、帶狀光譜、連續(xù)光譜和混合光譜等幾種情況。如果只在某幾個波長處發(fā)射狹窄的譜線，如低壓汞燈和低壓鈉燈的光譜分布就是由若干條明顯分隔的細線組成的。這種光譜稱為線光譜。
 

帶狀光譜則由一些分開的譜帶構(gòu)成，每個譜帶又包含許多緊靠的細線，如碳弧和高壓汞燈的光譜就屬于這種分布。所有熱輻射光源的光譜都是連續(xù)光譜，其在整個光譜范圍內(nèi)，不同波長的光發(fā)射出強度不等的連續(xù)光譜，這是光源中最常見的一種光譜分布，如日光和白熾鎢絲燈即屬此類。前三種光譜的組合稱為混合光譜，如日常生活中常用的熒光燈就屬于這種情況。
 

光源的光譜分布不僅決定了其本身的光色參數(shù)，還將影響在其照明下觀察物體時的顏色外貌。
 

1．3黑體輻射及其光譜分布