光色度学知识

清水冰棍

光是照明設計最主要的部份，其為一種輻射能量，可為吾人眼睛所察知；此外，光亦無時不與吾人週遭環境發生互動關係，影響吾人對環境的視覺經驗與觀感。因此在學習照明設計之前，瞭解光本身的性質與活動的特性，實有助於日後應用許多不同方法對光加以控制，包括燈具的設計、材質的使用、光源與燈具的選擇，進而影響整個照明環境的佈光效果。
光的性質
光被定義為「可為視覺評價之輻射能量」，即光為能量的一種形式，藉輻射方式傳送，並能刺激眼睛視網膜產生視覺感知。輻射能及光的研究已有數世紀之久，有關光的理論主要如下：
  
1. 微粒子理論(Corpuscular Theory)：1660 年代首先由牛頓(Isaac Newton)提出，其認為所有加熱的物體會散發光的能量粒子(particles)，能量即藉此物質傳遞。每一粒子具有同樣高的速度且根據不同顏色而大小互異，這些微小粒子被假定以直線前進且可被反射及屈折。
  
2. 波動理論(Wave Theory)：1670 年，Christian Huygens 發展出另一套波動理論，指出前進波上每一點皆作為下一個波的來源且持續放射傳送，Huygens 的這套波動理論可以解釋光的反射及折射現象，且認為光色係根據波長決定。18 世紀初發現光的干涉與繞射現象即已更加認定光的波動說。
  
3. 電磁波理論(Electromagnetic Theory)：支持波動理論的證明一直持續整個19世紀，19世紀中由馬克斯威爾(James Maxwell)及赫茲(Heinrich Hertz)將光總結於電磁理論，進一步確定光波乃某固定波段的電磁波，即所有的輻射能均包含電磁波並以光速傳遞。光係電磁波譜(electromagnetic spectrum)的一部份，藉波的移動傳遞能量。
  
4. 光量子理論 (Quantum Theory)：1900 年由普朗克(M. Plank)大膽假設光能量的量子化，即電磁波只能攜帶一定基本數量整數倍的能量。1905 年愛因斯坦提出光量子說，認為光波具有獨立存在的粒子性質，這些粒子稱為光量子(quanta，photons)，簡稱光子，其能量正是電磁波量子化的基本數量，頻率愈高光子能量愈大，且電磁波的強度與光子的數目成正比。
5. 物質波理論(Unified Theory)：光的本質究竟是波還是微粒？依 1924 年布羅格理(L. de. Broglie)提出物質波的觀念，亦為目前對光的解釋，即光具有波與粒子的二元性，視場合而顯現不同特性。粒子的主要物理量為能量(E)與動量(P)，對波而言則為波長(λ)與頻率(υ)。此兩者皆有簡單的正比或反比關係：
E ＝ hυ
P ＝ h /λ
(比率常數 h 是普朗克常數)
  
可確定的是，光是一種能量，因其自光源直線向外放射而具有輻射特性；光可穿透所有種類的透明物質，並可在真空中傳遞而無須倚靠任何媒介；自然光源可為太陽或閃電，人工光源主要為白熾燈或氣體放電燈，前者係加熱燈絲至600℃以上而產生光，後者即藉激發電子撞擊氣體原子釋放能量產生光輻射。
光與輻射能頻譜
所有形式的輻射能皆具有二項特性，即波長與頻率，根據電磁波理論：
光速 ＝ 波長 × 頻率 (在真空狀態，光速為 3×105 km/sec)
  
?波長(wavelength)：波峰到波峰或波谷到波谷的距離，單位為 nm 或μm。
1 nm (nanometer) ＝ 10-9 m，1μm ＝ 10-10 m。
?頻率(frequency)：一秒鐘通過的波數或週期，單位為週期 / 秒(cycle/sec) 或赫(hertz, Hz)、千赫(kilohertz)、兆赫(megahertz)。
  
根據不同輻射能的波長與頻率排列所得的圖形稱為輻射能頻譜(radiant energy spectrum)或電磁波譜。整個輻射能頻譜(圖1-1)綜括自宇宙射線(波長最短，頻率最高)、g 射線、c 射線、紫外線、可見光、紅外線、微波、廣播及電視等無線電波至電力傳送(波長最長，頻率最低)等電磁波(波長範圍由 10-16～105 m)。接近中央地帶即為可見光譜(visible spectrum)，係唯一人眼可察知的部份，紫外線與紅外線分別與其左右相鄰；紫外線頻率較高、波長較短，紅外線則頻率較低、波長較長，兩者皆不可見。
高←───頻率───→低
紫                可                紅
外                見                外
線                光                線
短←───波長───→長
380 nm ～ 770 nm
  
1. 紫外線(ultraviolet, UV)：紫外線輻射依其與可見光之距離分為近、中、遠三區帶：
  
?近程紫外線(UV-A)                315～400 nm
?中程紫外線(UV-B)                280～315 nm
?遠程紫外線(UV-C)                100～280 nm
                                                               
(1) 近程(near)紫外線：此部份紫外線以“黑光”(black light)(300～400 nm)為代表，其涵蓋於可見光範圍內的部份為暗紫色。近程紫外線可使具螢光成份之物質產生螢光效應，多用於辨識偽鈔或營造特殊舞台效果如酒吧、舞池等處。
  
(2) 中程(middle)紫外線：日光浴即利用太陽輻射此部份的紫外線曬黑皮膚，過度曝曬於太陽底下則會曬傷皮膚，甚至導致皮膚老化及皮膚癌。某些光源則特別為進行人工日光浴而設計。通常大多數燈具使用的硬質玻璃(hard glass)即可過濾紫外線的此一部份。
  
(3) 遠程(far)紫外線：遠程紫外線輻射對人類甚為危險，其在 220～300 nm 的部份可殺菌，但亦會造成對眼球的傷害，導致白內障及眼角膜損壞；此部份紫外線廣泛用於製藥過程的殺菌或醫院病房消除傳染病的感染。另外，在 180～220 nm 部份，以製造臭氧為主的紫外線曾廣泛用於乾衣業以及淨化空氣，因瞭解到足夠濃度的臭氧具有毒性後已漸不使用。
  
2. 可見光(visible)：輻射能頻譜的可見光部份波長在 380～770 nm，吾人能看到這世界全賴此部份對人眼產生的視覺作用。可見光依波長的不同而有顏色之別，透過三稜鏡的分光清楚可見紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫色光，其中以紅光波長最長，紫光則最短。中午的晝光即平均包含這些不同波長的色光，顯現混合而成的白色光。
3. 紅外線(infrared)：紅外線輻射能波長在 770～106 nm 。紅外線並非如紫外線般以波長來評量，而是以其如何作用於物體表面來評斷。主要應用於工業加熱、烘乾(烤)，以及紅外線偵測如自動門等。紅外線亦可分為近、遠二區帶：
  
?近程(短波)紅外線                        770～1,400 nm
?遠程(長波)紅外線                     1,400～1,000,000 nm
  
可見光與紅外線可穿透人體肌肉組織，影響其生化過程，有益人體健康。長期隔離於陽光會破壞人體生理時鐘的明暗節奏、體溫控制與血液中荷爾蒙的分泌。紫外線無法穿透皮膚肌理，但過度曝曬會對皮膚產生嚴重影響，甚至引起皮膚癌；由於紫外線可破壞皮膚細胞，醫學上用於放射療法。因此所有會產生紫外線的光源，例如某些石英鹵素燈、複金屬燈及水銀燈，應避免直射人體，否則必須於光源前加裝保護鏡過濾紫外線，以減少對人皮膚及眼睛的傷害。

[ 本帖最后由 vandyke 于 2008-8-31 10:00 编辑 ]

清水冰棍

光的活動
光本身並無實體，因此吾人並看不見光，除非自物體(某種程度的實體)表面反射或透過的光進入人眼。亦即當光遭遇到物體表面，而與被照物產生某種形式的互動如反射、透射、折射或吸收，其它可能的變化尚有偏光、繞射或干涉，唯有如此，光才可以被感知及評量(圖1-2)。(照明設計較少涉及繞射與干涉現象，故不予討論。)
  
1. 反射(reflection)：吾人所看到的物體，其實是該物體所反射的光在人眼視網膜上成像所致(圖1-3)。也就是說，沒有光的存在，物體無法反射光而吾人也無法看見物體。
  
(1) 鏡反射(specular reflection)：鏡反射發生於光亮平滑的表面，光線的反射角恰等於其入射角；光源愈小，理論上愈接近點光源，反射光線的控制則愈精確；又因反射光的集中特性易引起眩光，亦可使被照物晶亮耀眼。材質如光面或鏡面，色調可為淺、中、深色調。
  
(2) 定向擴散反射(spread reflection) ：又可稱半鏡反射(semi-specular reflection)。因反射表面的微小差異，使光線朝反射方向些微擴散；反射光的集光程度仍可引起某種程度的眩光及視覺干擾，亦可使被照物呈現光澤感。材質如噴砂、磨光的表面或金屬的毛絲面等。
(3) 漫反射(diffuse reflection)：即光離開一表面如平光白漆或灰泥牆面，而呈全方向的反射現象，可造成一般的柔和感。材質如霧面或具有質感的表面皆可產生光線的漫反射。
  
2. 透射(transmission)：光穿透過某介質後繼續前進的現象稱為透射，該介質須具透光性，且部份光為介質所吸收(圖1-4)。
  
(1) 直線或直接透射(straight through or direct transmission)：通常可直接透射者為透明材質，因部份為被透射物吸收的緣故，透射光通常稍弱於入射光；但其行進方向並無改變，即透射角等於入射角，以致光源之影像清晰可見。材質如清玻璃、染色透明玻璃或透明壓克力。
  
(2) 定向擴散透射(spread transmission)：通常可定向擴散透射者為半透明材質，光穿透後略為擴散，但其光束方向大體仍維持一定，光源亦隱約可見。材質如噴砂玻璃、壓花玻璃或塑膠板，及某些玻璃磚等。
  
(3) 漫透射(diffuse transmission)：透射光朝各方向散開，且其光束的整體已不可辨，亦使光源影像模糊。材質如乳白玻璃或壓克力等，通常一般漫(透)射板(diffusers)穿透率為 40%～60%。
  
3. 折射(refraction)：折射係當光由一介質通過另一介質，行進方向的位移或改變的屈折現象。例如光離開空氣進入玻璃或水中，因為介質密度的改變而造成光線的彎折(圖1-5)。
  
4. 吸收(absorption)：當光觸及一表面或介質，不是被反射即是透射，且多少會損失一些光，即被此表面或介質所吸收。通常深色表面比淺色表面吸收更多的光，霧面黑體提供接近完全的吸收。
  
5. 偏光(polarization)：在通常情況下，光波係朝各方向振動且與行進方向成直角，若將所有方向的光波濾掉，僅留下某一方向或平面允許其振動，光線亦較原先為弱，這種使光波只朝某一平面前進的現象稱為偏光或梳光(圖1-6)。偏光材料的使用可降低反射眩光，改善工作視能(visibility)，例如太陽眼鏡能消除日光的閃耀，相機鏡頭所使用的偏光鏡亦可濾掉不必要的反射光。
常用術語
如圖1-7所示，光源發出光的量稱為光通量，而在某方向上光的分佈密度稱為發光強度，照度為光落在物體表面的密度，而吾人所見的並非照度而是該物體所反射的亮度。這些照明常用術語的定義如下：
  
?光通量(luminous flux)：即一光源所放射出光能量的速率或光的流動速率(flow rate)，為說明光源發光能力的基本量，單位為流明 (lumen，lm)(圖1-8)。例如一個100瓦(W)的燈泡可產生1750 lm ，而一支40 W 冷白色日光燈管則可產生 3150 lm 的光通量。根據定義，1 lm 為發光強度(I) 1 cd 的均勻點光源在 1 球面度立體角(W)內發出的光通量(F)。
光通量(F) ＝ I × W     lm
  
?發光強度(luminous intensity, candlepower)：發光強度簡稱光度，係指從光源一個立体角(單位為 sr)所放射出來的光通量(圖1-9)，也就是光源或照明燈具所發出的光通量在空間某選定方向上的分佈密度，單位為燭光(candle or candela，cd)。發光強度為 1 cd 的光源可放射出 12.57 lm 的光通量。
       
        發光強度( I ) = 光通量 / 立體角 = F / W     cd       
        1 lm / sr ＝ 1 candela (cd)
        1 cd ＝ 12.57 lm
  
?照度(illuminance)：受照平面上接受光通量的密度，可用每一單位面積的光通量來測量(圖1-10)。1 lm 的光通量均勻分佈在 1平方公尺(㎡) 的表面，即產生 1 勒克斯(lux, lx) 的照度；1 lm 的光通量落在 1 平方英呎(ft2 )的表面，其照度值為 1 呎燭光(footcandle, fc)。
       
        照度( E ) ＝ 光通量 / 面積 ＝ F / A      
        公制單位： lm / ㎡ ＝ lux (lx)
        英制單位： lm / ft2 ＝ footcandle (fc)
        1 fc ＝ 10.76 lx； 1 lx ＝ 0.093 fc
  
?輝度或亮度(luminance, brightness)：當吾人目視某物所看到的，可以兩種方式表達：一用於較高發光值者如光源或燈具，直接以其發光強度來表示；另一則用於本身不發光只反射光線者如室內表面或一般物體，以亮度表示。亮度即被照物每單位面積在某一方向上所發出或反射的發光強度(圖1-11)，用以顯示被照物的明暗差異，公制單位為燭光 / 平方公尺(candela/㎡，cd/㎡)或尼特(nit)，英制單位為呎朗伯(footlambert，fL)。
  
        亮度( L ) ＝ 發光強度 / 面積 ＝ I / AP
        公制單位：cd / ㎡ (nt)
        英制單位：footlambert(fL) ＝ 1/p cd/ft2
        1 fL ＝ 3.426 cd/㎡
  
表1-1. 照度與亮度單位換算表
照度         lux         footcandles
lux (lx)                   1               0.0929
footcandles (fc)                 10.76               1
亮度         cd/㎡(nit)         footlambert
candela(cd)/㎡ (nit)                 1               0.2919
footlambert (fL)                 3.426               1
  
根據英制伯朗定律 footlambert = footcandles × reflectance = 1/p cd/ft2 ，且假設某材料具一均勻反射表面，可導出公制亮度計算的簡便公式如下(圖1-12)：
  
        L  ＝  rE / p        cd/㎡
        (r 為材料表面反射比，E 為表面照度。)
  
?反射比及反射率(reflectance  and reflection factor)：某表面的亮度取決於落於其上的光量與該表面所能反射光線的能力；其所能反射光的多寡與分佈型式則取決於該材料表面的性質，以反射光與入射光的比值來表示，稱為該材料表面的反射比或反射率(%)(表1-2)。完美的黑色表面反射比為 0 ，亦即無論多少光落於其上皆無亮度產生而全被吸收；反之，一完美白色表面的反射比為 1  (反射率 100 %， 吸收率 0 %)。
        反射比的測量，首先將照度計置於物體表面讀出其表面照度值 E i (incident light)，再將照度計置於其上 5～8 cm (感光部份朝該表面且確定無陰影遮擋)，即可測出其所反射的照度值 E r (reflected light)，表面照度除反射照度所得之商即為該材料表面的反射比。
  
        反射比(reflectance ) ＝ E r  /  E i
        反射率(reflection factor ) ＝ E r  /  E i ×100 %
  
        表1-2. 常用材料的反射特性
材   料   種    類         反射率 %         吸收率 %
新白漆         75～90         10～25
舊白漆         50～70         30～50
粉彩漆         40～60         60～40
木材 / 淺橡木         25～35         65～75
         / 深橡木         10～15         85～90
         / 桃花心木           6～12         88～94
         / 核桃木           5～10         90～95
水泥，白水泥         20～40         60～80
大理石         30～70           
花崗石         20～25           
磚         10～40         60～90
石膏板 / 礦纖板         50～70

lymex

很好，补充一点：
发光强度，是对点光源而言的。尽管手电或者LED仍然广泛采用发光强度作为重要参数，比如“某手电是10000烛光”，某LED是2000mcd。
其中，烛光太老了，几十年前就用坎德拉替代了，也就是cd。
其中，LED用mcd而不用cd（1000mcd=1cd），是因为早期的LED太暗，比如超高亮度的才不到0.1cd，因此才习惯用mcd来表示。