光色度學(xué)知識(shí)

光是照明設(shè)計(jì)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(wú)時(shí)不與吾人週遭環(huán)境發(fā)生互動(dòng)關(guān)係，影響吾人對(duì)環(huán)境的視覺經(jīng)驗(yàn)與觀感。因此在學(xué)習(xí)照明設(shè)計(jì)之前，瞭解光本身的性質(zhì)與活動(dòng)的特性，實(shí)有助於日後應(yīng)用許多不同方法對(duì)光加以控制，包括燈具的設(shè)計(jì)、材質(zhì)的使用、光源與燈具的選擇，進(jìn)而影響整個(gè)照明環(huán)境的佈光效果。
光的性質(zhì)
光被定義為「可為視覺評(píng)價(jià)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(wǎng)膜產(chǎn)生視覺感知。輻射能及光的研究已有數(shù)世紀(jì)之久，有關(guān)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(rèn)為所有加熱的物體會(huì)散發(fā)光的能量粒子(particles)，能量即藉此物質(zhì)傳遞。每一粒子具有同樣高的速度且根據(jù)不同顏色而大小互異，這些微小粒子被假定以直線前進(jìn)且可被反射及屈折。
  
2. 波動(dòng)理論(Wave Theory)：1670 年，Christian Huygens 發(fā)展出另一套波動(dòng)理論，指出前進(jìn)波上每一點(diǎn)皆作為下一個(gè)波的來(lái)源且持續(xù)放射傳送，Huygens 的這套波動(dòng)理論可以解釋光的反射及折射現(xiàn)象，且認(rèn)為光色係根據(jù)波長(zhǎng)決定。18 世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)光的干涉與繞射現(xiàn)象即已更加認(rèn)定光的波動(dòng)說(shuō)。
  
3. 電磁波理論(Electromagnetic Theory)：支持波動(dòng)理論的證明一直持續(xù)整個(gè)19世紀(jì)，19世紀(jì)中由馬克斯威爾(James Maxwell)及赫茲(Heinrich Hertz)將光總結(jié)於電磁理論，進(jìn)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(dòng)傳遞能量。
  
4. 光量子理論 (Quantum Theory)：1900 年由普朗克(M. Plank)大膽假設(shè)光能量的量子化，即電磁波只能攜帶一定基本數(shù)量整數(shù)倍的能量。1905 年愛因斯坦提出光量子說(shuō)，認(rèn)為光波具有獨(dú)立存在的粒子性質(zhì)，這些粒子稱為光量子(quanta，photons)，簡(jiǎn)稱光子，其能量正是電磁波量子化的基本數(shù)量，頻率愈高光子能量愈大，且電磁波的強(qiáng)度與光子的數(shù)目成正比。
5. 物質(zhì)波理論(Unified Theory)：光的本質(zhì)究竟是波還是微粒？依 1924 年布羅格理(L. de. Broglie)提出物質(zhì)波的觀念，亦為目前對(duì)光的解釋，即光具有波與粒子的二元性，視場(chǎng)合而顯現(xiàn)不同特性。粒子的主要物理量為能量(E)與動(dòng)量(P)，對(duì)波而言則為波長(zhǎng)(λ)與頻率(υ)。此兩者皆有簡(jiǎn)單的正比或反比關(guān)係：
E ＝ hυ
P ＝ h /λ
(比率常數(shù) h 是普朗克常數(shù))
  
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(zhì)，並可在真空中傳遞而無(wú)須倚靠任何媒介；自然光源可為太陽(yáng)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(chǎn)生光，後者即藉激發(fā)電子撞擊氣體原子釋放能量產(chǎn)生光輻射。
光與輻射能頻譜
所有形式的輻射能皆具有二項(xiàng)特性，即波長(zhǎng)與頻率，根據(jù)電磁波理論：
光速 ＝ 波長(zhǎng) × 頻率 (在真空狀態(tài)，光速為 3×105 km/sec)
  
?波長(zhǎng)(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(shù)或週期，單位為週期 / 秒(cycle/sec) 或赫(hertz, Hz)、千赫(kilohertz)、兆赫(megahertz)。
  
根據(jù)不同輻射能的波長(zhǎng)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(gè)輻射能頻譜(圖1-1)綜括自宇宙射線(波長(zhǎng)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(wú)線電波至電力傳送(波長(zhǎng)最長(zhǎng)，頻率最低)等電磁波(波長(zhǎng)範(fàn)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(zhǎng)較短，紅外線則頻率較低、波長(zhǎng)較長(zhǎng)，兩者皆不可見。
高←───頻率───→低
紫                可                紅
外                見                外
線                光                線
短←───波長(zhǎng)───→長(zhǎng)
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(yuǎn)三區(qū)帶：
  
?近程紫外線(UV-A)                315～400 nm
?中程紫外線(UV-B)                280～315 nm
?遠(yuǎn)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(fàn)圍內(nèi)的部份為暗紫色。近程紫外線可使具螢光成份之物質(zhì)產(chǎn)生螢光效應(yīng)，多用於辨識(shí)偽鈔或營(yíng)造特殊舞臺(tái)效果如酒吧、舞池等處。
  
(2) 中程(middle)紫外線：日光浴即利用太陽(yáng)輻射此部份的紫外線曬黑皮膚，過度曝曬於太陽(yáng)底下則會(huì)曬傷皮膚，甚至導(dǎo)致皮膚老化及皮膚癌。某些光源則特別為進(jìn)行人工日光浴而設(shè)計(jì)。通常大多數(shù)燈具使用的硬質(zhì)玻璃(hard glass)即可過濾紫外線的此一部份。
  
(3) 遠(yuǎn)程(far)紫外線：遠(yuǎn)程紫外線輻射對(duì)人類甚為危險(xiǎn)，其在 220～300 nm 的部份可殺菌，但亦會(huì)造成對(duì)眼球的傷害，導(dǎo)致白內(nèi)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(yī)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(yè)以及淨(jìng)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(zhǎng)在 380～770 nm，吾人能看到這世界全賴此部份對(duì)人眼產(chǎn)生的視覺作用。可見光依波長(zhǎng)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(lán)、靛、紫色光，其中以紅光波長(zhǎng)最長(zhǎng)，紫光則最短。中午的晝光即平均包含這些不同波長(zhǎng)的色光，顯現(xiàn)混合而成的白色光。
3. 紅外線(infrared)：紅外線輻射能波長(zhǎng)在 770～106 nm 。紅外線並非如紫外線般以波長(zhǎng)來(lái)評(píng)量，而是以其如何作用於物體表面來(lái)評(píng)斷。主要應(yīng)用於工業(yè)加熱、烘乾(烤)，以及紅外線偵測(cè)如自動(dòng)門等。紅外線亦可分為近、遠(yuǎn)二區(qū)帶：
  
?近程(短波)紅外線                        770～1,400 nm
?遠(yuǎn)程(長(zhǎng)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(zhǎng)期隔離於陽(yáng)光會(huì)破壞人體生理時(shí)鐘的明暗節(jié)奏、體溫控制與血液中荷爾蒙的分泌。紫外線無(wú)法穿透皮膚肌理，但過度曝曬會(huì)對(duì)皮膚產(chǎn)生嚴(yán)重影響，甚至引起皮膚癌；由於紫外線可破壞皮膚細(xì)胞，醫(yī)學(xué)上用於放射療法。因此所有會(huì)產(chǎn)生紫外線的光源，例如某些石英鹵素?zé)簟⒀}金屬燈及水銀燈，應(yīng)避免直射人體，否則必須於光源前加裝保護(hù)鏡過濾紫外線，以減少對(duì)人皮膚及眼睛的傷害。

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

光的活動(dòng)
光本身並無(wú)實(shí)體，因此吾人並看不見光，除非自物體(某種程度的實(shí)體)表面反射或透過的光進(jìn)入人眼。亦即當(dāng)光遭遇到物體表面，而與被照物產(chǎn)生某種形式的互動(dòng)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(píng)量(圖1-2)。(照明設(shè)計(jì)較少涉及繞射與干涉現(xiàn)象，故不予討論。)
  
1. 反射(reflection)：吾人所看到的物體，其實(shí)是該物體所反射的光在人眼視網(wǎng)膜上成像所致(圖1-3)。也就是說(shuō)，沒有光的存在，物體無(wú)法反射光而吾人也無(wú)法看見物體。
  
(1) 鏡反射(specular reflection)：鏡反射發(fā)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(diǎn)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(zhì)如光面或鏡面，色調(diào)可為淺、中、深色調(diào)。
  
(2) 定向擴(kuò)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(kuò)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(xiàn)光澤感。材質(zhì)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(xiàn)象，可造成一般的柔和感。材質(zhì)如霧面或具有質(zhì)感的表面皆可產(chǎn)生光線的漫反射。
  
2. 透射(transmission)：光穿透過某介質(zhì)後繼續(xù)前進(jìn)的現(xiàn)象稱為透射，該介質(zhì)須具透光性，且部份光為介質(zhì)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(zhì)，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(jìn)方向並無(wú)改變，即透射角等於入射角，以致光源之影像清晰可見。材質(zhì)如清玻璃、染色透明玻璃或透明壓克力。
  
(2) 定向擴(kuò)散透射(spread transmission)：通常可定向擴(kuò)散透射者為半透明材質(zhì)，光穿透後略為擴(kuò)散，但其光束方向大體仍維持一定，光源亦隱約可見。材質(zhì)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(zhì)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(dāng)光由一介質(zhì)通過另一介質(zhì)，行進(jìn)方向的位移或改變的屈折現(xiàn)象。例如光離開空氣進(jìn)入玻璃或水中，因?yàn)榻橘|(zhì)密度的改變而造成光線的彎折(圖1-5)。
  
4. 吸收(absorption)：當(dāng)光觸及一表面或介質(zhì)，不是被反射即是透射，且多少會(huì)損失一些光，即被此表面或介質(zhì)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(dòng)且與行進(jìn)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(dòng)，光線亦較原先為弱，這種使光波只朝某一平面前進(jìn)的現(xiàn)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(yáng)眼鏡能消除日光的閃耀，相機(jī)鏡頭所使用的偏光鏡亦可濾掉不必要的反射光。
常用術(shù)語(yǔ)
如圖1-7所示，光源發(fā)出光的量稱為光通量，而在某方向上光的分佈密度稱為發(fā)光強(qiáng)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(shù)語(yǔ)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(dòng)速率(flow rate)，為說(shuō)明光源發(fā)光能力的基本量，單位為流明 (lumen，lm)(圖1-8)。例如一個(gè)100瓦(W)的燈泡可產(chǎn)生1750 lm ，而一支40 W 冷白色日光燈管則可產(chǎn)生 3150 lm 的光通量。根據(jù)定義，1 lm 為發(fā)光強(qiáng)度(I) 1 cd 的均勻點(diǎn)光源在 1 球面度立體角(W)內(nèi)發(fā)出的光通量(F)。
光通量(F) ＝ I × W     lm
  
?發(fā)光強(qiáng)度(luminous intensity, candlepower)：發(fā)光強(qiáng)度簡(jiǎn)稱光度，係指從光源一個(gè)立體角(單位為 sr)所放射出來(lái)的光通量(圖1-9)，也就是光源或照明燈具所發(fā)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(fā)光強(qiáng)度為 1 cd 的光源可放射出 12.57 lm 的光通量。
       
        發(fā)光強(qiáng)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(lái)測(cè)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(chǎn)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(dāng)吾人目視某物所看到的，可以兩種方式表達(dá)：一用於較高發(fā)光值者如光源或燈具，直接以其發(fā)光強(qiáng)度來(lái)表示；另一則用於本身不發(fā)光只反射光線者如室內(nèi)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(fā)出或反射的發(fā)光強(qiáng)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(fā)光強(qiáng)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(jù)英制伯朗定律 footlambert = footcandles × reflectance = 1/p cd/ft2 ，且假設(shè)某材料具一均勻反射表面，可導(dǎo)出公制亮度計(jì)算的簡(jiǎn)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(zhì)，以反射光與入射光的比值來(lái)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(wú)論多少光落於其上皆無(wú)亮度產(chǎn)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(cè)量，首先將照度計(jì)置於物體表面讀出其表面照度值 E i (incident light)，再將照度計(jì)置於其上 5～8 cm (感光部份朝該表面且確定無(wú)陰影遮擋)，即可測(cè)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

很好，補(bǔ)充一點(diǎn)：
發(fā)光強(qiáng)度，是對(duì)點(diǎn)光源而言的。盡管手電或者LED仍然廣泛采用發(fā)光強(qiáng)度作為重要參數(shù)，比如“某手電是10000燭光”，某LED是2000mcd。
其中，燭光太老了，幾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?yàn)樵缙诘腖ED太暗，比如超高亮度的才不到0.1cd，因此才習(xí)慣用mcd來(lái)表示。