关于光色度学的一些知识

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
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