光的传播和材料的光学性质

1．1．3　光的传播和材料的光学性质

光在真空中传播时，总是以直线方向进行传播，当遇到某种物体时，光线可能被反射，或者被吸收、被透射。光投射到非透明的物体时，光的大部分被反射，小部分被吸收；光投射到透明物体时，光除被反射与吸收一部分外，大部分则被透射。

1）吸收比、反射比和透射比

吸收是由于光能转换成能量的其他形态时引起的，一般光能会转换成热能，但也可能转换成不同波长的辐射（如荧光），而在光电池中就转换成电能，在植物的光合作用中就转换成化学能。物体对光的吸收作用可以用吸收比来表征，吸收比是指被物体吸收的光通量与入射到物体表面的初始光通量之比。

当光从一种物质射向另一种物质时，有一部分光将从两种物质的分界面射回原来的物体材料中，这种现象称为光的反射。对光的反射作用可以用反射比来表征，反射比是指被物体反射的光通量与入射到物体表面的初始光通量之比。

光投射在某物体上，有部分光穿透该物体，这种现象称为光的透射。光穿透物质的能力用透射比来表征。透射比是指从物体穿透的光的光通量与投射到物体表面的初始光通量之比。

材料对光的反射、吸收和透射性质用相应的系数表示如下:

式中:Φ_i———投射到物体材料表面的光通量；

　Φ_p———Φ_i之中被物体材料反射的光通量；

　Φ_α———Φ_i之中被物体材料吸收的光通量；

　Φ_τ———Φ_i之中被物体材料透射的光通量。

根据能量守恒原则，应有:

影响物体对光的吸收、反射和透射作用的主要因素有如下几种:

（1）物体的性质。物质表面越光滑，反射比就越大；颜色越浅，反射比就越大；透明度越小，反射比就越大。透明材料对光的吸收作用较小，而非透明的表面粗糙且颜色较深的物质对光的吸收作用较大；透明材料的透射比大，非透明材料的透视比为0。

（2）光程，即光在物质中传播的路程长短对光的吸收有影响。一般来说，光程越长，即光在物体中传播的路程越长，则物体对光的吸收就越强，而通过物体透射的光越少。例如，清澈的水是透明度极高的介质，光可透过水直射水底，但当水很深时，例如在深海中，由于光在水中逐渐被吸收，到水下，光已被完全吸收，因此深海的海底就成了黑暗世界。

（3）入射光的波长。也就是物质对光有光谱选择性，当入射光的波长改变时，这3个值也随之改变。所以确定物质的吸收比等值时采用的入射光是等能白光，又称北向天空光，其光谱能量分布曲线为一等值的线，每一种物质在这种复合光下有确定的吸收比、反射比和透射比的值。

表1．3～表1．5列出了一些建筑常用材料的反射比和透射比。

表1．3　采光材料的透射系数

注:表中所列透射值系在扩散光条件下测定的；双层中空玻璃厚度系指平板玻璃尺寸，中间空隙为5mm。

表1．4　室内饰面材料的反射系数

续表1．4

表1．5　金属材料及饰面的反射系数

2）光的反射

反射光的分布形式有定向反射和扩散反射两大类，扩散反射又可分为定向扩散反射、漫反射和混合反射。反射光的分布形式如图1．7所示。在光发生反射现象时，光的传播方向发生了改变，但光的波长成分不会改变，亦即反射光中不会出现入射光中没有的波长成分。但这并不意味着反射光与入射光具有相同的光谱能量分布，实际上一般都会有所改变。

图1．7　光的几种主要反射形式

根据反射光束在空间的扩展情况，光的反射可以分为以下几种情况:

（1）定向反射

光线照射到表面很光滑的不透明材料上，就出现定向反射，又称为镜面反射或规则反射，如图1．7（a）所示。其特征是光线经过反射之后，仍按一定方向传播，立体角没有变化。定向反射的规律为:

①入射光线与反射光线以及反射表面的法线处于同一平面；

②入射光线与反射光线分居法线两侧；

③光线的入射角等于反射角。

光滑密实材料的表面，如玻璃镜面、磨光的金属表面等都能形成定向反射。在照明工程中，常利用定向反射进行精确的控光，如制造各种曲面的灯具反光罩，用以重新分配光强，同时也可提高灯具的效率。几乎所有的节能灯具都使用这类材料做反光层，其中有阳极氧化或抛光的铝板、不锈钢板、镀铬铁板、镀银或镀铝的玻璃和塑料等。

（2）扩散反射

当反射光束的立体角大于入射光束的立体角时，称为扩散反射。扩散反射又可分成定向扩散反射、漫反射和混合反射几种情况。

定向扩散反射的反射光束立体角大于入射光束立体角，即反射光不再像定向反射那样只向一定的一个方向反射，而向其他方向散开，但散开的方向接近定向反射的方向，它的反射光束的轴线方向仍遵循定向反射规则，如图1．7（b）所示。具有定向扩散反射特性的反光材料，如经过冲砂、酸洗或锤点处理的毛糙金屑表面、光滑的纸、油漆表面等。这时在反射方向可以看到光源的大致形象，但轮廓不如定向反射那样清晰，而在其他方向又类似漫反射材料具有一定亮度。漫反射的特点是反射光的分布与入射角无关，在宏观上没有规则反射，反射光不规则地分布在所有方向上，在任何位置观察反射面，都很难发现入射方向，反射面上也不再有明显的光斑，如图1．7（c）所示。例如无光泽的毛面材料或由微细的晶体、颜料颗粒构成的表面产生漫反射。可以将这些微粒看做是单个镜面反射器，由于微粒的表面处于不同的方向，故将光反射到许多不同的角度上。

漫反射中的一个特例是均匀漫反射，其特点是反射光的光强分布的包络面是一个与反射表面相切在入射点，球面均匀漫反射的反射光强分布可以用朗伯余弦定律来表示。

式中:I_θ———θ角方向上的发光强度（cd）；

　I₀———表面法线方向上的发光强度（cd）；

　θ———表面法线与某一方向的反射光之间的夹角。

按照朗伯余弦定律，可以导出由照度计算均匀漫反射材料表面亮度的简便公式如下:

式中:L———材料表面的亮度（cd／m²）；

　E———材料表面的照度（lx）；

　ρ———材料的反射比。

正因为均匀漫反射有上述特点，因此建筑饰面材料常近似地看做具有均匀漫反射特性；这一方面是由于建筑上常用的粉刷涂料、无光泽乳胶漆、无光泽墙纸墙布及石膏板等确实具有近似的均匀漫反射特性，另一方面，当这些材料看做是均匀漫反射材料时可以大大简化照明计算，一般来说，由此而引起的误差基本上在允许范围之内。

多数材料的表面兼有定向反射和漫反射的特性，这称为混合反射。混合反射中有定向反射成分。所以，可在反射角处看见光源的形象，但不那么清晰。这类材料如搪瓷表面和较粗糙的金属表面等。混合反射中定向反射与漫反射两种成分的比值与光线的入射角有关。

3）光的透射

光投射到某种物质，并从这种物质穿透出来的现象称为光的透射。类似地，根据透射光束在空间的扩展情况，可分为定向透射和扩散透射。

（1）定向透射

光线射到表面光滑的透明材料上，产生定向透射，如图1．8（a）所示。定向透射光束的立体角和方向均保持不变，只在材料内部产生很小的折射现象。透射材料表面没有自身的亮度，只是透过光源的亮度而已。例如普通平板玻璃，光通过透光的平板玻璃时，玻璃的两侧表面彼此平行，则透射过来的光线方向与入射光线的方向相同，所以隔着玻璃看另一侧的光源和景物时很清楚，且不变形。定向透射又称为规则透射，其特点是光透过介质后透射光仍按一定的方向传播。

图1．8　定向透射

当光通过透光的非平行面的板材时，透射光的方向因折射而不再与入射光方向平行，但其方向仍有一定的规则，所以仍属于定向透射，如图1．8（b）所示。例如因质量原因，使平板玻璃的两侧出现不规则的不平行，因此从某一侧虽可以看到另一侧的物体，但却发生了变形。

（2）扩散透射

扩散透射的特点是透过介质的透射光束被扩展了，根据扩展的情况，扩散透射可分为定向扩散透射、漫透射和混合透射这几种形式。

定向扩散透射如图1．9（a）所示。磨砂玻璃为典型的定向透射材料，在入射光的背侧，仅能看见光源和景物的模糊影像。透过磨砂玻璃虽不能看清光源的模样，但能看出光源的位置。

图1．9　扩散透射的几种基本形态

漫透射和均匀漫透射如图1．9（b）、（c）所示。例如乳白玻璃和半透明塑料等材料具有均匀漫透射的特性，整个透光表面亮度均匀，完全看不见背侧的光源。这类材料用做灯罩或发光顶棚时，使人感到光线柔和舒适。

按照朗伯余弦定律可以导出由照度计算均匀漫透射材料表面亮度的简便公式:

式中:L———透光表面亮度（cd／m2）；

　E———材料表面的照度（lx）；

　τ———材料的透射比。

严格来说，只有光透过悬浮有密集的细小微粒的空间时才具有漫透射的特性，一般透射只能算是混合透射。

4）光的折射

（1）光的折射

光在透明介质中传播，当光从密度小的介质（光疏物质）进入密度大的介质（光密物质）时，光速减小；反之，光速增大。由于光速的变化造成光线方向的改变，这就是光的折射，如图1．10所示。

图1．10　光的折射

光的折射规律为:入射光线、折射光线与介质分界面的法线处于同一个平面内，且分居于法线的两侧；入射角的正弦与折射角的正弦之比，对确定的两种介质来说，入射角i的正弦与折射角γ的正弦之比是一个常数，即

式中n₁和n₂分别为两种介质的折射率。

利用折射能改变光线方向的原理制成的折光玻璃砖、各种棱镜灯罩，能精确地控制光的分布。

（2）全反射

由式（1．24）可知，当光从光密介质射向光疏介质时，入射角i将小于折射角γ。例如光从水中射向空气时，因为水相对空气而言是光密介质，而空气相对于水则是光疏介质，因此入射角i小于折射角γ。

如果逐渐增大入射角i，则折射角γ也随之增大。当入射角增大到一定值时，折射角有可能达到90°，这时的折射光将沿着两种介质的分界面传播。

当入射角继续增大，即入射角大于临界入射角时，光线将不再射入光疏介质，而是从两种介质的分界面处全部反射回原来介质，这种现象称为全反射。

全反射提供了一种理想镜面反射的方法，并已被广泛地应用于棱镜式双筒望远镜、反射式信号灯和灯具的制造中，在光导纤维和照明工程中也都有应用。例如:在游泳池中，常采用水下照明，因灯一般都装在池壁的水下部分，所以它们的光在射向水面时入射角总是大于临界入射角，灯光将不会直接穿透水面而射向水外，使观众感到眩目，但水下照明能使水下照度提高，有利于观众更清楚地观看运动员的水下姿态。