可見光

1666 年，英國科學家牛頓第一個揭示了光的色學性質和顏色的秘密。他用實驗説明太陽光是各種顏色的混合光，並發現光的顏色決定於光的頻率 ^[3]  。

顏色環上數字表示對應色光的頻率，頻率單位為太赫茲(THz)，波長單位為納米（nm），顏色環上任何兩個對頂位置扇形中的顏色，互稱為補色。例如，藍色（480～435nm）的補色為橙色（595～580nm） ^[3]  。

可見光的主要天然光源是太陽，主要人工光源是白熾物體（特別是白熾燈）。它們所發射的可見光譜是連續的。氣體放電管也發射可見光，其光譜是分立的。常利用各種氣體放電管加濾光片作為單色光源 ^[3]  。

頻率不同的電磁波，引起人眼的顏色感覺不同 ^[2]  。

可見光的頻率在3.8×10¹⁴～7.5×10¹⁴Hz(380~750THz)之間 ^[2]  。

通過研究發現色光還具有下列特性：

1、互補色按一定的比例混合得到白光。如藍光和黃光混合得到的是白光。同理，青光和紅光混合得到的也是白光 ^[4]  。

2、顏色環上任何一種顏色都可以用其相鄰兩側的兩種單色光，甚至可以從次近鄰的兩種單色光混合複製出來。如黃光和紅光混合得到橙光。較為典型的是紅光和綠光混合成為黃光 ^[4]  。

3、如果在顏色環上選擇三種獨立的單色光。就可以按不同的比例混合成日常生活中可能出現的各種色調。這三種單色光稱為三基色光。光學中的三基色為紅、綠、藍。這裏應注意，顏料的三原色為青，品紅，黃。但是，三原色的選擇完全是任意的 ^[4]  。

4、當太陽光照射某物體時，某頻率的光被物體吸取了，則物體顯示的顏色（反射光）為該色光的補色。如太陽光照射到物體上，若物體吸取了435 ～400nm的紫光，則物體呈現黃綠色 ^[4]  。

可見光輻射一般指太陽輻射光譜中 0.78～0.4微米波譜段的輻射，由紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫等七色光組成。是綠色植物進行光合作用所必須的和有效的太陽輻射能。到達地表面上的可見光輻射隨大氣渾濁度、太陽高度、雲量和天氣狀況而變化。可見光輻射約佔總輻射的45～50% ^[5]  。

可見光遙感（visible spectral remote sensing）是指傳感器工作波段限於可見光波段範圍（0.78～0.4微米）之間的遙感技術 ^[6]  。

電磁波譜的可見光區範圍約在0.78～0.4微米之間，是傳統航空攝影偵察和航空攝影測繪中最常用的工作波段。因感光膠片的感色範圍正好在這個頻率範圍，故可得到具有很高地面分辨率和判讀與地圖製圖性能的黑白全色或彩色影像。但因受太陽光照條件的極大限制，加之紅外攝影和多波段遙感的相繼出現，可見光遙感已把工作波段外延至近紅外區（約0.9微米）。在成像方式上也從單一的攝影成像發展為包括黑白攝影、紅外攝影、彩色攝影、彩色紅外攝影及多波段攝影和多波段掃描，其探測能力得到極大提高。可見光遙感以畫幅式航天攝影機的應用為標誌的航天攝影測量很有發展潛力 ^[6]  。

可見光通信技術一種利用LED快速響應特性實現無線高速數據傳輸的新型綠色信息技術。將數字信號調製到電力線上，通過安裝在LED燈內的通信模塊，讓可見光快速閃爍，以實現信息的傳輸。這種快速閃爍達到300 Mbit/s，人眼對這種閃爍是感覺不到的二在接收端通過感光器件接收這種閃爍的燈光，解調出來就是發射端想傳輸的信息。作為物聯網技術之一的可見光通信技術，是在不影響正常照明的前提下，在有照明需求的場合可使照明設備具備“無線路由器”、“通信基站”、“網絡接入點”甚至“GPS衞星”的功能 ^[7]  。

衞星觀測儀器在可見光波段感應地面和雲面對太陽光的反射，並把它顯示成一張平面圖象，即為可見光雲圖。圖像的黑白程度是表示地面和雲面的反照率大小，白色表示反照率大，黑色表示反照率小。一般説來，雲愈厚，其亮度較亮。如果太陽光的照明條件一樣，對同樣厚的雲來説，水滴雲比冰晶雲要亮。如大厚塊的雲，尤其是積雨雲，為濃白色；中等厚度的雲（卷層雲、高層雲、霧、層雲、積雲等）為白色；大陸上薄而小塊的雲區（如晴天積雲）為灰白色等 ^[8]  。

常見的可見光燈具有白熾燈、鹵素燈、熒光燈、節能燈、LED燈、高壓鈉燈、金滷燈、無極燈、霓虹燈等 ^[9]  。

下面介紹幾種常見可見光燈具的工作原理，以此説明該類燈具在日常使用時可能產生的各種頻率的可見光輻射 ^[9]  ：

1、白熾燈：其結構是把燈絲（單螺旋燈絲或雙螺旋燈絲）放入玻璃外殼內，再加上一個燈頭，燈絲呈螺旋狀是為了減少燈絲中鎢的蒸發，延長其使用壽命，一般在玻璃外殼內充入氬氮混合氣，也是為了減少燈絲中鎢的蒸發。在燈接入電路時，電流流經燈絲，電流產生熱效應，使白熾燈泡發出連續可見光以及紅外線，這種現象在燈絲温度升至700K時即可被人察覺，其熱輻射發光的頻率是從近紅外(380THz,780nm)逐漸升高至紫外(750THz,400nm)左右。白熾燈是低色温光源，色温一般為2400～2900K，顯色性較好，顯色指數為99～100。但因工作時燈絲温度高，大部分的能量以紅外輻射的形式消耗，因此使用壽命短，一般不超過1000h。在所有用電照明產品中，白熾燈的效率最低。僅有約2%的能量可轉化為光能，白熾燈的光效雖低，但光色和集光性能很好，是產量最大、應用最廣的電光源 ^[9]  。

2、鹵素燈：在白熾燈的基礎上，在填充氣體內增加微量的鹵素元素而形成的高效的小型光源。普通玻璃外殼亦改換成石英玻璃、硬質高硅氧玻璃或鋁酸鹽玻璃以克服高温。鹵素燈具有光效高、壽命長的特點，且在鹵素燈內存在“鎢滷循環”，即循環的化學反應。鹵素燈和白熾燈一樣都是熱輻射光源，會輻射大量熱量，但鹵素燈所發出的光強度遠遠高出白熾燈，而能耗約降低1/3。鹵素燈發出的光含有紫外線成分，分為UVA，UVB，UVC3個波段，而UVB，UVC對被照物有漂白作用。鹵素燈是否會產生對人體有害的UVB，UVC取決於鹵素燈的玻璃外殼 ^[9]  。

3、熒光燈：一種陰極低壓汞蒸氣的放電燈，利用放電釋放的紫外線，通過熒光粉的反射轉換成可見光，使用雙螺旋或三螺旋的鎢制燈絲，在燈絲表面塗上電子發射材料，組成發射極。玻璃管內填充氬氣、氪氣、氖氣的混合氣，以及汞齊，玻管內壁塗三基色熒光粉。其工作原理：鎮流器產生脈衝電壓，使燈絲預熱，陰極上的電子發射材料被激活，從而產生電子，電子與燈管內的汞原子碰撞產生253.7nm和185nm的紫外線，其中主峯值為253.7nm，約佔全部輻射能的70%～80%；次峯值為185nm，約佔全部輻射能的10%。紫外線透過塗有熒光粉的玻璃管內壁折射出可見光。因為使用了三基色熒光粉且有紫外光成分，熒光燈光譜有多個細小的尖峯波形，且有壓力約為0. 8Pa的汞蒸汽，在電場作用下放電，汞原子的價電子從原始狀態被激發成為激發態。同時，又以激發態自發地返回到基態，將價電子轉化為電磁輻射能，並輻射出353.7nm的紫外線，其他還有10%左右的85nm高頻紫外線。玻璃管內壁熒光粉吸收為353.7nm的紫外線，把它轉化為可見光。由於熒光燈所消耗的電能大多用於產生紫外線因而熒光燈的發光效率遠遠高於白熾燈和滷鎢燈，是較為節能的照明光源。熒光燈工作時燈絲的温度在1160K左右，比白熾燈工作的温度2400～2900K低很多，所以它的使用壽命也大大延長，達到5000h以上。熒光燈的另一特點是顯色性好，對色彩豐富的物品及環境有比較理想的照明效果，光衰小，因此，被廣泛地應用 ^[9]  。

4、LED燈：是一種能夠將電能轉化為可見光的固態半導體元器件，即發光二極管，它直接將電能轉化為光能。LED的核心部件是一塊半導體的晶片，晶片的一端附在支架上，一端是負極，另一端是連接電源的正極，整個晶片由環氧樹脂封裝起來。單個LED燈珠僅在約3V的低電壓、約幾毫安的低電流下工作，發出微弱的光線，且單個LED燈珠僅能單向導電，因此LED燈需要加上鎮流電路（LED燈的驅動電路），使集成的多個LED燈珠在市電下工作，再安裝上燈頭。即自鎮流LED燈，就是指帶燈頭的能把穩定燃點部件集成為一體的LED燈，能方便地替代傳統的白熾燈。常用的LED白光照明是由藍色LED激發的熒光光源，除了一部分耗散給電子元件的熱量，LED照明的白光大部分能量都能轉化為可見光，其光效可達50~200lm/W。其特點是構造簡單、成本低、使用壽命長、發光效率高、不易破碎 ^[9]  。