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可见光

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可见光是电磁波谱中人眼可以感知的部分,可见光谱没有精确的范围;一般人的眼睛可以感知的电磁波的频率在380~750THz,波长在780~400nm之间,但还有一些人能够感知到频率大约在340~790THz,波长大约在880~380nm之间的电磁波 [1] 
正常视力的人眼对绿光最为敏感。人眼可以看见的光的范围受大气层影响。大气层对于大部分的电磁辐射来讲都是不透明的,只有可见光波段和其他少数如无线电通讯波段等例外。不少其他生物能看见的光波范围跟人类不一样,例如包括蜜蜂在内的一些昆虫能看见紫外线波段,对于寻找花蜜有很大帮助。最近的一项研究发现,可见光也有可能“透视”肉身 [2] 
中文名
可见光
外文名
visible light
种    类
电磁波
特    性
波粒二象性
研究领域
物理学、光学

可见光简介

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1666 年,英国科学家牛顿第一个揭示了光的色学性质和颜色的秘密。他用实验说明太阳光是各种颜色的混合光,并发现光的颜色决定于光的频率 [3] 
颜色环上数字表示对应色光的频率,频率单位为太赫兹(THz),波长单位为纳米(nm),颜色环上任何两个对顶位置扇形中的颜色,互称为补色。例如,蓝色(480~435nm)的补色船断记为橙色(595~580nm) [3] 
可见光的主要天然光源是太阳,主要人工光源是白炽物体(特别是白炽灯)。它们所发射的可见光谱是连续的。气体放电管也发射可见光,其光谱是分立的。常利用各种气体放电管加滤光片作为单色光源 [3] 

可见光范围

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频率不同的电磁波,引起人眼的颜色感觉不同 [2] 
颜色
频率
波长
图例
385~482THz
780~622nm
可见光颜色对应的波长 可见光颜色对应的波长
482~503THz
622~597nm
503~520THz
597~577nm
绿
520~610THz
577~492nm
蓝、靛
610~659THz
492~455nm
659~750THz
455~400nm
可见光的频率在3.8×1014~7.5×1014Hz(380~750THz)之间 [2] 

可见光特性

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通过研究发现色光还具有下列特性:
1、互补色按一定的比例混合得到白光。如蓝光和黄光混合得到的是白光。同理,青光和红光混合得到的也是白光 [4] 
2、颜色环上任何一种颜色都可以用其相邻两侧的兰辨尝婆两种单色光,甚至可以从次近邻的两种单色光混合复制出来。如黄光和红光混合得到橙光。较为典型的是红光和绿光混合成为黄光 [4] 
3、如果在颜色环上选择三种独立的单色光。就可以按不同的比例混合成日常生活中可能出现的各种色调。这三种单色光称为三基色光篮恋地。光学中的三基色为红、绿、蓝。这里应注意,颜料的三原色为青,品红,黄。但是,三原色的选择完全是任意的 [4] 
4、当太阳光照射某物体时,某频率的光被挨壳灶物体吸取了,则物体显示的颜色(反射光)为该色光的补色。如太阳光照射到物体上,若物体吸取了435 ~400nm的紫光,则物体呈现黄绿色 [4] 

可见光可见光辐射

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可见光辐射一般指太阳辐射光谱中 0.78~0.4微米波谱段的辐射,由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等七色光组成。是绿色植物进行光合作用所必须的和有效的太阳辐射能。到达地表面上的可见光辐射随大气浑浊度、太阳高度、云量和天骗夜几乐气状况而变化。可见光地杠辐射约占总辐射的45~50% [5] 

可见光应用

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可见光遥感技术

可见光遥感(visible spectral remote sensing)是指传感器工作波段限于可见光波段范围(0.78~0.4微米)之间的遥感技术 [6] 
电磁波谱的可见光区范围约在0.78~0.4微米之间,是传统航空摄影侦察和航空摄影测绘中最常用的工作波段。因感光胶片的感色范围正好在这个频率范围,故可得到具有很高地面分辨率和判读与地图制图性能的黑白全色或彩色影像。但因受太阳光照条件的极大限制,加之红外摄影多波段遥感的相继出现,可见光遥感已把工作波段外延至近红外区(约0.9微米)。在成像方式上也从单一的摄影成像发展为包括黑白摄影、红外摄影、彩色摄影、彩色红外摄影及多波段摄影和多波段扫描,其探测能力得到极大提高。可见光遥感以画幅式航天摄影机的应用为标志的航天摄影测量很有发展潜力 [6] 

可见光通信技术

可见光通信技术一种利用LED快速响应特性实现无线高速数据传输的新型绿色信息技术。将数字信号调制到电力线上,通过安装在LED灯内的通信模块,让可见光快速闪烁,以实现信息的传输。这种快速闪烁达到300 Mbit/s,人眼对这种闪烁是感觉不到的二在接收端通过感光器件接收这种闪烁的灯光,解调出来就是发射端想传输的信息。作为物联网技术之一的可见光通信技术,是在不影响正常照明的前提下,在有照明需求的场合可使照明设备具备“无线路由器”、“通信基站”、“网络接入点”甚至“GPS卫星”的功能 [7] 

可见光云图

卫星观测仪器在可见光波段感应地面和云面对太阳光的反射谜档验,并把它显示成一张平面图象,即为可见光云图。图像的黑白程度是表示地面和云面的反照率大小,白色表示反照率大,黑色表示反照率小。一般说来,云愈厚,其亮度较亮。如果太阳光的照明条件一样,对同样厚的云来说,水滴云比冰晶云要亮。如大厚块的云,尤其是积雨云,为浓白色;中等厚度的云(卷层云、高层云、雾、层云、积云等)为白色;大陆上薄而小块的云区(如晴天积云)为灰白色等 [8] 

可见光可见光灯

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常见的可见光灯具有白炽灯、卤素灯、荧光灯、节能灯、LED灯、高压钠灯、金卤灯、无极灯、霓虹灯等 [9] 
下面介绍几种常见可见光灯具的工作原理,以此说明该类灯具在日常使用时可能产生的各种频率的可见光辐射 [9] 
1、白炽灯:其结构是把灯丝(单螺旋灯丝或双螺旋灯丝)放入玻璃外壳内,再加上一个灯头,灯丝呈螺旋状是为了减少灯丝中钨的蒸发,延长其使用寿命,一般在玻璃外壳内充入氩氮混合气,也是为了减少灯丝中钨的蒸发。在灯接入电路时,电流流经灯丝,电流产生热效应,使白炽灯泡发出连续可见光以及红外线,这种现象在灯丝温度升至700K时即可被人察觉,其热辐射发光的频率是从近红外(380THz,780nm)逐渐升高至紫外(750THz,400nm)左右。白炽灯是低色温光源,色温一般为2400~2900K,显色性较好,显色指数为99~100。但因工作时灯丝温度高,大部分的能量以红外辐射的形式消耗,因此使用寿命短,一般不超过1000h。在所有用电照明产品中,白炽灯的效率最低。仅有约2%的能量可转化为光能,白炽灯的光效虽低,但光色和集光性能很好,是产量最大、应用最广的电光源 [9] 
2、卤素灯:在白炽灯的基础上,在填充气体内增加微量的卤素元素而形成的高效的小型光源。普通玻璃外壳亦改换成石英玻璃、硬质高硅氧玻璃或铝酸盐玻璃以克服高温。卤素灯具有光效高、寿命长的特点,且在卤素灯内存在“钨卤循环”,即循环的化学反应。卤素灯和白炽灯一样都是热辐射光源,会辐射大量热量,但卤素灯所发出的光强度远远高出白炽灯,而能耗约降低1/3。卤素灯发出的光含有紫外线成分,分为UVA,UVB,UVC3个波段,而UVB,UVC对被照物有漂白作用。卤素灯是否会产生对人体有害的UVB,UVC取决于卤素灯的玻璃外壳 [9] 
3、荧光灯:一种阴极低压汞蒸气的放电灯,利用放电释放的紫外线,通过荧光粉的反射转换成可见光,使用双螺旋或三螺旋的钨制灯丝,在灯丝表面涂上电子发射材料,组成发射极。玻璃管内填充氩气、氪气、氖气的混合气,以及汞齐,玻管内壁涂三基色荧光粉。其工作原理:镇流器产生脉冲电压,使灯丝预热,阴极上的电子发射材料被激活,从而产生电子,电子与灯管内的汞原子碰撞产生253.7nm和185nm的紫外线,其中主峰值为253.7nm,约占全部辐射能的70%~80%;次峰值为185nm,约占全部辐射能的10%。紫外线透过涂有荧光粉的玻璃管内壁折射出可见光。因为使用了三基色荧光粉且有紫外光成分,荧光灯光谱有多个细小的尖峰波形,且有压力约为0. 8Pa的汞蒸汽,在电场作用下放电,汞原子的价电子从原始状态被激发成为激发态。同时,又以激发态自发地返回到基态,将价电子转化为电磁辐射能,并辐射出353.7nm的紫外线,其他还有10%左右的85nm高频紫外线。玻璃管内壁荧光粉吸收为353.7nm的紫外线,把它转化为可见光。由于荧光灯所消耗的电能大多用于产生紫外线因而荧光灯的发光效率远远高于白炽灯和卤钨灯,是较为节能的照明光源。荧光灯工作时灯丝的温度在1160K左右,比白炽灯工作的温度2400~2900K低很多,所以它的使用寿命也大大延长,达到5000h以上。荧光灯的另一特点是显色性好,对色彩丰富的物品及环境有比较理想的照明效果,光衰小,因此,被广泛地应用 [9] 
4、LED灯:是一种能够将电能转化为可见光的固态半导体元器件,即发光二极管,它直接将电能转化为光能。LED的核心部件是一块半导体的晶片,晶片的一端附在支架上,一端是负极,另一端是连接电源的正极,整个晶片由环氧树脂封装起来。单个LED灯珠仅在约3V的低电压、约几毫安的低电流下工作,发出微弱的光线,且单个LED灯珠仅能单向导电,因此LED灯需要加上镇流电路(LED灯的驱动电路),使集成的多个LED灯珠在市电下工作,再安装上灯头。即自镇流LED灯,就是指带灯头的能把稳定燃点部件集成为一体的LED灯,能方便地替代传统的白炽灯。常用的LED白光照明是由蓝色LED激发的荧光光源,除了一部分耗散给电子元件的热量,LED照明的白光大部分能量都能转化为可见光,其光效可达50~200lm/W。其特点是构造简单、成本低、使用寿命长、发光效率高、不易破碎 [9] 
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参考资料
  • 1.    王炳章,游阳明主编;詹明珠,赵治月副主编,物理世界漫游,北京理工大学出版社,2015.12,第101页
  • 2.    黄强编著,国土安全 理念 政策 技术 装备及系统,东南大学出版社,2013.12,第93页
  • 3.    刘清廷编著,探秘神奇的磁场,现代出版社,2012.10,第101页~第102页
  • 4.    卢晓东,周军,赵斌等编,导弹制导系统原理,国防工业出版社,2015.09,第57页
  • 5.    左大康主编,现代地理学辞典,商务印书馆,1990年07月第1版,第154页
  • 6.    黄勇编著,科学先锋丛书 现代工业,广西美术出版社,2013.12,第53页
  • 7.    于大鹏主编;张敏洪,陶迅文副主编,物联网社区服务集成方案和模式研究 智慧社区的建设与运营=Community Service Intergration Scheme and Mode Research on IOT,国防工业出版社,2015.07,第146页
  • 8.    邓绶林主编,地学辞典,河北教育出版社,1992.10,第495页
  • 9.    程丽玲主编,光生物安全要求与检测=Photobiological safety requirement and measurement,浙江大学出版社,2015.11,第4页~第5页