衍射光栅-上饶师范学院物理与电子信息学院

光栅光谱仪测量分析光源的光谱特性

作者：熊留荣

指导老师：杨建荣

绪论

早在18世纪初期，身为英国皇家学会会长的牛顿（I.Newton,1643～1727）便研究了棱镜的分光作用，指出白光是由各色光复合而成的问题。到上世纪，科学家们采用棱镜单色仪、石英摄谱仪等，对各式各样的人工光源进行波谱特性分析，如对热光源（白炽灯、大气压下的各种电弧及火焰）、气体放电所形成的光源（高压电火花、低压真空管中辉光放电、低压电弧（汞弧））等都做了大量的实验分析，取得出了显著的成效［1，4，5］。

按光谱特征，形形色色的光谱可分为两大类：发射光谱和吸收光谱，它们各自又分为连续光谱、线光谱和带光谱，其中最普通的连续光谱是高温固体的发射光谱[1]。发射光谱是指用棱镜观察直接由光源发出的光；如果使产生连续光谱的光源发出的光先通过吸收物质，然后再进入分光镜，则所见为吸收光谱。）

后来科学们把各种各样的金属物质、固体、气体各种液体采用火焰的方式用石英摄谱仪分析其光谱特征，从而找出其物理意义及其发光特性[1]。他们还将不同的光谱混合叠加产生新的光谱。如桑顿（W.A.Thornton)发现，光谱450nm(蓝)、540nm(绿)、610nm（红）波长区的辐射对提高光源的显色性具有特殊的效果，用这三个颜色的光以适当的比例混合所产生的白光（高度不连续），与连续光谱的日光和白炽灯光具有同样优良的显色性，即所谓的RGB三色原理[2]。

我们在日常生活中接触的光源种类繁多，如太阳、白炽灯、日光灯等不同光源，但是我们只知道它们发出光的颜色，并不知道它们的光谱波长特征，也不清楚它们发出的光由什么样的光谱组成，和波长范围等。

在科学技术日新月异的今天，我们可以制造一些人工光源，这只有在我们先充分了解需要替代的光源的光谱成分后才能找到合适的替代品，那我们就要借助于光谱仪来对光谱进行分析。

光栅光谱仪是指利用折射或衍射产生色散的一类光谱测量仪器，主要作用是将复色光分解为单色光，是目前光谱测量中普遍采用的分光仪器。具有灵敏度高、适应性广、分析速度快和使用方便等特点，在现代工农业生产中和科学研究中得到广泛应用。

我们可借助光栅光谱仪来对我们日常生活中的几种常见的光源进行光谱测量，试分析它们的光谱特性；观察其光谱特征，找出各种光源之间的一些共性与各自的差异性，并试着分析其原因。所以我们要学会分析不同波长的光的光谱特性及其对我们日常生活的影响；从它们的光谱特征、色度学、显色性出发，找到和开发出更加适合我

们人类眼睛的新型光源。

第一章简要介绍光栅光谱仪中的重要组成部分光栅及光栅的分类和光栅方程等基本知识；在第二章中是对光栅光谱仪的介绍；接下去第三章是用光栅光谱仪对不同光源的光谱特性进行测量、分析，简析不同光源的光谱差异性；第四章就色度学方面做简要的概述；其后做简短的总结。

1. 光栅

如果有一种装置，它能对入射光波的振幅和或相位进行周期性调制或对振幅和相位两者同时进行周期性调制，它们称这样的装置为衍射光栅。

多缝结构实际上就是一种光栅，它对入射光波的振幅动量守恒定律地周期性调制使有的地方能透光，因此，多缝是一种透射光栅。

光栅的主要作用是分光，也就是说，通过光栅后的衍射光，除零级外，同一干涉级次而不同波长的光其十小主极在的方向不同，或者说同一级衍射光的出射角不同。如果以零级谱线为中心，同一级次的短波（紫光）在内侧，长波（红光）在外侧。当然光栅不一只用在可见区，它同样用于紫外和红外区域。

1.1 平面光栅

平面光栅是一种最简单的光栅。它的光栅面为平面，通过对平面光栅的讨论，我们可以了解光栅的一些最基本的性质。多缝光栅就是一种平面透射光栅。

首先，我们以多缝光栅为例介绍一下光栅方程。如图1-1所示，当一束平行光以角度i 入射到多缝平面光栅上而以衍射角θ出射时，其相邻两缝的入射光与衍射光之间的光程差为：

sin sin CA AD d i d θ

?=+=+ (1-1) 其中d 为光栅常数，是相仿相缝对应点之间的距离,

1d

为刻痕密度，即单位长度光栅的刻线数。如600线/mm 、1200线/mm 等。我们曾指出：缝与缝之间光波的相互图1-1关于光栅方程的推导

作用是干涉效应。因此，缝与缝之间形成干涉主极大的条件为：

0m λ?= (1-2)

其中0λ为光波波长，m 为整数，是干涉主极大的极次。在光栅中常常将m 称为衍

射级次。由(1-1)、(1-2)两式，我们可以得到：

(sin sin )d i m θλ+= (1-3)

该式就称为光栅方程，其中为入射角，是入射光与光栅的平面的法线之间的夹角；为衍射角，是衍射光与光栅平面法线间的夹角。

若衍射光和入射光位于光栅面法线的同侧，则取正号如图1-2- a)所示；若衍射光和入射光分居与光栅面法线的两侧，如图1-2- b)所示,则取负号,在作以上规定后，这两种情况下的主极强位置可以用同一公式:

0(sin sin )d i m θλ±= ()0,1,2,m =±± (1-4)

来描述。这里规定当入射线与衍射线在光栅面法线同侧时，i 与θ均取正值；当二者位于法线异侧时，i 与θ取相反符号，当i 给定而θ变化时，可i 将取正值，而θ则视衍射线位于法线同侧还是异侧分别取正值和负值。

由(1-3)式可以看出，当m=0时，i θ=-，这时衍射方向与入射方向相同，即零级谱线总是光源的几何成像，称之为零级光谱；对于m>0的光谱，称为正级光谱；对应于m<0的光谱，称为负级光谱。

在各种波长的光都不分开，假若用白光照明，各种波长的光会叠加在一起仍形成白光，透射光栅零级光谱和入射光波方向一致；而平面反射光栅的零级光谱，则在光栅平面的镜面反射方向。

当入射角0i ≠时，正级光谱和负级光谱二者的最大级次不相等，最大级次由90θ=决定，此时，根据光栅方程(1-3)式，有：

G

G

()max 01sin i d m λ+??=????

(1-5)（中括号表示取整） 显然，衍射光与入射光同侧时的最大级次大于二者异侧时的最大级次[5]。

1.2 闪耀光栅

1.2.1 闪耀光栅

对普通光栅衍射，很大一部分的能量集中于零级（约80%～85%），而零级是无色散的，这对以分光的目的的光谱仪来说无疑是一种能量的浪费。这种现象的产生是由于普通光栅中单缝衍射的零级主极强方向与缝间干涉的零极主极强方向一致。但从物理概念上说二者是有区别的，前者是单缝中各连续点的等光程方向，而后者则是各缝之间（以相应点，比如均取中点来代表）的等光程方向。如果采用适当的方法在空间分离开来，就可以将大部分光能（单缝衍射的零级）集中到所需光谱级（缝间干涉的非零级）上，为此目的已发展起多种光栅，闪

耀光栅就是其中之一。

闪耀光栅是一种平面反射光栅①，它是由

劈形钻头在磨光的金属板或镀上金属膜的玻

璃板坯上刻出的一系列平行等距的锯齿形槽

面而制成。其槽面如图1-3所示，其中槽面与

光栅整体平面之间的夹角为闪耀角b θ，n 和n '

分别为光栅整体平面和刻槽面的法线。

当平行光入射时，显然单槽衍射的零级主

极大方向即槽面的镜面反射方向，为考察槽间

干涉的影响，可利用光栅方程，简单的分析表

明，对反射光栅该方程形式仍为： 0sin sin d i d m θλ?=+= (1-6)

其中i 和θ分别为入射线和衍射线与光栅面法线的夹角，当它们位于的同侧时符号相同，异侧时符号相反。

若令0m =则得到i θ=-，这意味着槽面与光栅平面有一夹角b θ，当然以上两个零级方向也在空间分离开来。图示出了当衍射光是槽面的镜面反射光的情况，由反射定律及几何关系可知此时有2b i θθ=-，代入光栅方程即可得到：

2sin cos()b b d i m θθλ?=-= (1-7)

① 参阅参考文献2 P 232

图1-3 闪耀光栅光栅方程的推导

图1-4 光栅转动示意图 这说明单槽衍射的零级方向，也即光能的主要分布方向，已转移到槽间干涉的m 级谱。

1.2.2 闪耀光栅的工作方式

闪耀光栅的工作方式通常有以下两种：

（1）b i θ=，即沿槽面法线方向照射，这时上式化为：

2sin b d m θλ?== (1-8)

满足上式之称为第级的闪耀光栅波长，对给定可通过选取使得特定的级光谱发生闪耀，这时由于，槽间干涉的其他主极强大致处于槽衍射的零点位置而形成缺级，故闪耀光栅集中了大部分的光能，以1m =为例示出了闪耀级的形成原理，在实际光谱光谱仪中则往往不同聚焦透镜而用凹面反射镜。

（2）即沿光栅平面法线照射

2sin cos()b b d i m θθλ?=-= (1-9)

化为：

2sin b d m θλ?== (1-10)

此情况的分析与前者完全类似。

1.2.3 衍射光栅转动

在使用单色仪时，对波长进行扫描是通过旋转光

栅来实现的。通过光栅方程可以给出出射波长和光栅

角度之间的关系（如图2-4）

2cos sin d m

λψη== (1-6) 其中，η为光栅的旋转角度，ψ为入射角和衍射

角之和的一半，对给定的单色仪来说ψ为一常数。

在闪耀光栅中，各槽面的反射率是相同的，故可忽略它对振幅的调制，光栅的作用体现于它能通过其表面的锯齿形结构使入射波前的相位产生了周期性的空间变化。换言之，它所调制的是相位而非振幅，因此这种光栅属于相位光栅。

这种光栅的优点是能将单缝的中央最大值的位置从没有色散的零级光谱转移到其他有色散的光谱级上，把光能量集中在呵他上面。

在这种光栅所形成的衍射图样，可以证明，各级主最大的位置不受到刻痕形状的影响，仍由光栅方程确定。

2. 光栅光谱仪

从波动学的观点来看，光是一种电磁波。电磁波可以按其频率或波长排列成波谱，如图2-1所示，我们通常所说的光是指复色光，是由很多种波长不同的单色光组成的，它包含了从短波γ射线到长波无线电波的一个广大的范围。人眼可以感受到的光（通常称可见光）只占其中很窄的一个谱带，通常认为波长（在真空中）()9390~760110nm nm m λ-==,或者等价的表示为频率143.9~7.710z υ=?H ②。在可见光范围内，随着波长从小到大，所引起的视觉颜色也逐渐从紫色转变到红色。一般我们研究的光学波段，除可见光外，还包括波长小于紫光的紫外线和波长大于红光的红外线，其波长范围大致从1~1nm mm [3]。

光栅光谱仪是目前光谱测量中普遍采用的分光仪器；所谓分光，也就是将复色光分解为单色光。但是许多光栅光谱仪至今仍采用手动调节光栅变换波长的定点测量方式。这种测量方式有两个突出的缺点：测量速度慢和操作麻烦，我们将光栅单色仪于计算机相连，组成光谱自动测量系统，大大提高了光谱测量速度，并使测量操作变得十分简便，而且提高了系统的整体性能和应用范围。

2.1 系统结构

② 实际上，人眼可感觉的谱带稍大于此范围，但在此谱带的两侧敏感度已经很低，故可忽略；由于所取视见函数的阀值不同，不同文献给出的可见光范围稍有差别。

2

2-4-6-8-10-12-14-()

m λ()

m λ500400600700图2-1 电磁波谱与可见光范围

计算机控制的光栅单色仪光谱自动测量系统，由光栅单色仪及其驱动器和微机控制等3部分组成。系统的光源部分，是由各种不同的光源射出的光经过透镜组聚焦于光谱仪的入射狭缝上。

2.1.1 光栅单色仪

它的光学部分结构示意图如图2-1所示，进入入射狭缝的光，经过准光镜变成平行光，由光栅G （光栅我们采用的是前面1.2章节介绍的闪耀光栅）衍射色散，经聚焦球面反射镜，从观察狭缝射出单色光。

2.1.2 光栅单色仪驱动器

它的功能是实现波长的扫描、波长显示、接收并为计算机提供控制信号。转动光栅可以在出射狭缝处得到不同波长的单色辐射③，为了实现波长的线性指示，采用带有初始角的扫描机构。在计算机的控制下，步进电动机带动光栅转动，实现自动扫描。

位置传感器向计算机提供波长原点信号，系统寻找到波长原点后，显示原点波长值，并待命停机。在扫描过程中，正弦机构上的触点向计算机提供保护信号，使单色仪正向扫描至终点或反向扫描至起点，能自动停机，波长计数器给出波长读数。

2.1.3 微机控制部分

计算机通过扫描控制器，控制单色仪驱动器中的扫描电机和滤光片电机，实现波长扫描.单色仪射出的单色光照射在被测样品上会产生电信号，电信号经过接收、放大和A/D 变换后，送入计算机进行数据处理。处理后得到的光谱可以以光谱曲线图和测量数据两种形式存储在磁盘中，或由显示器以X —Y 形式直接描绘出光谱曲线显示出来，或由打印机记录[4]。

③ 见前面图1-4及公式1-6。

图2-1 光栅光谱仪光学部分结构示意图

3. 不同光源的光谱特性

3.1 太阳光

太阳光是我们人类接触最早，也是接触最多的自然光。大家都知道，太阳光是高温炽热气体发射的光，是连续光谱。下面所讨论的是在早晨10点钟测量的太阳光光谱曲线。

3.1.1 实验数据分析及讨论

从图3-1可知，此刻太阳光的相对光强度主要分布在320.0nm （紫外）到680.0nm （红）范围内，在这范围之外的光谱相对强度都较弱。相对可见光范围略偏左，即紫外区有较多光强分布；可以看到，在紫外区有几个峰值出现，说明紫外线的辐射强度较高。由于我们使用的仪器的波长范围只能测量大约20nm 左右的红外区，故分析不到红外线的辐射强度。但现实理论告诉我们，任何发热的物体都会产生红外线辐射，太阳光的红外线辐射是比较强的，它发出的热能主要就是以红外线的方式传递到大地的。

从图3-1可以看到，太阳光的光谱曲线峰值对应的是400.0nm ～500.0nm 的光波，这也是为什么晴朗的天空会呈现蓝色和青色的原因。如在晴朗炽热的中午，我们可以看到，天空是蓝色偏青色的，即有“炉火纯青”的感觉。但是我们看到，430.0nm 的光波的强度会出现一些非常规的现象，有一个十分明显的凹陷，我们初步猜想可能是由于大气的吸收或散射产生的这一现象。

图3-1 早晨10点钟太阳光光谱图（纵坐标v 为能量，横坐标w 为波长单位nm ）

太阳光的光谱范围虽然较宽，有些光谱是我们肉眼分辨不清楚的，但是其绝大部分的相对光强度分布都在可见光范围内，这也是我们人眼为什么会最适合适应太阳光光源的原因。当然，要知道我们人类的视见范围分布在太阳光光强较强的这个范围内，是我们人类长期适应太阳光的结果。可参阅第4章第1节—光源的舒适感。

所以，如果我们要寻找新的人工光源，最理想的就是其光谱成分及强度和太阳光的相同或者相识，只有这样的光源我们人眼才能更好的适应，才不会产生颜色的“失真”。下面简单介绍一下我们日常生活中的几种人工光源，白炽灯、荧光灯和照相放大灯的光谱特性。

3.2 白炽灯

3.2.1 白炽灯概述

白炽灯是1910年，人们用金属钨拉制成钨丝，并用钨丝取代了原来白炽灯中的碳丝，制成了钨丝白炽灯。这种灯通电后，钨丝温度可高达2200～2400K,灯丝白炽发光。现在人们用的白炽灯，是在1913年，人们将不与钨丝化合的惰性气体－氩氮混合气体充入玻璃泡内，充入的惰性气体可抑制钨的蒸发，使白炽灯的工作温度又能提高到2700K以上。

3.2.2 关于白炽灯发出什么光谱的猜想

有人认为是线状谱,理由是60W以上的灯泡,点亮后钨丝温度高达2000℃，为抑制钨丝升华，灯泡内充有少量的惰性气体元素，因此属于稀薄气体放电发光应为线状谱。

更有认为是吸收光谱。60W以上灯泡充有少量气体物质，灯泡点亮后，炽热状态的钨丝发出的白光(连续谱)通过气体物质时，某些波长的光被气体物质所吸收，故所成的光谱应为吸收光谱。

这两种分析都是错误的，前者忽视了稀薄气体放电的条件是必须给气体加上上万伏的高电压，而白炽灯内气体与灯丝的接触电压局部很小，最大不会超过220V，故不可能使气体直接发光产生线状谱；后者的错误在于不太明白吸收光谱的成因。吸收光谱的形成原因是高温物体发出的白光(连续光谱)通过低温物质时某些波长的光被该物质吸收，结果有相应的暗线出现;而点亮的白炽灯内的气体温度已较高，已非低温物质，故不能成吸收光谱。应分析为点燃的灯丝温度高可达2000℃以上,可视为炽热状态的固体发光,发射的光谱当然是连续光谱，如图3-2（这是纵坐标经放大为160.0～190.0后的图谱，要不就几乎是一条略弯曲的曲线）。

3.2.3 实验数据分析及讨论

在纵坐标未经放大时，我们可以看到白炽灯的光谱曲线时一条很平滑的曲线，从图3-2也可以看到，它的波动范围不到30个单位强度（纵坐标放大是对我们后面分析波峰与波长的对应关系时方便而采用的刻度扩展）。虽然是连续谱，但我们可以看到，该光谱在200nm～800nm范围内时，大部分光强（约为80％）主要集中于500nm～

760nm 光波范围内，分布在可见光区域内，这是它能作为普通照明光源使用的一个原因。

我们将白炽灯的光谱曲线和太阳光相比较，白痴灯的光谱曲线整体向长波方向有一定的偏移，使得白炽灯的光谱范围尽可能的不分布在紫外线区域。这是研制时应注意的问题，如果白炽灯的紫外线辐射过强的话，那是不能作为常用光源来使用的，那样对我们人体的危害太大。如图3-2所示，紫外线区域的光谱强度相对是较弱的。还有就是白炽灯的光谱在橙光到红光的这各范围内的光强能量和太阳光相比较强（指的

是各自光谱成分比例，不是实际值）。

所以在很早以前，科学家们就将白炽灯和太阳光谱作为标准光源来研究，他们的光谱特性成为了设计新型人工光源的标准。只有在色彩不会产生“失真”的环境下生活，人们才不至于成为“色盲”。

但是我们从图3-2可以看出，该灯光谱在760.0nm 后还有较强的光谱分布，这几乎已经超出了可见光的范围，到达了红外光区域，即产生了红外线，有一部分能量转变成了无用的热能。就正因为如此，导致提倡节能的今天白炽灯不再像早期那样广泛使用，使用荧光灯的日趋增多。

3.3 荧光灯

3.3.1 荧光灯简介

荧光灯在我们日常生活中应用十分广泛，那么荧光灯产生的是什么光谱有什么特征呢？要分析这个问题，首先我们要先弄清楚荧光灯的构造和发光原理。

荧光灯其玻璃管内壁涂有一层荧光粉，两端设有一组灯丝即钨丝，灯丝上涂有电子粉，玻璃管内充进定量的氩和水银。当荧光灯两端出现一高压后，低压汞蒸汽会由

图3-2 60W 白炽灯200nm ～800nm 光谱相对强度图(纵坐标放大到160～190)

380.0nm 260.0nm 700.0nm 720.0nm

于被激发而发光，同时由于电离产生带正电的正离子和带负电的电子。正离子向阴极移动，电子向阳极移动而形成电流，此时荧光灯两电极便发射出波长为253.7nm的紫外线，紫外线被荧光粉吸收转变成柔和的荧光，这便是荧光灯发光的基本原理。

3.3.2 实验数据分析及结论

将荧光灯作为光栅光谱仪的系统光源时，我们在实验中发现，可以看到在连续谱(荧光粉发出的)的背景上分布着几条很强的明线，分别是366.0nm、405.0nm、437.0nm、488.0nm、543.0nm 、547.0nm、579.0nm、585.0nm、和612.0nm，图见附录1。

将上面的数据与汞在可见光区域内几条最强的谱线理论值（404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm和579.0nm）比较将发现，与我们实验得出的数据中的几个数据是基本一致的，因为我们的实验仪器读数时读的是整数，不存在小数的现象，这更加验证了日光灯中低压汞蒸汽由于被激发而发光。但是我们发现在波长为546.1nm处并没有峰值出现，反而分辨出了542.0nm、545.0nm这两条谱线；和在612.0nm处出现了一条的谱线及487.0nm处有一条光谱谱线。

还有我们从附录图1可以看到，荧光灯的光强主要集中于波长是405.0nm到612.0nm之间的光谱光强，较强的是波长为437.0nm、543.0nm与547.0nm的光波，它分布于蓝光到绿光的范围内。

那我们在用肉眼观看荧光灯时为什么没有看到这样的光呢？因为我们看到的是荧光灯发出的所有光的复合光，他们经过了一系列的色散、干涉和折射，所以就不能看到单色光，就如我们观看太阳光时看不到七色光一样。

由图0-1和附录图1比较可知，荧光灯主要的波长几乎全部集中在可见光范围内，甚至比可见光的范围还要小，在红光区几乎没有峰值出现，说明它缺少这样的光谱或者说它这样的光谱相对强度太小，以至于检测不到，这与其他光源明显的不同。如我们下面将要分析的白炽灯光谱与太阳光谱。

正是由于其光谱范围窄，并且都分布在可见光范围内，所以是很理想的光源，因为产生的热效应小，所以比较节能，这正是我们社会的热点话题。所以这是前期推广使用的普通照明光源，这除了它物美价廉外，还有就是发光效率高，基本上不会产生热效应。

所以得出，荧光灯发光是灯管内的低压汞蒸汽由于被激发而发光，所以看到的应是线状谱，但是这几条线状谱是分布在连续谱的背景上的。

3.4 照相放大灯

3.4.1 照相放大灯简介

我们在这次实验中所使用的照相放大灯是ZF200V-150W的照相放大灯，也就是摄影棚中使用的照相灯。它结构和白炽灯相似，在外表面有一层白色的涂层

3.4.2 实验数据分析及结论

从试验数据和图谱可以看到照相放大灯在波长在200nm ～317nm 时，相对光强为210.0，也就是在这段光谱范围内，照相放大灯的相对光强不随波长的变化而变化。故我们的光栅单色仪没有检测到相对光强的变化。

照相放大灯光谱的最大分布范围是光波长为400nm(紫色)～700nm(红色)这个范围，这刚好是我们人眼可以分辨的光谱波段，也就是常说的可见光波长范围，并且属于连续光谱，这是它能用着照相放大灯的条件，只有这样才不会产生颜色失真。这与它灯丝的发光光谱和表面的涂层有关，说明它的表面涂层对这一波段的光波不会产生明显的吸收现象；而在693.0nm ～700nm （红光）时光谱曲线有个明显凹陷，说明照相放大灯中这一谱线的强度较弱，有可能是我们在灯泡表面添加的涂层吸收了这一波段的光谱而形成的，从而造成在720nm 处又有一个波峰的现象。

在红外光区域也有光谱光强分布，将会产生大量的热量，再加上其功率本身就很大，这也许是为什么照相放大灯只能工作一小段时间的缘故，如果长时间使用的话会烧毁，故在使用时要注意不宜让其长时间工作。

要找到最适合我们人类日常生活的光源，就必须找到一个衡量的标准。按目前的国际照明委员会CIE 的标准，就要考虑到人工光源的光源舒适感和其显色性，下面我们就粗略的介绍一下。(更详细的请参阅参考文献[4])

4. 光源的舒适感

4.1光源的舒适感

人眼的视觉器官在发展史上是从动物眼发展进化而来的，在漫长的进化过程中，由于对太阳光线物理特性的适应，形成了人的视觉器官的特殊结构—眼睛及视网膜的

图3-4 照相放大灯200nm ～800nm 光谱相对强度图(纵坐标放大到100～500)

317.0nm 210.0

695.0nm

锥体细胞和杆细胞，能专门适应白昼和黑夜的相互转化。

人的眼睛在白昼一直是适应自然光的。太阳的辐射是连续光谱，日出前日落后色温较低，约为2000～4500K，中午和阴天色温略高，约为5000～7000K。自然条件下，人在夜晚利用火光进行照明，在原始时代，人们点燃篝火，后来发明了油灯和蜡烛。光也是色温较低的连续光谱。总之，人类在几十万年的历史进程中特别习惯于日光和火光，对这两种光色形成了特殊的偏好。

4.2 光源的显色性

4.2.1 我国常用光源的相对光谱功率分布

近几十年来，许多国家都在努力研究试制新型人工光源，并取得了显著的成绩，这些新光源在经济和技术上更加合理，改善了人们的工作条件，给生产和生活都带来了方便。衡量一个新型光源的优劣，一方面是经济技术指标的合理性；另一方面决定于它的视觉效果，这两方面是密切联系在一起的。

然而，随着新型光源和照明技术的发展，照明的视觉质量问题越来越突出，许多新光源具有不同于白炽灯的独特光谱功率分布。自然光、白炽灯都是连续光谱，而许多新光源都是线状谱或带状的非连续谱，或既有连续谱又有线性的混合光谱，由于这些新型光源的光谱缺少某些波长的单色光成分，在它们下面观察物体时，某些颜色会发生色变。这就提出了光源的显色性问题，光源的显色性时衡量光源的视觉质量的重要指标。

4.2.2 光源的显色性

前面谈过，长期以来，人类适应于在日光下工作，夜晚则靠火焰取得光亮，火光的光谱功率分布大致相当于黎明和黄昏时的日光。在这种自然光条件下，劳动人民进行了大量的辨色劳动和生产。尽管夏天和冬天，晴天和阴天，自然光的光谱功率分布和色温都有很大的差异，但人眼的颜色辨别能力依然是准确的。这说明在日光下，人的颜色视觉是恒定的，而这种恒定性是人们在自然光下长期劳动实践形成的。

白炽灯是类似火光的炽热发光体，我们可以把白炽灯和日光灯作为标准，认为在这两种光源下看到的颜色是物体的“真实”颜色。现代的一些新光源，如荧光灯、汞灯、钠灯等，其光色可能与白炽灯和日光灯相似，但其光谱功率分布与它们都有很大差异，因此，人们在这些新光源下看到的物体颜色与在白炽灯下和日光灯下看到的颜色不相同。例如，在日光下观察一副彩画，再把它拿到高压汞灯下观察，就会发现某些颜色已变了色，如粉色变为紫色，蓝色变为蓝紫色，因此，我们说在高压汞灯下物体失去了“真实”颜色，或颜色有所失真。

按国际照明委员会CIE的规定，光源的显色性是指与参照标准下相比较一个光源对物体颜色外貌所产生的效果，根据这个定义，白炽灯和日光灯是显色性最好的光源，而前面提到高压汞灯的显色性较差。因此，显然高压汞灯有较高的发光效率，但由于显色性较差，所以不适用于纺织、印染、文体要求颜色识别较高的场所，也不适用于

拍摄彩色电影、电视，只适用于颜色辨认要求较低的厂房和街道照明，工地照明灯等。

近年来一些研究表明，除了连续光谱有较好的显色性外，由几个特定颜色光组成的混合光源也能有较好的显色效果，桑顿（W.A.Thornton）发现，光谱450nm(蓝)、540nm(绿)、610nm（红）波长区的辐射对提高光源的显色性具有特殊的效果，用这三个颜色的光以适当的比例混合所产生的白光（高度不连续），与连续光谱的日光和白炽灯光具有同样优良的显色性。即所谓的RGB三色原理，这我们也是非常清楚的了，在photos中应用很多。

在450nm(蓝)、540nm(绿)、610nm（红）组成的光源中，缺少500nm和580nm附近光谱成分，这两个波长对颜色显现有不利影响，称为干扰波长，若用含有这两种波长功率的光源照明颜色物体，一些颜色就会失真。如在钠灯下观看某些颜色会出现色变现象。

部分实验得出，在消除RGB三种波长功率时，显色指数明显下降，这也从反面说明了这三个波长对提高显色性的重要性。

5.总论

综上所述，太阳是最理想的光源，那是因为我们人类长期生活在太阳光下的原因；这与物种的选择和长期适应性是密不可分的。不管从物理光学，还是从色度学来考虑，它都具有得天独厚的优势。其独特光谱功率分布决定这一切。

其次是人类早期就开始使用的白炽灯，它具有和太阳光相似的光谱功率分布；同样也是属于连续光谱，再加上其光谱分布比较理想，所以直到今天，我们仍然离不开它。照相放大灯的光谱功率分布与白炽灯几乎一致，这是由于它本身的结构与白炽灯就是一样的，除了外观上略有差别外，其内部是基本相同的。

荧光灯的光谱是线状谱，但是线状谱又是分布在连续光谱的背景上的，故不可能会产生较严重的颜色失真。但事实上，我们在生活中接触荧光灯已经天长日久了，仿佛也开始适应荧光灯了。由于荧光灯光线较柔和与发光功率较高等原因，当今社会应用已十分广泛。

光源的光谱功率分布决定了光源的显色性。日光、白炽灯等是连续光谱，具有与日光和白炽灯相似的连续谱的光源均具有较好的显色性，就其显色性来说为理想的光源。但是我们现实生活中要研制新型的人工光源，还要考虑其光谱的环保性、光源自身的经济价值与寿命等多方面综合因素。

6.结束语

经过这次论文的写作，对我们的日常生活中的光源光谱特性有了更进一步的了解，对可见光的认识也更加深刻，从色度学方面来解释了我们日常生活中光源的选择。在实验过程中，必须对我们的光栅光谱仪有深刻的了解，才能测量出更好的光谱特性曲线。通过对相关文献的查阅，让我们更加了解光源的相关特性，对色度学也有了更

加进一步的认识。在对上述光源光谱分析讨论的过程中，很多方面的知识还比较欠缺，我们不得不参考部分教科书和期刊论文等资源，正是有了更多的文献得以参考，我的论文在今天才能更好的完成。

在写作论文的过程中，通过实验对一些光的光谱进行分析，了解了一些基本光的光谱。而在对太阳光的光谱分析时，我还发现，太阳光的光谱不是一直不变的，而是随着天气，时间等因数的改变而改变的。在另一方面，现实生活中我们接触到许多的发光物体。由于人眼或生产的需要，它们的光谱必须有一定的要求。我们利用光栅光谱仪可以测出他的光谱特性，进而生产出更合格的光源。

事实上从人们第一次使用光栅光谱仪测量分析光源的光谱特性那天起，人们对光栅的应用就没有停过。正是人们对光栅光谱仪的进一步加深了解，人们对光栅光谱仪的应用也更加多元化。

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