從一個物理的觀點, 光明顯為能量現象。 然而, 並非下定義，據此操作工程學領域的那些人需要理解兩個主要方面來描述光的特性, 即幾何學和能量學的方面。
光在空間中傳播方式根據幾何學光學的定律可歸類於幾何學方面;由電磁波可攜帶能量的類型和量則與能量學方面相關聯。
1.1 自然光
光-我們用以表示電磁射線這一詞 , 當穿透眼睛時,被轉換成為神經的刺激並產生可看到之感覺。電磁射線的範圍是相當寬廣的，但是只有一小部份限定範圍的波可被眼睛辨識。
如果我們試著提升一個物體的溫度, 它將開始釋放熱射線能量 (紅外) , 以及在此之後, 在更高的能量階, 它將發射光。
幾個理論建立光的發射和發光之間的相互關係。 根據波理論, 以電磁波形式傳送放射能量特點為兩個物理學的量: 波長和頻率。
波長, 常規用希臘字母L來表示 , 是在完全振盪週期期間由波傳播的距離。 在國際系統中用米或者毫微米表示。
頻率, 用字母N表示, 表示在一秒鐘內發生的完全振盪週期的數量, 用赫茲(Hertz)表示。
傳播速度C是為完成振盪的波長和時間之間的比例,以公里/每秒(km/s)測量。
電磁波的傳播速度根據它發生的場所的媒介不同而變化。
於真空如下:
Co @300 Km/s
在任何媒介中適用下面的關係式:
C =Co / n
N為介質場所與真空比較的折射索引表。
頻率N,傳播速度C和波長的L , 如下關聯式:
C = n . l
透過如果頻率N為所知, 我們能夠容易計算波長L , 反之亦然 。
基於電磁波的各自波長能夠給電磁波分類:使用電磁射線的光譜圖表表示這個分類。
電磁射線光譜和可見的射線光譜。
在光譜中含有的波長範圍很廣, 從10 -5次方nm到10 16次方nm。
在可見射線領域中間更小得多, 包括這個紫外線極限值-380nm-和這個紅外線極限值-780nm。
把" 光" 定義為由在這二個極端之間的射線產生的感覺。
1.2刺激作用, 感覺和視覺的感知。
眼睛是我們的身體的器官中負責從這個外部世界收集發光刺激和轉換為神經刺激傳送給腦。眼睛為一個類似攝影照相機的方法工作。 虹膜調節光的量, 以與快門相同的精確模式, 而眼睛的水晶體正好像一個照相機鏡頭, 雖然調整系統是不同的,在眼睛為水晶體的形狀中的變化,在照相機中為鏡頭的一個向前向後的運動。最後,視網膜在這個神經結尾那裡,這是敏感元素,等同於攝影底片。
這個光學神經的結尾由光敏感的巢型網格稱為錐形物和棒形成了。 尤其是, 把棒用作夜晚視力 (或者較暗視力)且並對顏色不敏感, 而錐形物為白天視力 (或者光適應的視力) , 由亮度和照明的水準在某種門限上面產生,並可以容易感知和識別顏色。
optical nerve:視力神經 fovea:蜂窩體組織 cornea:角膜 cavity:眼腔 lens:水晶體
Vitreous body:玻璃體 iris with pupil as the visual arerture:虹膜及瞳孔 ciliary musde:睫毛肌 retina:視網膜 choroids membrane:脈絡膜 sclera:鞏膜
FIGURE 2
人類眼睛的示意性橫截面。
眼睛負責從這個外部世界捕捉發光刺激和到對腦傳送的神經脈衝裡轉換他們。
視網膜表面上錐形物和棒筋條發送不同類的刺激訊號, 並且根據視網膜部分對不同的光刺激產生了結果的回應。更近一步我們從最高光感應集中的蜂巢組織中心發現，更多的視網膜感應性質減少了。亦即表示敏銳的視覺只能在非常小的角度中達成。
FIGURE 3
一個攝影照相機的軸向剖面部分。
由視網膜捕捉的發光的使錐形物和棒筋條激活, 產生電信號; 接下來傳送訊號及由腦處理, 產生視覺感覺。 只要刺激突然以及劇烈的增加或者減少,視網膜要花費相當數量的時間以適應於這個新能級,在這期間視力是缺乏效能的。
當過渡從黑暗到光亮下條件完全調整適應正常需要的時間是大約 1 分鐘, 處於相反的情況的時間大約30秒鐘。調整適應曲線根據亮度不同而定, 根據初始很快速的調整以及後續變慢速度標出的一個對數模式圖而定。
Visual field (1), preferred visual field (2) and optimum field of vision(3) of a person standing (above) and sitting (centre, below) for vertical visual tasks.
Frequency H of angle of sight .for horizontal visual tasks. Preferred field of vision between 15° and 40°, preferred direction of view 25°.
FIGURE 4
這個人類視覺範圍的圖表。 眼睛對發光刺激的靈敏性根據刺激的視網膜的部分不同而變化。
視覺過程從由眼睛收到的刺激的捕捉開始, 結束於腦的處理和詮釋。刺激詮釋只一部分是與生俱來的,且易受時間增長不斷進化和調整。 必須牢記, 無論如何, 視覺不歸屬於單一獨立的刺激, 而在他們的全部所有發光環境的條件中。一個一如往例光的環境可能會被感覺是恰當或者不足,其根據使用者的需要和行動方式, 外部天氣條件,每年的不同時間段而感覺不同。在其他方面，眼睛和腦對照明和亮度的絕對值不特別敏感, 而對在這個視覺範圍之內值的差別極為敏感。在空間中光的調制和光的質量在設計中難以去量化; 無論如何, 真誠製作為成功照明設計的元素。
因此工程師應該主要集中於在”如何做”上面, 而非多少量去照亮; 在後續的時間才將照樣估算照明和亮度的層次的精確規格。
1.3 CIE EYE
人類眼睛對射線有不同的敏感程度, 根據這後面圖表的波長顯示。 在1931 CIE定義的 " 平均眼睛" 常規特性以及相關的能見度曲線用作照明工程中參考。
射線可能的相關能見度值的識別最大值晝間視力等於波長為 555nm和為夜間視力的的波長為507nm。
FIGURE 5
相關能見度因素的光譜曲線。
A:晝間視力
B:夜間視力
1.4 THE ORIGINS OF COLOUR(顏色的原色)
透過在一個玻璃棱柱的一個面上投射一束白光,白色光譜分解成不同波長的部分,其變得可見。光譜由七種基本顏色形成: 紅色,橙色,黃色,綠色,藍色, 靛青藍色和紫色。
不像聽到一樣, 視覺感覺不允許各種單色光部分的詮釋, 並且當做為單一顏色感知光束結果。 由於顏色感覺的這個混和影響, 能夠認為任何給定的顏色被解釋為三個基本光譜顏色的特定結合顏色。
CIE收錄定義3個基本顏色波長為:
700 nm = red (R)
546,1 nm = green (G)
435,8 nm = blue-violet (B)
白光本身僅僅是這三種基本顏色的特定結合。
1.5 BASIC PHOTOMETRY QUANTITIES(基本光度測定值)。
按照放射能量描述光,這可能是看來適合屬於無線電波的測量,取而代之光照明工程使用從光度學得到的量和方法,和按照視覺刺激作用而非根據絕對值測量。
光度測量的值, 不測量以絕對方法在可見光譜中放射的能量的值, 而就CIE眼睛光譜靈敏性作為一個相對值而論。
光量測基本量的目錄如下: 發光流量,光強度,照度和輝度。
為了幫助理解下面的定義, 我們將使用以由點狀為基礎的光源噴發的光和由噴灑器發發散的水之間的相似之處的例子。根據這個類似方式能夠把光歸因於某種材料特性, 這否則說明起來困難。
1.6 LUMINOUS FLUX(發光流量)
這個測量表達由時間單位中的光源發射的能量的數量。
發光流明的液壓等價物是由時間單位中的噴灑器發射的水的數量, 和每分鐘多少公升測量。
這種發光流量, 以流明被測量, 通常用符號F表明。
把流明定義為由在半球中心點狀的光源在固體單位角之內發射的發光流量, 這光強度為在每一個方向相當於1cd。在國際系統中( I.S. )對用於固體角度測量的單位是球面度(SR ) :
1 lm =1 cd x sr.
由於發光流量涉及由時間單位中的光源源發射的光的量, 它與一個能量的單位一致 (能量/ 時間單位) 。
FIGURES 7-8
1.6.1 LUMINOUS INTENSITY(光強度)
這量表達在特定方向發射的發光能量的數量。
把光強度(I)定義為由光源在一個固體角和自身角度之間為極小角度發射發光流量兩個之間的比例。
I = df/dw
這裡df表示光源在距離為dw的固體角內發射的發光流量。
在液壓比喻中, 測量由噴灑器在所知尺寸的一個錐形物角度之內發散的水的數量。
其定義符號為 I 以及其測量單位表示為燭光(cd)。
FIGURES 9-10
Luminous intensity emitted by a source. The hydraulic equivalent is represented by the amount of water released by a sprinkler, within an angle cone whose dimensions are known.
Luminous intensity is indicated with the symbol I and its unit of measurement is the candela (cd).
1.6.2 ILLUMINANCE(照度)
它表示撞擊一個給定的表面的光的數量。
把照度( E )定義為撞擊一個表面和表面的元素範圍的發光流量之間的比例。
E = dI /dA
dI表示撞擊這個表面的流量以及Da表示被梁量撞擊的區域面積。
在液壓比喻中, 等於是在時間單位中表面上落下的水的數量。
測量的照度單位是一勒克司(lux), 單位的表示為lm/m2。.
FIGURES 11-12
Illuminance level on a surface. The hydraulic equivalent is represented by the amount of water falling onto the surface in question, within the time unit.
兩個重要幾何學推論, 從照度的定義獲得,這是很有用的可以去了解光在空間中的發散情形。
在點光源情況下, 一個表面上照度的水準隨光源到平面的距離增大而減少。 如果使光源距離增加一倍所以表面上照明度的水準減小到 1 / 4 ; - 當光束與平面的關係與他們的入射的角垂直, 一個表面上照度的水準最高，降低的關聯式與其入射角有關,如下式：
L = Ln x cos a
這裡 L = 表面照度, Ln = 一般照度值, a = 光束與垂直表面線的角度。
FIGURES 13-14 FIGURE 15 1.6.3 LUMINANCE(輝度) 在液壓比喻中, 表示為等於按觀察者方向在一個表面上彈跳的水的數量。 Luminance is expressed in cd/m2. 1.7 LIGHT PROPAGATION 1.7.1 REFLECTION, DIFFUSION, REFRACTION (反射 擴散 折射) 在漫射情況下根據朗伯定律在空間中同樣反射了光束。在這種情況下在任何方向的光強度 ld 為光束的光強度 ln 向該反射表面方向所產生,其 g 角度的餘弦形成為 ld 的方向與正常到反射表面之間的角度。 Id = In x cos g 在粗糙的建築材料上一貫地為光射線漫射, 當它由鏡面方式和高光滑表面反射模式被反射。 一個特殊材料的吸收係數 a是被吸收的發光流量和引發的流量之間的比例。 把這個傳遞係數 t 定義為傳遞的流量和原流量之間的比例。 t = ft / fi 正常傳遞特點為事實上, 在經過這個材料以後, 光束保留他們的初始方向和發散的特性。 在一個擴散的透明材料情況下傳遞的射線的發散依據朗伯定律。 根據能量不滅定律, 三個係數-穿透性(傳遞), 反射, 和吸收的總和是 =1 所以 ft+fr+fa = fi 。 只要光束經過不同密度的兩個透明材料, 折射的現象發生, 並且光束在它的傳遞的軌道中產生變化過程。 偏差角度取決於光束的入射角和二個介質折射索引表之間的比例, 為下面的關係式: sin ar/sin ai = n1/n2 FIGURE 19 FIGURE 20 1.8 MEASURING INSTRUMENTS(量測儀器) 我們能夠在兩種類型的光度學測量之間區分其不同: - 視覺: 把人類眼睛用作" 設備" 把由參考光源發射的光作比較; 。 - 物理的: 在光撞擊一個物理接收器, 例如一個光電流電池, 產生可測量電流。 它由用以勒克司校準的電流計結合的一個光電池組成。一旦它到達了這個光電池可以把這個光射線轉變成電力的階層,就可以測量了。 能夠用顏色的過濾器裝備這個裝置, 其功能是要運用光譜調整使得靈敏性像CIE眼睛那樣接近。 這個傾斜的光束到達光電池會產生重要測量錯誤。 它的一個解決辦法是使用擴散球面構造其功能為擴散照射之光束, 在光電池表面可以更同質性的配光。 FIGURE 22 1.8.2 FLUX METER (流量計) 設備測量由光源發射的發光流量。 目前已知最好的是Ulbricht球, 它由空心球組成, 其內牆完美地漫射,允許全部光反射。 借助於在半球表面後面上一個小槽的一個光電流電池完成測量。 為了防止電池直接收到由光源發射的光束, 在這二之間放置一個漫射屏幕。 1.8.3 LUMINANCE METER (輝度計) 由光源發射的光通過這個透鏡(A)。相當數量的光由鏡子(B)轉向，在此方向有一個稜晶柱(C)傳送影像到玻璃盤上。盤表面(D)處理允許一部份光的通過, 穿過一個過濾器系統(E)之後的它到達一個光電池(F )，透過光電池以cd/ m2的單位量測。 FIG 25 1.8.4 COLOUR METER 設備由三個光電池組成 , 對應於三種基本顏色的每一個。 盡可能的接近就人類眼睛三種基本顏色而論的能見度曲線的再生回應曲線做描繪。 1.8.5 SPECTRORADIOMETER 分光儀 這個設備透過測量在光源的光譜分配上在可見範圍之內發射能量的光流量資訊。 測量出的輻射計值為三個能見度曲線的相對值相乘。 FIGURE26 1.8.6 GONIOPHOTOMETER 測角儀 此設備測量由一個照明燈具發射的光強度。 有四個不同測量技術, 每一種技術與其不同類型設備一致: 1. 光電池固定並且燈具環繞在縱向和橫向的軸轉動; 。 2. 光電池沿著一個半球運動而燈具固定不動; 。 3. 光電池沿著半- 圓周運動並且燈具在垂直軸心上運動; 。 4. 這個光電池及燈具固定，雖然可移動，但總是維持最適當的操作位置。由轉動鏡子引導發射的光向光電池。由電腦台處理測繪所有資料, 並且最後使用數字/或者圖表的形式輸出。 1.9 DISTRIBUTION CURVES 配光曲線 這圖表的值為標準化光源每1000流明的cd值。 在這個設計上由使用者選擇光源及其流明值是可能的, 並可相應調整圖表的值。 測光固體角是空間中(點狀)光源發射的光強度的三維描繪。 "配光曲線" 透過以平面與這種固體角相交取得, 這能夠在環繞軸心轉動檢測測光固體角中的每個點。CIE的標準根據設定旋轉軸心定義平面旋轉模式。 1.9.1 Polar distribution curves 極性配光曲線 表示燈具的光發散的一種合適方法是透過使用極性圖表。 當透過極性座標描述測光固體角與平面相交時, 在其坐標中心與燈具的中心一致, 其產生極性配光曲線。 1.9.2 C-g representation system 代表系統 如果平面的相交線是通過這個測光中心線的垂直線則C-g系統產生。 在圖表上以實線顯示了橫向平面, 而用虛線表示縱向平面。 FIGURES 29 - 30 1.9.3 V-H representation system 代表系統 這是用來表示泛光燈光強度配光,這種類型的圖表陳述提供光束寬度的更精確的估算的系統，尤其在其光束很狹窄的泛光燈中。 在笛卡兒圖表, 角度值位於橫座標為零的圖表中心且光強度值置於縱座標軸心。 A definition of the V-H system can be found in the CIE-43 publication. FIGURES 29 - 30
Representation of a lighting fixture’s distribution curves. 1.9.4 Iso-intensity curves ISO強度曲線。 ISO強度曲線是作為頂峰和方位角的角度或者笛卡兒發射中的一個功能表示光度分發的選擇或者補充的方法。他們表達當光投射於水平面有同樣光強度值的點的曲線，其用每 klm 多少 cd 表達。 在笛卡兒投射ISO曲線圖中，曲線用等級化之格點來表達，而其原點為燈具配光中心點。 FIGURE 33 1.9.5 Luminance abacus 光度計算表 A description of the luminance abac is contained in CIE publication 29/2 and in standard DIN 66 234 (extensions to the CIE standard). 1.9.6 Isolux diagram 這兩個圖表軸向, d/h and I/h, 其關係式建立 寬度(l), 長度 (d) 高度 (h). 這個圖表可使用插植表示房間(空間)的任何點中照明度水準。 
Illuminance decreases as distance increases. In the case of a point-shaped source, the reduction of the illuminance level on a surface varies in relation to the square of the distance from the source.
If distance from the source is doubled, the surface illuminance level decreases to one quarter.
Reduction of the ability to capture the radiation as the surface tilt varies, and related hydraulic equivalent.
量測表示由大光源在觀察者方向光發射的數量(不管是主要或二次)。
把輝度( L )定義為如當觀察者感知在觀察者方向光源的光強度與表面釋放的光強度之間的比例。
L = dI / (dA . cos u)
I 表示光強度用燭光(candela)表示, A 是這個來源地區, cos u 是在觀察方向和到發散表面這個軸心垂線之間角的餘弦 。 
Luminance of a surface. The hydraulic equivalent of luminance is the amount of water bouncing off a surface in the viewer’s direction.
當光束 fi 撞擊一個一般表面其經歷變化; 伴隨相當數量的光流量 fr被反射, 而剩下的部分fa以及ft由構成這個表面的材料分別吸收和傳遞
一個表面的反射係數,或者 r , 其為被反射的光流量和產生變化的光流量之間的比例。
r = fr / fi
如果由光打了光滑表面, 則產生反射作用, 當在粗糙表面情況下將變成擴散(漫射)。
在反射光反射中光束的入射角和反射角依照 笛凱爾 定律, 對彼此是共面和角度是相同的。
處於實際現實上沒有其性質為完美地光滑表面或者擴散, 但是單純表現出一個中間性能的表面,或多或少地類似二個極端的其中之一。
FIG 18
透明材料的窗玻璃上的光反射,吸收和穿透。在一個粗糙材料上穿透的部分是0並且這個吸收的部分通常更重要。
a = fa /.fi
如果光束撞擊一個透明材料, 例如玻璃窗玻璃, 一部份的元發光流量通過這個面板:在這種情況下發生的現象叫作光傳遞(穿透)。
當在反射情況下,根據光束通過透明表面的歷程, 傳遞也可能區別為介於正常的, 混合的或者擴散傳遞。
ar 表示折射的光角度, ai 為入射光角度, n1 為第一個介質的折射係數值和 n2 為第二個介質的折射係數值。 
Lambert’s law. Uniform reflection and transmission of a light beam on a surface.
Mixed reflection and transmission of a light beam on a surface
FIGURE 21
Descartes’ law. Specular reflection. The beams’ incidence and reflection angles are always coplanar and equal to each other.
由光源發射的光射線的測量基於光度學的技術。
1.8.1 LUXMETER照度計
這設備允許照度值的測量。
Representation of the spectral distribution of the light emitted by a lamp.
FIGURE 23
A portable lux meter. The instrument consists of a photocell attached to a galvanometer calibrated in lux. Once it reaches the photocell, the luminous radiation is transformed into electric energy and therefore becomes measurable.
FIGURE 24
Ulbricht Sphere operation diagram. The Ulbricht Sphere is a hollow sphere whose inner walls are perfectly diffusing, providing total light diffusion.
設備測量表面的亮度(輝度)。
Luminance meter operation (simplified diagram).
設備根據 CIE 色彩系統測量光源的顏色。
測繪由光源在整個可見範圍的定 Dg 角度中發射的能量流量。 
Relative colour sensitivity curves x(x), y(y), z(z).
使用光電池測量燈具在各個方向的光強度。 
Goniophotometer in the Disano illuminazione photometry laboratory.
這個曲線提供由光源發射的光的圖表方式描繪。 
FIGURE 28
Representation of the photometric solid of an incandescent lamp
在圖表上的每一個點都與每一個抬升角度G中的cd值一致。
配光曲線涉及橫向和縱向的平面, CIE系統中分別為平面C0-C180和C90-C270。
能夠用極性曲線的C-g系統來用圖表表達任何燈具的光強度配光。
Representation of a lighting fixture’s distribution curves.
在環繞H平面軸心轉動是這個泛光燈的縱向軸心。 這裡再次論及光源每 1000 個流明的cd值 , 並且兩個表示平面通常是橫向和縱向的, CIE系統中的角度 V 為在 H=0 (實線) 和角度 H為在 V=0 (虛線) 。 
用這個光度計算表來計算由每一個單一照明燈具產生的直接眩光。兩個曲線光度值, 橫向的 (實線) 和縱向的 (虛線) 對應面對這個固定燈具的觀察者在 45° 和 85° 的兩個極限角度之內的位置。其角度計算為在觀察者之上的垂直線與觀察者眼睛與最遠燈具連線交會的角度。光度值在一個對數尺度中拉伸, 並且限制曲線定義燈具的亮度不產生眩光現象的範圍。每一個曲線對應可使用平面之相當的平均亮度層次，以及燈具的質量等級。假如光度曲線位於極限曲線左側則眩光水準可被考慮為可接受。
FIGURE 34
isolux圖表表示在計算平面上面的同等照明度點的幾何學位置。燈具的圖表方面的 isolux 曲線用 其標準化的照明(用1000流明參考光源) 在計算平面上方一米的高度產生的照明度層次的分配。
FIGURE 35
