Bài giảng cơ sở kỹ thuật ánh sáng Nguyễn Thanh Phương

Laws of Reflection n According to the Laws of Reflection, angle of incidence = angle of reflection θi= θr Incident light ray Reflected light ray Normal θ i θ r Laws of Refraction n

CƠ SỞ KỸ THUẬT

ÁNH SÁNG

TS Nguyễn Thanh Phương

Bộ môn Quang học và Quang điện tử

Chương  1 Những  khái  niệm  cơ  bản  về  ánh  sáng

I.1 Lịch sử phát triển của KTAS

2

I.1 Lịch sử phát triển của KTAS.

3

I.1 Lịch sử phát triển của KTAS.

I.1 Lịch sử phát triển của KTAS.

5

Chương  1 Những  khái  niệm  cơ  bản  về  ánh  sáng

I.1 Lịch sử phát triển của KTAS

I.2 Khái niệm về ánh sáng

6

I.2  Khái niệm về ánh sáng.

Ánh  sáng  là  gì?

A  long  time  ago  ……

n Aristotle  (384  -­ 322  B.C.),  an  ancient  Greek  thinker,  thought  

that  we  saw  the  world  by  sending  “something”  out  of  our  eye

and  that  reflected  from  the  object

n In  Plato’s  time  (427  – 347  B.C.),  the  reflection  of  light  from  

smooth  surfaces  was  known  He  was  also  a  Greek  

n The  ancient  Greeks  (about  200  A.D.)  also  first  observed  the  

refraction  of  light  which  occurs  at  the  boundary  of  two  

transparent  media  of  different  refractive  indices

In  the  17th century,  some  properties  of  light  were  

well  known  already  For  example:

n Light  has  different  colours

n Light  can  travel  through  a  vacuum

n Light  can  be  reflected  and  refracted,  these  

processes  are  described  by  the  Laws  of  Reflection

and  Laws  of  Refraction  

Laws  of  Reflection

n According  to  the  Laws  of  Reflection,  

angle  of  incidence  =  angle  of  reflection  ( θi=  θr  )

Incident  light  ray Reflected  light  ray

Normal

θ i θ r

Laws  of  Refraction

n Willebrord  Snell discovered  in  1621  that  when  a  wave  

travels  from  a  medium  of  refractive  index,  n1  ,  to  one  of  

different  refractive  index,  n 2  ,

n1 sin(θ 1)  =  n2 sin(θ 2 )

This  relationship  is  calledSnell’s  Law

Incident  light  ray

Newton  proposed   his  “particle  theory  of  light”  

(or  “corpuscular  theory  of  light”)  to  explain  

the  characteristics  of  light.

(source:  “Opticks”,  published  by  Isaac  Newton  in  1704)

I  think  light  is  a  stream  of  tiny  

particles,  called  Corpuscles  …

14

Why  does  light   have  different   colours?

n The  particles  of  different  colours have  

different  properties,  such  as  mass,  size    

and  speed

Why  can  light   travel  through   a  vacuum?

n Light,  being  particles,  can  naturally  pass  through  

vacuum  (At  Newton’s  time,  no  known  wave  could  

travel  through  a  vacuum.)

Particle  Theory

Why  does  light  travel  in  straight  lines?

n A  ball  thrown  into  space  follows  a  curved  path  

because  of  gravity

n Yet  if  the  ball  is  thrown  with  greater  and  greater  

speed,  its  path  curves  less  and  less

n Thus,  billions  of  tiny  light  particles  of  extremely  low  

mass  travelling  at  enormous  speeds  will  have  paths  

which  are  essentially  straight  lines  

How  does  the  particle  theory  explain  

the  Laws  of  Reflection?

n The  rebounding   of  a  steel  ball  from  

a  smooth  plate  is  similar  to  the  

reflection  of  light  from  the

surface  of  a  mirror  

Steel  Ball Rebound

Light Reflection

n A  cannon  ball  hits  the  surface  of  water,  it  is  acted  upon  by  a  

“refracting”  force  which  is  perpendicular  to  the  water  surface  

It  therefore  slows  down  and  bends  away  from  the  normal  

Light  does  the  opposite  Newton  explained  this  observation  

by  assuming  that  light  travels  faster  in  water,  so  it  bends  

towards the  normal.

(What  was  the  problem  in  this  explanation?)

n The  problem:  

Does  light  really  travel

faster  in  water?

In  fact  nobody  could  measure  

the  speed  of  light  at  the  time  of  

Newton  and  Huygens

How  does  Newton's  particle  theory  explain  the  Laws  of  

Refraction?  

Cannon  ball Light

Water Air

18

Why  does  a  prism  separates  a  beam  of  

white  light  into  the  colours  of  the  rainbow?

Why  does  red  light  refract  least  and  violet  

light  refract  most?

Newton’s   assumptions:  

1 The  light   particles   of  different   colours  have   mass.

Red  light   particles  have   more  mass  than   violet   particles.

2  All   light   particles   experience   the  same  refracting   force  

when  crossing  an  interface.

Thus,  red  light   particles   with  more   inertia   will   be  refracted

less  by  the  same  force  than   violet   light   particles   by  the  same  force      

Let’s  see  how  Huygens  used  his  “wave  

theory”  to  explain  the  characteristics  of  

light  …

I  think  light  is  emitted  as  a  series  

of  waves  in  a  medium  he  called  

“aether”

(source: Treatise  on  light,  published  by  Huygens  in  1690)

(“aether”  commonly  also  called  “ether”)

A  wave  starts  at  P  and  a  “wavefront”  Wmoves  outwards  in  all  directions

After  a  time,  t,  it  has  a  radius  r,  so  that  

r  =  ct  if  c  is  the  speed  of  the  wave  

Each  point  on  the  wavefront  starts  

a  secondary  wavelet  These  secondary  wavelets  interfere  to  form  a  new  wavefront  

W’ at  time  t’.

How  do  waves  propagate?

P

How  can  wave  theory  explain  the  Laws  of  Reflection?

Click  here  for  animation

2

When  wavefront  W1(AC)  reaches  point  A,  a  secondary  wave  from  A  

starts  to  spread  out  When  the  incoming  wavefront  reaches  B,  the  

secondary  wave  from  A  has  reached  D,  giving  a  new  wavefront  W2  

(BD).

Angle  of  incidence  =  Angle  of  reflection can  be  proved  by  

geometry  Refer  to  the  appendix  of  the  worksheet  or  your  textbook  for  

Refer  to   the  appendix  of  the   worksheet  or  your  textbook   for  the  proof.

Click  here  for  animation

Wavefront  W1reaches  the  boundary  between  media  1  &  2,  point  A  of  

wavefront  W1starts  to  spread  out  When  the  incoming  wavefront  

reaches  B,  the  secondary  wave  from  A  has  travelled  a  shorter  

distance  to  reach  D  It  starts  a  new  wavefront  W2  As  a  result  the  

wave  path  bends  towards  the  normal  

Air

A

C B

If  light  behaves  as  waves,  diffraction  and  interference  

should  be  seen  These  are  two  important  features  of  

waves  This  was  known  in  the  17th  century

(You  can  see  this  easily  with  water  waves  in  a  “ripple  tank”)

n The  wave  theory  of  light  predicts  interference  and  

diffraction.However,  Huygens  could  not  provide  any  

strong  evidence  to  show  that  diffraction  and  

interference  of  light  occurred

Diffraction  and  interference  

of  water  waves

If  you  were  one  of  the  scientists  in  the  17th century,  

would  you  believe  the  “particle  theory  of  light”  or  the  

“wave  theory  of  light”?  Why?

Hint:  Which  theory  has  a  greater  ability  to  explainthe  

characteristics  of  light?

Newton  was  the  “winner”…  (at  that  time!)

n Newton’s  particle  theory  of  light  dominated  optics  

during  the  18thcentury

n Most  scientists  believed  Newton’s  particle  theory  of  

light  because  it  had  greater  explanatory  power

n Let’s  consider  the  reasons……

26

n Sounds  can  easily  be  heard  around  an  obstacle  

but  light  cannot  be  seen  around  an  obstacle.

Light,  unlike  sound,  does  not demonstrates  the  

property  of  diffraction  and  it  is  unlikely  to  be  a  

type  of  wave.

(1)Waves  do  not  travel  only  in  straight  lines,

so  light  cannot  be  “waves”.

n In  the  17th century,  it  was  believed  that  waves  could  

not  travel  through  a  vacuum It  was  difficult  for  

people  at  that  time  to  believe  that  waves  could  travel  

through  the  “ether”,  which  was  the  imaginary  

“medium”  that  light  travels  through,  proposed  by  

Huygens

(2)  Light,  unlike  sound  waves,  can  travel  

through  a  vacuum  Particles  can  travel  

through  a  vacuum  

X

(3)  Particle  theory  of  light  can  explain  

why  there  are  different  colours  of  light.

n Huygens  could  not  explain  why  light  has  different  

colours  at  all.He  did  not  know  that  different  colours  

of  light  have  different  “wavelengths”

n Though  Newton’s  explanation  was  not  correct  

(particles  of  different  colours  of  light  have  different  

mass  and  size),  his  particles  theory  could  explain  

this  phenomenon   logically  in  the  17thcentury

(4)  Reputation  of  Newton

n People  tend  to  accept  “authority”  when  there  is  not  

particle  theory  could  only  explain  refraction  by  

incorrectly  assuming  that  light  travels  faster  in  a  

denser  medium  No  one  could  prove  he  was  

wrong  at  that  time.

n The  uncertainty  about  the  speed  of  light  in  water  remained  

unresolved  for  over  one  hundred  years  after  Newton's  

death.

30

However,  the  wave  theory  of  light  was  

re-­examined  100  years  after  Newton’s  particle  

theory  of  light    had  been  accepted……

n Since  then  the  wave  theory  of  light  has  been  firmly  established

n The  photoelectric  effect is  observed  when  light  strikes  a  

metal,  and  emits  electrons

Einstein  used  the  idea  of  photons  (light  consists  of  tiny  

particles)  to  explain  results  which  demonstrate  the  

photoelectric  effect

Light

n What  evidence  did  Einstein  find  in  

his  photoelectric  effect  experiments  

that  helps  to  support  the  particle  

theory  of  light?

n In  the  setup  investigating  the  photoelectric  effect  (as  

shown  below),  the  intensity  of  the  light,  its  frequency,  

the  voltage  and  the  size  of  the  current  generated  are  

measured

e-­

fC

n For  certain  metals,  dim  blue  light  can  generate  a  

current  while  intense  red  light  causes  no  current  at  all

n Below  a  certain  “cut  off”  frequency  

of  light  (        ),  no  voltage  is

measurable

n Why  does  the  wave  theory  of  light  

not  explain  the  result?    

Results  from  photoelectric  effect  experiments

Voltage

Frequency  

of  light

ν0

Einstein’s  explanation

n Electrons  are  knocked  free  from  the  metal  by  incoming  

photons,  with  each  photon  carrying  an  amount  of  energy  E  

that  is  related  to  the  frequency  (ν) of  the  light  by

E  =  h  ν

Where  h is  Planck’s  constant  (6.62  x  10-­34  J  seconds)

n Only  photons  of  high  enough  energy  (above  a  threshold  

value)  can  knock  an  electron  free e.g  blue  light,  but  not  red  

light,  has  sufficient  energy  to  free  an  electron  from  the  metal.)

38

Albert  Einstein  provided  a  piece  of  convincing  

evidence  for  the  particle  nature  of  light  ……  

Has  the  story  ended  yet?  

Is  light  particles  or  waves?

Louis  de  Broglie

1892  -­ 1987

Light  is  not  particles,  

not  waves,  but  BOTH!

n Louis  de  Broglie  in  1924  proposed  that  particles  also  

have  wave-­like  properties,  this  was  confirmed  

experimentally  three  years  later

n Most  scientists  did  not  understand  de  Broglie’s  Ph.D  

dissertation  at  that  time  One  scientist    passed  it  on  to  

Einstein  for  his  interpretation  Einstein  replied  that  de  

Broglie  did  not  just  deserve  a  doctorate  but  a  Nobel  

Prize!

n De  Broglie  was  awarded   the  

Nobel  Prize  in  1929

Aristotle  (  Light  was  emitted  from  our  eyes  )

Christian  Huygens  (  Wave  theory  of  light  )

Isaac  Newton  (  Particle  theory  of  light  )

Thomas  Young  (  Wave  theory  of  light  )

Albert  Einstein  (  Particle  theory  of  light  )

Summary

The  Wavelengths  of  Light

The  electromagnetic  spectrum  spreads  over  a  

tremendous  range  of  frequencies  or  wavelengths  

The   wavelength  λ is  related  to  the   frequency  f :

c  =  fλ c  =  3  x  108m/s

Those  EM  waves  that  are  visible  (light)  have  wave-­

lengths  that  range  from  0.00004  to  0.00007  cm.

Red,  λ

0.00007  cm

Violet,  λ 0.00004  cm

41

The  EM  Spectrum

A  wavelength  of  one   nanometer  1  nm  is:

42

Example  1   Light  from  a  Helium-­Neon  laser  

has  a  wavelength  of   632  nm  What  is  the  

frequency  of  this  wave?

8 -9

3 x 10 m/s

Properties  of  Light

• Rectilinear  propagation:  Light  travels  in  

straight  lines.

• Reflection: Light  striking  a  smooth  surface  

turns  back  into  the  original  medium.

• Refraction: Light  bends  when  entering  a  

transparent  medium  

Any  study  of  the  nature  of  light  must  

explain  the  following  observed  properties:

The  Nature  of  Light

Physicists  have  studied  light  for  centuries,  finding  

that  it  sometimes  behaves  as  a  particle  and  

sometimes  as  a  wave  Actually,  both  are  correct!

Reflection  and  

rectilinear  propagation  

(straight  line  path) Dispersion  of  white   light  into  colors.

45

Photons  and  Light  Rays

Light  may  be  thought  of  as  little  bundles  of  waves  

emitted  in  discrete  packets  called   photons

photons

The  wave  treatment  uses   rays to  show  

the  direction  of  advancing  wave  fronts.

Light   ray

Light  rays  are   convenient  for   describing  how   light  behaves.

46

Light  Rays  and  Shadows

A  geometric  analysis  may  be  made  of  shadows  

by  tracing  light  rays  from  a  point  light  source:

shadow

screen

Point  

source

The  dimensions  of  the  shadow  can  be  found  

by  using  geometry  and  known  distances.

47

Example  2: The  diameter  of  the  ball  is   4  cm

and  it  is  located   20  cm from  the  point  light  

source  If  the  screen  is   80  cm from  the  

source,  what  is  the  diameter  of  the  shadow?

is  same  as   that  of  ball  

Shadows  of  Extended  Objects

• The   penumbra is  the  outer  area  where  

only  part  of  the  light  reaches  the  screen.

• The   umbra is  the  region  where  no  light  

reaches  the  screen  

Human  eyes  are  not  

equally  sensitive  to    

all  colors.

Eyes  are  most  sensi-­

tive  in  the  mid-­range  

Chương  1 Những  khái  niệm  cơ  bản  về  ánh  sáng

I.1 Lịch sử phát triển của KTAS

I.2 Khái niệm về AS

I.3 Nội dung của KTAS hiện đại và vai trò

của nó trong đời sống và kinh tế xã hội

51

CƠ  SỞ  KỸ  THUẬT  

ÁNH  SÁNG

TS Nguyễn Thanh Phương

Bộ môn Quang học và Quang điện tử

II.1 Bức xạ ánh sáng

• Bức xạ điện từ (sóng điện từ): lan truyền của điện từ

trường trong không gian dưới dạng sóng

• Ánh sáng: Bức xạ điện từ trong vùng nhìn thấy được

• Ánh  sáng  trắng  là  tập  hợp  của  các  sóng  ánh  sáng  đơn  sắc

• Ánh sáng trắng tán sắc khi truyền qua một lăng kính hoặc

một bản mặt song song trong suốt (Thí nghiệm Newton,

1666)

• Tất cả các vật chất với nhiệt độ lớn hơn độ không tuyệt

đối đều phát ra bức xạ nhiệt

• “Vật  đen  tuyệt  đối”:  là  nguồn  

phát  xạ  nhiệt  lý  tưởng

• Vật đen tuyệt đối bức xạ photon với phân bố năng lượng

tuân theo hàm Plank L(λ,T)

ü Bức xạ nhiệt -­ Phân bố năng lượng cho các vật phát xạ

nhiệt khác nhau phụ thuộc vào bước sóng

T: nhiệt độ nguồn sáng ( K)

• Các cực  đại  phát  xạ  dịch  chuyển  theo  nhiệt  độ  và  tuân  theo  

định  luật Wien

T & T 0 : nhiệt độ nguồn sáng và nhiệt độ môi trường (K)

ε : hệ số phát xạ nhiệt bề mặt (với vật đen tuyệt đốiε =1)

A: diện tích bề mặt (m2)

• Tổng  công suất  bức  xạ  ra  môi  trường  tuân  theo  định  luật  

Stefan-­Boltzman

Phổ  bức  xạ  của  mặt  trời

Phổ  bức  xạ  của  mặt  trăng

http://www.olino.org/us/art icles/2015/10/05/spectr um-­of-­mo on-­light

ü Bức xạ và vật liệu huỳnh quang

• Bước sóng phát xạ huỳnh quang thường lớn hơn bước sóng

kích thích (định luật Stoke) Năng lượng dư thừa được

chuyển thành dạng nhiệt

• Với chiếu sáng, vật liệu huỳnh quang chủ yếu là các loại bột

phát quang (phosphor) Bột này phát quang phát xạ dưới

kích thích của bức xạ UV trong trường hợp các đèn huỳnh

quang và ánh sáng xanh (blue) trong trường hợp của LED

trắng

• Bức xạ huỳnh quang là phát xạ ánh sáng với bước sóng xác

định khi bị kích thích bởi bức xạ điện từ

Bột  huỳnh  quang  dùng  trong  đèn  huỳnh  quang    

Dưới    ánh  sáng  nhìn  thấy Dưới  bức  xạ  tử  ngoại

• Với chiếu sáng, vật liệu huỳnh quang chủ yếu là các loại bột

phát quang (phosphor) Bột này phát quang phát xạ dưới

kích thích của bức xạ UV trong trường hợp các đèn huỳnh

quang và ánh sáng xanh (blue) trong trường hợp của LED

trắng

ü Phổ  bức  xạ  của  nguồn  sáng  nhân  tạo  

Phổ  phân  bố  năng  lượng  của  đèn  

huỳnh  quang  dùng  bột  3  màu  (Ra  80) Phổ  phân  bố  năng  lượng  của  đèn  huỳnh  quang  dùng  bột  halo  phosphat (Ra  70)

• Nhiệt độ màu đèn huỳnh quang là kết quả của pha trộn giữa

các vạch phát xạ hơi thuỷ ngân tại các bước sóng 404 nm,

435 nm, 546 nm và 577 nm và phát xạ huỳnh quang của lớp

phosphor, có nhiệt độ màu tương quan từ 2700 đến 6500 K

• Các  dải  phát  quang  khác  là  phát  xạ  của  bột  huỳnh  quang,  

kích  thích  254  nm    

ü Phổ  bức  xạ  của  một  số  loại  đèn  

Phổ  phân  bố  năng  lượng  của  đèn  LED  trắng  (Ra  83)

Phổ  phân  bố  năng  lượng  của  

đèn  Natri cao  áp  (Ra  45) Phổ  phân  bố  năng  lượng  của  đèn  Natri (Ra  17)

ü Đường nhạy sáng của mắt người Vλ

• Đường cong nhìn đêm

(scotopic vision) có cực đại

ở 507 nm

• Đỉnh độ nhạy của đường

cong photopic nằm ở 555  nm

• Hiện tượng nhìn lai

(mesopic vision), cả hai loại

tế bào đều tham gia sự

nhìn

II.2 Các đại lượng đo ánh sáng

• Năng lượng bức xạ được tính theo công thức, đơn vị là oát (W)

trong đó Wλlà phân bố phổ năng lượng bức xạ

λ

λd W

∫

∞

= Φ

trong đó K là hệ số chuyển đổi từ

đơn vị năng lượng sang đơn vị cảm

nhận thị giác, Vλ là phổ nhạy sáng

của mắt người

K = 683 lm/W photopic vision

K = 1700 lm/W scotopic vision

Là đại lượng đặc trưng cho khả năng bức xạ của nguồn sáng,

bằng tổng lượng ánh sáng bức xạ từ nguồn đó được chuẩn

hoá theo phổ độ nhạy của mắt người

• Đơn vị: Lumen (lm) là quang

thông của một nguồn sáng đơn sắc

có bước sóng 555 nm

Units  Conversion:  Power  

Quang  thụng  của  một  số  nguồn  sỏng  

Nguồn sáng Quang thông (lm)

Đèn sợi đốt 60W 685Đèn compact 11 W 560Đèn huỳnh quang

40W

2700

Đèn Na cao áp 400W

47.000

Đèn Halogen kimloại 2 kW

180.000

II.2.2 Cường độ sỏng (Luminous intensity )

Xột 1 nguồn sỏng điểm đặt tại tõm

O của một hỡnh cầu bỏn kớnh R và

chắn 1 diện tớch S trờn mặt cầu

ỹ Gúc khối Ω

Hỡnh khối đỉnh O, mặt cắt S trờn mặt

cầu biểu diễn gúc khối Ω Ω được định

nghĩa bằng tỉ số giữa diện tớch và bỡnh

S

Khi diện tớch S là toàn bộ mặt cầu thỡ S = 4πR2

Khi đú giỏ trị cực đại của gúc khối là 4.π.2 4.π

2

=Ω

R

R R

Ví  dụ Tính  góc  khối  của  một  diện  tích  1,6  m2trên  

mặt  cầu  có  bán  kính  5  m

2 2

1.60 m (5.00 m)

Ω = S

Ω

ỹ Cường độ sỏng của một nguồn sỏng

theo một phương là đại lượng được

đo bằng giới hạn tỉ số quang thụng

dΦ trờn một đơn vị gúc khối dΩ

d

• Đơn vị: Candela (cd)là cường độ sỏng theo một phương của nguồn

sỏng đơn sắc cú tần số 540.10 12 Hz (bước súng 555 nm) cú năng

lượng bức xạ theo phương này là 1/683 oỏt trong một gúc khối một

cả  cỏc  hướng  với  gúc  khối  4π sr

Quang  thụng  tổng  cộng:    Φ =  4πI

Ω = 4π sr

khi  đú  cường  độ  sỏng  của  nguồn  là  

I  =  Φ/Ω =  Φ/4π

Nguồn sáng Cường độ sáng (candela)

Ngọn nến 0,8 theo mọi phương

Đèn sợi đốt 40 W 35 theo mọi phương

Biểu  diễn  phân  bố  cường  độ  sáng  trong  không  gian

Sử dụng hệ toạ độ cực mà gốc là nguồn sáng và đầu mút là

II.2.3 Độ rọi (Illumination)

Khi quang thông vuông góc với bề mặt

thì độ rọi được tính:

• Khi mặt được chiếu sáng không đồng đều thì độ rọi bằng

ü Độ rọi là đại lượng đặc trưng cho bề

mặt được chiếu sáng là đại lượng có

giá trị bằng quang thông gửi tới một

đơn vịdiện tích của mặt đó

• Đơn vị: Lux (lx) là độ rọi của một nguồn

sáng có quang thông 1 lumen trên một diện