建筑光学整理

1.3.4 照度
光源落在单位被照面上的光通量叫做照度。它是用来衡量被照面被照射程 度的一个基本光度量，即被照面的光通量密度。 • 符号：E • 单位：lx(勒克斯） • 计算公式：E=dφ/ds E——照度（lx）
dΦ——光源在某一个面积微元ds上接收到的光通量（lm） ds——被照面某一单位微元（m2） • 若取平均值，则有：E= Φ/S
1.3.6 基本度量单位间的关系
• 发光强度与照度 E=I/r2 • 照度与亮度 E= Ω Lαcosθ
第二章 室内装饰材料 的光学性质
本章提要：
人们在建筑物内看到的广，绝大多数市井各种物件及壁面反射或透 射的光。所以选用不同的装饰材料就会在室内形成不同的光效果。 • 了解室内常见装饰材料以及其反光系数(ρ) • 了解室内常见装饰材料以及其透光系数(τ) • 了解污染对材料光学特性的影响
1.1 光的性质
光是一种电磁辐射形式的能源。这种能源是由不同物质的原子结构作用而辐 射出来的，这种电磁辐射是一个具有波状运动的巨大的连续统一体。但在这个巨 大的统一连续体中，能够被人的视觉所感知的电子辐射的范围在整个电磁辐射光 谱中只是非常狭窄的一部分。
电磁波的特性
电能 无线电 电视
4987.3km
2.1 反光材料与反光系数
2.1.1 室内常见饰面材料的反光系数
2.1.2 反射方式
改变光的传播方向的一种方法是利用反射过程。它有两种形式：
A 镜面反射(定向反射） 是指光反射后按一定的方向传播。入射角等于反射角。 反射光的亮度和发光强度比入射光有所降低，因为有一部分被吸收或透射。 其反射后的亮度和发光强度Iρ由下式表示： Lρ=L×ρ Iρ=I× ρ 利用材料的反射性能，在室内装饰及布置时，可以这种材料放在合适的位 置，以便在所需的地方得到反射光，或者可以避免光源在视线内出现。 B 扩散反射是指光反射后沿着不同的方向传播。 扩散反射可以使反射光线不同程度地分散在比入射角更大的立体角范围内。 根据材料扩散程度的不同，又可分为均匀扩散反射和定向扩散反射两种。
1.1.2 可见辐射
对于肉眼来说，可见电磁辐射的波长范围大约在380nm-780nm。如果所 有波长的光同时被肉眼接受，人眼将无法区分每一个单独的波长的光，并且大 脑所感受到的是白光。 • 白光是所有可见波长光的累积现象。 红 橙 黄 绿 青 蓝 靛 紫 棱镜 • 单色光是一种有着特殊波长和颜色的光。
这类材料的表面发光强度遵循 朗伯余弦定律： Iθ=I0cos θ I0——材料表面方向的发光强度 Iθ——法线与某一反射方向的夹角
这表明，均匀扩散材料的表面法向 可以获得最大的发光强度，越是偏离这一方向，反射光的强度衰减越快。
均匀扩散反射材料的表面亮度是均匀的：
L=Eρ/π L——亮度 E——照度 ρ——材料反光系数
•建筑光学 •建筑声学
建筑物理及其设计
•建筑光学 •建筑声学
第一篇 建筑光学
第一章 光学原理
第二章 室内装饰材料的光学性质
第三章 天然光环境设计 第四章 人工光环境设计
第一章 光学原理
本章提要：
• • • • • 理解光和其他形式的电磁波辐射的性质 了解到不同等级的可见光和不可见光的不同点 理解人眼的功能和视觉的特性 使用和照明有关的各种度量单位 知道光学度量的一些方法并把它们和实际情况联系到一起
B-1 均匀扩散反射 均匀扩散是将入射光线均匀地向全空间反射。因此在各个方向和角度，反 射的亮度完全相同，可又看不见光源。如石膏、氧化镁等，以及大部分粗糙、 无光泽的建筑材料，比如粉刷、砖墙等就可以看作是这种材料。利用这类反射 材料，使内可以获得一个比较均匀 的光环境。
均匀扩散反射后的亮度及光强分布如图：
此时，我们可以在透明材料的一侧清晰地看到 另一侧的景物，但亮度有所下降。 但是，如果透明材料的内部质量不好，厚薄不 均或两个表面不平行，则光线在两个表面的折射方 向不一致，透射光线也就偏离了原方向。这会使光 源形象受到歪曲，先得模糊不清。
1.3.2 光通量
由于人眼对不同波长的电磁波具有不同的灵敏度，我们不能直接用光源的 辐射功率或辐射通量来衡量光能量，必须采用以人眼对光的感觉量为基准的单 位——光通量。 • 符号：φ • 单位： lm（流明） • 计算公式：φ=Km∫φe,λV(λ)dλ
φ——光通量 Φe,λ——波长为λ的单色辐射通量（w) V(λ)——CIE相对光谱光效率 Km——最大光谱光视效能683lm/w，它在λ=555m处
在明视觉时，人眼对波长为555nm 的黄绿光感受性最强，向对光谱最大，其 值为1，越远离这个波长，人眼的感受性 越差，相对光谱光效率就越小； 在暗视觉时，人眼对507nm的青绿 光最敏感。这时，整个相对光谱光效率曲 线向短波方向移动。
相对光谱光效率
1.2.4 视觉术语
• 视野 视野是指在沿着给定的方向人眼所能看到的所有范围。 • 视觉灵敏度 灵敏度是人眼区分那些非常类似的细节的能力。当可得到的光增强时这 种能力也会增加。 • 适应 适应是指在视野中人眼为适应所观察物体的亮度和色彩而进行调整产生 的过程。视网膜上的锥状细胞和杆状细胞要花相当长的一段时间来达到最佳 敏感度。 • 对比度 对比度是指视野中不同的两部分在亮度和色彩上的差异程度。
B-2 定向扩散反射 定向扩散反射兼有定向反射和完全扩散反射两种特性，它的反射光线出现在 一定的范围内：在定向反射方向上具有最大的亮度，在该方向附近的某一区域内 也有一定的亮度。但其扩散范围不是全空间的，离开了某个区域，就没有反射光 线了。
比如油漆表面、较粗糙的 金属表面等就属于这种材料。 这时，在反射方向上可以看到 模糊的光源形象，但不像定向 反射那么清晰。
1.3 照明度量单位
在光环境设计中需要用一些物理量来进行计算以保证光环境质量的要求。这 些物理量以光通量为基础，形成一个光度量的体系。
1.3.1 立体角
光可以在整个三维中传播，因而有必要采用这样一种度量方法，使得围绕一 点的空间可以被分成若干个“立体角” （Ω） 。 单位：球面度（sr） 1球面度（Ω）表示当球面角位于球 的中心时，这个角在这个球表面上截取的 面积与这个球半径的平方大小相等。 一个立体角的大小并不由这个球的半 径的大小或者这个角的形状决定。围绕一 个球的中心点的总的立体角的大小等于在 球面上其所截取区域所拥有的面积为半径 平方的区域的个数。即： 球面度 围绕一点的总的立体角=球面表面面积/1球面度所截面积=4πγ2/γ2 一个完整的球一共包括4π球面度
1.2.2 颜色感觉
人眼具有感觉颜色的能力，称为色觉。在明视觉时，人们对380nm-780nm 范围内的可见光产生不同的颜色感觉。随着波长的不同，可区分出红、橙、黄、 绿、青、蓝、紫等颜色。 颜色及相应波长范围（nm） 紫
380-424
蓝
424-455
青
455-292
绿
492-565
黄
565-595
白光
1.1.3 不可见辐射
波长在可见波长范围之外的电磁辐射理论上是不能被肉眼感知到的。然而 某些由太阳发出的光波波长靠近可见波波长，尽管它们不能被我们看见，但它 们却与照明作用息息相关。 • 红外辐射(IR) 红外辐射有着比其他红色光稍长的波长。它们可以作为太阳和其他发热物 体的辐射被我们感知。红外辐射被用来制作辐射加热装置，侦查热辐射物体， 在黑暗中“寻找目标”以及通讯连接方面。 • 紫外辐射(UR) 紫外辐射有着比其他紫色光稍短的波长。它由太阳以及其他高温物体所发 射。紫外辐射有助于人体的身体健康，但过多的量会损坏皮肤和眼睛。地球大 气的组成部分正常情况下保护着地球，使其不被太阳发射的过多的紫外辐射所 损害。 此外紫外辐射可以用来杀死厨房和医院里的细菌。某些化学物质能够把紫 外辐射转化为可见光，这一作用被用于荧光灯中。
1.609km 30.48m 30.48cm 0.3048cm
1500 1000 780 700 600 500 红 橙 黄 绿 青 400
的可 辐感 射觉 热到
红 外 线
微波 0.003048cm 红外线
可 见 光 谱
可见光谱 紫外线 X射线 y射线 宇宙线 10nm 1nm 0.001nm 0.00001nm
例1：一个小型光源的平均球面光强度为100cd， 从光源发出的总光通量的1/4垂直照射到了一个 3m*0.7m的平面上，请计算： （1）由光源发出的总的光通量； （2）平面表面的照度
1.3.4 亮度
亮度作为一种主观的评价和感觉，和照度的概念不同，它是表示由被照面 的单位面积所反射出来的光通量，也称发光亮，即物体表面的明亮程度。与照 度、被照面的反射率以及物体大小形状等有关。 • 符号：L • 单位：cd/m2(坎德拉/平方米） • 计算公式：
由于一个发光体在视网膜上成像所形成的视感觉与视网膜上物像的照度成正比，物 像的照度越大，我们就会感觉越亮。而该物像的照度是和发光体在视线方向上的投影面 积dsCOSα成反比；与发光体在视线方向的发光强度成正比的，所以亮度可表示为： L=dIα/dsCOSα • 若取平均值，则有： L=Iα/sCOSα
在建筑光学中，常用光通量来表示光源发出光能的多少。
1.3.3 发光强度
光源在某一方向的发光强度是光源在该方向单位立体角内所发出的光通量， 也就是光通量的空间密度。在建筑光学中，常用发光强度来比较不同光源并且衡 量它们的强度。 • 符号：I • 单位：cd(坎德拉） • 计算公式：I=dφ/dΩ
I——发光强度（cd） dΦ——光源在某一方向的一小立体角dΩ内发出的光通量（lm） dω——立体角（sr） • 若取平均值，则有：I= Φ/Ω
380 300 160
不可见光 红斑（日照引起的） 杀菌的（杀死细菌、 病毒和真菌）
紫 外 线
1.1.1 电磁波
光能的传播可以被描述为一种波动或者是一种被称为光子的“能源包”。这两 种理论在现代物理中并存用来解释各种不同的现象。对于日常现象来说，最合适 的理论是电磁波理论。 这种理论被认为有如下一般特征： • 这种能源存在于电磁场的波动中，这种波动以横波作为运动方式。 • 这种波的传播不需要介质，因而可以在真空中传播。 • 不同类型的电磁辐射有着不同的波长和频率。 • 所有的电磁波都有着相同的速率，在真空中大约是3x108m/s。 • 若非受到反射、折射、衍射的影响，波将沿着直线传播。 反射是指发生在物体表面的光的反向。 折射是指波在不同物质交界处的偏折。 衍射是指波发生在缝隙、边缘和很薄的层上的偏折现象。
2.2 透光材料光系数
2.2.2 透射方式
根据透射后光在空间中的分布情况，可以分为定向透光和扩散透光。
A 定向透射 光线射到很光滑的透明材料上，会发生定向透射。如果材料的两个表面相 互平行，则透过材料的光线和入射方向保持一致（如图）。但是透射后的亮度 和光强也都将减弱为： Lτ=L× τ Iτ=I×τ
橙
595-640
红
640-780
上述把颜色分为七段是一种习惯的方法，实际上在整个可见光谱范围内，光的 颜色是连续过渡的，颜色的数量可以说是无穷的。 人眼的这种颜色感觉主要是由锥状细胞引起的。因此，它只存在于明视觉中， 而且在视野的中心比在周围要强。
1.2.3 视觉效能
尽管在可见光谱区域内，人眼可区分出不同波长的光有不同的颜色，但人们 对不同波长的光的感受的敏感程度确实不相等的。人眼的这种特性，常用相对光 谱光效率曲线v(λ)来表示。如图：
1.2 视觉特性
视觉是当光到达人眼时在人的大脑中所引起的感觉。人的视直觉只能通过 眼睛来完成。人眼的构造，决定了人眼有下列视觉特征：
1.2.1 明暗感觉
人是通过视网膜上的感光细胞感知光的存在的。位于视网膜上的光感受器 （感光细胞）有两种：锥状细胞和杆状细胞。他们分别对不同波长的光波起作 用，这样就产生了两种不同类型的视觉。 • 锥体视觉（明视觉） 锥状细胞分布在视网膜的中心附近。当人眼在光照正常情况（约1.0cd/m2 以上的亮度水平）时，锥体细胞成为运作的光感受器。这时，人眼具有颜色的 感觉，而且对外界亮度变化的适应能力强。 • 杆体视觉（暗视觉） 杆状细胞分布在视网膜的边上。当人眼在非常低的照度水平（约1.0cd/m2 以下的亮度水平）时，杆状细胞成为运作的光感受器。这时，人眼几乎不能识 别物体的颜色或细部，且对外界亮度变化的适应能力低。