建筑物理光学第一章

E
Lα ρ τ α
勒克斯（lx）
坎德拉每平方 米(cd/m2) 无量纲 无量纲 无量纲
E=dφ/dA
Lα=Iα/ (A· cosa) ρ=φρ/φ τ=φτ/φ α=φα/φ
1．4颜色（Colour）
1、色度学
研究人的颜色视觉规律、颜色测量理论与技术的科学。
2、颜色
由有彩色的成分或天然色成分任意组成的视知觉属性。 A：Daylight is the default standard to which most people judge colour。 B：Colour is not the property of objects，spaces or surfaces，it is the sensantion caused by certain qualities of light that the eye recognizes and the brain interprets。 C：Without light there is no colour。
2、发光强度I
（1）物理意义：表示光源光通量的空间密度。 （2）定义：光源在某一方向的发光强度定义为光源在这方向上 单位立体角内发出的光通量（和距离无关）。符号是I，单位 是cd（candela），坎德拉。
（3）发光强度的计算公式： 1cd＝1lm/sr 如图在一半径为r的球心O处放一光源，它向球表面ABCD所包围 面积S上发出Flm的光通量。面积S在球心形成的立体角为： 则这一方向的发光强度为：
4、定向和透射材料
（1）定向反射：光线射到表面很光滑的不透明材料上，就出现 定向反射现象。定向反射现象符合反射定理，即： ①光线入射角等于反射角； ②入射光线、反射光线以及反射表面的法线处于同一平面。 利用这种特点将光滑表面放在合适位置，可将光线反射到所需 位置，或避免光源在视线中出现。 基本公式：L＝L× I＝I× 材料举例：抛光铝、亮（磁）漆、玻璃、 磨光大理石、不锈钢、水磨石、马口铁。
（5）国际照明委员会CIE对不同作业和活动推荐的照度：
作业或活动类型 室外入口区域
照度范围（lx） 20－30－50
短暂停留交通区
衣帽间、门厅
50－75－100
100－150－200
讲堂、粗加工
办公室、控制室
200－300－500
300－500－750
缝纫、绘图、检验室 辨色、精密加工和装配 手工雕刻、精细检查 手术室、微电子装配
4、光的颜色混合
（1）加法原则（additive）：格拉斯曼定律 光源色的颜色光，三原色（绿、红、蓝）混合成白光（白 色）。
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6、小结
名 称 定 义 符号 单 位 公 式
光通量
光源发出光的总量
φ
Iα
流明（lm）
坎德拉（cd）
φλ=680V (λ)Pλ
Iα=dφ/d ω
发光强度 光源光通量在空间的分布密度
照度
亮度 反射比 透射比 吸收比
被照面接收的光通量
光源或被照面的明亮程度 被照面反射光通量和入射光通 量之比 被照面（物）透射光通量和入 射光通量之比 被照面（物）吸收光通量和入 射光通量之比
a均匀扩散反射材料：大部分无光泽、粗糙的建筑材料，如粉 刷、砖墙、石膏等都可以近似地看成这一类材料。 基本公式：
b均匀扩散透射材料：有乳白玻璃和半透明塑料、玻璃砖、玻璃 纤维增强塑料等，透过它看不见光源形象或外界景物，只能看 见材料的本色和亮度上的变化，常将它用于灯罩、发光顶棚， 以降低光源的亮度。用矢量表示的亮度和发光强度分布见图； 实线为亮度分布，虚线为发光强度分布。 基本公式：
c朗伯余弦定律：均匀扩散材料的最大发光强度在表面的法线方 向，其他方向发光强度和法线的方向满足朗伯余弦定律。 基本公式：
（2）定向扩散材料： 某些材料同时具有定向和扩散两种性质。它在定向反射(透射) 方向，具有最大的亮度，而在其他方向也有一定亮度。这种材 料的亮度和发光强度分布见图。图中实线表示亮度分布，虚线 表示发光强度分布。 a定向扩散反射材料：如光滑纸面、较粗糙的金属面、油漆表面 等 b定向扩散透射材料：如磨砂玻璃（毛玻璃）等
2
（3）性质：可叠加性。几个光源同时照射被照面时，实际照度 为单个光源分别存在时形成照度的代数和。 （4）照度级举例： 阴天中午室外照度为8000～200001x； 晴天中午在阳光下的室外照度可高达 80000～120000lx； 在装有40w白炽灯的台灯下看书，桌面照度平均值为 200－300lx； 月光下的照度<10lx。
建筑光学
第一章 建筑光学基本知识
1．1建筑光学基本知识
1、什么是光
光是一种能够在人的视觉系统上引起光感觉的电磁辐射。
2、光的特性
（1）光的波长范围很广 （2）可见光只占光源范围很小一部分，其波长范围为380nm－ 780nm之间的电磁波辐射。 （3）不同波长的光产生不同的颜色和密度。白天：555nm的黄 绿光最敏感。 （4）多色光：一般光源发出的光往往是由不同波长的电磁波组 成，这样的光，称为多色光。单色光：波长单一的光，称为单 色光。
1．2光的度量
1）光的通量Φ 2）发光强度I 3）照度E 4）亮度L
1、光通量Φ
（1）物理意义：说明光源发光能力的基 本量，是能量单位。 （2）定义：光源在单位时间内向周围空 间辐射时并引起视觉的能通量。符号是 φ，单位流明（lumen，lm）。 （3）光谱光效应函数V：描述人眼对不 同波长单色光的视亮度感受性的差异。 如图13－1。 明视觉光谱光效应函数：将黄绿光= 555nm的感觉量定为1，其余波长光的感 觉量都小于1，如图中的实线；暗视觉 光谱光效应函数：以的蓝绿光=510nm 的感觉量定为1，如图中虚线。
5、光源的发光强度与被照面的照度关系
a b c
具有相同的立体角 光通量相同 A1：A2：A3=1：4：9
（1）距离平方反比定律（inverse square law）： 以一个点光源为例，寻找发光强度和照度的关系，推广到一般 情况：
（2）余弦定律（cosine law）：
。
6、光源的亮度与被照面的照 度关系——照了不一定亮
3、基本特性
（1）颜色组成（colour formation）： a光源色（colour of light source）：由光源发出的光颜色。 b物体色（colour in an object）：被人知觉为属于物体的颜 色（即光被物体反射或透射后的颜色）。 c表面色（surface colour）：由扩散反射光的表面或由此表面 反射的光所形成的知觉色（即漫反射，不透明物体表面的颜 色）。 d物体色、表面色主要决定于物体光谱反射比（或投射比）分布 即光源的反射光谱分布。
在光的传播过程中，遇到介质时，会产 生反射、吸收、透射现象。 光通量 分别叫反射通 量、吸收通量、透射通量。
表13-1，13-2列出了常用建筑材料的反光系数和透射系数，供 采光设计时参考使用。
3、反光和透光材料分类
为作好采光和照明设计，还需了解光通量经介质反射和透 射后分布上的变化。 根据光通量分布变化的角度不同，反光和透光材料均可分为两 类：一类是定向的；一类是扩散的。 （1）规则的（定向的）：光线经定向类材料的反射和透射后， 光分布的立体角没有变； （2）扩散的：光线经扩散类材料的反射和透射后，入射光通量 程度不同的分散在更大立体角范围。
几种常见颜色的波长
颜色 红 橙 黄 蓝 绿 紫
波长nm 640~750 600~640 550~600 480~550 450~480 400~450
（2）颜色属性 a色调（hue，也叫色相）：颜色呈现出来的相貌，用于区分各 彩色的视感觉，如红、黄、绿、蓝、紫。 光源色调取决于光波波长，物体色调取决于光源波谱组成和物 体反射（或透射）比分布。 b明度（lightness）：颜色的明暗程度，它取决于光波振幅及 物体光反射比（或透射比）。 c彩度（colourfullness or saturation）：色彩的纯净饱和程 度。 单一波长的颜色彩度大，单色性好，混入其他波长后彩度降 低。 物体色彩度取决于物体反射（或透射）光谱辐射的选择强度。 选择性高则物体色的彩度高。
（1）立体角投影定律： 照度和亮度的关系，指的是光源 亮度和它所形成的照度间的关系。 整个发光面在0点形成的照度是
均匀亮度是有
1．3材料的光学性质
1、光的吸收、反射和投射
（1）光反射比（reflectance）：the ratio of reflected flux to incident flux。 （2）光吸收比（absorptance）：the ratio of absorbed flux to incident flux。 （3）光投射比（transmittance）：the ratio of transmitted flux to incident flux。 不透明体（opaque object）：＝0，＋＝1 透明体（transparent）：＋＋＝1 半透明体（translucent）：
亮度表达式
（4）亮度反映了物体表面的物理特性； 而人们主观所感受到的物体明亮程度，除了与物体表面亮 度有关外，还与所处环境的明暗程度有关。于是，将亮度分为 两种，前者称为“物理亮度(或称亮度)”，后者称为“表观亮度 (或 称明亮度)”。 （5）亮度级举例： 太阳亮度20万sb，蓝天0.2~2.0sb，白炽灯灯丝亮度300~500 sb。
（3）颜色混合： a光的三原色（the primary colours of light）： 红（red，700nm） 绿（green，546.1nm） 蓝（blue，435.8nm） b光的次级三原色（the secondary colours of light）： 青（cyan，green plus blue） 洋红（magenta，red plus blue） 黄（yellow，red plus green）
（4）立体角的概念： =S/r2 单位：球面度（sr） 发光圆球=4∏ 发光圆盘=∏
3、照度E
（1）定义：落在单位面积被照面上的光通量的数值，表示被照面被 照射的程度。符号E，单位勒克斯（lx，lux）。相当于1lm的光 通量均匀分布在1m2的被照面上。
1 lx
（2）计算公式：
1 lm 1m
（2）定向透射：光线射到透明材料上产生定向透射，定向透射 经材料的两个表面时符合折射定理。 ①入射线、折射线与分界面的法线同处于一个平面，且分居于 法线的两侧； ②入射角正弦和折射角正弦的比值是一个常数。即：
若透明材料两表面彼此平行，则透过光线的方向和入射方向保 持不变，只在材料内产生微小的折射； 若两表面不平行，各处厚薄不均，因折射角不同透过的光线就 不平行。 基本公式：L＝L× I＝I× 材料举例：透明玻璃或塑料、透明彩色玻璃或塑料。
（4）光通量的计算公式：
式中φ——光通量，lm； Φe， ——波长为的光谱辐射通量，W； V（） ——光谱光视频率； Km——最大光谱光视效能，明视觉时为683lm/w。
（5）单位换算 1光瓦等于辐射通量为1W，波长=555nm的黄绿光所产生的光感 觉量。光瓦单位太大，常用另一较小单位流明（lm）。 1光瓦＝683lm （6）光通量级举例 40瓦白炽灯是350lm，100瓦白炽灯是1250lm，40瓦荧光灯是 2000lm。
5、扩散反射和透射材料
半透明材料使入射光线发生扩散透射；表面粗糙的不透明材料 使入射光线发生扩散反射。 据对光的扩散状况，可将材料分为均匀扩散和定向扩散两类。 （1）均匀扩散材料：均匀扩散材料将入射光线均匀地向四面八 方反射或透射，从各角度看，其亮度完全相同，看不见光源形 象。这类材料的亮度和发光强度分布如图。
500－750－1000 750－1000－1500 1000－1500－2000 >2000
4、亮度L
（1）产生背景：同一环境中，不同颜色的物体虽然照度相同但 人的视觉感受不同。 （2）定义：发光体在视线方向上单位面积发出的发光强度，单 位cd/m2。还有一个单位是熙提sb，1sb＝104cd/m2。亮度是与 眼睛的感觉有关的量，取决于进入眼睛的光通量在视网膜物 象上的密度。 （3）计算公式：