第3章 建筑光学基础知识

例：有一个乳白色玻璃球形光源，直径为6cm,其轴向光强 为55cd,求轴向亮度。 解：L0=Iα /（A cosα）=
55 π 0.032
≈ 19452 cd /m2
注意：1.亮度对光源本身的（照度是指被照面）；
2. —辐射角，是光源法线与视线夹角;
i—被照面法线与视线夹角;
3.单位：面积常取平方米。 在阴天时，天空暗，室内照度小，需开灯；晴天时，天 空亮度大，室内照度大。由此看来，被照面上照度大小与 光源本身亮度大小有关。
I 30 E2 2 cos i 2 2 cos 26 o34 ' 5.4lx R 2 1
图3-15 点光源在桌面上 形成的照度
图3-16 黑色物体和白色物体的视觉感觉 （a）黑色物体；（b）白色物体
在图3-16中，虽然两张图片上的照度相同，但明暗感 觉不同，故采用一个新的量——亮度来评价这一现象。
3.2.2
发光强度
图3-10 灯罩影响光分布
加了灯罩后，光通量的空间分布就不同了，灯罩下方可增 大约2倍，为了描述这种现象，采用发光强度概念。
光源在给Βιβλιοθήκη Baidu方向上的发光 强度是该光源在该方向的立体角 元dΩ内传输的光通量dФ除以该 立体角之商，
d I d
发光强度的符号为I，单位为 坎德拉，cd，1 cd表示光源在1球 面度立体角内均匀发射出1lm的光 通量，即： 1lm 1cd 1sr 即 1 坎德拉 = 1流明 / 1 球面度 光通量分布均匀时：
图3-13 照度单位
例：直径为100cm的圆面上均匀落下100lm的 光通量，求这圆面上的各点照度。 解：E= /A= /R2=100/ (×0.52) =127 lx 例：灯正下方1米: 40W白炽灯 40W荧光灯 晴天中午 月夜 30lx 200lx 8~12万lx 0.2lx
3.2.4 发光强度和照度的关系
发光强度 光通量空间密度 照度 光通量被照面密度
d I d
d I d
d E dA I d E dA
余弦定律
dA cos i d 2 R
I cos i E R2
当光垂直入射时，即i=0°时，某表面的照度E与 点光源在这方向的发光强度Iα成正比，还与光源的距离 R的平方成反比。这就是计算点光源产生照度的基本公
锥体细胞————
————杆体细胞
锥体细胞和杆体细胞示意图
• 锥体（状)感光细胞——分布在眼中心部位，灵敏度差，但 可感觉颜色（眼中有红、绿、蓝感光色素）。
• 杆体（状)感光细胞——分布在眼中心的四周，灵敏度高， 无颜色感觉。 • 人眼——一种可见光的接收器，人类在进化过程中人眼已经 适应了太阳光。
• 太阳、大气层、地球示意图
太阳光——经过大气层——射到地面； 地面上光辐射强度在500nm附近最 大，人眼最敏感的光的波长； 明视觉——明亮的环境下，如白天，555nm （黄绿光）； 暗视觉——暗环境下，如晚上不开灯， 507nm （绿色光）。
3.1.2
人眼的视觉特点
视觉就是由进入人眼的 辐射所产生的光感觉而获得 的对外界的认识。 （1）视看范围（视野）， 见图3-4。
因为 V(λ)=eλm/eλ ， 所以 eλm= eλ×V(λ), 把eλm称为光通量，简写成λ 。 3.2.1 光通量 光通量——在单位时间内人眼感觉光辐射能量的大小。
对于明视觉:
d e ( ) Km V ( )d d 0

在计算时,光通量常采用下式算得:
Km e, λV ()
3.2.6 照度和亮度的关系
所谓照度和亮度的关系， 指的是光源亮度和它所形成的照 度之间的关系。
如图3-20所示，设A1为各 方向亮度都相同的发光面，A2为 被照面；在A1上取一微元面积 dA1。
图3-20 照度和亮度的关系
dI L dA cos
dI cos i dE R2
d E E ，均匀时 A dA
图3-12 台灯下的书位置不同，明暗不同
照度的常用单位为勒克斯，
符号为lx，1 lx等于1流明的
光通量均匀分布在1平方米
1lm 的被照面上, 1lx 2 。 1m
照度的英制单位为英尺烛光 （fc），由于1平方米＝ 10.76平方英尺，所以 1fc=l0.76 lx。
V（λ）＝0.769，则该单色光源发出的光通量为：
589=683×10.3×0.769≈5410 lm
光通量单位：光瓦太大了，如40瓦白炽灯约 发出0.5光瓦。故常用流明，lm。 在国际上： 明视觉时，1光瓦= 683 lm； 暗视觉时，1光瓦= 1700 lm 。 例：40瓦荧光灯可发出约2000 lm(约2.93光瓦)，100瓦白炽 灯可发出约1250 lm(约1.83光瓦）。
立体角示意图
I
立体角——任意一个封闭圆锥面内所包含的空间。 立体角的计算公式：
dA cos d R2
式中：——立体角轴与被研究面法线之间的夹角。 本例中因为球半径R垂直于球表面，所以等于0°，于 是cos 等于1。 因此，对于球表面和球心来说： = A / R2
立体角的单位：球面度，记为 sr。 1sr=面积等于R2的球表面对球心所张开的立体角。
2
（3）光谱光视效率 在明视觉条件下：
在国际上，把人 眼对555nm感觉量 定为1。 通过实验确定其 他波长在视感觉相 同时需要辐射通量 多大才与555nm相 同（图3-7）。
图3-7 视亮度匹配实验原理
实验结果见图3-6。
光谱光视效率V（λ） 曲线表示在特定光度条 件下产生相同视觉感觉 时，在视亮度匹配实验 里，波长λm和波长λ的单 色光辐射通量的比:
图3-4 人眼视野
处于放松姿态，坐着的人的视野示意图
（2）明、暗视觉
明视觉：在明亮的环境中，主要由视网膜的锥体细胞起
作用的视觉 （高于几个cd/m 的亮度时的视觉）。
2
暗视觉：在暗环境中，主要由视网膜的杆体细胞起作用
的视觉（低于百分之几cd/m 的亮度时的视觉）。 中间视觉：视网膜的锥体感光细胞和杆体感光细胞同时 起作用，而且它们随着正常人眼的适应水平变化而发挥的 作用大小不同（介于明视觉和暗视觉之间的视觉）。 注：本书中仅介绍明视觉情况。
这一定律表明：某一发光表面在被照面上形成的照 度仅和发光表面的亮度及其在被照面上形成的立体角 投影有关。 注意：立体角投影定律适用于光源尺寸相对于它和被 照点距离较大时，即面光源时。
【例3-4】 在侧墙和屋顶上各有一个1m2的窗洞，它们与室内桌子的相对 位置见图3-21，设通过窗洞看见的天空亮度均为1sb，试分别求出各个 窗洞在桌面上形成的照度（桌面与侧窗窗台等高）。
照相机
瞳孔——起照相机中的光圈作用——能控制进光量。 水晶体——起照相机的透镜作用，但它具有自动聚焦功能。 视网膜——类似于照相机中的胶卷——能对光线产生反应。 感光细胞——分为锥体（状)感光细胞和杆体（状)感光细胞； 2002年发现了神经节感光细胞——第三种感光细胞——控 制昼夜节律、强度和瞳孔大小等。
第3章
光——是能量 的一种形式， 或说光是一种 电磁辐射能。
建筑光学基础知识
780 nm
nm——纳米 1nm = 10-9 m
380 nm
图1-3 电磁波波谱
光的作用：
1.影响工作效率；
室内光环境
2.影响心理舒适，身体健康；
室内装饰照明
3.美化环境，表现建筑艺术；
重庆市朝天门夜景
4.节能，保护环境；
式，称为距离平方反比定律：
I E 2 R
【例3-3】 如图3-15所示，在桌子上 方2m处挂一40W白炽灯，求灯下 桌面上点1处照度E1，及点2处照度 E2值（设辐射角α在0°～45°内该 白炽灯的发光强度均为30cd）。 【解】 因为I0～45=30cd，所以
I 30 E1 2 cos i 2 cos 0o 7.5lx R 2
例：一光源在0.5sr立体角内均匀发射出100lm的光通量，求该 方向上的发光强度I。 • 解： I= / = 100lm / 0.5sr • = 200cd= 200 坎德拉
3.2.3 照度 对于被照面而言，常 用在其单位面积上的光通 量多少来衡量它被照射的 程度，这就是常用的照度， 符号为E,它表示被照面上 的光通量密度：
式中: Km——最大光谱光视效能，在明视觉时为683 lm／W
；
e, λ——波长为λ的辐射通量,瓦（W）。
光通量表示光源在单位时间内发出光能的多少，类似于单位 时间内水龙头喷水量的大小。
图3-9 光通量类似于喷水量的大小
【例3-1】 已知低压钠灯发出波长为589nm的单色光， 设其辐射通量为10.3W，试计算其发出的光通量。 【解】 从图3-6的明视觉（实线）光谱光视效率曲线中 或从附录4的 y （λ）中可查出，对应于波长589nm的
以上海用电量为例： 年用电量为1400亿度电， 其中照明用电量为392亿度 电（28%）。 如果照明节能50%，则 节约196亿度电，减少二氧 化碳56万吨。
照明用电量示意图
3.1
眼睛与视觉
• 本节要点： 1.人眼的构造； 2.人眼的视觉特点； 3.光谱光视效率。
3.1.1
人眼的构造
类似于
图3-1 人的右眼剖面图
图3-18 表观亮度与物理亮度区别与联系
在图3-18中，三角形1和三角形2物理亮度是相同的， 但看上去三角形1比2亮。亮度反映了物体表面的物理特性； 而我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，还与我们所处环境的明暗程度有关。 又例如：同一只路灯，晚上开着的灯比白天亮；但是 在一般情况下，路灯本身的亮度不变，即物理亮度(亮 度)——反映了物体本身的表面物理特性——亮度不变； 但观看时与环境明暗有关的亮度——表观亮度却改变了。
V(λ）=Φe λm/ Φe λ
图3-6 光谱光视效率曲线
思考题： • 从人眼的构造上看，人眼的功能在哪些方面与照相机类似？
• 3.1 眼睛与视觉复习：
• 主要介绍了明视觉概念和光谱光视效率V(λ)。
3.2 基本光度单位及应用
本节要点： 1.光通量、发光强度、照度、亮度的符号、单位、定义 和计算公式； 2.发光强度和照度关系； 3.照度和亮度关系。
dI L dA cos
dA cos d 2 R dA cos dE L cos i 2 R
均匀
E L cosi
式（3-9）
dE L d cosi
这就是常用的立体角投影定律，它表示某一亮度为 Lα的发光表面在被照面上形成的照度值的大小，并且等 于这一发光表面的亮度Lα与该发光表面在被照点上形成 的立体角Ω的投影（Ωcosi）的乘积。
3.2.5 亮度
亮度——在给定方向上 发光面微元的发光强度和垂 直于给定视线方向的微元的 投影面积之比。 亮度的符号为L，其计算 公式为：
dI dA cos
图3-17 亮度概念
L
当角α方向上光束截面A的发光强度Iα均相等时，角α 方向的亮度为： I L A cos 由于物体表面亮度在各个方向不一定相同，因此 常在亮度符号的右下角注明角度，它表示与表面法线 成α角方向上的亮度。亮度的常用单位为坎德拉每平 方米（cd／m2），它等于1平方米表面上，沿法线方 向（α＝0º ）发出 1 坎德拉的发光强度，即：
1cd 1cd / m 2 1m
2
有时用另一较大单位熙提（符号为sb），它表 示1cm2面积上发出1cd时的亮度单位。很明显 1sb(熙提）= 104cd／m2； 1 asb(阿熙提）= 1/ cd／m2； 常见的一些物体亮度值如下：
白炽灯灯丝 300 ～500 sb 荧光灯管表面 0.8 ～0.9 sb 太阳 200 000 sb 无云蓝天（视距太阳位置的角距离不同，其亮度 也不同） 0.2 ～2.0 sb
光源——表面能辐射光和反射光的物体（太阳、各种灯……)。 设有2个灯均发 出单色光，且辐射出 波长为555nm和 620nm，辐射通量均 为1W，这时对人的 感觉是否一样？ 结果显然是不一样的。
图3-8 人眼对不同波长光线的感觉
为了比较任意两个灯发出的可见光多少时，由于光谱光视效 率随波长分布不同，那么不能直接用辐射通量（瓦）多少比较， 只能化成相当于多少555nm标准光通量进行比较。