建筑光学基本知识

第七章建筑光学基本知识

第一节眼睛与视觉

1、光环境:它指的是由光（照度水平和分布，照明的形式和颜色）与颜色（色调，色饱和度，室内颜色分布，颜色显现）在室内建立的同房间形状有关的生理和心理环境。

2、光是以电磁波形式传播的辐射能。波长在380nm至780nm：为可见光。波长短于380nm：紫外线、x射线、γ射线、宇宙线；长于780nm：红外线、无线电波等等。

3、视网膜上布满了感光细胞：锥状、杆状感光细胞。在中央窝处几乎没有杆状细胞，自中央窝向外，其密度迅速增加，在离中央窝20附近密度达到最大，然后又逐渐减少。

杆状细胞：对于光非常敏感，但是不能分辨颜色。在眼睛能够感光的亮度阈限（约为10－6cd／m2）到0.03cd/m2左右的亮度水平，主要是杆作细胞起作用，称为暗视觉。在暗视觉条件下，景物看起来总是模糊不清、灰茫茫一片。

锥状细胞：对于光不甚敏感，在亮度高于3cd/m2的水平时，锥状细胞才充分发挥作用，这时称为明视觉。锥状细胞有辨认细节和分辨颜色的能力，这种能力随亮度增高而达到最大。所有的室内照明，都是按明视觉条件设计的。

当适应亮度处在0.03～3cd/m2之间时，眼睛处于明视觉和暗视觉的中间状态，称为中间视觉。一般道路照明的亮度水平，相当于中间

视觉的条件。

4、视觉形成的过程：a光源发出光辐射；b外界景物在光照射下产生颜色、明暗和形体的差异，相当于形成二次光源；c二次光源发出不同强度、颜色的光信号进入人眼瞳孔，借助眼球调视，在视网膜上成象；d视网膜上接受的光刺激（即物象）变为脉冲信号，经视神经传给大脑，通过大脑的解释、分析、判断而产生视觉。

5、视野：当头和眼睛不动时，人眼能察觉到的空间范围。

单眼视野在垂直方向的角度约130°，水平方向约180°；双眼视野较小一些，约占总视野中120°的范围。

视线周围1～1.5°内的物体能在视网膜中心凹成象，清晰度最高，这部分叫中心视野；目标偏离中心视野以外观看时，叫周围视野。视线周围30°的视觉环境，清晰度也比较好。

6、单一波长的光呈现一种颜色，称为单色光。

7、人眼对不同波长单色光的视亮度感受性不同。在光亮的环境中（适应亮度>3cd/m2），辐射功率相等的单色光看起来以波长555 nm的黄绿光最明亮，并且明亮程度向波长短的紫光和长波的红光方向递减。

8、国际照明委员会将视亮度感觉相等的波长为λm和λ两个辐通量之比，定义为波长λ的单色光的光谱光视效率（也称视见函数），以V（λ）表示。λm选在最大比值等于1处,即λ＝555时，V（λ）＝l，其他波长V（λ）均小于1。这就是明视觉光谱光视效率。在较暗的环境中（适应亮度＜0.03cd/m2时），人的视亮度感受性发生变化，以λ＝507nm的蓝绿光最为敏感。按照这种特定光环境条件确定的V（λ）

函数称为暗视觉光谱光视效率。

第二节基本光度单位及应用

一、光通量：按照国际约定的人眼视觉特性评价的辐射能通量（辐射功率）。根据这一定义，光通量可以由辐射通量及V(λ)函数导出：

Φ=K m∫Φe，λV(λ)dλ lm

式中：V(λ) ：CIE标准光度观测者明视觉光谱光视效率；Φ：光通量，lm；Φe，λ：波长为λ的单色辐射能通量，W；K m——最大光谱光视效能，lm/W。

1、光视效能K是描述光和辐射之间关系的量，它是与单位辐射通量相当的光通量（K＝Φv/ Φe ）。但是，K值是随光的波长而变化的，K（λ)的最大值在Km＝555nm处。Km＝683 lm／W。

2、光通量的单位是流明，lm，导出单位。1流明是发光强度为1坎德拉的均匀点光源在1球面度立体角内发出的光通量。

3、在照明工程中，常用光通量表示一光源发出光能的多少，它是光源的一个基本参数。

二、光照强度：点光源在给定方向的发光强度，是光源在这一方向上立体角元内发射的光通量与该立体角元之商。符号为I。

I＝dΦ/dΩ单位cd Ω＝S/r2

如果在有限立体角Ω对内传播的光通量Φ是均匀分布的，上式可写成:I＝Φ/Ω

1、发光强度的单位是坎德拉，符号cd。在数量上1坎德拉等于1流

明每球面度（1cd=1lm／Sr)。坎德拉基本单位，定义为：一个光源发出频率为540 ×1012Hz的单色辐射，若在一定方向上的辐射强度为1/683W／Sr，则光源在该方向上的发光强度为lcd。

2、发光强度常用于说明光源和照明灯具发出的光通量在空间各方向或在选定方向上的分布密度。

三、照度：照度是受照平面上接受的光通量的面密度，符号为E。若照射到表面一点面元上的光通量为dΦ，该面元的面积为dA，则

E＝dΦ/ dA 当光通量均匀分别在被照表面A上时，则此被照面的照度为：E＝Φ/A

1、照度的单位是勒克斯，符号lx。1勒克斯等于1流明的光通量均匀分布在1平方米表面上所产生的照度，即1lx＝1lm／m2

2、照度可以直接相加。

3、发光强度和照度的关系：一个点光源在被照面上形成的照度，可以从发光强度和照度这两个基本量之间的关系求出。设光源O在这三个表面方向的发光强度不变，即单位立体角的光通量不变，则落在这三个表面的光通量相同，由于它们的面积不同，故落在其上的光通量密度也不同，即照度是随它们的面积而变，由此可推出发光强度和照度的一般关系。由于表面的照度为E＝Φ/A 。而Φ＝IΩ(其中Ω＝A/r2),将其代入，则得:E＝I/r2，表明某表面的照度与点光源在这方向的发光强度成正比，与它至光源距离的平方成反比。这就是计算点光源产生照度的基本公式，称为距离平方反比定律。以上所讲的是指光线垂直入射到被照表面，即入射角α为0的情况。当入射角α不等

于0。这时，表面A1的法线与入射光线成α角，而表面A2的法线与光线重合，这样表面A1和表面A2间的夹角为α，A1＝A2/ cosα，而A1 和A2所接受的光通量相同，它们在点光源处形成的立体角相同，则可改写为：E＝Icosα/r2，这就是表述点光源在任何表面上形成的照度普遍公式。

四、亮度：一单元表面在某一方向上的光强密度。它等于该方向上的发光强度与此面元在这个方向上的投影面积之商，以符号L表示。

2

L

θ =dIθ/dAcosθ cd/m

1、光亮度常常是各方向不同，所以在谈到一点或一个有限表面的光亮度时需要指明方向。

2、l尼特（nt）＝lcd/m2；l阿熙提（asb)＝1/π cd/m2；

1熙提（sb）＝104 cd/m2；l朗伯（ L）＝104/ π cd/m2；

l英尺朗伯（fL）＝3．426 cd/m2

3、亮度与照度关系：E＝L

αΩcosθ

第三节材料的光学性质

1、光在传播过程中遇到新的介质时，会发生反射、透射与吸收现象。一部分光通量被介质表面反射Φρ，一部分透过介质Φτ。余下的一部分则被介质吸收Φα，根据能量守恒定律，入射光通量（Φi）应等于上述三部分光通量之和：Φi＝Φρ＋Φτ＋Φα

2、将反射光通量与入射光通量之商，定义为反射比（反射系数），以ρ表示：ρ＝Φρ/ Φi ；透射光通量与入射光通量之商，定义为透