建筑光学基础知识

建筑光学材料主讲：戎志丹博士

2014.04.21章节要求讲授课时安排：

6课时教学目的与要求：掌握建筑光学基本知识；建筑玻璃的性质、特点、生产工艺及用途；了解玻璃的发展史、发展趋势、定义、种类、使用时的注意事项学习要求：课堂笔记教材标记课后作业第四章建筑光学基础知识

光是一种电磁辐射能，是能量的一种形式。

可见光的波长范围：380nm～780nm。波长>780nm的电磁波是红外线、微波、无线电波等。波长<380nm的电磁波是紫外线、X射线等。

建筑光学：研究与建筑有关的光的性质和光的视觉性质、天然采光和人工照明等。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，保护环境照明用电量示意图

以上海用电量为例：年用电量为1400亿度，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。§4-1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。一、人眼的构造黄斑水晶体瞳孔角膜虹膜睫状肌光轴视轴中央窝视神经乳头巩膜脉络膜视经神右眼剖面图房水玻璃体

瞳孔：虹膜中央的圆形孔，它可根据环境的明暗程度，自动调节其孔径，以控制进入眼球的光能数量，起照相机中光圈的作用。

视网膜：光线经过瞳孔、水晶体在视网膜上聚焦成清晰的影象。它是眼睛的视觉感受部分，类似照相机中的胶卷。视网膜上布满了感光细胞—锥体和杆体感光细胞。光线射到它们上面产生神经冲动，传输到视神经，再传至大脑，产生视觉感觉。

锥体细胞主要集中在视网膜的中央黄斑区域（称为中央窝），锥体细胞密度最大，在黄斑区外锥体细胞的密度急剧下降。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，在离中央窝附近达最大密度，然后又逐渐减少。

水晶体：为一偏球形的弹性透明体，它受睫状肌收缩或放松的影响，使其形状改变，从而改变其屈光度，使远近不同的外界景物都能在视网膜上形成清晰的影象。它起照相机的透镜作用，不过水晶体具有自动聚焦功能。

位于视网膜上的光感受器有两种类型，分别对不同波长的光波起作用，产生不同类型的视觉。

锥体视觉：当人眼在正常光照情况时，锥体细胞将成为运作的光感受器。此时人们看到的光是有色的。在视网膜中央的中心集中了大量的锥体细胞，它们被用于观察细部。

杆体视觉：当人眼在非常低的照度水平条件下，杆体细胞将作为运作的光感受器。这些杆体细胞要比锥体细胞敏感得多，而看到的光是无色的。

杆体细胞聚集在视网膜的边上，使得眼睛对于视野边缘的运动非常敏感。二、人眼的视觉特点1800330000300600900120015002100240027003000700500300100300500700100人眼视野范围1.视看范围（双眼不动）：水平面：180°垂直面：130°180°0°70°60°

白色区域：双眼共同视看区域。

斜线区域：单眼视看区域。中心视野：黄斑2°

视觉清楚：中心视野向外30°

视觉：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。处于放松姿态，坐着的人的视野示意图

明视觉：锥体细胞在明亮环境下对色觉和视觉的敏锐度起决定作用，即这时它能分辨出物体的细部和颜色，并对环境的明暗变化作出迅速的反应，以适应新的环境。

暗视觉：杆状细胞在黑暗环境中对明暗感觉起决定作用，它虽能看到物体，但不能分辨其细部和颜色，对明暗变化的反应缓慢。人眼对单色光的敏感程度不同。在光亮环境下，人眼对波长为555nm的黄绿光感觉最敏感；在较暗的环境下，人眼对波长为507nm的蓝绿光较敏感。

中间视觉：介于明视觉和暗视觉之间的视觉。2.明暗视觉3.光谱光视效率

人眼观看同样功率的辐射，对不同波长的辐射感觉的明亮程度不同。常用光谱光视效率曲线来表示。

光谱光视效率曲线代表等能光谱波长的单色辐射所引起的明亮感觉程度。紫蓝绿蓝紫蓝绿黄绿黄橙红0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0明视觉暗视觉380460540620700780V()V′

()光谱光视效率§4-2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。光源被照面光线光通量发光强度I照度E亮度L一、光通量辐射通量Φe,：光源在单位时间内向各个方向辐射的能量。辐射通量的单位：W

光的辐射通量只表示光源辐射功率的大小，不能反映这些能量所引起的主观视觉。2灯辐射通量均为1W，这时对人的感觉是不一样的。光通量Φ：人眼对光能量的感觉量。光通量的单位：lm

例如：100W的白炽灯辐射的光通量为1250lm；40W的日光灯辐射的光通量为2200lm。光通量类似于喷水量的大小单色光光通量与辐射通量的关系：波长为λ的辐射通量（W）最大光谱光视效能，在明视觉时为683lm/W光谱光视效率V()描述了某光源辐射通量经过人眼后反映的效率。

例如：低压钠光灯发出波长为589nm的单色光，测得其辐射通量为10.3W，从光谱光视效率曲线查得V(589nm)=0.78，则该光源发出的光通量为光通量与辐射通量的关系：或

例如：通过下列数据计算水银灯的光通量。波长=365、406、436、546、578、691nm单色辐射通量e,=2.2、4.0、8.4、11.5、12.8、0.9W光谱光视效率

V()=×、0.0007、0.018、0.984、0.889、0.0076二、发光强度1.立体角ABCDOAr

Ω

立体角Ω

：球面上的某一面积A对球心形成的空间角。一般情况下立体角的单位：sr（球面度）整个空间对某点所张的立体角为4。2.发光强度发光强度I：描述光通量的空间分布的物理量。光能量在空间均匀分布的般情况下发光强度的单位：

cd（坎德拉）1坎德拉=1流明/球面度

例如：某半球形吸顶灯均匀发出3528lm的光通量，则该灯在正下方的发光强度为

不用灯罩时，40W白炽灯在其正下方的发光强度为30cd，采用灯罩后，变为73cd。三、照度照度：表示被照面被照亮的程度。光通量Φ均匀分布在被照面上时

照度的单位：lx（勒克斯）

例如：①40W白炽灯正下方1m处的照度约为30lx，采用灯罩后，变为约73lx；

②阴天中午室外照度为8,000～20,000lx，晴天中午在阳光下的室外照度为80,000～120,000lx。照度可以直接相加，即【例题】一个小型光源的平均发光强度为100cd，从光源发出的总光通量的1/4垂直照射到了一个3×0.7m的平面上。请计算：⑴由光源发出的总光通量；⑵平面表面的照度。解：⑴由发光强度公式得⑵平面表面的照度为四、发光强度和照度的关系

发光强度是光通量的空间密度，即

其中

因此

照度是光通量被照面密度，即因此，发光强度和照度的关系为被照面IP光源r【例题】如图所示，在桌面上方挂了一只40W的白炽灯，假设白炽灯下方的发光强度均为30cd，试求白炽灯在桌面上计算点P形成的照度。3.2m2mP光源hsr解：余弦定律：五、亮度黑色物体和白色物体的视觉感觉

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。

亮度L：表示人眼看到的物体表面的明亮程度。AIAcos

亮度表示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。

亮度的单位：

cd/m2（尼特）亮度的另一较大的单位：

sb

（熙提）1sb=104cd/m2

例如：白炽灯灯丝的亮度：300～500sb；

荧光灯管表面的亮度：0.8～0.9sb；

太阳的亮度：200,000sb；

无云蓝天的亮度：0.2～2.0sb.1asb(阿波熙提)=1/cd/m2

三角形1和三角形2的亮度相同，但看上去三角形1比2亮。

例如：同一只路灯晚上开着的灯比白天亮，但是路灯本身的物理亮度不变，但观看时与环境明暗有关的亮度——表观亮度却改变了。

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。六、照度和亮度的关系

阴天天空暗，室内照度小；晴天天空亮，室内照度大。因此，被照面上照度大小与光源本身亮度有关。

照度和亮度的关系是指光源亮度和它所形成的照度之间的关系。被照面P面光源rA被照面P面光源rAAcos其中Ωcos发光表面在P点形成的立体角在工作面上的投影角立体角投影定律：

该定律成立的条件：①光源在各方向的亮度相同；②光源尺寸>>r(面光源)。【例3-4】如图所示，在侧墙上有一个1m×1m的窗洞，，设通过窗洞看见的天空的亮度为1sb，试求窗洞在图示桌面上计算点P形成的照度。(设桌面与侧窗窗台等高)。2m1mPO解：立体角投影定律为其中hsr

因此窗洞在桌面上计算点P形成的照度为§4-3材料的光学性质本节要点：

1.规则反射和透射；

2.扩散反射和透射：①漫反射和漫透射；②混合反射和透射。

材料的光学性质：光与材料发生相互作用时所表现出来的特有现象。一、光的反射、透射和吸收入射光通量r反射光通量吸收光通量透射光通量

光反射比（反光系数）：石膏：r=0.91白乳胶漆表面：r=0.81水泥砂浆抹面：r=0.32白色抛光铝板：r=0.87入射光通量r反射光通量吸收光通量透射光通量

光吸收比（吸收系数）：

光透射比（透射系数）：3mm厚普通玻璃：=0.823mm厚磨砂玻璃：=0.601mm厚乳白玻璃：=0.602mm厚无色有机玻璃：=0.85二、光的反射

反射光的分布形式包括定向反射、定向扩散反射、均匀扩散反射、混合扩散反射等。1.定向反射

定向反射（镜面反射）的特点：①反射光按一定方向传播，立体角不变；②遵循反射定律；③在反射方向可以清晰看见光源的像。

镜面反射的应用：①引导直射阳光入室；②精确控光（如反光罩）。

反射光源的亮度与光源的亮度的关系：

反射光的强度与入射光的强度的关系：有时也要避免镜面反射。2.定向扩散反射

定向扩散反射的特点：①入射光线不均匀地向某空间反射；②在定向反射方向具有最大的强度；③在反射方向可以模糊地看到光源的像。

典型材料：经冲沙、酸洗、锤点处理的毛糙金属表面，光滑的纸张，油漆表面等。3.均匀扩散反射（漫反射）

均匀扩散反射的特点：①入射光线均匀地向四面八方反射；②表面亮度均匀；③看不见光源的像。

I0i

Ii

漫射材料的最大发光强度在表面的法线方向朗伯余弦定律：经过均匀扩散后的亮度为

典型材料：多数无光泽饰面材料（如：涂料、乳胶漆、石膏板、砖石墙等）。其他方向的发光强度为4.混合反射

典型材料：光亮的搪瓷表面等。油漆桌面材料的光效果三、光的透射

透射光的分布形式包括规则透射、定向扩散透射、均匀漫透射、混合透射等。1.规则透射（或定向透射）

规则透射的特点：①透射光线与入射光线平行；②透射光线、入射光线与法线在一个平面内；③在透射方向可以清晰看见光源的像。透明玻璃窗的采光效果

透射光源的亮度与光源的亮度的关系：

透射光的强度与入射光的强度的关系：

规则透射的应用：利用透镜控制亮度或定向光线。2.定向扩散透射

定向扩散透射的特点：①入射光线不均匀地向某空间透射；②在定向透射方向具有最大的强度；③在透射方向可以模糊地看到光源的像。磨砂玻璃窗的采光效果3.均匀漫透射

均匀漫透射的特点：①入射光线均匀地向四面八方透射；②表面亮度均匀；③看不见光源的像。

I0i

Ii

典型材料：乳白玻璃。

经过均匀扩散透射后，各个方向所看到的亮度相同，但透射后亮度有所降低，计算公式为4.混合透射

典型材料：玻璃表面喷白漆等。混合反射和混合透射的光强分布§4-4可见度及其影响因素本节要点：

1.可见度重要影响因素：亮度、视角、亮度对比、识别时间和眩光；

2.减轻直接眩光和反射眩光影响程度的方法。

可见度(视度)：人眼辨认物体存在或形状的难易程度。

在室内应用时，以标准观察条件下恰可感知的标准视标的对比或大小定义。

在室外应用时，以人眼恰可看到标准目标的距离定义，这时也称为能见度。

可见度的意义：表示人眼看物体的清楚程度。

影响可见度的五个重要因素：能够被看见的物体要有一定的亮度、大小和亮度对比，识别时间和眩光也会影响这种看清楚程度。1.

亮度

最低亮度阈：人眼能看见的最低亮度，10-5asb。亮度愈大，人眼看得愈清楚，即可见度增大。人们感到“满意”的照度值

随着照度的增加，感到“满意”的人数比例增加，最大百分比约在1500～3000lx之间。照度超过此数值，对照明“满意”的人反而减少，即照度（或亮度）要适量。2.

视角

视角：识别对象对人眼所形成的张角，单位为弧度。视角越大看得越清楚，即可见度越高。3.

亮度对比

亮度对比：观看对象和其背景之间的亮度差异。

亮度对比愈大，可见度愈高。

亮度对比用C表示

，它等于视野中目标亮度(Lt)和背景亮度(Lb)差与背景亮度之比，即

对于均匀照明的无光泽的背景和目标，亮度对比可用光反射比表示，即

物体亮度、视角和亮度对比三个因素对可见度的影响是相互关联的。rt：目标光反射比rb：背景光反射比视觉功效曲线

辨别几率为95%时，物体亮度、视角和亮度对比三个因素之间的关系。①从同一根曲线来看，当观看对象在眼睛处形成的视角不变时，如对比下降，则需要增加照度才能保持相同可见度。也就是说，对比的不足，可用增加照度来弥补；反之，也可用增加对比来补偿照度的不足。②比较不同的曲线（表示在不同视角时）可以看出：目标愈小（视角愈小），需要的照度愈高。③天然光（实线）比人工光（虚线）更有利于可见度的提高。但在视看大的目标时，这种差别不明显。4.识别时间

识别时间：眼睛观看物体时，当该物体发出一定的光能时，光刺激达到一定量使眼睛产生视觉感觉所需要的时间。

邦森一罗斯科定律：亮度×时间=常数

物体愈亮，察觉它的时间就愈短。眼睛的适应过程

适应：当人们从明亮环境走到黑暗处（或相反）时，就会产生一个原来看得清，突然变成看不清，经过一段时间才由看不清东西到逐渐又看得清的变化过程。明适应：从暗到明的适应。

明适应的识别时间比暗适应的短。暗适应：从明到暗的适应。5.避免眩光

眩光：在视野中由于亮度的分布不适宜，或存在极端的对比，以致引起不舒适感觉或降低观察细部或目标能力的视觉现象。

从眩光影响视觉功效角度看，眩光分为失能眩光和不舒适眩光。

失能眩光：降低视觉对象的可见度，但并不一定产生不舒适感觉的眩光。

如夜间汽车的前照灯形成的失能眩光。

不舒适眩光：产生不舒适感觉，但并不一定降低视觉对象的可见度的眩光。

从形成眩光过程来看，眩光分为直接眩光和反射眩光。

直接眩光：由视野中，特别是在靠近视线方向存在的发光体所产生的眩光。

反射眩光：由视野中的反射所引起的眩光，特别是在靠近视线方向看见反射像所产生的眩光。减轻或消除直接眩光的措施：①限制光源亮度；②增加眩光源的背景亮度，减少二者之间的亮度对比；③减小形成眩光的光源视看面积，即减小眩光源对观测者眼睛形成的立体角；④尽可能增大眩光源的仰角。减少反射眩光的方法：①尽量使视觉作业的表面为无光泽表面，以减弱规则反射而形成的反射眩光；②使视觉作业避开或远离照明光源同人眼形成的规则反射区域；③使用发光表面面积大、表面亮度低的光源；④使引起规则反射的光源形成的照度在总照度中所占比例减少。§4-5颜色本节要点：

1.颜色形成、分类与属性、混合方法。

2.孟塞尔表色系统。

3.光源色温、相关色温和显色性。

人眼可以感觉物体的颜色、形象、亮度等。

人眼对颜色变化比对亮度变化更敏感。

颜色：不同波长的可见光在人眼中引起的视知觉。一、颜色的基本特性1.颜色的形成

正常人眼可以感觉出各种颜色。太阳可见光光谱太阳可见光光谱能量分布图

颜色视觉是由于光能量分布不同引起。

光辐射能量集中于可见光短波时，引起蓝色感觉；光辐射能量集中于可见光长波时，引起红色感觉。2.颜色的分类与属性

①从色显现方式看可把颜色分成：光源色和物体色。

光源色：光源射出光的颜色。

物体色：光被物体反射或透射后的颜色。

表面色：是物体色的一种，指漫反射、不透明物体表面的颜色。

表面色是从入射光中减去一些波长的光后形成的。

例：一张红纸，用白光或红光照射，呈现红色；而用绿光照射则呈现黑色。

②从视感觉角度可把颜色分成无彩色和有彩色。无彩色：从白到黑的一系列中性灰色。黑深灰中灰浅灰白

对表面色，r＞0.80为白色，如新下的白雪、氧化镁、硫酸钡；r＜0.04为黑色，如黑丝绒。

对光源色，无彩色的白黑变化相应于白光的亮度变化。亮度高时感觉是白色；无光时是黑色；亮度很低时感觉发暗或发黑。有彩色：除黑白系列以外的各种颜色。

描述有彩色的表观颜色的三个属性：色调（或色相）、明度、彩度（或饱和度）。

色调H：各颜色彼此相互区分的视感觉特性。

色调用红、黄、蓝、紫等说明每一种色的范围。

明度V：颜色相对明暗的视感觉特性。

亮度越大，或r、越大，则明度越大。

彩度C：颜色的纯洁性。

单色光最饱和，即彩度最高；物体的反射或透射选择性越强，彩度越高。3.颜色的混合①颜色混合法

加色法：光源色的相加混合。

减色法：染料、涂料的物体色减法混合。

②三原色

加色法三原色：可以获得最多的相加混合色的三种颜色。

红色(700nm)、绿色(546.1nm)、蓝色(435.8nm)

③补色

补色：某一颜色与另外一种颜色以适当比例混合可得到白色或灰色，称这两种颜色为互补色。

每一种颜色都有一种相应的补色。

红色(700nm)的补色为青色、绿色(546.1nm)的补色为品红色、蓝色(435.8nm)的补色为黄色，称青色、品红色、黄色为减色法三原色。④颜色混合举例

相加混合（光源色）红绿蓝黄品红青

相减混合（物体色）青品红黄蓝红绿二、颜色定量

表色系统（或色度系统）：使用规定的符号，按一系列规定和定义表示颜色的系统。

两大类表色系统：

①用以光的等色实验结果为依据的，由进入人眼能引起有彩色或无彩色感觉的可见辐射表示的体系，即以色刺激表示的体系，国际照明委员会（CIE）1931标准色度系统就是这种体系的代表。②建立在对表面颜色直接评价基础上，用构成等感觉指标的颜色图册表示的体系，如孟塞尔表色系统等。

孟塞尔表色系统：孟塞尔于1905年创立了采用颜色图册的表色系统，它就是用孟塞尔颜色立体模型所规定的色调、明度和彩度来表示物体色的表色系统。孟塞尔颜色立体模型明度值为5时的孟塞尔颜色立体模型

这是用表示色的三个独立的主观属性，即色调（H）、明度（V）和彩度（C），按照视知觉上的等距指标排列起来进行颜色分类和标定的。它是目前国际上通用的物体色的表色系统。色调（H）明度（V）彩度（C）

中央轴代表无彩色（中性色）的明度等级，理想白色为10，理想黑色为0。19

离开中央轴的水平距离表示彩度变化。中央轴上中性色的彩度为0，离开中央轴越远彩度越大。5024681012141618最饱和颜色的彩度为20。10种孟塞尔色调：主色调有红(R)、黄(Y)、绿(G)、蓝(B)和紫(P)，中间色调有黄红(YR)、绿黄(GY)、蓝绿(BG)、紫蓝(PB)和红紫(RP)。RYGBPYRGYBGPBRP10个等级55

任何一种物体色都可以用孟塞尔表色系统标定，方法是先写出色调H，然后写明度值V，再在斜线后面写出彩度C，即

例如：孟塞尔标号为10Y8/12的颜色。

无彩色用N符号表示，且在N后面给出明度值V，斜线后空白，即

例如：孟塞尔标号为N5/的中性色。三、光源的色温和显色性1.光源的色温

当黑体连续加热时，它的相对光谱功率分布的最大值将向短波方向移动，相应的光色将按红→黄→白→蓝的顺序变化。

由于一定温度的黑体辐射对应确定的光色，所以人们用黑体加热到不同温度时所发出的不同光色来表示光源的颜色。

色温Tc：当光源的颜色和黑体在某一温度下发出的光色相同时，黑体的温度就称为该光源的色温。（a）（b）（c）（a）蜡烛色温为800~900K，呈红色；（b）熔化的钢水色温3000K左右，呈黄白色；（c）切割金属用氧炔焰，色温5000K左右，呈白色。

色温在5300K以上时称冷色型；色温在3300～

5300K之间时称中间色型；色温低于3300K时称为暖色型。

例如：日光色温为5300～

5800K；40W荧光灯色温为3000～

7500K；40W白炽灯色温为2700K。光源色相关色温(K)暖色中间色人工光源色分类及适用场所<3300客房、卧室冷色