建筑物理+光学部分+《第1章：光学基础知识》

第二篇建筑光学建筑光学基本知识天然(tiānrán)采光建筑照明精品资料序言人类的生活时时刻刻离不开光。光辐射引起人的视觉，人才能看清他周围的环境；人从外界获得(huòdé)的信息约有80%来自光和视觉。所以，无论是白天还是晚间，舒适的光环境对任何人都是至关重要的。精品资料一、光环境(huánjìng)光环境（Luminousenvironment）的内涵很广，它指的是由光（照度水平和分布，照明(zhàomíng)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。精品资料二、光环境设计运用(yùnyòng)学科光环境(huánjìng)设计要运用很多学科的基础理论，例如建筑学、物理学（包括光学、光度学、色度学）、生理学、心理学、人类工效学、美学等等。精品资料三、本课重点(zhòngdiǎn)本课程将着重讲解有关的概念和理论，以期同学们对光环境的设计原理有正确的理解。此外，对照明设备、控光材料、照明形式、计算方法、测光技术等实用的知识和资料也将作较全面的介绍，并通过实例(shílì)分析，力求使大家掌握光环境设计的方法和技巧。考虑到建筑学专业的特点，复杂的数学分析将略去。精品资料§1-1光学基本概念§1-3材料的光学性质第1章光学(guāngxué)基础知识§1-2基本光度单位与应用§1-4视度及其影响因素精品资料1.电磁波、广播、可见光光是以电磁波形式传播的辐射能。电磁辐射的波长范围很广。只有波长在380nm至780nm的这部分辐射才能(cáinéng)引起光视觉，称为可见光（简称光），见图7－0所示。波长短于380nm的是紫外线、x射线、γ射线、宇宙线；长于780nm的有红外线、无线电波等等。1.1光学(guāngxué)基本概念1.1.1光的性质精品资料太阳辐射的电磁波2.太阳光太阳光从广义上讲是太阳发出的电磁辐射全部光谱。到达地面的太阳辐射中，以红外线的能量(néngliàng)最多，占50%-70%；可见光比例其次，占36-40%；紫外线最少，只占0.1%-4%。精品资料3、眼睛(yǎnjing)与视觉人们的视觉感觉是通过眼睛来完成的，所以我们应对眼睛的视看过程(guòchéng)有一粗略的了解。眼睛好似一个很精密的光学仪器，它在很多方面都与照相机相似。图7－1是人的右眼剖面图。精品资料（3）视网膜光线经过瞳孔、水晶体在视网膜上聚焦成清晰的影像。视网膜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－－锥状和杆状感光细胞。光线射到它们上面就产生(chǎnshēng)神经冲动，传输至视神经，再传至大脑产生(chǎnshēng)视觉感觉。图1－1右眼剖面图从图中可看到眼睛的主要组成部分，其功能如下：（1）瞳孔虹膜中央(zhōngyāng)的圆形孔，它可根据环境的明暗程度，自动调节其孔径，以控制进入眼睛的光能数量。起照相机中光圈的作用。（2）水晶体为一扁球形的弹性透明体，它受睫状肌收缩或放松的控制，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成清晰的影像。它起照相机的透镜的作用，不过水晶体具有自动聚焦功能。（4）感光细胞它们处在视网膜最外层上，接受光刺激，并转换为神经冲动。两种感光细胞在视网膜上的分布是不均匀的：锥状细胞主要集中在视网膜的中央部位，称为“黄斑”的黄色区域。黄斑区的中心有一小凹，称“中央窝”；在这里锥状细胞密度达到最大；在黄斑区以外,锥状细胞的密度急剧下降。与此相反，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。感光细胞在视网膜上的分布情况见图7－2。精品资料图1－2二中感光细胞在视网膜上的分布(fēnbù)情况精品资料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(zuòyòng)，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。

杆状细胞对于光非常(fēicháng)敏感，但是不能分辨颜色。在暗视觉条件下，景物看起来总是模糊不清、灰茫茫一片。精品资料光射入人眼后产生的视觉，有以下几种；1．光觉——能够分辨(fēnbiàn)明暗；2．色觉——能够分辨(fēnbiàn)颜色；视觉(shìjué)3．形觉——能够分辨物体形状；4．动觉——能够分辨物体的远近深浅。

精品资料视觉形成的过程可分解为四个阶段；1．光源（太阳或灯）发出光辐射；2．外界景物(jǐngwù)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；视觉(shìjué)3．二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，在视网膜上成像；4．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。

精品资料由于感光细胞的分布特点，人眼的视觉活动有以下特点；1．视野：单眼的视野范围，其水平视野以眼球为中心，在脸的内侧方向(fāngxiàng)为60°，在脸的外侧方向(fāngxiàng)为100°；垂直视野为130°，上方为60°，下方为70°。双眼的视野范围为水平180°，垂直130°。双眼同时视物体的水平视野为120°，垂直面为130°。视觉(shìjué)特征2．中央凹附近2°，称为中心视场。3.从中心视场往外直到30°范围为视觉清晰区域。

精品资料图1-3视野(shìyě)范围精品资料明视觉(shìjué)、暗视觉(shìjué)、中间视觉(shìjué)明视觉是在明亮的环境中，主要是锥状细胞起作用的视觉。明视觉可以(kěyǐ)辨别很小的细节，此时人眼有颜色感觉。暗视觉是在黑暗环境中，主要有杆状细胞起作用的视觉。眼睛处于明视觉和暗视觉的中间状态，锥状细胞和杆状细胞同时发生作用，称为中间视觉。明视觉暗视觉中间视觉精品资料4、光谱(guāngpǔ)光视效能人眼对不同波长单色光的视亮度感受性也不一样，这是光在视觉上反映的另一特征。在明视觉状态下，辐射功率相等的单色光看起来以波长555nm的黄绿光最明亮，并且(bìngqiě)明亮程度向波长短的紫光和长波的红光方向递减。在暗视觉状态下，最亮的光谱在507nm的蓝绿光处，精品资料5、光量效应(xiàoyìng)光量效应指人眼感到房间照度变化值和照度水平之比，它总是(zǒnɡshì)常数。(常数)6、视觉的年龄变化

随着年龄的增长，水晶体的透光率降低，使得进入人眼的光量减少，因此，老年人比青年人需要更高的照度。由于水晶体发黄，导致老年人色彩辨别能力下降。

精品资料7、错觉(cuòjué)由于记忆、经验和情感的介入，有时眼睛不能知觉物体的正确(zhèngquè)形状的现象，称为错视。1.1.2光的颜色1、光源色

不同波长的单色辐射在视觉上反映不同的颜色。在两个相邻颜色范围的过渡区，人眼还能看到各种颜色的中间颜色。精品资料颜色感觉(gǎnjué)与波长精品资料精品资料色光(sèguāng)的三原色：将红、绿、蓝统称(tǒngchēng)为三原色。光的混合有以下规律：

凡两种颜色按照适当的比例混合能产生白色，这两种颜色为互补色。如黄和蓝、红和青等。非互补色的任何两种颜色混合，可以产生中间色。色相取决于两种颜色的混合比例，偏重于比重大的颜色。表现颜色相同的光，不管其光谱组成是否相同，在颜色相加混合中既有相同的效果。4.有几个颜色光组成的混合色的亮度，是各种颜色光亮度的总和。精品资料2、物体(wùtǐ)色物体色是物体对光源的辐射有选择的反射(fǎnshè)或透射，从而使人眼产生的颜色感觉。精品资料1、光通量()光通量是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(dìngyì)，光通量可以由辐射通量及V()函数导出：=Km∫e，V()dlm1.2基本光度(guāngdù)单位与应用1.2.1光的基本单位精品资料式中：V()——明视觉光谱光视效率（查图1-9）；——光通量，lm；e，——波长(bōcháng)为的单色辐射能通量，W；Km——最大光谱光视效能，lm/W。在明视觉时取683lm/W。精品资料【例1】已知低压钠灯发出(fāchū)波长为589nm的单色光，设其辐射通量为10.3W,试计算它发出(fāchū)的光通量。【解】从光谱光效率曲线明视觉（实线）中可查出，对应于波长589nm的V（）＝0.78，则该单色光源发出(fāchū)的光通量为：589＝683×10.3×0.78＝5487lm精品资料2、发光强度I

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(fāshè)的光通量与该立体角元之商。符号为II＝d/d发光强度是指光通量的空间密度(mìdù)，用符号I表示。

如果在有限立体角内传播的光通量是均匀分布的，上式可写成:

I＝/精品资料以任一锥体(zhuītǐ)顶点O为球心，任意长度r为半径作一球面，被锥体(zhuītǐ)截取的一部分球面面积为A，则此锥体(zhuītǐ)限定的立体角为：＝A/r2立体角的单位是球面度（符号(fúhào)Sr）。当A＝r2，＝1Sr。因为球的表面积为4r2，所以立体角的最大数值为4球面度。图1－6立体角定义立体角精品资料发光强度的单位是坎德拉(Candela），符号(fúhào)cd。在数量上1坎德拉等于1流明每球面度（1cd=1lm／Sr)。

图1－7发光强度的概念精品资料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。例如，一只40瓦白炽灯泡发出30cd的发光强度，在裸灯泡上面装一盏白色搪瓷平盘灯罩，灯的正下方发光强度能提高到70～80cd。在后一种情况(qíngkuàng)下，灯泡发出的光通量并没有变化，只是光通量在空间的分布更为集中了。精品资料3、照度(zhàodù)照度是被照面单位面积(miànjī)的光通量，符号为E。若照射到表面一点面元上的光通量为d，该面元的面积(miànjī)为dA，则E＝d/dA当光通量均匀分布在被照表面A上时，则此被照面的照度为：E＝/A精品资料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(biǎomiàn)上所产生的照度，即1lx＝1lm／m2勒克斯是一个较小的单位，例如：夏季中午日光下，地平面上照度可达105lx；在装有40瓦白炽灯的书写台灯下看书，桌面照度平均为200～300lx；月光下的照度只有几个1x。精品资料照度可以直接相加．如果房间里有4盏灯，它们对桌面上A点的照度分别(fēnbié)为El、E2、E3、E4则A点总照度等于各个照度值之和，写成通用的表达式就是精品资料4、亮度(liàngdù)亮度是被反映物体的明亮(míngliàng)程度。物体的明亮(míngliàng)程度除了与物体的表面亮度有关外，还与物体所处的环境的明暗程度有关。在房间同一位置放置黑色和白色的两个物体，虽然它们的照度相同，但在人眼中引起的视觉感觉不同，看起来白色物体亮的多。所以物体表面的照度并不能反映人眼对物体的视觉感觉，精品资料应当注意，光亮度常常是各方向不同，所以在谈到一点或一个(yīɡè)有限表面的光亮度时需要指明方向。发光亮度是单元表面在某一方向上的发光强度。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(miànjī)之商，以符号L表示。精品资料上面定义的光亮度是一个物理量，它与视觉上对明暗的直观感受还有一定的区别。例如在白天和夜间看同一盏交通信号灯时，感觉夜晚灯的亮度高得多。这是因为眼睛适应了晚间相当低的环境亮度的缘故。实际上，信号灯的光亮度并没有变化。由于眼睛适应环境亮度，物体(wùtǐ)明暗在视觉上的直观感受就可能比它的物理光亮度高一些或低一些。精品资料我们把直观看去一个物体表面发光的属性称为“表观(biǎoɡuān)亮度”（Brightness或Luminosity），这是一个心理量，没有量纲。它与“光亮度”这一物理量有一定的相关关系。下图是通过大量主观评价获得的实验数据整理出来的亮度感觉曲线。精品资料图1－12物理亮度与表观亮度的关系精品资料光亮度简称亮度。它的法定单位是坎德拉每平方米（cd/m2）。在照明工程应用中，亮度的单位繁多，常用单位与lcd/m2的换算关系(guānxì)如下：l尼特（nt）＝lcd/m2l阿熙提（asb)＝1/cd/m21熙提（sb）＝104cd/m2l朗伯（L）＝104/cd/m2l英尺朗伯（fL）＝3．426cd/m2太阳的亮度达2×109cd/m2，白炽灯丝的亮度约为(300～500)×104cd/m2，而普通荧光灯的亮度只有(0.1～0.2)×104cd/m2。精品资料1.2.2各物理量相互(xiānghù)关系及其应用一个点光源在被照面上形成的照度(zhàodù)，可以从发光强度和照度(zhàodù)这两个基本量之间的关系求出。

E＝Iɑcosα/r2E——被照面P点的照度Iɑ——电光源的发光强度r——被照面P点与光源的距离α——被照面的法线与光线的夹角1.发光强度和照度的关系精品资料【例3】如图所示，在绘图(huìtú)桌上方悬挂了一个40W的白炽灯，求灯下桌面点1和点2处照度。图7－10点光源在绘图(huìtú)桌上的照度精品资料【解】设该白炽灯下方(xiàfānɡ)的发光强度为30cd（视为点光源时350÷4π＝27.9cd），按式

E＝Icosα/r2

E1＝Icosα/r12＝30×cos30o/22＝6.5lxE2＝Icos0o/r22＝30×1/(r1cos30o)2＝10lx实际光源虽然不是一个点，但如果圆形光源的直径小于距离的1/5，或者(huòzhě)线光源长度小于距离的1/4，可以把他看作电光源。精品资料照度等于该发光表面的亮度与该发光表面在测点形成的立体角在工作面上的投影(tóuyǐng)的乘积。2.照度和亮度(liàngdù)的关系Lɑ——面光源的亮度；Ω——发光面光源在P点形成的立体角；A——面光源的面积；r——面光源中心与工作面测点的距离；ɑ——面光源中心法线与光源中心点和P点连线的夹角；θ——被照面法线与光源中心点和P点连线的夹角；Ωcosθ——发光表面在P点上形成的立体角在工作面上的投影角精品资料如图所示，设A为各方向亮度(liàngdù)都相同的发光面，在它表面上取一微元面积dA。由于dA的尺寸和它距离被照面间的距离r相比，显得很小，故可视为点光源。这样，它在被照面上的P点处形成的照度为：dE＝Iαcosθ/r2(a)图7－14照度(zhàodù)和亮度的关系AdArIαcosθA2PθαAcosα以下推导过程不做要求精品资料由亮度和发光强度的关系(guānxì)可得出：Iα＝LαdAcosα(b)将式(b)代入式(a)得出：dE＝Lα(dAcosαcosθ)/r2(c)式中（dAcosα）/r2是以P为顶点，由dA所张的立体角d，故式（c）可写成：dE＝Lαdcosθ精品资料整个发光面A在P点形成的照度为：E＝Lαdcosθ因光源在各方向的亮度相同，则：E＝Lαcosθ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(biǎomiàn)在被照面上形成的照度，是这一发光表面(biǎomiàn)的亮度Lα与该发光面在被照点上形成的立体角在被照面的投影(cosθ)的乘积。精品资料这一定律表明：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有关，而和该发光表面面积的绝对值无关。在图中A和Acosα的面积不同，但由于它们在被照面上形成的立体角的投影线条，只要它们在被照面方向的亮度相同，那么，它们在被照面上形成的照度就是一样(yīyàng)的。立体角投影定律适用于光源尺寸相对于它与被照点距离较大时。精品资料【例7】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(wèizhi)见图，设通过窗洞看见的天空亮度为1sb，试分别求出各窗洞在桌面上计算点P形成的照度（设桌面与窗台等高）。例7图窗洞(chuāngdòng)和计算点位置及尺寸精品资料【解】窗洞可视为一发光表面，其亮度等于透过窗洞看见的天空(tiānkōng)亮度，在本例题中天空(tiānkōng)亮度为1sb，即104cd/m2。按立体角投影定律：E＝Lαcosθ按侧窗和天窗分别计算出它们在计算点P上的照度侧窗时：＝1×cosα/r2精品资料天窗(tiānchuāng)时：精品资料【例8】已知某客厅的面积为4.4m×5.6m＝24.64m2，该厅天花高为2.6m，正中装有面积为1m×1.5m＝1.5m2、亮度(liàngdù)为1×103cd/m2的槽灯，试求槽灯的正下方及四个墙角处的照度。【解】：根据题意，本题(běntí)只需求出客厅地面正中以及任意一墙角处的照度即可，其尺寸如图所示。精品资料例8图精品资料按立体角投影定律分别计算如下：（1）计算客厅正中点B的照度，该点离发光面中心点为2.6m，又由于它正对着发光面，因此(yīncǐ)α＝0，θ＝0，所以：精品资料(2)计算客厅墙角处点C的照度(zhàodù)，如图所示，该点到发光面中心的距离为：由于被照面(zhàomiàn)与发光面互相平行，所以α＝θ（如图所示），下面计算cosθ值：精品资料将各值代入立体角投影定律(dìnglǜ)得墙角处的照度Ec为：精品资料本例计算结果表明，地面正中点的照度与墙角的照度相差7倍多，就造成正中点的照度很高（222lx）而墙角的照度又很低（27lx），这是很不合理的。这里说明照明设计中的一个很重要的问题，就是(jiùshì)进行大房间的工作照明设计时必须合理增加灯数，从而使房间各处的照度保持均匀否则就是(jiùshì)一个不好的工作照明设计。精品资料1.3材料(cáiliào)的光学性质借助于材料表面反射的光或材料本身透过的光，人眼(rényǎn)才能看见周围环境中的人和物。也可以说，光环境就是由各种反射与透射光的材料构成的。光在均匀介质中沿直线传播，它在空气中的传播速度接近3×108米/秒（30万公里/秒）。精品资料光在介质(jièzhì)中的传播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ρ，一部分透过介质τ。余下(yúxià)的一部分则被介质吸收α，根据能量守恒定律，入射光通量（）应等于上述三部分光通量之和：＝ρ＋τ＋α精品资料图1－15光的反射(fǎnshè)、透射和吸收精品资料反射系数透射系数吸收系数将反射光通量与入射光通量之商，定义为反射比（反射系数），以表示：＝/透射(tòushè)光通量与入射光通量之商，定义为透射(tòushè)比（透射(tòushè)系数），以τ表示：τ＝τ/被吸收的光通量与入射光通量之商，定义为吸收比（吸收系数），以表示：＝/＋τ＋＝1精品资料1、反射(fǎnshè)材料反射光的分布(fēnbù)形式有定向反射与扩散反射两大类。扩散反射又可细分为定向扩散反射、漫反射、混合反射等。1．定向反射2．定向扩散反射3．漫反射4、混合反射精品资料1．定向(dìnɡxiànɡ)反射定向反射也叫镜面反射，其特征是光线经过反射之后仍按一定的方向传播，立体角没有变化。规则反射的规律为：①入射光线与反射光线以及反射表面的法线(fǎxiàn)同处于一个平面内；②入射光与反射光分居法线(fǎxiàn)两侧，入射角等于反射角（图7－16)。精品资料2、定向(dìnɡxiànɡ)扩散反射扩散反射保留(bǎoliú)了定向反射的某些特性，即在产生规则反射的方向上，反射光最强，但是反射光束被“扩散”到较宽的范围（图7-16b），精品资料图7－16反射光的分布型式

a－定向(dìnɡxiànɡ)反射；b－定向(dìnɡxiànɡ)扩散反射；

c－混合反射；d－均匀漫反射精品资料3、漫反射漫反射的特点是反射光的分布与入射光方向无关，在宏观(hóngguān)上没有规则反射，反射光不规则地分布在所有方向上。（图7－16c）。精品资料若反射光的光强分布与入射光的方向无关，而且正好是切于入射光线与反射表面交点的一个圆球，这种漫反射称为均匀漫反射（图7－17）。其反射光的最大发光强度在垂直于表面的法线(fǎxiàn)方向，其余方向的光强同最大光强有以下关系：Iθ＝IN·cosθ漫反射材料表面(biǎomiàn)亮度的简易式:精品资料4、混合(hùnhé)反射多数的材料表面兼有规则反射(fǎnshè)和漫反射(fǎnshè)的特性，这称为混合反射(fǎnshè)。精品资料光线通过介质(jièzhì)，这种现象称为透射。材料的透光性能不仅取决于它的分子结构，还同它的厚度有关。非常厚的玻璃或水将是不透明的，而一张极薄的金属膜或许是透光的，至少可以是半透光的。材料透光性还与光的入射方向有关。二、透射(tòushè)精品资料材料透射光的分布型式也可分为规则透射、定向扩散透射、漫透射和混合透射四种（见图7-18）。透明材料属于(shǔyú)规则透射，在入射光的背侧，光源与物象清晰可见。磨砂玻璃为典型的定向扩散透射，在背光的一侧仅能看见光源模糊的影象。精品资料乳白玻璃具有均匀漫透射的特性，整个透光面亮度均匀，完全看不见背侧的光源和物象，在透明玻璃上均匀地喷一层薄的白漆，其透光性能则近于(jìnyú)混合透射。如将白炽灯放在这种玻璃的一侧，由另一侧看去，漫透射形成的表面亮度相当均匀，同时灯丝的象也历历在目。其余方向(fāngxiàng)的光强同最大光强有以下关系：Iθ＝IN·cosθ漫反射材料表面亮度的简易式:精品资料图7－18透射光的分布a－规则透射；b－定向扩散透射；c－漫透射；d