建筑物理+光學(xué)部分+《第1章：光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)》

1、第二篇第二篇 建筑光學(xué)建筑光學(xué) 建筑光學(xué)基本知識(shí)建筑光學(xué)基本知識(shí) 天然采光天然采光 建筑照明建筑照明序序 言言 人類的生活時(shí)時(shí)刻刻離不開光。人類的生活時(shí)時(shí)刻刻離不開光。光輻射引起人的視覺，人才能看清光輻射引起人的視覺，人才能看清他周圍的環(huán)境；人從外界獲得的信他周圍的環(huán)境；人從外界獲得的信息約有息約有80%80%來自光和視覺。所以，無來自光和視覺。所以，無論是白天還是晚間，舒適的光環(huán)境論是白天還是晚間，舒適的光環(huán)境對(duì)任何人都是至關(guān)重要的。對(duì)任何人都是至關(guān)重要的。一、光環(huán)境一、光環(huán)境 光環(huán)境（光環(huán)境（Luminous environmentLuminous environment）的內(nèi)涵很廣，它指

2、的是由光（照度水的內(nèi)涵很廣，它指的是由光（照度水平和分布，照明的形式和顏色）與顏平和分布，照明的形式和顏色）與顏色（色調(diào)，色飽和度，室內(nèi)顏色分布，色（色調(diào)，色飽和度，室內(nèi)顏色分布，顏色顯現(xiàn)）在室內(nèi)建立的同房間形狀顏色顯現(xiàn)）在室內(nèi)建立的同房間形狀有關(guān)的生理和心理環(huán)境。有關(guān)的生理和心理環(huán)境。二、光環(huán)境設(shè)計(jì)運(yùn)用學(xué)科 光環(huán)境設(shè)計(jì)要運(yùn)用很多學(xué)科的基礎(chǔ)理論，例如建筑學(xué)、物理學(xué)（包括光學(xué)、光度學(xué)、色度學(xué)）、生理學(xué)、心理學(xué)、人類工效學(xué)、美學(xué)等等。三、本課重點(diǎn) 本課程將著重講解有關(guān)的概念和理論，以期同學(xué)們對(duì)光環(huán)境的設(shè)計(jì)原理有正確的理解。此外，對(duì)照明設(shè)備、控光材料、照明形式、計(jì)算方法、測(cè)光技術(shù)等實(shí)用的知識(shí)和資料也

3、將作較全面的介紹，并通過實(shí)例分析，力求使大家掌握光環(huán)境設(shè)計(jì)的方法和技巧?？紤]到建筑學(xué)專業(yè)的特點(diǎn)，復(fù)雜的數(shù)學(xué)分析將略去。第第 1 1 章章 光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí) 1.電磁波、廣播、可見光 光是以電磁波形式傳播的輻射能。 電磁輻射的波長(zhǎng)范圍很廣。只有波長(zhǎng)在380nm至780nm的這部分輻射才能引起光視覺，稱為可見光（簡(jiǎn)稱光），見圖70所示。 波長(zhǎng)短于380nm的是紫外線、x射線、射線、宇宙線；長(zhǎng)于780nm的有紅外線、無線電波等等。1.1 1.1 光學(xué)基本概念光學(xué)基本概念1.1.1 1.1.1 光的性質(zhì)光的性質(zhì) 太陽輻射的電磁波太陽輻射的電磁波2.太陽光 太陽光從廣義上講是太陽發(fā)出的電磁輻射全

4、部光譜。到達(dá)地面的太陽輻射中，以紅外線的能量最多，占50%-70%；可見光比例其次，占36-40%；紫外線最少，只占0.1%-4%。3、眼睛、眼睛與視覺與視覺 人們的視覺感覺是通過眼睛來完成的，所以我們應(yīng)對(duì)眼睛的視看過程有一粗略的了解。眼睛好似一個(gè)很精密的光學(xué)儀器，它在很多方面都與照相機(jī)相似。圖71是人的右眼剖面圖。（3 3）視網(wǎng)膜）視網(wǎng)膜 光線經(jīng)過瞳孔、光線經(jīng)過瞳孔、水晶體在視網(wǎng)膜上聚焦成清水晶體在視網(wǎng)膜上聚焦成清晰的影像。視網(wǎng)膜是眼睛的晰的影像。視網(wǎng)膜是眼睛的視覺感受部分，類似照相機(jī)視覺感受部分，類似照相機(jī)中的膠卷。視網(wǎng)膜上布滿了中的膠卷。視網(wǎng)膜上布滿了感光細(xì)胞錐狀和桿狀感感光細(xì)胞錐狀和桿

5、狀感光細(xì)胞。光線射到它們上面光細(xì)胞。光線射到它們上面就產(chǎn)生神經(jīng)沖動(dòng)，傳輸至視就產(chǎn)生神經(jīng)沖動(dòng)，傳輸至視神經(jīng)，再傳至大腦產(chǎn)生視覺神經(jīng)，再傳至大腦產(chǎn)生視覺感覺。感覺。圖圖11 右眼剖面圖右眼剖面圖 從圖中可看到眼睛的主要組成部分，其功能如下： （1）瞳孔 虹膜中央的圓形孔，它可根據(jù)環(huán)境的明暗程度，自動(dòng)調(diào)節(jié)其孔徑，以控制進(jìn)入眼睛的光能數(shù)量。起照相機(jī)中光圈的作用。（2 2）水晶體）水晶體 為一扁球?yàn)橐槐馇蛐蔚膹椥酝该黧w，它受睫形的彈性透明體，它受睫狀肌收縮或放松的控制，狀肌收縮或放松的控制，使其形狀改變，從而改變使其形狀改變，從而改變其屈光度，使遠(yuǎn)近不同的其屈光度，使遠(yuǎn)近不同的外界景物都能在視網(wǎng)膜上外界

6、景物都能在視網(wǎng)膜上成清晰的影像。它起照相成清晰的影像。它起照相機(jī)的透鏡的作用，不過水機(jī)的透鏡的作用，不過水晶體具有自動(dòng)聚焦功能。晶體具有自動(dòng)聚焦功能。 （4 4）感光細(xì)胞）感光細(xì)胞 它們它們處在視網(wǎng)膜最外層上，接受處在視網(wǎng)膜最外層上，接受光刺激，并轉(zhuǎn)換為神經(jīng)沖動(dòng)。光刺激，并轉(zhuǎn)換為神經(jīng)沖動(dòng)。兩種感光細(xì)胞在視網(wǎng)膜上的兩種感光細(xì)胞在視網(wǎng)膜上的分布是不均勻的：分布是不均勻的：錐狀細(xì)胞錐狀細(xì)胞主要集中在視網(wǎng)膜的中央部主要集中在視網(wǎng)膜的中央部位，稱為位，稱為“黃斑黃斑”的黃色區(qū)的黃色區(qū)域。黃斑區(qū)的中心有一小凹，域。黃斑區(qū)的中心有一小凹，稱稱“中央窩中央窩”；在這里錐狀；在這里錐狀細(xì)胞密度達(dá)到最大；在黃斑細(xì)

7、胞密度達(dá)到最大；在黃斑區(qū)以外區(qū)以外, ,錐狀細(xì)胞的密度急劇錐狀細(xì)胞的密度急劇下降。下降。與此相反，在中與此相反，在中央窩處幾乎沒有央窩處幾乎沒有桿狀細(xì)胞桿狀細(xì)胞，自中，自中央窩向外，其密央窩向外，其密度迅速增加，在度迅速增加，在離中央窩離中央窩2020附近附近密度達(dá)到最大，密度達(dá)到最大，然后又逐漸減少。然后又逐漸減少。感光細(xì)胞在視網(wǎng)感光細(xì)胞在視網(wǎng)膜上的分布情況膜上的分布情況見圖見圖7 72 2。圖圖1 12 2 二中感光細(xì)胞在視網(wǎng)膜上的分二中感光細(xì)胞在視網(wǎng)膜上的分布情況布情況 錐狀細(xì)胞對(duì)于光不甚敏感，在亮度高于錐狀細(xì)胞對(duì)于光不甚敏感，在亮度高于3cd/m3cd/m2 2的水平時(shí)，錐狀細(xì)胞才充分

8、發(fā)揮作用，這的水平時(shí)，錐狀細(xì)胞才充分發(fā)揮作用，這時(shí)稱為時(shí)稱為明視覺明視覺。錐狀細(xì)胞有辨認(rèn)細(xì)節(jié)和分辨顏色錐狀細(xì)胞有辨認(rèn)細(xì)節(jié)和分辨顏色的能力，這種能力隨亮度增高而達(dá)到最大的能力，這種能力隨亮度增高而達(dá)到最大。所有。所有的室內(nèi)照明，都是按明視覺條件設(shè)計(jì)的。的室內(nèi)照明，都是按明視覺條件設(shè)計(jì)的。 桿狀細(xì)胞對(duì)于光非常敏感，但是不能分桿狀細(xì)胞對(duì)于光非常敏感，但是不能分辨顏色辨顏色。在暗視覺條件下，景物看起來總是。在暗視覺條件下，景物看起來總是模糊不清、灰茫茫一片。模糊不清、灰茫茫一片。光射入人眼后產(chǎn)生的視覺，有以下幾種光射入人眼后產(chǎn)生的視覺，有以下幾種；1 1光覺光覺能夠分辨能夠分辨明暗；明暗；2 2色覺色

9、覺能夠分辨能夠分辨顏色顏色；視覺視覺3 3形覺形覺能夠分辨物體能夠分辨物體形狀形狀；4 4動(dòng)覺動(dòng)覺能夠分辨物體的能夠分辨物體的遠(yuǎn)近深淺遠(yuǎn)近深淺。 視覺形成的過程可分解為視覺形成的過程可分解為四個(gè)階段四個(gè)階段；1 1光源（太陽或燈）發(fā)出光輻射；光源（太陽或燈）發(fā)出光輻射；2 2外界景物在光照射下產(chǎn)生顏色、明暗和形體的外界景物在光照射下產(chǎn)生顏色、明暗和形體的差異，相當(dāng)于形成差異，相當(dāng)于形成二次光源二次光源；視覺視覺3 3二次光源發(fā)出不同強(qiáng)度、顏色的光信號(hào)進(jìn)入人眼瞳二次光源發(fā)出不同強(qiáng)度、顏色的光信號(hào)進(jìn)入人眼瞳孔，借助眼球調(diào)視，在視網(wǎng)膜上孔，借助眼球調(diào)視，在視網(wǎng)膜上成像成像；4 4視網(wǎng)膜上接受的光刺激

10、（即物象）變?yōu)槊}沖信號(hào)，視網(wǎng)膜上接受的光刺激（即物象）變?yōu)槊}沖信號(hào)，經(jīng)視神經(jīng)傳給大腦，通過大腦的解釋、分析、判斷經(jīng)視神經(jīng)傳給大腦，通過大腦的解釋、分析、判斷而產(chǎn)生視覺。而產(chǎn)生視覺。 由于感光細(xì)胞的分布特點(diǎn)，人眼的視覺活動(dòng)有以下特點(diǎn)由于感光細(xì)胞的分布特點(diǎn)，人眼的視覺活動(dòng)有以下特點(diǎn)；1 1視野：視野：?jiǎn)窝鄣囊曇胺秶?，單眼的視野范圍，其水平視野以眼球?yàn)橹行?，在其水平視野以眼球?yàn)橹行?，在臉的?nèi)側(cè)方向?yàn)槟樀膬?nèi)側(cè)方向?yàn)?060，在臉的外側(cè)方向?yàn)?，在臉的外?cè)方向?yàn)?00100；垂直；垂直視野為視野為130130，上方為，上方為6060，下方為，下方為7070。雙眼的視野雙眼的視野范圍范圍為水平為水平1801

11、80，垂直，垂直130130。雙眼同時(shí)視物體的水平。雙眼同時(shí)視物體的水平視野為視野為120120，垂直面為，垂直面為130130。視覺特征視覺特征2 2 中央凹附近中央凹附近2 2，稱為，稱為中心視場(chǎng)中心視場(chǎng)。3. 3. 從中心視場(chǎng)往外直到從中心視場(chǎng)往外直到3030范圍為范圍為視覺清晰區(qū)域視覺清晰區(qū)域。 圖1-3 視野范圍明視覺、暗視覺、中間視覺 明視覺是在明亮的環(huán)境中，主要是錐狀細(xì)胞起作用的視覺。明視覺可以辨別很小的細(xì)節(jié)，此時(shí)人眼有顏色感覺。暗視覺是在黑暗環(huán)境中，主要有桿狀細(xì)胞起作用的視覺。眼睛處于明視覺和暗視覺的中間狀態(tài)，錐狀細(xì)胞和桿狀細(xì)胞同時(shí)發(fā)生作用，稱為中間視覺。明視覺暗視覺中間視覺4

12、、光譜光、光譜光視效能視效能 人眼對(duì)不同波長(zhǎng)單色光的視亮度感受性也不人眼對(duì)不同波長(zhǎng)單色光的視亮度感受性也不一樣一樣，這是光在視覺上反映的另一特征。，這是光在視覺上反映的另一特征。在明視在明視覺狀態(tài)下覺狀態(tài)下，輻射功率相等的單色光看起來輻射功率相等的單色光看起來以波長(zhǎng)以波長(zhǎng)555 nm555 nm的黃綠光最明亮的黃綠光最明亮，并且明亮程度向波長(zhǎng)短，并且明亮程度向波長(zhǎng)短的紫光和長(zhǎng)波的紅光方向遞減。的紫光和長(zhǎng)波的紅光方向遞減。在暗視覺狀態(tài)下，在暗視覺狀態(tài)下，最亮的光譜在最亮的光譜在507nm507nm的藍(lán)綠光處，的藍(lán)綠光處，5、光量效應(yīng)光量效應(yīng) 光量效應(yīng)指人眼感到房間照度變化值和照度光量效應(yīng)指人眼感

13、到房間照度變化值和照度水平之比，它總是常數(shù)。水平之比，它總是常數(shù)。 ( (常數(shù)常數(shù)) )KEE6、視覺的年齡變化視覺的年齡變化 隨著年齡的增長(zhǎng)，水晶體的透光率降低，使得進(jìn)入人眼隨著年齡的增長(zhǎng)，水晶體的透光率降低，使得進(jìn)入人眼的光量減少，因此，老年人比青年人需要更高的照度。由于的光量減少，因此，老年人比青年人需要更高的照度。由于水晶體發(fā)黃，導(dǎo)致老年人色彩辨別能力下降。水晶體發(fā)黃，導(dǎo)致老年人色彩辨別能力下降。 7、錯(cuò)覺錯(cuò)覺 由于記憶、經(jīng)驗(yàn)和情感的介入，有時(shí)眼睛不由于記憶、經(jīng)驗(yàn)和情感的介入，有時(shí)眼睛不能知覺物體的正確形狀的現(xiàn)象，稱為錯(cuò)視。能知覺物體的正確形狀的現(xiàn)象，稱為錯(cuò)視。1.1.2 1.1.2

14、光的顏色光的顏色1、光源色光源色 不同波長(zhǎng)的單色輻射在視覺上反映不同的顏色。不同波長(zhǎng)的單色輻射在視覺上反映不同的顏色。在兩個(gè)相鄰顏色范圍的過渡區(qū)，人眼還能看到各種在兩個(gè)相鄰顏色范圍的過渡區(qū)，人眼還能看到各種顏色的中間顏色。顏色的中間顏色。顏色感覺與波長(zhǎng)色光的三原色：色光的三原色：將將紅紅、綠綠、藍(lán)藍(lán)統(tǒng)稱為三原色。統(tǒng)稱為三原色。光的混合有以下規(guī)律：光的混合有以下規(guī)律： 凡兩種顏色按照適當(dāng)?shù)谋壤旌夏墚a(chǎn)生白色凡兩種顏色按照適當(dāng)?shù)谋壤旌夏墚a(chǎn)生白色，這兩種顏色為，這兩種顏色為互互補(bǔ)色補(bǔ)色。如黃和藍(lán)、紅和青等。如黃和藍(lán)、紅和青等。 非互補(bǔ)色的任何兩種顏色混合，可以產(chǎn)生中間色非互補(bǔ)色的任何兩種顏色混合，

15、可以產(chǎn)生中間色。色相取決于。色相取決于兩種顏色的混合比例，偏重于比重大的顏色。兩種顏色的混合比例，偏重于比重大的顏色。 表現(xiàn)顏色相同的光，不管其光譜組成是否相同，在顏色相加表現(xiàn)顏色相同的光，不管其光譜組成是否相同，在顏色相加混合中既有相同的效果?；旌现屑扔邢嗤男Ч?。4. 4. 有幾個(gè)顏色光組成的混合色的亮度，是各種顏色光亮度的總和。有幾個(gè)顏色光組成的混合色的亮度，是各種顏色光亮度的總和。2、物體色物體色物體色是物體對(duì)光源的輻射有選擇的反射或透射，從而使人眼產(chǎn)生的顏色感覺。1 1、光通量、光通量( ( ) ) 光通量是按照國(guó)際約定的人眼視覺特性光通量是按照國(guó)際約定的人眼視覺特性評(píng)價(jià)的輻射能通量

16、（輻射功率）。根據(jù)這一評(píng)價(jià)的輻射能通量（輻射功率）。根據(jù)這一定義，光通量可以由輻射通量及定義，光通量可以由輻射通量及V(V( ) )函數(shù)導(dǎo)函數(shù)導(dǎo)出：出： =K=Km m e e， V(V( ) d) d lm lm1.2 1.2 基本光度單位與應(yīng)用基本光度單位與應(yīng)用1.2.1 1.2.1 光的基本單位光的基本單位式中： V() 明視覺光譜光視效率（查圖1-9）； 光通量，lm； e， 波長(zhǎng)為的單色輻射能通量，W； Km 最大光譜光視效能，lm/W。在明視覺時(shí)取683 lm/W。已知低壓鈉燈發(fā)出波長(zhǎng)為已知低壓鈉燈發(fā)出波長(zhǎng)為589nm589nm的單的單色光，設(shè)其輻射通量為色光，設(shè)其輻射通量為10.

17、3W,10.3W,試計(jì)算它發(fā)出試計(jì)算它發(fā)出的光通量。的光通量?！窘狻繌墓庾V光效率曲線明視覺（實(shí)線）中【解】從光譜光效率曲線明視覺（實(shí)線）中可查出，對(duì)應(yīng)于波長(zhǎng)可查出，對(duì)應(yīng)于波長(zhǎng)589nm589nm的的V V（ ）0.780.78，則該單色光源發(fā)出的光通量為：則該單色光源發(fā)出的光通量為： 58958968368310.310.30.780.785487 lm5487 lm2 2、發(fā)光強(qiáng)度、發(fā)光強(qiáng)度 I I 點(diǎn)光源在給定方向的發(fā)光強(qiáng)度，是光源在這一方向上立體角元內(nèi)發(fā)射的光通量與該立體角元之商。符號(hào)為I Id/d 發(fā)光強(qiáng)度是指光通量的空間密度，用符號(hào)I表示。 如果在有限立體角內(nèi)傳播的光通量 是均勻分布

18、的，上式可寫成: I/ 以任一錐體頂點(diǎn)以任一錐體頂點(diǎn)O O為為球心，任意長(zhǎng)度球心，任意長(zhǎng)度r r為半徑為半徑作一球面，被錐體截取的作一球面，被錐體截取的一部分球面面積為一部分球面面積為A A，則，則此錐體限定的立體角此錐體限定的立體角 為：為： A A/r/r2 2立體角的單位是球面度（符號(hào)立體角的單位是球面度（符號(hào)SrSr）。當(dāng)）。當(dāng)A Ar r2 2， 1Sr1Sr。因?yàn)榍虻谋砻娣e為因?yàn)榍虻谋砻娣e為4 4 r r2 2，所以立，所以立體角的最大數(shù)值為體角的最大數(shù)值為4 4 球面度。球面度。圖圖16 立體角定義立體角定義立體角 發(fā)光強(qiáng)度的單位是發(fā)光強(qiáng)度的單位是坎德坎德拉拉(Candela(C

19、andela），符號(hào)），符號(hào)cdcd。在。在數(shù)量上數(shù)量上1 1坎德拉等于坎德拉等于1 1流明每流明每球面度（球面度（1cd=1lm1cd=1lmSr)Sr)。 圖圖17 發(fā)光強(qiáng)度的概念發(fā)光強(qiáng)度的概念 發(fā)光強(qiáng)度常用于說明光源和照明燈具發(fā)出的光通量在空間發(fā)光強(qiáng)度常用于說明光源和照明燈具發(fā)出的光通量在空間各方向或在選定方向上的分布密度各方向或在選定方向上的分布密度。例如，一只。例如，一只4040瓦白熾燈泡發(fā)瓦白熾燈泡發(fā)出出30cd30cd的發(fā)光強(qiáng)度的發(fā)光強(qiáng)度，在裸燈泡上面裝一盞白色搪瓷平盤燈罩，燈，在裸燈泡上面裝一盞白色搪瓷平盤燈罩，燈的正下方發(fā)光強(qiáng)度能提高到的正下方發(fā)光強(qiáng)度能提高到707080cd

20、80cd。在后一種情況下，。在后一種情況下，燈泡發(fā)燈泡發(fā)出的光通量并沒有變化，只是光通量在空間的分布更為集中了出的光通量并沒有變化，只是光通量在空間的分布更為集中了。3 3、照度、照度 照度是被照面單位面積的光通量，符號(hào)為E。若照射到表面一點(diǎn)面元上的光通量為d，該面元的面積為dA，則 Ed/ dA 當(dāng)光通量均勻分布在被照表面A上時(shí)，則此被照面的照度為： E/A 照度的單位是勒克斯，符號(hào)lx。1勒克斯等于1流明的光通量均勻分布在1平方米表面上所產(chǎn)生的照度，即 1lx1lmm2 勒克斯是一個(gè)較小的單位，例如：夏季中午日光下，地平面上照度可達(dá)105lx；在裝有40瓦白熾燈的書寫臺(tái)燈下看書，桌面照度平

21、均為200300 lx；月光下的照度只有幾個(gè)1x。 照度可以直接相加照度可以直接相加如果房間里有如果房間里有4 4盞燈，盞燈，它們對(duì)桌面上它們對(duì)桌面上A A點(diǎn)的照度分別為點(diǎn)的照度分別為E El l、E E2 2、E E3 3、E E4 4則則A A點(diǎn)總照度等于各個(gè)照度值之和，寫成通用的表點(diǎn)總照度等于各個(gè)照度值之和，寫成通用的表達(dá)式就是達(dá)式就是 iEE4 4、亮亮度度 亮度是被反映物體的明亮程度。物體的明亮程度除了與物體的表面亮度有關(guān)外，還與物體所處的環(huán)境的明暗程度有關(guān)。在房間同一位置放置黑色和白色的兩個(gè)物體，雖然它們的照度相同，但在人眼中引起的視覺感覺不同，看起來白色物體亮的多。所以物體表面的

22、照度并不能反映人眼對(duì)物體的視覺感覺， 應(yīng)當(dāng)注意，應(yīng)當(dāng)注意，光亮度常常是各方向不同光亮度常常是各方向不同，所以在談到一點(diǎn)或一個(gè)有限表面的光亮度所以在談到一點(diǎn)或一個(gè)有限表面的光亮度時(shí)需要指明方向。時(shí)需要指明方向。cosAIL 發(fā)光亮度是單元表面在某一方向上的發(fā)光強(qiáng)度。它等于該方向上的發(fā)光強(qiáng)度與此面元在這個(gè)方向上的投影面積之商，以符號(hào)L表示。 上面定義的光亮度是一個(gè)物理量，它與視覺上面定義的光亮度是一個(gè)物理量，它與視覺上對(duì)明暗的直觀感受還有一定的區(qū)別。上對(duì)明暗的直觀感受還有一定的區(qū)別。 例如在白天和夜間看同一盞交通信號(hào)燈時(shí)，例如在白天和夜間看同一盞交通信號(hào)燈時(shí)，感覺夜晚燈的亮度高得多。這是因?yàn)檠劬m

23、應(yīng)了感覺夜晚燈的亮度高得多。這是因?yàn)檠劬m應(yīng)了晚間相當(dāng)?shù)偷沫h(huán)境亮度的緣故。實(shí)際上，信號(hào)燈晚間相當(dāng)?shù)偷沫h(huán)境亮度的緣故。實(shí)際上，信號(hào)燈的光亮度并沒有變化。由于眼睛適應(yīng)環(huán)境亮度，的光亮度并沒有變化。由于眼睛適應(yīng)環(huán)境亮度，物體明暗在視覺上的直觀感受就可能比它的物理物體明暗在視覺上的直觀感受就可能比它的物理光亮度高一些或低一些。光亮度高一些或低一些。 我們把直觀看去一個(gè)物體表面發(fā)光的屬性稱為“表觀亮度表觀亮度”（Brightness或 Luminosity），這是一個(gè)心理量，沒有量綱。它與“光亮度”這一物理量有一定的相關(guān)關(guān)系。下圖是通過大量主觀評(píng)價(jià)獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理出來的亮度感覺曲線。圖圖112 物理亮

24、度與表觀亮度的關(guān)系物理亮度與表觀亮度的關(guān)系 光亮度簡(jiǎn)稱亮度。它的法定單位是坎德拉每平光亮度簡(jiǎn)稱亮度。它的法定單位是坎德拉每平方米（方米（cd/mcd/m2 2）。在照明工程應(yīng)用中，亮度的單位繁。在照明工程應(yīng)用中，亮度的單位繁多，常用單位與多，常用單位與lcd/mlcd/m2 2的換算關(guān)系如下：的換算關(guān)系如下： l l尼特（尼特（ntnt）lcd/mlcd/m2 2 l l阿熙提（阿熙提（asb)asb)1/1/ cd/m cd/m2 2 1 1熙提（熙提（sbsb）10104 4 cd/mcd/m2 2 l l朗伯（朗伯（ L L）10104 4/ / cd/m cd/m2 2 l l英尺朗伯

25、（英尺朗伯（fLfL）3 3426 cd/m426 cd/m2 2 太陽的亮度達(dá)太陽的亮度達(dá)2 210109 9cd/mcd/m2 2，白熾燈絲的亮度約，白熾燈絲的亮度約為為(300(300500)500)10104 4cd/mcd/m2 2，而普通熒光燈的亮度只有，而普通熒光燈的亮度只有(0.1(0.10.2)0.2)10104 4cd/mcd/m2 2。1.2.2 各物理量相互關(guān)系及其應(yīng)用各物理量相互關(guān)系及其應(yīng)用 一個(gè)點(diǎn)光源在被照面上形成的照度，可以從發(fā)光一個(gè)點(diǎn)光源在被照面上形成的照度，可以從發(fā)光強(qiáng)度和照度這兩個(gè)基本量之間的關(guān)系求出。強(qiáng)度和照度這兩個(gè)基本量之間的關(guān)系求出。 EIcos/r2

26、 E 被照面P點(diǎn)的照度 I電光源的發(fā)光強(qiáng)度 r被照面P點(diǎn)與光源的距離 被照面的法線與光線的夾角1.發(fā)光強(qiáng)度和照度的關(guān)系【例【例3】如圖所示，在繪圖桌上方懸掛了一】如圖所示，在繪圖桌上方懸掛了一個(gè)個(gè)40W的白熾燈，求燈下桌面點(diǎn)的白熾燈，求燈下桌面點(diǎn)1和點(diǎn)和點(diǎn)2處照處照度。度。圖圖7 710 10 點(diǎn)光源在繪圖點(diǎn)光源在繪圖 桌上的照度桌上的照度【解】設(shè)該白熾燈下方的發(fā)光強(qiáng)度為【解】設(shè)該白熾燈下方的發(fā)光強(qiáng)度為30cd30cd（視為點(diǎn)（視為點(diǎn)光源時(shí)光源時(shí)3503504427.9cd27.9cd），），按式按式 E EI Icoscos/r/r2 2 E E1 1I Icoscos/r/r1 12 23

27、030cos30cos30o o/2/22 2 6.5 lx6.5 lxE E2 2I Icos0cos0o o/r/r2 22 230301/(r1/(r1 1cos30cos30o o) )2 2 10 lx10 lx實(shí)際光源雖然實(shí)際光源雖然 不是一個(gè)點(diǎn)，但如果圓形光源的直徑小于距離的不是一個(gè)點(diǎn)，但如果圓形光源的直徑小于距離的1/51/5，或者線光源長(zhǎng)度小于距離的或者線光源長(zhǎng)度小于距離的1/41/4，可以把他看作電光源。，可以把他看作電光源。 照度等于該發(fā)光表面的亮度與該發(fā)光表面在測(cè)點(diǎn)形成的立體角在工作面上的投影的乘積。2.照度和亮度的關(guān)系cos LEL面光源的亮度；發(fā)光面光源在P點(diǎn)形成的

28、立體角；A面光源的面積；r面光源中心與工作面測(cè)點(diǎn)的距離；面光源中心法線與光源中心點(diǎn)和P點(diǎn)連線的夾角；被照面法線與光源中心點(diǎn)和P點(diǎn)連線的夾角；cos發(fā)光表面在P點(diǎn)上形成的立體角在工作面上的投影角如圖所示，設(shè)A為各方向亮度都相同的發(fā)光面，在它表面上取一微元面積dA。由于dA的尺寸和它距離被照面間的距離r相比，顯得很小，故可視為點(diǎn)光源。這樣，它在被照面上的P點(diǎn)處形成的照度為：dEIcos/r2 (a)圖圖714 照度和亮度的關(guān)系照度和亮度的關(guān)系A(chǔ)dArIcosA2PAcos以下推導(dǎo)過程不做要求以下推導(dǎo)過程不做要求由亮度和發(fā)光強(qiáng)度的關(guān)系可得出：ILdA cos (b)將式(b)代入式(a)得出：dEL

29、(dA cos cos)/r2 (c) 式中（ dAcos）/r2是以P為頂點(diǎn)，由dA所張的立體角d ，故式（c）可寫成：dELdcos 整個(gè)發(fā)光面A在P點(diǎn)形成的照度為： ELdcos 因光源在各方向的亮度相同，則： 這就是常用的立體角投影定律。它表示某一亮度為L(zhǎng)的發(fā)光表面在被照面上形成的照度，是這一發(fā)光表面的亮度L與該發(fā)光面在被照點(diǎn)上形成的立體角在被照面的投影(cos)的乘積。 這一定律表明：某一發(fā)光表面在被照面上形成的照度，僅和發(fā)光表面的亮度及其在被照面上形成的立體角有關(guān)，而和該發(fā)光表面面積的絕對(duì)值無關(guān)。 在圖中A和Acos的面積不同，但由于它們?cè)诒徽彰嫔闲纬傻牧Ⅲw角的投影線條，只要它們?cè)?/p>

30、被照面方向的亮度相同，那么，它們?cè)诒徽彰嫔闲纬傻恼斩染褪且粯拥?。立體角投影定律適用于光源尺寸相對(duì)于它與被照點(diǎn)距離較大時(shí)?！纠?】在側(cè)墻和屋頂上各有一個(gè)1m2的窗洞，它們與室內(nèi)桌子的相對(duì)位置見圖，設(shè)通過窗洞看見的天空亮度為1sb，試分別求出各窗洞在桌面上計(jì)算點(diǎn)P形成的照度（設(shè)桌面與窗臺(tái)等高）。例7圖 窗洞和計(jì)算點(diǎn)位置及尺寸【解】窗洞可視為一發(fā)光表面，其亮度等于透【解】窗洞可視為一發(fā)光表面，其亮度等于透過窗洞看見的天空亮度，在本例題中天空亮度過窗洞看見的天空亮度，在本例題中天空亮度為為1sb，即即104 cd/m2。按立體角投影定律：按立體角投影定律： 按側(cè)窗和天窗分別計(jì)算出它們?cè)谟?jì)算點(diǎn)按側(cè)窗和天

31、窗分別計(jì)算出它們?cè)谟?jì)算點(diǎn)P P上的照上的照度度側(cè)窗時(shí)：側(cè)窗時(shí)： 1 1cos/rcos/r2 2lxEw555243. 025. 497. 010000243. 025. 45 . 0cos25. 497. 05 . 02cos122天窗時(shí)：天窗時(shí)：lxEw2500141100001cos, 041，【例8】 已知某客廳的面積為4.4m5.6m24.64m2，該廳天花高為2.6m，正中裝有面積為1m1.5m1.5m2、亮度為1103cd/m2的槽燈，試求槽燈的正下方及四個(gè)墻角處的照度?！窘狻浚焊鶕?jù)題意，本題只需求出客廳地面正中以及任意一墻角處的照度即可，其尺寸如圖所示。例例8 圖圖按立體角投影

32、定律分別計(jì)算如下：（1）計(jì)算客廳正中點(diǎn)B的照度，該點(diǎn)離發(fā)光面中心點(diǎn)為2.6m，又由于它正對(duì)著發(fā)光面，因此0，0，所以：)(2226 . 2115 . 11000coscos221lxrSLEBcoscos2SLIrIEB(2)計(jì)算客廳墻角處點(diǎn)C的照度，如圖所示，該點(diǎn)到發(fā)光面中心的距離為：)(6 . 28 . 22 . 2222mr由于被照面與發(fā)光面互相平行，所以由于被照面與發(fā)光面互相平行，所以（如圖所示），下面計(jì)算如圖所示），下面計(jì)算coscos值：值：589692. 06 . 28 . 22 . 26 . 2cos222rh將各值代入立體角投影定律得墻角處的照將各值代入立體角投影定律得墻角處

33、的照度度E Ec c為：為：)(83.266 . 28 . 22 . 2589692. 0589692. 05 . 11000coscos22221lxrSLEc 本例計(jì)算結(jié)果表明，本例計(jì)算結(jié)果表明，地面正中點(diǎn)的照度地面正中點(diǎn)的照度與墻角的照度相差與墻角的照度相差7 7倍多倍多，就造成正中點(diǎn)的照，就造成正中點(diǎn)的照度很高（度很高（222lx222lx）而墻角的照度又很低而墻角的照度又很低（2727lxlx），），這是很不合理的。這里說明照明這是很不合理的。這里說明照明設(shè)計(jì)中的一個(gè)很重要的問題，就是進(jìn)行大房設(shè)計(jì)中的一個(gè)很重要的問題，就是進(jìn)行大房間的工作照明設(shè)計(jì)時(shí)間的工作照明設(shè)計(jì)時(shí)必須合理增加燈數(shù)必

34、須合理增加燈數(shù)，從，從而使房間各處的照度保持均勻否則就是一個(gè)而使房間各處的照度保持均勻否則就是一個(gè)不好的工作照明設(shè)計(jì)。不好的工作照明設(shè)計(jì)。 1.3 材料的光學(xué)性質(zhì) 借助于材料表面借助于材料表面反射的光反射的光或材料本身或材料本身透過的透過的光光，人眼才能看見周圍環(huán)境中的人和物。也可，人眼才能看見周圍環(huán)境中的人和物。也可以說，以說，光環(huán)境就是由各種反射與透射光的材料光環(huán)境就是由各種反射與透射光的材料構(gòu)成的。構(gòu)成的。 光在均勻介質(zhì)中沿直線傳播，它在空氣中的光在均勻介質(zhì)中沿直線傳播，它在空氣中的傳播速度接近傳播速度接近3 310108 8米米/ /秒（秒（3030萬公里萬公里/ /秒）。秒）。光在介

35、質(zhì)中的傳播 光在傳播過程中遇到新的介質(zhì)時(shí)，會(huì)發(fā)光在傳播過程中遇到新的介質(zhì)時(shí)，會(huì)發(fā)生反射、透射與吸收現(xiàn)象。一部分光通量生反射、透射與吸收現(xiàn)象。一部分光通量被介質(zhì)表面被介質(zhì)表面反射反射 ，一部分，一部分透過介質(zhì)透過介質(zhì) 。余下的一部分則被介質(zhì)余下的一部分則被介質(zhì)吸收吸收 ，根據(jù)能量，根據(jù)能量守恒定律，入射光通量（守恒定律，入射光通量（ ）應(yīng)等于上述三）應(yīng)等于上述三部分光通量之和：部分光通量之和： 圖115 光的反射、透射和吸收反射系數(shù) 透射系數(shù) 吸收系數(shù) 將反射光通量與入射光通量之商，定義為反射將反射光通量與入射光通量之商，定義為反射比（反射系數(shù)），以比（反射系數(shù)），以 表示：表示： / / 透射

36、光通量與入射光通量之商，定義為透射透射光通量與入射光通量之商，定義為透射比（透射系數(shù)），以比（透射系數(shù)），以表示：表示： / / 被吸收的光通量與入射光通量之商，定義為吸被吸收的光通量與入射光通量之商，定義為吸收比（吸收系數(shù)），以收比（吸收系數(shù)），以 表示：表示： / / 1 11、反射材料 反射光的分布形式有定向反射與擴(kuò)散反射兩大類。擴(kuò)散反射又可細(xì)分為定向擴(kuò)散反射、漫反射、混合反射等。1定向反射2定向擴(kuò)散反射3漫反射4、混合反射1定向反射 定向定向反射也叫鏡面反射，反射也叫鏡面反射，其特征是光線其特征是光線經(jīng)過反射之后仍按一定的方向傳播，立體角經(jīng)過反射之后仍按一定的方向傳播，立體角沒有變化。

37、沒有變化。 規(guī)則反射的規(guī)律為：規(guī)則反射的規(guī)律為： 入射光線與反射光線以及反射表面入射光線與反射光線以及反射表面的法線同處于一個(gè)平面內(nèi)；的法線同處于一個(gè)平面內(nèi)； 入射光與反射光分居法線兩側(cè)，入入射光與反射光分居法線兩側(cè)，入射角等于反射角（圖射角等于反射角（圖7 716)16)。 2、定向擴(kuò)散反射 擴(kuò)散反射保留了擴(kuò)散反射保留了定向定向反射的某些特性，反射的某些特性，即在產(chǎn)生規(guī)則反射的方向上，反射光最強(qiáng)，即在產(chǎn)生規(guī)則反射的方向上，反射光最強(qiáng)，但是反射光束被但是反射光束被“擴(kuò)散擴(kuò)散”到較寬的范圍到較寬的范圍（圖（圖7-16b7-16b），），圖716 反射光的分布型式a定向反射； b定向擴(kuò)散反射；c混

38、合反射； d均勻漫反射3、漫反射 漫反射的特點(diǎn)是反射光的分布與入射光方漫反射的特點(diǎn)是反射光的分布與入射光方向無關(guān)，在宏觀上沒有規(guī)則反射，反射光不規(guī)向無關(guān)，在宏觀上沒有規(guī)則反射，反射光不規(guī)則地分布在所有方向上。（圖則地分布在所有方向上。（圖7 716c16c）。）。 若反射光的光強(qiáng)分布與入射光的方向無關(guān)，若反射光的光強(qiáng)分布與入射光的方向無關(guān)，而且正好是切于入射光線與反射表面交點(diǎn)的一個(gè)而且正好是切于入射光線與反射表面交點(diǎn)的一個(gè)圓球，這種漫反射稱為均勻漫反射（圖圓球，這種漫反射稱為均勻漫反射（圖 7 71717）。）。其其反射光的最大發(fā)光強(qiáng)度在垂直于表面的法線方反射光的最大發(fā)光強(qiáng)度在垂直于表面的法線

39、方向向，其余方向的光強(qiáng)同最大光強(qiáng)有以下關(guān)系：，其余方向的光強(qiáng)同最大光強(qiáng)有以下關(guān)系：I II IN Ncoscos 漫反射材料表面亮度的簡(jiǎn)易式:EL4、混合反射 多數(shù)的材料表面兼有規(guī)則反射和漫反射多數(shù)的材料表面兼有規(guī)則反射和漫反射的特性，這稱為混合反射。的特性，這稱為混合反射。 光線通過介質(zhì)，這種現(xiàn)象稱為透射。材料的光線通過介質(zhì)，這種現(xiàn)象稱為透射。材料的透光性能不僅取決于它的透光性能不僅取決于它的分子結(jié)構(gòu)分子結(jié)構(gòu)，還同它的，還同它的厚厚度度有關(guān)。非常厚的玻璃或水將是不透明的，而一有關(guān)。非常厚的玻璃或水將是不透明的，而一張極薄的金屬膜或許是透光的，至少可以是半透張極薄的金屬膜或許是透光的，至少可以是半透光的。光的。材料透光性還與光的材料透光性還與光的入射方向入射方向有關(guān)。有關(guān)。二、透射 材料透射光的分布型式也可分為規(guī)則透射、定向擴(kuò)散透射、漫透射和混合透射四種（見圖7-18）。 透明材料屬于規(guī)則透射，在入射光的背側(cè)