建筑光学基本知识.docx

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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555nm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m和两个辐通量之比，定义为波长的单色光的光谱光视效率（也称视见函数），以V（）表示。

m选在最大比值等于1处,即＝555时，V（）＝l，其他波长V（）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＝507nm的蓝绿光最为敏感。

按照这种特定光环境条件确定的V（）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（）函数导出：

=Km∫e，V（）dlm

式中：

V（）：

CIE标准光度观测者明视觉光谱光视效率；：

光通量，lm；e，：

波长为的单色辐射能通量，W；Km——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（）的最大值在Km＝555nm处。

Km＝683lm／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＝d/d单位cd＝S/r2

如果在有限立体角对内传播的光通量是均匀分布的，上式可写成:

I＝/

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d，该面元的面积为dA，则

E＝d/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＝/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＝/A。

而＝I（其中＝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。

Lθ=dIθ/dAcosθcd/m2

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/cd/m2；

1熙提（sb）＝104cd/m2；l朗伯（L）＝104/cd/m2；

l英尺朗伯（fL）＝3．426cd/m2

3、亮度与照度关系：

E＝Lαcosθ

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ρ，一部分透过介质τ。

余下的一部分则被介质吸收α，根据能量守恒定律，入射光通量（i）应等于上述三部分光通量之和：

i＝ρ＋τ＋α

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），以表示：

＝/i；透射光通量与入射光通量之商，定义为透射比（透射系数），以τ表示：

τ＝τ/i；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：

＝/i＋τ＋＝1

3、反射：

辐射由一个表面返回，组成辐射的单色分量的频率没有变化。

4、规则反射也叫镜面反射，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：

入射光线与反射光线以及反射表面的法线同处于一个平面内；入射光与反射光分居法线两侧，入射角等于反射角。

5、定向扩散反射：

扩散反射保留了规则反射的某些特性，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。

6、漫反射：

特点是反射光的分布与入射光方向无关，在宏观上没有规则反射，反射光不规则地分布在所有方向上。

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。

其反射光的最大发光强度在垂直于表面的法线方向，其余方向的光强同最大光强有以下关系：

Iθ＝Io·cosθcd（Iθ---反射光与表面法线夹角为方向的光强，cd；Io---反射光在反射表面法线方向的最大光强，cd）

7、混合反射：

多数的材料表面兼有规则反射和漫反射的特性。

8、透射：

光线通过介质，组成光线的单色分量频率不变。

9、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。

透明材料属于规则透射，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。

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，其透光性能则近于混合透射。

10、折射：

光在透明介质中传播，当从密度小的介质进入密度大的介质时，光速减慢；反之，光速加快。

由于光速的变化而造成光线方向的改变，这就是折射。

规律：

入射线、折射线与分界面的法线同处于一个平面内，且分居于法线的两侧；入射角正弦和折射角正弦的比值，对确定的两种介质来说，是一个常数。

11、色散：

当一束白光通过折射棱镜时，由于组成白光的单色光频率不同，则因折射而分离成各种颜色。

第四节视度及其影响因素

视度：

观看物体的清除程度。

影响因素：

亮度阈限；物体的相对尺寸；对比；识别时间；避免眩光。

1、零度阈限：

对于在眼中长时间出现的大目标，视觉阈限亮度为10-6cd／m2。

在呈现时间少于0.1秒，视角不超过1°的条件下，其视觉阈限值遵守里科定律，即亮度×面积＝常数。

视觉可以忍受的亮度上限约为106cd/m2

2、物件的相对尺寸：

凭借视觉器官辨认目标或细节的敏锐程度，叫视觉敏脱度，医学上也叫视力。

在数量上，视觉敏锐度等于刚能分辨的视角的倒数，即:

V=1/min物体大小（或其中某细节的大小）对眼睛形成的张角，叫做视角。

H/D

3、亮度对比：

是视野中目标和背景的亮度差与背景（或目标）亮度之比，符号为CC=｜Lo-Lb｜/LbLo—目标亮度，一般面积较小的为目标，cd/m2；Lb—背景亮度，面积较大的部位做背景，cd/m2。

对于均匀照明的无光泽的背景和目标（均匀漫反射材料），亮度对比可用反射比表示：

C=｜ρo-ρb｜/ρbo——目标反射比；b——背景反射比。

4、识别时间：

眼睛观看物体时，满足：

亮度×时间＝常数当出现环境亮度变化过大的情况时，应考虑在其间设置必要的过渡空间。

在需要人眼变动注视方向的工作场所，环境亮度宜设置均匀。

5、避免眩光：

在视野中由于不适宜亮度分布，或在空间或时间上存在着极端的亮度对比，以致引起视觉不舒适和降低物体可见度的视觉条件。

失能眩光：

降低视觉功效和可见度的眩光。

不舒适眩光：

只有不舒适感觉的眩光。

从形成眩光的过程来分：

直接眩光：

由视野中的高亮度或未曾充分遮蔽的光源所产生，可避开。

反射眩光：

由视野中的光泽表面的反射所产生，不可避开。

6、控制直接眩光的措施：

A限制光源亮度（当光源亮度超过16sb时，不管亮度对比如何，均会产生严重的眩光现象）B增加眩光源的背景亮度，减少二者之间的亮度对比。

C减小形成眩光的光源视看面积.D尽可能增大眩光源的仰角（当眩光源的仰角小于27°时，眩光影响就很显著；而当眩光源的仰角大于45°时，眩光影响就大大减少了）E

7、控制反射眩光的措施：

A尽量使视觉作业的表面为无光泽表面，以减弱镜面反射而形成的反射眩光；B应使视觉作业避开和远离照明光源同人眼形成的镜面反射区域；C使用发光表面面积大、亮度低的光源；D使引起镜面反射的光源形成的照度在总照度中所占比例减少，从而减少反射眩光的影响。

第五节颜色

A颜色的基本特性

1、颜色的形成：

颜色来源于光。

色觉：

人眼这种具有感知颜色的能力。

2、光源的各单色辐射功率，按波长的相关分布称作光源的光谱功率分布（或称光谱能量分布），它决定着光的色表和显色性能。

3、物体色：

物体对光源的光谱辐射有选择地反射或透射对人眼所产生的感觉。

物体色决定于物体表面的光谱反射率。

光源的光谱组成对于显色也是至关重要的。

B颜色分类和属性

1、颜色：

有彩色、无彩色。

任何一种有彩色的表观颜色，按照三个独立的主观属性分类描述，这就是：

色调、明度彩度（也叫饱和度）。

2、色调是各彩色彼此区分的特性。

明度是指颜色相对明暗的特性。

彩度指的是彩色的纯洁性。

可见光谱的各种单色光彩度最高。

3、无彩色指白色、黑色和中间深浅不同的灰色，它们只有明度的变化，没有色调和彩度的区别。

当物体表面的光反射比都在80～90％以上时，该物体为白色；当物体表面的光反射比均在4％以下时，该物体为黑色。

C颜色混合

1、人眼能够感知和辨认的每一种颜色都能用红、绿、蓝三种颜色匹配出来。

但是，这三种颜色中无论哪一种都不能由其它两种颜色混合产生。

因此，将红（700nm）、绿（546.1nm）、蓝（435.8nm）称为三原色。

2、颜色相加混合规律：

a凡两种颜色按适当比例混合能产生白色或灰色，这两种颜色称为互补色，b非互补色的任何两种颜色混合，可以产生中间色。

c表观颜色相同的光，不管其光谱组成是否相同，在颜色相加混合中具有同样的效果。

例如颜色A=颜色B，颜色C=颜色D，那么颜色A十颜色C＝颜色B十颜色Dd由几个颜色光组成的混合色的亮度，是各颜色光亮度的总和。

3、彩色涂料的混合（相减混合）：

彩色涂料对于光的选择反射是颜色相减的过程。

颜色的三原色：

青、品红和黄。

4、当两种颜料混合或两个滤光片重合时，有重叠相减的效果，并且相减混合得到的颜色总要比原有的颜色暗一些。

二、颜色的定量

ACIE1931标准色度系统

1、这一系统的特点是用严格的数学方法来计算和规定颜色。

使用这一系统，任何一种颜色都能用两个色坐标在色度图上表示出来。

2、CIE标准色度系统事实根据:

a任何一种光的颜色都能用红、绿、蓝三原色的光匹配出来；b大多数人具有非常相似的颜色视觉。

3、“CIE1931标准色度观察者光谱三刺激值”，以符号x（λ）、y（λ）、z（λ）表示。

它们分别代表匹配各波长纯光谱色所需要的红、绿、蓝三原色的量。

若想获得某一波长（λ）的光谱，可从曲线或数表中查得相应的x（λ）、y（λ）、z（λ）三刺激值，按x（λ）、y（λ）、z（λ）数量的红、绿、蓝设想原色相加，便能得到该光谱色。

4、X=k∑Ф（）x（）；Y=k∑Ф（）y（）；Z=k∑Ф（）z（）

X、Y、Z：

某光源色三刺激值；Ф（）—波长间隔为的光通量；x（）、y（）、z（）—CIE标准色度观察者光谱三刺激值；k—调整因数，它是一个任意常数。

5、颜色的色坐标分别是每一刺激值在三刺激值总和中所占的比例，以x、y、z表示。

于是X=X/X+Y+ZY=Y/X+Y+ZZ=Z/X+Y+Z

6、物体色计算时必须先选择一种光源或选一种标准照明体，因为在不同照明条件下，物体色会发生变化，色坐标也就有所不同。

此外，还需要知道物体的光谱反射比，或光谱透射比（用于透光材料），或物体的辐亮度因数（用于光泽表面）。

计算物体色三刺激值时，其Ф（）按下式计算：

φ（）=ρ（）s（λ）；φ（）=β（）s（）；φ（）=τ（）s（）其中的s（）是所选光源或照明体的相对光谱功率分布。

7、x色坐标相当于红原色的比例，y色坐标相当于绿原色的比例。

图上的马蹄形曲线是单一波长的光谱色轨迹，标注了相应的波长。

连接400nm与700nm的由紫到红的直线是光谱上没有的颜色。

凡物理上能够实现的颜色，都在这个马蹄形内占有位置。

8、色度图的中心E点是等能白光，由三原色各1／3组成，其色坐标为xe=ye=ze=0.3333在色度图上，一种颜色的坐标点距光谱轨迹愈近，距E点愈远，它的彩度愈高，颜色愈纯；反之，距E点愈近，彩度愈低，颜色愈淡。

9、将颜色坐标点与E点连直线并延长至光谱轨迹上．其交点即这种颜色的主波长，由主波长可以判断出它的色相．此外，通过E点画任一直线与曲线得两支点，两点指示的颜色为互补色。

B孟塞尔表色系统

1、表色系统按颜色的三个基本属性：

色调（H），明度（V）和彩度（C）对颜色进行分类与标定。

2、中央轴代表无彩色（中性色）明度等级，理想白色为10，理想黑色为0，共有感觉上等距离的11个等级。

颜色样品离开中央轴的水平距离，代表彩度的变化。

中央轴上的彩度为0，离开中央轴愈远，彩度愈大。

3、颜色的表示方法：

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：

HV/C＝色调明度/彩度（标号为10Y8/12的颜色，，明度值为8，彩度12。

无彩色用N表示，只写明度值，斜线后不写彩度）

4、孟塞尔明度值与光反射比有对应的关系。

它们的换算近似公式为：

＝V（V—1）/100（明度值为9的一块颜色，其反射比约等于＝9（9-1）/100＝0.72）

5、光源颜色：

在光环境设计实践中，照明光源的颜色质量常用两个性质不同的术语来表征：

a光源的色表：

灯光的表现颜色b光源的显色性：

灯光对它照射的物体颜色的影响作用。

6、光源的色表：

在照明应用领域里，常用色温定量描述光源的色表。

当一个光源的颜色与完全辐射体（黑体）在某一温度时发出的光色相同时，完全辐射体的温度就叫做此光源的色温（Tc），单位K（绝对温度）。

完全辐射体也称黑体，它是既不反射，也不透射，但它是能把投射在它上面的辐射全部吸收的物体。

黑体加热到高温便产生辐射；黑体辐射的光谱功率分布完全取决于它的温度。

7、不同温度下黑体辐射的色坐标点连成一条曲线，画在CIE色度图上，叫做黑体轨迹或普朗克轨迹。

8、相关色温：

非热辐射光源（如荧光灯、高压钠灯），它们的光谱功率分布形式与黑体辐射相差甚大，其色坐标点不一定落在黑体轨迹线上，而常常在这条线的附近。

严格地说，不应当用色温来描述这类光源的色表；但是允许用与某一温度黑体辐射最接近的颜色来近似地确定这类光源的色混，称为相关色温，以符号Tcp表示。

9、相关色温用的等温线：

凡色坐标点位于黑体轨迹附近的光源，都可以自色坐标点沿着与最接近的等温线相平行的方向引一直线，此直线与黑体轨迹线交点的温度就是该光源的相关色温。

10、光源的显色性：

物体色随不同照明条件而变化。

物体在待测光源下的颜色同它在参照光源下的颜色相比的符合程度，定义为待测光源的显色性。

参照光源是我们相信它能呈现出物体“真实”颜色的光源。

一般公认中午的日光是理想的参照光源。

11、实际上，日光的光谱组成在一天中有很大的变化，但是这种大幅度的变化被人眼的颜色适应补偿了，所以我们觉察不到物体颜色的相应变化。

因此，以日光作为评定人工照明光源显色性的参照光源还是合理的，唯一的前提条件是两者的色温要相近。

11、CIE及我国规定相关色温低于5000K的待测光源以完全辐射体做为参照光源，它与早晨或傍晚时日光的色温相近；色温高于5000K的待测光源以组合昼光做为参照光源，它相当于中午的日光。

12、光源显色的优劣以显色指数定量评定，包括一般显色指数（Ra）与特殊显色指数（Ri）两组数据。

Ra的确定方法：

是以选定的一套共8个有代表性的色样在待测光源与参照光源下逐一进行比较，确定每种色样在两种光源下的色差Ei，然后按照约定的定量尺度，计算每一色样的显色指数：

Ri=100一4.6Ei一般显色指数则是8个色样显色指数的算术平均值。

13、一般人工照明光源只用Ra做为评价显色性的指标就够了。

在需要考察光源对特定颜色的显色性能时，尚可引用另外规定的7种色样中的一种或数种做为特殊显色指数评价指标．这7种检验色样分别是深红、深黄、深绿、深蓝、白种人肤色、叶绿色、中国女性肤色。

14、显色指数的最大值定为100。

一般认为Ra在100～80范围内，显色性优良；Ra＝79～50显色性一般；Ra＜50显色性较差。