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2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识1河北工程大学建筑学院河北工程大学建筑学院孙凤明孙凤明2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识2第二篇第二篇 建筑光学建筑光学 建筑光学基本知识建筑光学基本知识 天然采光天然采光 建筑照明建筑照明2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识3序序 言言 人类的生活时时刻刻离不开光。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；人从外界获得的信他周围的环境；人从外界获得的信息约有息约有80%80%来自光和视觉。所以，无来自光和视觉。所以，无论是白天还是晚间，舒适的光环境论是白天还是晚间，舒适的光环境对任何人都是至关重要的。对任何人都是至关重要的。2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识4一、光环境一、光环境 光环境（光环境（Luminous environmentLuminous environment）的内涵很广，它指的是由光（照度水的内涵很广，它指的是由光（照度水平和分布，照明的形式和颜色）与颜平和分布，照明的形式和颜色）与颜色（色调，色饱和度，室内颜色分布，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。有关的生理和心理环境。2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识5二、光环境设计运用学科 光环境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。2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识6三、本课重点 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。2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识7第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识第一节第一节 眼睛与视觉眼睛与视觉第二节第二节 基本光度单位及应用基本光度单位及应用第三节第三节 材料的光学性质材料的光学性质第四节第四节 视度及其影响因素视度及其影响因素第五节第五节 颜色颜色2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识8 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的这部分辐射才能引起光视觉，称为可见光（简称光），见图70所示。 波长短于380nm的是紫外线、x射线、射线、宇宙线；长于780nm的有红外线、无线电波等等。2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识9图图70 太阳辐射的电磁波太阳辐射的电磁波2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识10第一节第一节 眼睛与视觉眼睛与视觉眼睛眼睛视觉视觉视野视野颜色感觉颜色感觉光谱光效率光谱光效率2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识11一、眼睛一、眼睛 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71是人的右眼剖面图。2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识12（3 3）视网膜）视网膜 光线经过瞳孔、光线经过瞳孔、水晶体在视网膜上聚焦成清水晶体在视网膜上聚焦成清晰的影像。视网膜是眼睛的晰的影像。视网膜是眼睛的视觉感受部分，类似照相机视觉感受部分，类似照相机中的胶卷。视网膜上布满了中的胶卷。视网膜上布满了感光细胞锥状和杆状感感光细胞锥状和杆状感光细胞。光线射到它们上面光细胞。光线射到它们上面就产生神经冲动，传输至视就产生神经冲动，传输至视神经，再传至大脑产生视觉神经，再传至大脑产生视觉感觉。感觉。图图71 右眼剖面图右眼剖面图 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 2）水晶体）水晶体 为一扁球为一扁球形的弹性透明体，它受睫形的弹性透明体，它受睫状肌收缩或放松的控制，状肌收缩或放松的控制，使其形状改变，从而改变使其形状改变，从而改变其屈光度，使远近不同的其屈光度，使远近不同的外界景物都能在视网膜上外界景物都能在视网膜上成清晰的影像。它起照相成清晰的影像。它起照相机的透镜的作用，不过水机的透镜的作用，不过水晶体具有自动聚焦功能。晶体具有自动聚焦功能。 （4 4）感光细胞）感光细胞 它们它们处在视网膜最外层上，接受处在视网膜最外层上，接受光刺激，并转换为神经冲动。光刺激，并转换为神经冲动。两种感光细胞在视网膜上的两种感光细胞在视网膜上的分布是不均匀的：分布是不均匀的：锥状细胞锥状细胞主要集中在视网膜的中央部主要集中在视网膜的中央部位，称为位，称为“黄斑黄斑”的黄色区的黄色区域。黄斑区的中心有一小凹，域。黄斑区的中心有一小凹，称称“中央窝中央窝”；在这里锥状；在这里锥状细胞密度达到最大；在黄斑细胞密度达到最大；在黄斑区以外区以外, ,锥状细胞的密度急剧锥状细胞的密度急剧下降。下降。与此相反，在中与此相反，在中央窝处几乎没有央窝处几乎没有杆状细胞杆状细胞，自中，自中央窝向外，其密央窝向外，其密度迅速增加，在度迅速增加，在离中央窝离中央窝2020附近附近密度达到最大，密度达到最大，然后又逐渐减少。然后又逐渐减少。感光细胞在视网感光细胞在视网膜上的分布情况膜上的分布情况见图见图7 72 2。2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识13图图7 72 2 二中感光细胞在视网膜上的分二中感光细胞在视网膜上的分布情况布情况2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识14 杆状细胞对于光非常敏感，但杆状细胞对于光非常敏感，但是不能分辨颜色。在眼睛能够感光是不能分辨颜色。在眼睛能够感光的亮度阈限（约为的亮度阈限（约为10106 6cdcdm m2 2）到）到0.03cd/m0.03cd/m2 2左右的亮度水平，主要是左右的亮度水平，主要是杆作细胞起作用，称为杆作细胞起作用，称为暗视觉暗视觉。在。在暗视觉条件下，景物看起来总是模暗视觉条件下，景物看起来总是模糊不清、灰茫茫一片。糊不清、灰茫茫一片。2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识15 锥状细胞对于光不甚敏感，在亮度高于锥状细胞对于光不甚敏感，在亮度高于3cd/m3cd/m2 2的水平时，锥状细胞才充分发挥作用，这的水平时，锥状细胞才充分发挥作用，这时称为时称为明视觉明视觉。锥状细胞有辨认细节和分辨颜色。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。的室内照明，都是按明视觉条件设计的。 当适应亮度处在当适应亮度处在0.030.033cd/m3cd/m2 2之间时，眼睛之间时，眼睛处于明视觉和暗视觉的中间状态，称为处于明视觉和暗视觉的中间状态，称为中间视觉中间视觉。一般道路照明的亮度水平，相当于中间视觉的。一般道路照明的亮度水平，相当于中间视觉的条件。条件。2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识16二、视觉视觉形成的过程可分解为四个阶段；视觉形成的过程可分解为四个阶段；1 1光源（太阳或灯）发出光辐射；光源（太阳或灯）发出光辐射；2 2外界景物在光照射下产生颜色、明暗和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；形体的差异，相当于形成二次光源；2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识173二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；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。 2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识18三、视野三、视野 当头和眼睛不动时，人眼能察觉到的当头和眼睛不动时，人眼能察觉到的空间范围叫视野（图空间范围叫视野（图7 73 3）。单眼的综）。单眼的综合视野（单眼视野），在垂直方向的角合视野（单眼视野），在垂直方向的角度约度约130130，水平方向约，水平方向约180180。2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识19图7-3 视野范围2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识20 两眼同时能看到的视野（双眼视野）较小一些，约占总视野中120的范围。视线周围11.5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。2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识21四、颜色感觉 不同波长的光在视觉上形成不同的颜色 例如700nm的光呈红色，580nm呈黄色，470nm呈蓝色。见下表。2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识22光谱颜色中心波长及范围2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识232022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识24单色光与复色光 单一波长的光呈现一种颜色，称为单色光。日光和灯光都是由不同波长的光混合而成的复色光，它们呈白色或其他颜色。2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识25 将复色光中各种波长辐射的相对功率量值按对应波长排列联结起来，就形成该复色光的光谱功率分布曲线，它是光源的一个重要物理参数。光源的光谱组成不但影响光源的表观颜色，而且决定被照物体的显色效果。2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识26五、光谱光效率五、光谱光效率 人眼对不同波长单色光的视亮度感受性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。也不一样，这是光在视觉上反映的另一特征。在光亮的环境中（适应亮度在光亮的环境中（适应亮度3cd/m3cd/m2 2），辐），辐射功率相等的单色光看起来以波长射功率相等的单色光看起来以波长555 nm555 nm的的黄绿光最明亮，并且明亮程度向波长短的紫黄绿光最明亮，并且明亮程度向波长短的紫光和长波的红光方向递减。光和长波的红光方向递减。2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识27 国际照明委员会国际照明委员会(CIE(CIE）根据大量的实验）根据大量的实验结果，将视亮度感觉相等的波长为结果，将视亮度感觉相等的波长为 m m和和 两两个辐通量之比，定义为波长个辐通量之比，定义为波长 的单色光的光的单色光的光谱光视效率（也称视见函数），以谱光视效率（也称视见函数），以V V（ ）表）表示。示。 m m选在最大比值等于选在最大比值等于1 1处处, ,即即 555555时，时，V V（ ）l l，其他波长，其他波长V V（ ）均小于）均小于1 1（见图（见图7 75 5）。）。这就是明视觉光谱光视效率这就是明视觉光谱光视效率。在较。在较暗的环境中（适应亮度暗的环境中（适应亮度0.03cd/m0.03cd/m2 2时），时），人的视亮度感受性发生变化，以人的视亮度感受性发生变化，以 507nm507nm的的蓝绿光最为敏感。按照这种特定光环境条件蓝绿光最为敏感。按照这种特定光环境条件确定的确定的V V（ ）函数称为）函数称为暗视觉光谱光视效率暗视觉光谱光视效率（图（图7 75 5）2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识28图图75 光谱光视效率光谱光视效率实线一明视觉；虚线一暗视觉实线一明视觉；虚线一暗视觉2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识29第二节 基本光度单位及应用 光通量 发光强度 照度 发光强度和照度的关系 亮度 照度和亮度的关系2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识30一、光通量一、光通量( (luminous luminous flux)(flux)( or F) or F) 光通量是按照国际约定的人眼视觉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）。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根据这一定义，光通量可以由辐射通量及及V(V( ) )函数导出：函数导出： =K=Km m e e， V(V( ) d) d lm lm2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识31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。2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识32 光视效能光视效能K K是描述光和辐射之间关系的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量，它是与单位辐射通量相当的光通量（K Kv v/ / e e ）。但是，）。但是，K K值是随光的波值是随光的波长而变化的，长而变化的，K K（ ) )的最大值在的最大值在K Km m555nm555nm处。根据一些国家权威实验室的测量结果，处。根据一些国家权威实验室的测量结果，19771977年国际计量委员会决定采用年国际计量委员会决定采用K Km m683 683 lmlmW W。2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识33 光通量的单位是流明，符号为光通量的单位是流明，符号为 lmlm。在。在国际单位制和我国规定的计量单位中，它国际单位制和我国规定的计量单位中，它是一个导出单位。是一个导出单位。l l流明是发光强度为流明是发光强度为1 1坎坎德拉的均匀点光源在德拉的均匀点光源在1 1球面度立体角内发出球面度立体角内发出的光通量。的光通量。2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识34 在照明工程中，常用光通量表示一在照明工程中，常用光通量表示一光源发出光能的多少，它是光源的一个光源发出光能的多少，它是光源的一个基本参数。例如，一只基本参数。例如，一只40W40W白炽灯发出白炽灯发出350lm350lm的光通量；一只的光通量；一只40W40W荧光灯发出荧光灯发出2200lm2200lm的光通量，比白炽灯多的光通量，比白炽灯多5 5倍多。倍多。2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识35已知低压钠灯发出波长为已知低压钠灯发出波长为589nm589nm的单的单色光，设其辐射通量为色光，设其辐射通量为10.3W,10.3W,试计算它发出试计算它发出的光通量。的光通量。【解】从光谱光效率曲线明视觉（实线）中【解】从光谱光效率曲线明视觉（实线）中可查出，对应于波长可查出，对应于波长589nm589nm的的V V（ ）0.780.78，则该单色光源发出的光通量为：则该单色光源发出的光通量为： 58958968368310.310.30.780.785487 lm5487 lm2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识36【例2】已知500W汞灯的各单色辐射通量值见下表，试计算其光通量。【解】500W汞灯发出的各波长的波长值列于下表中第一栏，相应的单色辐射通量列于表中第二栏。从光谱光效率曲线V()图中查出其相对光谱光效率值,分别列于表中第三栏的各行。将二、三栏数值代入计算，即得各单色光通量值，列于第四栏。最后将其总和，得光通量为15611 lm。2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识37【例2】的计算表波长（nm）单色辐射通量e(W)相对光谱光效率V( )(lm)3652.2 4064.0 0.0007 1.9 4368.4 0.0180 103.3 54611.5 0.9840 7728.8 57812.8 0.8890 7772.0 6910.9 0.0076 4.7 总计39.8 15610.7 2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识38二、发光强度二、发光强度(luminous intensity)(luminous intensity) 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。Id/d cd2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识39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/ cd式中的为立体角。其概念在图76中说明。2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识40 以任一锥体顶点以任一锥体顶点O O为为球心，任意长度球心，任意长度r r为半径为半径作一球面，被锥体截取作一球面，被锥体截取的一部分球面面积为的一部分球面面积为S S，则此锥体限定的立体角则此锥体限定的立体角 为：为： S/rS/r2 2立体角的单位是球面度（符号立体角的单位是球面度（符号SrSr）。当）。当S Sr r2 2， 1Sr1Sr。因为球的表面积为。因为球的表面积为4 4 r r2 2，所以立，所以立体角的最大数值为体角的最大数值为4 4 球面度。球面度。图图76 立体角定义立体角定义2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识41 发光强度的单位是坎德发光强度的单位是坎德拉拉(Candela(Candela），符号），符号cdcd。在。在数量上数量上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=1lmSrSr) )。 坎德拉是我国法定单位制坎德拉是我国法定单位制与国际与国际SISI制的基本单位之一，制的基本单位之一，其他光度量单位都是由坎德其他光度量单位都是由坎德拉导出的，坎德拉定义如下拉导出的，坎德拉定义如下：“一个光源发出频率为一个光源发出频率为540 540 10101212HzHz的单色辐射，若在一的单色辐射，若在一定方向上的辐射强度为定方向上的辐射强度为1/683W1/683WSrSr，则光源在该方，则光源在该方向上的发光强度为向上的发光强度为lcdlcd”。图图77 发光强度的概念发光强度的概念2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识42 发光强度常用于说明光源和照明灯具发出的光通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，量在空间各方向或在选定方向上的分布密度。例如，一只一只4040瓦白炽灯泡发出瓦白炽灯泡发出350350流明光通量，它的平均光流明光通量，它的平均光强为强为350/4350/4 = =28cd28cd。在裸灯泡上面装一盏白色搪瓷平。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盘灯罩，灯的正下方发光强度能提高到707080cd80cd。在后一种情况下，灯泡发出的光通量并没有变化，在后一种情况下，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。只是光通量在空间的分布更为集中了。2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识43三、照度三、照度(illuminance(illuminance) ) 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 Ed/ 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/A2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识44 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 1lx1lmm2 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200300 lx；月光下的照度只有几个1x。2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识45照度可以直接相加如果房间里有照度可以直接相加如果房间里有4 4盏灯，它盏灯，它们对桌面上们对桌面上A A点的照度分别为点的照度分别为E El l、E E2 2、E E3 3、E E4 4则则A A点总照度等于各个照度值之和，写成通用点总照度等于各个照度值之和，写成通用的表达式就是的表达式就是 E=E=E Ei i lx lx（1 13 3）2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识46四、发光强度和照度的关系四、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，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可以从发光强度和照度这两个基本量之间的关系求出。间的关系求出。 图图7 78 8表示表面表示表面A A1 1 、A A2 2、 A A3 3 距点光距点光源源O O的距离分别为的距离分别为r r、2r2r、3r3r，它们在点，它们在点光源处形成的立体角相同，则表面光源处形成的立体角相同，则表面A A1 1 、A A2 2、 A A3 3的面积比为它们距光源的距离平的面积比为它们距光源的距离平方比，即方比，即1 1：4 4：9 9。2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识47r 2r 3rOA1A2A3图图78 点光源形成照度的概念点光源形成照度的概念2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识48 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： EI/r22022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识49 上式表明，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。 以上所讲的是指光线垂直入射到被照表面，即入射角为0的情况。当入射角不等于0，如图79示的情况。这时，表面A1的法线与入射光线成角，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。则2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识50A1A2图图79 不同平面上形成的照度不同平面上形成的照度2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识51A1A2/ cos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：EIcos/r2这就是表述点光源在任何表面上形成的照度普遍公式。2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识52【例【例3】如图所示，在绘图桌上方悬】如图所示，在绘图桌上方悬挂了一个挂了一个40W的白炽灯，求灯下桌的白炽灯，求灯下桌面点面点1和点和点2处照度。处照度。图图7 710 10 点光源在绘图点光源在绘图 桌上的照度桌上的照度2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识53【解】设该白炽灯下方的发光强度为【解】设该白炽灯下方的发光强度为30cd30cd（视为点光源时（视为点光源时3503504427.9cd27.9cd），按式），按式 E EI Icoscos/r/r2 2E E1 1I Icoscos/r/r1 12 23030cos30cos30o 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同样的方法计算书上的例题同样的方法计算书上的例题7 73 3。2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识54五、亮度五、亮度(luminance)(luminance) 光源或受照物体反射的光线进入眼睛，在视网膜上成象，使我们能够识别它的形状和阴暗。视觉上的明暗知觉取决于进入眼睛的光通量在视网膜物象上的密度物象的照度。这说明，确定物体的阴暗要考虑两个因素：2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识55 物体（光源或受照体）在指定方向上的投影面积这决定物象的大小； 物体在该方向上的发光强度这决定物象上的光通量密度。 根据这两个条件，我们可以建立一个新的光度量亮度。2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识56 应当注意，光亮度常常是各方向不同，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有限表面的光亮度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。时需要指明方向。cosdAdIL 光亮度是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。cd/mcd/m2 22022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识57图图711 亮度概念亮度概念2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识58 上面定义的光亮度是一个物理量，它与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。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。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，物体明暗在视觉上于眼睛适应环境亮度，物体明暗在视觉上的直观感受就可能比它的物理光亮度高一的直观感受就可能比它的物理光亮度高一些或低一些。些或低一些。2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识59我们把直观看去一个物体表面发光的属性称为“表观亮度表观亮度”（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。2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识60图图712 物理亮度与表观亮度的关系物理亮度与表观亮度的关系2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识61 光亮度简称亮度。它的法定单位是坎德拉每平光亮度简称亮度。它的法定单位是坎德拉每平方米（方米（cd/mcd/m2 2）。在照明工程应用中，亮度的单位繁）。在照明工程应用中，亮度的单位繁多，常用单位与多，常用单位与lcd/mlcd/m2 2的换算关系如下：的换算关系如下： l l尼特（尼特（ntnt）lcd/mlcd/m2 2 l l阿熙提（阿熙提（asbasb) )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（英尺朗伯（fLfL）3 3426 cd/m426 cd/m2 2 太阳的亮度达太阳的亮度达2 210109 9cd/mcd/m2 2，白炽灯丝的亮度约，白炽灯丝的亮度约为为(300(300500)500)10104 4cd/mcd/m2 2，而普通荧光灯的亮度只有，而普通荧光灯的亮度只有(0.1(0.10.2)0.2)10104 4cd/mcd/m2 2。2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识62【例4】已知40W荧光灯管的长度为1.15m，灯管直径为32mm，它发出2200lm的光通量，求灯管的表面亮度。【解】设灯管的表面亮度是均匀的，根据灯管的尺寸求出其表面积为：ADL=3.141590.0321.15=0.1156由于：I=/2200/4=175(cd)代入公式得：)/(8 .151311156. 0175cos2mcdAIL2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识63【例5】已知200W白炽灯发出2920lm的光通量，如外加一个直径为250mm的乳白玻璃球形灯罩，设乳白玻璃的透光系数为0.6，求灯罩的表面亮度。【解】设灯罩的表面亮度是均匀的，根据灯罩的尺寸求出其表面积为：AD23.141590.2520.19635(m2)由于：I=/29200.6/4=139.4(cd)代入公式得：)/(710119635. 04 .139cos2mcdAIL2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识64【例6】如图713，一长条形嵌入式灯具的发光面积为0.251.25m2，在45o方向上的发光强度I45o600cd，求该方向上的亮度。【解】根据亮度的定义0.25m45oI45o图图713 例题例题6图图cosdAdIL代入公式代入公式2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识65即该灯具按即该灯具按45o方向上的亮度为方向上的亮度为273cd/m2。24545/27322. 060045cos25. 125. 0mcdIL2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识66六、照度和亮度的关系六、照度和亮度的关系 照度和亮度的关系是指光源亮度和它所形成的照度间的关系。2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识67如图所示，设A为各方向亮度都相同的发光面，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：dEIcos/r2 (a)图图714 照度和亮度的关系照度和亮度的关系AdArIcosA2PAcos2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识68由亮度和发光强度的关系可得出：ILdA cos (b)将式(b)代入式(a)得出：dEL(dA cos cos)/r2 (c) 式中（ dAcos）/r2是以P为顶点，由dA所张的立体角d ，故式（c）可写成：dELdcos2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识69 整个发光面A在P点形成的照度为： ELdcos 因光源在各方向的亮度相同，则： 这就是常用的立体角投影定律。它表示某一亮度为L的发光表面在被照面上形成的照度，是这一发光表面的亮度L与该发光面在被照点上形成的立体角在被照面的投影(cos)的乘积。2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识70 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Acos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。2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识71【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 窗洞和计算点位置及尺寸2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识72【解】窗洞可视为一发光表面，其亮度等于【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亮度，在本例题中天空透过窗洞看见的天空亮度，在本例题中天空亮度为亮度为1sb，即，即104 cd/m2。按立体角投影定律：按立体角投影定律： 按侧窗和天窗分别计算出它们在计算点按侧窗和天窗分别计算出它们在计算点P P上的上的照度照度侧窗时：侧窗时： 1 1cos/rcos/r2 22022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识73lxEw555243. 025. 497. 010000243. 025. 45 . 0cos25. 497. 05 . 02cos122天窗时：天窗时：lxEw2500141100001cos,41，2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识74【例8】 已知某客厅的面积为4.4m5.6m24.64m2，该厅天花高为2.6m，正中装有面积为1m1.5m1.5m2、亮度为1103cd/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。2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识75例例8 图图2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识76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0，0，所以：)(2226 . 2115 . 11000coscos221lxrSLEB2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识77(2)计算客厅墙角处点C的照度，如图所示，该点到发光面中心的距离为：)(6 . 28 . 22 . 2222mr由于被照面与发光面互相平行，所以由于被照面与发光面互相平行，所以（如图所示），下面计算（如图所示），下面计算coscos值：值：589692. 06 . 28 . 22 . 26 . 2cos222rh2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识78将各值代入立体角投影定律得墙角处的照将各值代入立体角投影定律得墙角处的照度度E Ec c为：为：)(83.266 . 28 . 22 . 2589692. 0589692. 05 . 11000coscos22221lxrSLEc2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识79 本例计算结果表明，地面正中点的照度本例计算结果表明，地面正中点的照度与墙角的照度相差与墙角的照度相差7 7倍多，就造成正中点的照倍多，就造成正中点的照度很高（度很高（222lx222lx）而墙角的照度又很低）而墙角的照度又很低（27lx27lx），这是很不合理的。这里说明照明），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，就是进行大房设计中的一个很重要的问题，就是进行大房间的工作照明设计时必须合理增加灯数，从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一个而使房间各处的照度保持均匀否则就是一个不好的工作照明设计。不好的工作照明设计。 2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识80已知某房间的面积为4.4m5.6m24.64m2，该厅天花高为2.8m，在左墙正中上方装有面积为2m0.5m1m2、亮度为0.12104cd/m2的发光平面（如图所示），又知该房间的工作面离地面0.8m。如不考虑天花板及其它各墙面的反射，试求房间正中处在工作面上的一点B的照度。2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识81例9 图2022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识82【解】如图所示，本题发光面的中心点A到地面的距离为2.55m，B点离地面高0.8m，A、B两点的高度差为1.75m。按立体角投影定律分别计算如下：5299894. 075. 18 . 275. 1cos8479983. 075. 18 . 28 . 2cos22222022-8-6第七章第七章 建筑光学基本知识建筑光学基本知识83将各值代入公式得房间正中处在工作面将各值代入公式得房间正中处在工作面（水平面）上的一点（水平面）上的一点B B的照度：的照度：)(3 .16375. 18 . 25299894. 08479983. 011200coscos2221lxrSLEB202