普通本科大学 建筑物理-光学总结 - 图文

光学

A眼睛对光的感觉 光谱 光通量 强度 照度 亮度 光谱光视效率

影响明暗感觉的因素： （1）、光源的辐射通量：辐射通量越大，感觉越明亮。 （2）、波长：功率相同，波长不同，明暗程度不同。

对同样功率的光，明环境下555nm的黄绿光最亮，暗环境下507nm的绿光最亮。 一、光通量 Luminous Flux

为了比较任意两个灯发出的可见光的多少，由于光能随波长分布不同，因此不能直接用辐射通量（瓦）多少比较，只能转化成相当于多少555nm标准光通量。 光源所放射出光能量的速率或光的流动速率 Flow arte

1、概念：光源在单位时间内发射出的以人眼感觉为基准的能量。 2、单位： 光瓦或流明lumen（lm） 1光瓦= 683lm，Km=683lm/W

例： 已知低压钠灯发出波长为589nm的单色光，设其辐射通量为10.3W，求光通量？ 解 ?? = V(?) ?? =683× 10.3× 0.78=5487lm 40W 日光灯： 2200lm 100W白炽灯： 1250lm

二、发光强度 Luminous Intensity

描述光通量在光源空间的分布特性，它表示光源在不同方向上的光通量分布特性，某个方向上的分布密度；

符号 Iα ；单位：坎德拉 （cd）

光度量中最基本的单位是发光强度的单位——坎德拉（Candela），记作cd，它是国际单位制中七个基本单位之一。它的定义是发出频率为540×1012 Hz （对应在空气中555nm的波长）的单色辐射，在给定方向上每单位立体角（1个球面度）辐射能为1／683W时的发光强度规定为1cd。 （1979）

立体角：任意一个封闭圆锥面内所包含的空间

单位：球面度 sr 整个球面的立体角

三、照度 Illuminance

被照物体单位面积上接收的光通量的大小

同一本书，偏离灯正下方暗一些，说明反射到被照面上光通量不相同。 E = dΦ/dA

平均照度： E = Φ/A

单位：勒克斯lux lx， 1lx=1lm /1m2 烛光fc=10.76lx（英制） 白天在教室看书需要至少 100lx

例：在40w白炽灯下1m处的照度约为30lx，加一搪瓷伞形罩后照度增加到73lx； 阴天中午室外照度为8000—20000lx；

白天中午在阳光下的室外照度可高达80000—120000lx。

四、亮度 Luminance

照度相同，颜色不同的两个物体，看起来不一样亮。 发光体在视线方向上单位面积发出的光强密度。

Lα= Iα/（Acosα）

单位： 尼特nits：nt（cd/m2）

英制单位为英尺朗伯（Foot lambert, fl）

1 熙提stilb（sb）= 104cd/m2 = 1cd/cm2 1 阿普熙提asb（apostilb，Lm/m2）

白炽灯灯丝亮度约为 300——500sb 荧光灯灯管表面亮度为 0.8——0.9sb

1毫朗伯(mL)=0.929呎朗伯(ftL)=3.183烛光/平方米(c/m2) =10阿普熙提(asb) 1阿熙提（asb）=（1/π）cd/m2=0.3183 cd/m2 1朗伯（L）=（104π）cd/m2=3.183×103cd/m2 1英尺朗伯（fL）=（1/π）cd/ft2=3.426 cd/m2 1、亮度对光源本身的（照度是指被照面） 2、 ?—辐射角，是光源法线与视线夹角。

i—被照面法线与视线夹角

3、单位：面积常取平方米

物理亮度(亮度)、表观亮度(明亮度)

例：同一路灯开着灯，晚上比白天亮。但在一般情况下，路灯本身的亮度不变，即物理亮度——反映了物体本身的表面物理特性

亮度不变，但观看时与环境明暗有关的亮度——表观亮度（明亮度）却改变了

七、标量照度（平均球面照度）Es

average spherical illuminance; scalar illuminance 空间上某一点上的标量照度即指该点上的受照量，它与入射光的方向无关，并且也不指明受照面的方向，其定义是：位于受测点处的一个小球表面上的平均照度。

点光源。假设一个光强为I的点状光源，它与半径为r的小球相距d，球面所截取的光通量=πr2I/d2，球的表面积为4πr2，所以点光源产生的球面平均照度为Es=I/4d2，这就是圆球所在位置上的标量照度。

如果光源是一个面光源，则投影面积为A’的点光源，其中L为光源的亮度。因此距离为d处的标量照度（Es）为：Es=LA'/4d2，但A'/d2=Ω，即单元A’所张之立体角，所以Es=LΩ/4。 点光源。当照明光源的尺寸与被照物的距离相比可以忽略不计时，可视为点光源。

线光源。当照明光源的尺寸与光源至计算点距离较近，且光源本身的长宽比相差很大时，可视为线光

源。

面光源。当光源的最小尺寸大于光源至计算点距离的1/4时,可视为面光源。 八、平均柱面照度Ec

average cylindrical illuminance

位于某一点的微小圆柱曲面上的平均照度，圆柱的轴线与水平面垂直。 点光源。Ec=Isinφ/πd2 面光源。Ec=LΩsinφ/π 平均半柱面照度：道路照明 九、照度矢量 illuminance vector

矢量照度表示在某点上照明的方向特性，表示该点上一个无限小的圆盘两侧（正面与背面）可以测得的最大照度差值。这个小圆盘的法线即为矢量作用线的方向，从照度高的一侧指向照度低的一侧。 矢量照度适用于需要考虑光的方向性的照明场所，如雕塑及其他展品的照明效果评价。

矢量照度用于描述在空间一点上的光的方向特性。它的量值为一个通过该点的表面正反两侧的最大照度差值，由较高照度向低照度的矢量方向为正。

B材料光学属性：透光 吸收 反射系数

采光材料 照明材料 发光物体 不发光物体 一、光线的传播过程

人们能够看到世界上的物质是因为有光的存在。

光是一种能量形式，它以波的形式传播，是目前宇宙中已知的运动速度最快的物质。地球上的生命没有光就不可能存在。世界上最重要的光源是太阳，现在人们已能利用电来产生光。 光线是代表光传播方向的线。

在黑暗房间里窗帘上开一个很小的孔，可以看到射进房间的太阳光是笔直的，因此人们就用直线来表示太阳光线。

光在真空中是沿直线传播的，在空气和其他疏密均匀的介质里也是沿直线传播的，只要不碰到障碍物，它就一直沿直线传播下去。

如果碰到障碍物，它就会发生反射、折射等现象，光线就会偏折、拐弯。即使不碰到障碍物，只要空气不均匀，例如有的地方温度高一点，空气稀一点，其他地方温度低一点，空气密一点，光线都会弯曲，不再笔直地传播了。另外，如果光线经过一个引力很强的物体旁边，由于受万有引力的吸引，它会向该物体一侧弯曲，光线也不再是直线了。

红外线因为具有肉眼看不见的特征，因此可利用在自动警报器或电动门上。 散播、反射、折射、衍射

光束包含多组光波，它们大都向同一个方向传播。手电筒的光束在传播时，多少有些散射。手电筒发出的光随着距离的增加会显得微弱不清，因为光波在较宽的范围中散播得更乱。

激光光束有几乎并行的边缘。这说明光波在传播过程中几乎不会散播出来。因此激光光束可以传播很远的距离才会逐渐变弱，直到超出视野。

光以一系列电磁波的形式发出，从光源发出后一直以直线前进，光所走的直线路径称为射线。光线的方向可因通过有光泽或透明的物质而改变。如玻璃或水这一类的物体能反射或折射光。 透射、吸收

冷光——有些物质并不会马上将照射来的光线反射出去，而是先完全吸收，之后才渐渐将光线反射出来。如果将红色墨水放在直射光之下，就会发现它并不是立刻呈现红色，而是先呈现出略带绿色的金色。另外，有时候石油也会呈现出紫色。这些都是由于物质暂时吸收光线，使本身颜色发生改变后再放射出来的结果。像这种物质中分子吸收的能量被激发后会放射出光线的现象，称为磷光或萤光。这些光都称之为冷光。 反射

光的反射是指光从一种介质射入到另一种介质时，在两种介质的分界面上，光将改变传播方向，一部分光回到原介质里继续传播的现象。

在物理学里，一般把能传播光的物体叫作介质，又称媒质。空气、水、玻璃、酒精等都是传播光的介质。

平行的光线照射在平面镜等光滑物体的表面上时，全部光线都以相同的角度弹回，产生一个清晰的影像。

人们能够看见不发光的物质，也都是因为它们能够反射光的缘故。一般，明亮物体反射的光比暗的物体多。

全反射、镜面反射、规则反射、定向反射、漫反射 折射

折射就是光从一种介质传播到另一种介质中去时，光线发生偏折、拐弯的现象。

光所以会发生折射，是因为在不同介质里光的传播速度不同的缘故。例如光线从空气进入玻璃时速度会慢下来，并偏离两物质间的界面。当光线离开玻璃时，速度加快并弯向界面。在自然界中由于光的折射所引起的现象比比皆是，最典型的就是海市蜃楼。

C可透视及其影响因素

D直接 反射眩光的控制、消除 五、避免眩光

晚上迎来一辆开着前灯的汽车，人眼感到不舒服，为什么？ 眩光的分类：

形成方式：直接眩光、反射眩光 影响视功能：不舒适眩光、失能眩光

造成眩光的原因：亮度过高 亮度对比过大 不舒适的亮度分布 限制措施 直接眩光

限制光源亮度：减少亮度

增加眩光源的背景亮度：减少对比

减小形成眩光的光源视看面积：表观面积 尽可能增大眩光源的仰角 反射眩光

选择无光泽表面

视觉作业区远离镜面反射区 用发光面积大、亮度低的光源

减少引起镜面反射光源的照度值在总照度中的比例

E颜色：光源色温、显色性 六、光源的色温

能自行发光的物体叫做光源。光源的种类繁多，形状千差万别，但大体上可分为自然光源和人造光源。

自然光源受自然气候条件的限制，光色瞬息万变，不易稳定，如最大的自然光源太阳。 人造光源有各种电光源和热辐射光源，如电灯光源等。

不同的光源，由于发光物质不同，其光谱能量分布也不相同。一定的光谱能量分布表现为一定的光色，对光源的光色变化，我们用色温来描述。 CT-colour temperature 绝对黑体

根据能量守恒定律：物体吸收的能量越多，加热时它辐射的本领愈大。黑色物体对光能具有较大的吸收能力。如果一个物体能够在任何温度下全部吸收任何波长的辐射，那么这个物体称为绝对黑体。

绝对黑体的吸收本领是一切物体中最大的，加热时它辐射本领也最大。天然的、理想的绝对黑体是不存在的。人造黑体是用耐火金属制成的具有小孔的空心容器，如图所示，进入小孔的光，将在空腔内发生多次反射，每次反射都被容器的内表面吸收一部分能量，直到全部能量被吸收为止，这种容器的小孔就是绝对黑体。

黑体辐射的发射本领只与温度有关。

严格地说，一个黑体若被加热，其表面按单位面积辐射光谱能量的大小及其分布完全决定于它的温度。

因此我们把任一光源发出的光的颜色与黑体加热到一定温度下发出的光的颜色相比较，来描述光源的光色。

色温可以定义为： “当某一种光源的色度与某一温度下的绝对黑体的色度相同时绝对黑体的温度。”

因此，色温是以温度的数值来表示光源颜色的特征。

在人工光源中，只有白炽灯灯丝通电加热与黑体加热的情况相似。

对白炽灯以外的其它人工光源的光色，其色度不一定准确地与黑体加热时的色度相同。所以只能用光源的色度与最相接近的黑体的色度的色温来确定光源的色温，这样确定的色温叫相对色温。

相关色温 CCT-correlated colour temperature

色温用绝对温度“K” （kelvim）表示，绝对温度等于摄氏温度加273。如正午的日光具有色温为6500K，就是说黑体加热到6500K时发出的光的颜色与正午的颜色相同。其它如白炽灯色温约为2600K。

晴天室外光13000 全阴天室外光6500 白天直射日光5550

白天45°斜射日光4800 昼光色、荧光灯6500 氙灯5600

炭精灯5500～6500

色温是光源的重要指标，一定的色光具有一定的相对能量分布：当黑体连续加热，温度不断升高时，其相对光谱能量分布的峰值部位将向短波方向变化，所发的光带有一定的颜色，其变化顺序是红-黄-白-蓝。

电热丝温度很低（700℃），呈暗红色 电热丝温度较低（900℃），呈鲜红色 电热丝温度较高（1100℃），呈黄红色

电热丝温度更高（1300℃），呈黄白色 色温对彩色摄影有很大的影响。 它与彩色有极密切的关系。

只有当感光材料的特性与光源的色温相符合时，红、绿、蓝三种色光才能得到平衡，获得理想的彩色景象。

例如日光型彩色片，当色温在5600K左右时，拍摄不同景物都能得到良好的彩色效果。 当色温偏低时，照片上反映出来的颜色偏红； 当色温偏高时，则照片上的颜色偏蓝。

专供碘钨灯照明的灯光型彩色片，色温要求一般在 2800K～3 400K之间，可正确地再现被摄对象的色彩。 光色的舒适感

在人类视觉器官发展和进化中，一直习惯于日光和火光。人的眼睛在白昼一直适应自然光。太阳的辐射光是连续光谱，日出前和日落后色温较低。约2 000～4 000K，中午和阴天色温较高，约 5 000～7 000K。

在自然条件下，人在夜晚利用火光进行照明。在原始时代，人们点燃篝火，后来就发明了油灯和蜡烛等，人工光源，火光的光谱也是连续的。

目前，人造光源种类很多。那么最优光色是什么呢？研究结果表明，光色的舒适感跟照度有关系。 低照度时的舒适光色是火光（篝火、烛光、油灯光）的低色温光色；

偏低或中等照度时，舒适的光色是接近黎明和黄昏时的、色温略高的光色；高照度时，舒适的光色是接近中午的阳光或偏蓝的高色温天空光

色 温 光 色 气氛效果 色。

照度与光色舒适

清 凉 感的关系只是色觉的

>5000K 冷的气氛 (带蓝的白色) 偏好而已（是习惯）。

不同色温的人工光源并不影响视觉辨认细

中 间 节的能力。实验证明：3300-5000K 爽快的气氛 (白) 在白炽灯（相关温度约2 900K），荧光灯（色温约6 500K），高温 暖 <3300K 稳重的气氛 压汞灯（色温约5 (带红的白色) 500K）三种色温的光源照射下，在它们的

照度相同时，视觉辨识细节的能力是没有差别的。 光源色温不同，光色也不同。

色温与亮度: 高色温光源照射下，如亮度不高则给人们有一种阴气的气氛；低色温光源照射下，亮度过高会给人们有一种闷热感觉。

光色的对比: 在同一空间使用两种光色差很大的光源，其对比将会出现层次效果，光色对比大时，在获得亮度层次的同时，又可获得光色的层次。 七、光源显色性

人类在长期的生产生活实践中，习惯于在日光下辨认颜色。尽管日光的色温和光谱能量分布随着自然条件的变化有很大的差异，但人眼的辨认能力依然是准确的。这是人们在自然光下长期实践对颜色形成了记忆的结果。

随着照明技术的发展，许多新光源的开发利用，人们经常在不同的环境下辨认颜色。有些灯光的颜色与日光很相似如荧光灯、汞灯等，但其光谱能量分布与日光却有很大的差别。这些光谱中缺少某些波长的单色光成份。人们在这些光源下观察到的颜色与日光下看到的颜色是不同的，这就涉及到光源的显色性问题。

水运航道的两边设置障碍照明灯具。这类灯具常用红色或频闪照明方式，提醒注意安全。 装饰照明灯具

灯具以装饰照明为主，一般由装饰性零部件围绕着电光源组合而成，如豪华的大型吊灯、草坪灯等。 按灯具外壳结构分类 开启型灯具

灯具是敞口的或无罩的，光源与外界环境直接相通 闭合型灯具

具有闭合的透光罩，但内外仍能自由通气，尘埃易进入透光罩内，如天棚灯和庭院灯等， 密闭型灯具

透光罩在密闭处加以密封，将灯具内的电光源与外隔绝，内外空气不能流通。可作为需要防潮、防水和防尘场所照明灯具，如浴室、厨房、潮湿或有水蒸气的车间、仓库及隧道、露天堆场等场所。 防爆安全型灯具

透光罩将灯具内外隔绝，在任何条件下，不会因灯具引起爆炸的危险。这种灯具使周围环境中的爆炸气体不能进入灯具内部，可避免灯具正常工作中产生的火花而引起爆炸。它适用于在不正常情况下有可能发生爆炸危险的场所。 隔爆型灯具

隔爆型灯具结构特别坚实，并且有一定的隔爆间隙，即使发生爆炸也不易破裂，如图 3-9f。它适用于在正常情况下有可能发生爆炸的场所。 防腐型灯具

灯具的外壳用防腐材料制成，且密封性好，腐蚀性气体不能进入灯具的内部。它适用于含有害腐蚀性气体的场所。

外壳的防护型式包括：

防止人体触及或接近外壳内部的带电部分。 防止固体异物进入外壳内部；

防止水进入外壳内部达到有害程度。 防止潮气进入外壳内部达到有害程度。 按防触电保护分类

为了保证电气安全，灯具所有带电部分必须采用绝缘材料等加以隔离。灯具的这种保护人身安全的措施称为防触电保护，根据防触电保护方式，灯具可分为 四类， 0类灯具的安全保护程度低，Ⅱ、Ⅲ类较高，Ⅳ类最高。

在照明设计时，应综合考虑使用场所的环境、操作对象、安装和使用位置等因素，选用合适类别的灯具。 在使用条件或使用方法恶劣的场所应使用Ⅳ类灯具，一般情况下可采用Ⅱ类或Ⅲ类灯具。 按光通量在空间分布分类

按光通量在上下空间分布的比例分类

直接照明型 半直接照明型 漫射照明型 半间接型灯具 间接型灯具 按光束角分类

直接型灯具按光强分布分类

带有反射器的直接型灯具，其光束的宽窄变化范围较大。有的非常集中，向下直射；有的散布在整个半空间。 直接照明灯具按光束的宽窄形状又可分 广照型 均匀配光型 配照型 深照型 特深照型 投光灯（泛光灯）按光束角分类

按光束角的大小，将投光灯分为六类。

窄光束投光灯能投射较远的距离，用于灯具安装距被照面较远的地方和要求照度较高的场所； 宽光束投光灯用于灯具距被照面较近和要求照度较低且较均匀的场所。 按布灯形式分： 一般照明 分区一般照明

局部照明——不允许单独使用 混合照明 二、确定照明标准

照度均匀度

室内最低照度值与平均照度值之比大于0.7 眩光 直接眩光

减少光源和灯具的亮度； 减少形成眩光的光源面积； 增大眩光源与视线间的角度； 增加眩光源的背景亮度。 反射眩光

尽量降低光源亮度；改变灯具或工作面的位置，使反射影像不射入人的眼睛；提高环境亮度；改变工作面的反光特性。 光幕反射

视觉对象的镜面反射。尽量使用无光纸和不闪光墨水；改变光线投射方向（从侧面来）；减少来自干扰区的光，增加干扰区外的光。 眩光

直接型灯具的遮光角 灯具平均亮度限值 眩光指数

M环境照明设计 基本方式 §4 室内环境照明 设计原则

空间亮度的合理分布

视觉注视中心：人们习惯于将目光转向较亮的表面。 需要突出的物体亮度超过相邻表面亮度的5~10倍。 活动区：亮度变化不应太大。

顶棚区：起次要和从属地位，亮度不宜过大，形式力求简洁，与房间的整个气氛协调。 周围区域：一般不希望它的亮度超过顶棚区。 强调照明技术

扩散照明：采用大面积光源照射物体和它的周围环境。 适用起伏不大，但颜色丰富的场合，如壁画。 利用宽光束灯具，使灯具离被照面较远。 不能突出物体的起伏，易产生平淡感。

高光照明：由窄光束的投光灯或反射型灯泡将光束投射到被照物体上，能确切地显示被照表面的质感和颜色细部。

被照物体和其邻近表面的亮度控制在2:1到6:1之间，亮度差别太大，可能出现光幕反射，太小会平淡。

背景照明：将光源放在物体背后或上面，照亮物体背后的表面。使它成为物体的明亮背景。物体本身处于暗处，在明亮的背景衬托下，可将物体的轮廓清楚地表现出来。 适用显示轮廓丰富、颜色单调、表面平淡的物品。

墙泛光：用光线将墙面照亮，形成一个明亮的表面，使人感到空间扩大，强调出质感。 柔和均匀的墙泛光：

将灯具放在离墙较远的顶棚上，一般离墙约1~1.2米，灯与灯间的距离约为灯至墙距离0.5~1.0倍。这样在墙上形成柔和均匀的明亮表面，扩大了房间的空间感。 显示墙的质感的墙泛光：

使光线以大入射角（擦射）投到墙面上，夸大阴影，突出墙面的粗糙表面。灯具一般布置在顶棚上，离墙约0.3米,灯间距一般不超过灯具与墙的距离;高墙用窄光束灯具，低墙用宽光束的灯具。 扇贝形光斑：

为在平墙上添加一些变化和趣味，用灯在墙上形成一些明亮的扇贝形光斑。在顶棚上装暗灯，灯具离墙0.3米布置；灯间距根据希望获得的效果而定。

投光照明

使被照物体的亮度比它邻近墙面的亮度高3~5倍。

光线到物体的入射角（与物体法线所成的角）不宜 过大或过小，一般在60０左右。 选择投光灯具需考虑的因素： 投射光斑的大小 光斑的亮度 光斑的强调程度 点光效果。 造型的需要

光线的扩散和集中——对于立体物体来说，光线应以扩散光为主，加上一定量的直射光。直射光可形成适当的阴影，加强立体感，充分的扩散光有助于减轻粗糙感。 扩散光和直射光的亮度比控制在6~1的范围内。 直射光的入射角度不宜太低，以处于前上侧方为宜。 光线的方向性

照明环境对视觉与心理的作用 开敞感

透明感：一个均匀的高亮度表面给人以透明的感觉。

轻松感：无眩光，环境亮度比较低。一般而论，隐藏的光源、低的亮度、浅的颜色，低的墙亮度，加上由中心逐渐转暗的顶棚可获得最大的轻松感。

私密感 ：中间部分较暗，而周围具有较高亮度所形成的不均匀照明环境，产生一种亲切私密的感觉。 活力感：打破照度均匀产生的平淡感。

恐怖、不安全感：当一个高亮度区域位于大房间的中间，而周围是低得多的黑暗环境，会产生恐怖, 不安全感。 黑洞感

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