一、光的特性和基本量

　　(一)光的本質(zhì)與特性

　　“光”這個(gè)術(shù)語(yǔ)，可從兩方面去理解。若從客觀物理意義上去理解，則光指的是以電磁波形式傳播的輻射能若從人的主觀感覺(jué)去理解，則光指的是由能夠?yàn)槿搜鬯�感覺(jué)到的可見(jiàn)光譜的輻射能刺激眼睛所引起的“亮”的感覺(jué)。

　　(1)可見(jiàn)光波長(zhǎng)為380nm至780nm，單位為nm納米，也即毫微米，1nm=10-9m。波長(zhǎng)大于780nm的紅外線、微波、無(wú)線電波等，以及波長(zhǎng)小于380nm的紫外線、x射線等，都不能為人眼所感知。

　　(2)人眼對(duì)不同波長(zhǎng)的可見(jiàn)光有不同的敏感度。人眼的這種特性可見(jiàn)光譜光視效率曲線表示(圖2-1)。

　　從圖21可看出，對(duì)于明視覺(jué)(即處在光亮環(huán)境下)，人眼對(duì)波長(zhǎng)為555nm的黃綠光最敏感。這意味著該種波長(zhǎng)的光能引起人眼最強(qiáng)的亮感;而對(duì)于暗視覺(jué)(即處在較暗環(huán)境中)，則人眼對(duì)波長(zhǎng)為507nm的藍(lán)綠光最敏感.

　　(3)人眼具有感知顏色的能力，稱為色覺(jué)。人眼對(duì)380?780nm范圍內(nèi)的可見(jiàn)光能夠產(chǎn)生不同的顏色感覺(jué)。隨著波長(zhǎng)的不同，可區(qū)分出紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等顏色，見(jiàn)表2-1.

　　(二)基本光度單位

　　在光環(huán)境設(shè)計(jì)中，需要一些物理量來(lái)進(jìn)行計(jì)算和測(cè)量。這些物理量以光通量為基礎(chǔ)，構(gòu)成光計(jì)量體系，其中最基本的有光通量、發(fā)光強(qiáng)度、照度和亮度等。在介紹這些物理量之前，先介紹球面度(Sr)的概念

　　1.球面度(Sr)

　　球面度是用于測(cè)量三維或固體角度的單位。1球面度的定義為在半徑為r的球心處，一表面積為r2的球面所形成的立體角(圖2-2)。球面總面積是4πr2，因此，球中心處共有4π球面度(4πr2/r2=4π)。面積為Am2的球面在球心處所形成的立體角為Ω=A/r2，單位是球面度(Sr)

　　2.光通量

　　光通量：光源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的可見(jiàn)光的能量，用符號(hào)φ表示，單位是流明(lm)

　　φ=Km∫φe(λ)V(λ)dλ(2-1)

　　式中φe(λ)——波長(zhǎng)為λ的單色輻射光通量，W;

　　V(λ)——可見(jiàn)光光譜光視效率，見(jiàn)圖2-1;

　　Km——最大光譜光視效率，對(duì)明視覺(jué)而言，在λ=555nm處，其數(shù)值為683lm/W，

　　即1光瓦=683lm。

　　在建筑環(huán)境光學(xué)中，常用光通量表示光源發(fā)出的光能的多少。例如，100W普通白熾燈發(fā)出1250lm的光通量，40W日光熒光燈約發(fā)出2200lm的光通量等。

　　3.發(fā)光強(qiáng)度

　　光源在某一方向上的發(fā)光強(qiáng)度是光源在該方向單位立體角內(nèi)所發(fā)出的光通量。它表示光通量的空間密度，用符號(hào)I表示，單位是坎德拉(cd)。

　　設(shè)光源在某一方向的小立體角dΩ內(nèi)發(fā)出的光通量為，則該方向的發(fā)光強(qiáng)度I為：

　　I=dφ/dΩ(2-2)

　　式中dφ——光通量，lm;

　　dΩ——立體角，Sr。

　　坎德拉表示光源在1球面度立體角內(nèi)均勻發(fā)出llm的光通量，即lcd=11m/1Sr。

　　4.照度

　　照度指光源落在單位被照面上的光通量，用符號(hào)E表示，單位是勒克斯(1x)。

　　設(shè)被照面上一個(gè)面積微元ds上接收到的光通量為dφ，則該處的照度為：

　　E=dφds(2—3)

　　式中dφ——光通量，lm;

　　ds——面積微元，m2。

　　照度是用來(lái)衡量被照表面受到光照射程度的一個(gè)基本光度量，即被照表面的光通量密度。勒克斯等于llm的光通量均勻分布在1m2的被照面上所形成的照度，即llx=llm/1m2。例如，40W白熾燈下1m處的照度為301x;晴天戶外中午陽(yáng)光下照度可達(dá)80000～1200001x。

　　5.亮度

　　亮度是受到發(fā)光體或一個(gè)反射表面的光刺激的物理量。它產(chǎn)生一個(gè)主觀亮度感覺(jué)。亮度可定義為發(fā)光表面在視線方向上單位投影面積上的發(fā)光強(qiáng)度，用符號(hào)Lα表示，單位是坎德拉每平方米(cd/m2)，也稱nt(尼脫)，Int=lcd/m2。

　　Lα=Iα/(A·cosα)(2-4)

　　式中Iα——發(fā)光表面朝視線方向的發(fā)光強(qiáng)度，單位是cd;

　　A·cosα——發(fā)光表面在視線方向的投影面積，單位是m2。

　　例如，熒光燈管的亮度約為0.1—0.6X104cd/m2，白熾燈的亮度約為0.15X104cd/m2，蠟燭光的亮度約為0.5cd/m2。

　　(三)基本光度量間的關(guān)系

　　1.發(fā)光強(qiáng)度與照度

　　光源在某一表面產(chǎn)生的直達(dá)光成分可用以下兩個(gè)照度定律來(lái)計(jì)算：

　　(1)照度的平方反比定律：

　　E=I/r2

　　式中r——光源至被照面的距離;

　　I——光源的發(fā)光強(qiáng)度。

　　式(2—5)適用于點(diǎn)光源形成的照度，它表明，某點(diǎn)光源在離開(kāi)它rm的被照面上所形成的照度，與其發(fā)光強(qiáng)度I成正比，而與光源至該表面的距離的平方成反比。上式也反映了發(fā)光強(qiáng)度I與照度E的關(guān)系。

　　(2)照度的余弦定律

　　上述定律，是在被照面與入射光線相垂直的情況下得出的，若光線是以任意角α射至被照平面上時(shí)，照度還應(yīng)通過(guò)乘以?shī)A角的余弦來(lái)修正，因?yàn)檫@時(shí)光通量分布在一個(gè)更大些的面積上。這時(shí)，被照面的照度可以寫(xiě)成Eα=E·cosα，于是，距離平方反比定律修正為：

　　2.照度與亮度

　　2.照度與亮度

　　照度與亮度的關(guān)系由立體角投影定律表明：

　　E=Lα·Ω·cosθ(2-7)

　　式中Lα——發(fā)光表面的亮度;

　　Ω——發(fā)光表面在與其平面法線成。角的方向上所張的立體角，n=Acosa/r2;

　　A——發(fā)光表面的面積;

　　r——發(fā)光表面中心與被照表面中心的距離;

　　θ——光線在被照表面上的入射角。

　　式(2—7)表明，某發(fā)光面在被照面上形成的照度與發(fā)光面的度成正比，也與發(fā)光面在被照面上所張的立體角的投影成正比(參見(jiàn)圖2—3)。只要發(fā)光面在被照面上的立體角投影相同，則這些發(fā)光面在被照面上形成的照度也相同，而與發(fā)光面的面積無(wú)關(guān)。

　　二、裝飾材料的光學(xué)性質(zhì)

　　人們?cè)诮ㄖ�物�?nèi)所看到的光，可分成直達(dá)光和間接光。直達(dá)光是由光源直接照射的結(jié)果，間接光是經(jīng)過(guò)各界面或其他物體反射后到達(dá)的光。直達(dá)光如果是經(jīng)過(guò)透光材料到達(dá)，就成為透射光。不同材料對(duì)光的反射和透射的性能不同，因此，選用不同的材料，就會(huì)在建筑空間形成不同的光照效果。在光傳播過(guò)程中，達(dá)到不同介質(zhì)(如玻璃、墻等)時(shí)，入射光通量φ中的一部分被反射回原先的介質(zhì)中。這部分光通量稱為反射光通量;一部分被入射的介質(zhì)所吸收，稱為吸收光通量;另有一部分則透過(guò)介質(zhì)進(jìn)入另一側(cè)空間，稱為透射光通量。根據(jù)能量守恒定律，這三部分光通量之和應(yīng)等于入射光通量，即φ=φρ+φα+φτ

　　(一)反射比、透射比與吸收比

　　1.反射比

　　指被照面反射光通量與入射光通量之比，用符號(hào)ρ表示，無(wú)量綱：

　　ρ=φρ/φ(2—8)

　　例如：石膏的反射比為0.91，白乳膠漆表面的反射比為0.84，水泥砂漿抹面的反射比為0.32，白色拋光鋁板的反射比為0.83～0.87等。

　　2.透射比

　　指經(jīng)過(guò)被照面(物)透射的光通量與入射光通量之比，用符號(hào)τ表示，無(wú)量綱：

　　τ=φτ/φ(2-9)

　　例如，3～6mm厚的普通玻璃的透射比為0.78—0.82，3～6mm厚的磨砂玻璃的透射比為0.55～0.60，lmm厚的乳白玻璃的透射比為0.60，2～6mm厚的五色有機(jī)玻璃的透射比為0.85等。

　　3.吸收比

　　指被照面(物)吸收的光通量與入射光通量之比，用符號(hào)α表示，無(wú)量綱：

　　α=φα/φ(2—10)

　　4.反射比，透射比與吸收比的關(guān)系：

　　ρ+τ+α=1(2—11)

　　(二)光的反射與透射規(guī)律

　　1.光的定向反射

　　光線射到非常光滑的不透明材料，如玻璃鏡、磨光的金屬等表面時(shí)，就會(huì)發(fā)生定向反射，也稱鏡面反射。它遵循定向反射定律：即入射光線，反射光線與反射面的法線處在同一平面上，且入射角等于反射角。但是反射光的亮度和發(fā)光強(qiáng)度都比入射光有所降低，因?yàn)橛幸徊糠止饽鼙晃�收或透射。因此，反射后的亮度IP和發(fā)光強(qiáng)度/P成為：

　　Lρ=L·ρ(2-12)

　　Iρ=I·ρ(2-13)

　　式中L——光源原有的亮度;

　　I——光源原有的發(fā)光強(qiáng)度;

　　ρ——材料的光反射比。

　　發(fā)生定向反射時(shí)，在反射光線的方向上，可以清晰地看到光源的影像。但在需要避免眩光的場(chǎng)合，應(yīng)注意由于光滑表面產(chǎn)生的定向反射所形成的眩光。