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(chēng)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(chēng)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(chēng)為反射光通量;一部分被入射的介質(zhì)所吸收，稱(chēng)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(chēng)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(chēng)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。
　　2.光的擴(kuò)散反射

　　(1)均勻擴(kuò)散反射

　　均勻擴(kuò)散反射材料(如石膏、氧化鎂等)以及大部分粗糙、無(wú)光澤的建材，如粉刷、磚墻等，將入射光線均勻地向半空間反射。在各個(gè)方向和角度，反射光的亮度完全相同，可又看不見(jiàn)光源。

　　這類(lèi)材料的表面發(fā)光強(qiáng)度遵循朗伯余弦定律(見(jiàn)圖2-4)：

　　Iθ=I0cosθ(2—14)

　　式中Io——材料表面法線方向的發(fā)光強(qiáng)度;

　　θ——法線與某一反射方向的夾角。

　　經(jīng)過(guò)均勻擴(kuò)散后的亮度為：

　　L=E·ρ/π(2—15)

　　式中L——亮度，cd/m’;

　　E——照度，Ix;

　　ρ——材料反射比。

　　如果亮度采用的是另一個(gè)單位阿熙提(asb)，1asb=cd/m2　　，則有：

　　L=E·Ρ(2—16)

　　(2)定向擴(kuò)散反射

　　定向擴(kuò)散反射材料如油漆表面，較粗糙的金屬表面等大部分材料，在反射方向能看到I

　　光源的大致影像，參見(jiàn)圖2-5。

　　3.光的定向透射

　　光線照到玻璃、有機(jī)玻璃等光滑、透明的材料上時(shí)，會(huì)發(fā)生定向透射。如果材料的兩個(gè)表面相互平行，則透過(guò)光線和入射光線方向保持一致，見(jiàn)圖2—6。但是透射后的亮度Lτ和光強(qiáng)Iτ，將減弱成為：

　　Lτ=L·τ(2-17)

　　Iτ=I·τ(2-18)

　　式中τ——材料的透射比。

　　如果玻璃不夠透明，或者表面不平行，比如凹凸不平的壓花玻璃，則透射光線會(huì)偏離原方向，使得光源影像模糊不清，但仍能使部分光線透射過(guò)去，保持一定的采光效果。

　　4.光的擴(kuò)散透射

　　半透明材料(如乳白玻璃、半透明塑料等)，可使入射光線發(fā)生擴(kuò)散透射，即透射光線所占的立體角比入射光線有所擴(kuò)大，看不清光源的影像。擴(kuò)散透射可分成均勻擴(kuò)散透射和定向擴(kuò)散透射兩類(lèi)。

　　(1)均勻擴(kuò)散透射(圖2—7)

　　經(jīng)過(guò)均勻擴(kuò)散透射后，各個(gè)方向所看到的亮度相同，

　　但透射后亮度Lτ，有所降低，成為：

　　Lτ=E·τ/π(2-19)

　　式中L——亮度(cd/m’);

　　E——照度(1x);

　　τ——材料的透射比。

　　若亮度采用的是另一單位阿熙提(asb)，則：

　　Lτ(asf)=E·τ(2-20)

　　至于發(fā)光強(qiáng)度，均勻擴(kuò)散透射后的發(fā)光強(qiáng)度的分布，亦遵循朗伯余弦定理：

　　Iθ=I0·cosθ(2—21)

　　式中Io——法線方向的發(fā)光強(qiáng)度;

　　θ——法線與所求方向的夾角。

　　(2)定向擴(kuò)散透射(圖2-8)

　　定向擴(kuò)散透射材料如磨砂玻璃等，光線透過(guò)它時(shí)，可以看到光源的大致影像，但輪廓不清晰。
　　三、顏色基本知識(shí)

　　(一)光源色和物體色

　　1.光源色

　　(1)光源色溫

　　人們感覺(jué)到的光源的顏色，用色溫或相關(guān)色溫表示，單位為開(kāi)爾文(K)。色溫是指當(dāng)光源的顏色和一完全輻射體(黑體)在某一溫度下發(fā)出的光色相同時(shí)，完全輻射體的溫度就稱(chēng)為該光源的色溫。色溫用符號(hào)Tc表示。色溫在5300K以上時(shí)稱(chēng)冷色型;色溫在3300～5300K之間時(shí)稱(chēng)中間色型;色溫低于3300K時(shí)稱(chēng)為暖色型。

　　舉例：日光色溫為5300～5800K;40W熒光燈色溫為3000～7500K;40W白熾燈色溫為2700K。

　　(2)顯色指數(shù)

　　光源光對(duì)物體顏色呈現(xiàn)的真實(shí)程度稱(chēng)顯色性。光源的顯色指數(shù)是指物體在待測(cè)光源下的顏色與它在參照光源下的顏色相比的符合程度。光源的顯色指數(shù)分為一般顯色指數(shù)與特殊顯色指數(shù)兩種，前者用符號(hào)Ra表示，后者用及Ri表示。普通照明光源用Ra作為顯色性評(píng)價(jià)指標(biāo)。Ra最大值為100，當(dāng)Ra為80～100時(shí)，顯色性優(yōu)良;當(dāng)Ra為50～79時(shí)，顯色性一般;當(dāng)Ra<50時(shí)，顯色性較差。

　　舉例：500W白熾燈的Ra為95～99;1000W鏑燈的Ra為85～95;熒光燈的Ra為50～93;高壓鈉燈的Ra為20～25;400W熒光高壓汞燈的Ra為30～40。

　　2.物體色

　　物體色是指物體對(duì)光源的光譜輻射有選擇性地反射或透射后使人眼對(duì)物體產(chǎn)生的顏色感覺(jué)。物體色取決于光源的光譜組成以及物體對(duì)光譜的反射或透射的情況。

　　(二)顏色的表色體系

　　1.孟塞爾(A.H.Munsell)體系

　　孟塞爾體系是按顏色的三個(gè)基本屬性即色調(diào)H、明度y和彩度C對(duì)顏色進(jìn)行分類(lèi)與標(biāo)定的體系，見(jiàn)圖2-9。

　　色調(diào)分為R、Y、G、B、P五個(gè)主色調(diào)以及YR、GY、BG、PB和RP五個(gè)中間色調(diào)。

　　中軸表示明度，分為11級(jí)，以理想黑為0，理想白為10;明度軸至色調(diào)的水平距離表示彩度的變化，離明度軸越遠(yuǎn)，彩度越大。表色符號(hào)的排列是先寫(xiě)色調(diào)H，再寫(xiě)明度y，劃一斜線，最后寫(xiě)彩度，即HV/C。無(wú)彩色用N表示，只寫(xiě)明度，不寫(xiě)彩度。

　　舉例：顏色10Y8/12表示色調(diào)為黃色與綠色的中間色，明度為8，彩度為12，N7/表示明度為7的中性色。

　　2.CIE色度體系

　　該體系是國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)于1931年推薦的色度體系，見(jiàn)圖2—10。該體系將所有顏色用J，y坐標(biāo)表示在一張色度圖上。圖上的點(diǎn)表示一種顏色。馬蹄形曲線表示單一波長(zhǎng)的光譜色。400～700nm直線是光譜上沒(méi)有的顏色。圖上中心點(diǎn)正是等能白光(白色)，由三原色各占1/3組成，色坐標(biāo)XE=h=ZE=0.333。

　　CIE色度體系比孟氏表色體系應(yīng)用更廣，不但可表示光源色，也可表示物體色。圖中的曲線表示光源相關(guān)色溫。

　　舉例：x=0.425，y=0.400的光源色的相關(guān)色溫約為3200K。
　　四、視覺(jué)基本特性

　　(一)明適應(yīng)與暗適應(yīng)

　　人眼的感覺(jué)細(xì)胞分為錐狀細(xì)胞和桿狀細(xì)胞。在明視覺(jué)狀態(tài)下(約1.0cd/m2以上的亮度水平)，錐狀細(xì)胞對(duì)光色刺激發(fā)揮作用。這時(shí)，人眼具有顏色的感覺(jué)。在暗視覺(jué)狀態(tài)下(約在0.01cd/m2以下的亮度水平)，桿狀細(xì)胞發(fā)揮作用。這時(shí)，人眼幾乎不能識(shí)別顏色和細(xì)部。

　　人們從明視覺(jué)狀態(tài)到暗視覺(jué)狀態(tài)時(shí)，須經(jīng)過(guò)10～35min方能看到周?chē)�的物體，這個(gè)適應(yīng)過(guò)程叫暗適應(yīng);反之，由暗環(huán)境到明亮環(huán)境的適應(yīng)，則僅需約3～6s，此稱(chēng)為明適應(yīng)。

　　(二)視角、視力和視野

　　1.視角(圖2—11)

　　被觀看的物體大小對(duì)眼睛所形成的張角稱(chēng)為視角。

　　式中α——視角，分;

　　d——物體的尺寸;

　　l——視距。

　　2.視力

　　人眼辨認(rèn)物體形狀細(xì)部的能力稱(chēng)為視覺(jué)敏銳度，或稱(chēng)視力。視力是所觀看的最小視角

　　的倒數(shù)，即視力=1/αmin。

　　在通用的國(guó)際眼科學(xué)會(huì)蘭道爾環(huán)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定在5m視距上能辨別1′的開(kāi)口時(shí)，視力為1.0，識(shí)別2′的視力為0.5。

　　3.視野

　　當(dāng)人的頭和眼睛不移動(dòng)時(shí)，人眼可察看到的空間范圍稱(chēng)為視野。人的視野范圍為：水平面180o垂直面130o，其中向上為60o，向下為70o。視軸周?chē)?0o的視覺(jué)范圍，是視覺(jué)清楚的區(qū)域。

　　(三)光量效應(yīng)

　　人眼感到房間照度變化差值與照度水平之比稱(chēng)為光量效應(yīng)。它是個(gè)常數(shù)，即

　　例如，照度為l0lx的房間，增加llx的照度就可感覺(jué)出來(lái)照度變了;而在照度為1001x的房間，則需增加l0lx的照度，才能覺(jué)察出照度的變化。兩者的比率都是0.1。

　　(四)視度

　　視度即指觀看物體時(shí)的清晰程度。

　　影響人眼視度的主要因素有：

　　(1)被視物體的照度或亮度。照度或亮度高，則視度也提高;

　　(2)被視物體的尺度大小。物體大則看得清楚。物體的大小用視角α表示;

　　(3)被視物體的亮度與其背景亮度(或顏色)的對(duì)比。對(duì)比大，即亮度或顏色差異大時(shí)，視度就高。

　　亮度對(duì)比系數(shù)用C表示：

　　式中L0——被視物的亮度;

　　Lb——背景的亮度。

　　(4)對(duì)于小尺度的被視物，采用天然光照明比采用人工光照明時(shí)視度提高;

　　(5)觀看時(shí)間：視度隨著觀看時(shí)間的增加而有所提高。因此，如果識(shí)別對(duì)象是活動(dòng)的，識(shí)別時(shí)間短促，就需要增加識(shí)別對(duì)象的亮度，來(lái)相應(yīng)提高視度。

　　(五)眩光

　　在視野范圍內(nèi)出現(xiàn)亮度極高的物體或亮度對(duì)比過(guò)大時(shí)，可引起人眼不舒適的感覺(jué)或造成視度下降。這種現(xiàn)象稱(chēng)為眩光。

　　眩光光源或燈具的位置偏離視線的角度越大，造成眩光的可能性就越小，超過(guò)60o后就無(wú)眩光作用發(fā)生。

　　在采光和照明設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量限制眩光的產(chǎn)生.