普通本科大学 建筑物理光学总结.docx
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普通本科大学建筑物理光学总结
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LuminousFlux
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Flowarte
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LuminousIntensity
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540×1012Hz（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luxlx，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（Footlambert,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=0.3183cd/m2
1朗伯（L）=（104π）cd/m2=3.183×103cd/m2
1英尺朗伯（fL）=（1/π）cd/ft2=3.426cd/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
averagesphericalilluminance;scalarilluminance
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
averagecylindricalilluminance
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illuminancevector
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-colourtemperature
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-correlatedcolourtemperature
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～3400K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2000～4000K，中午和阴天色温较高，约5000～7000K。
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；
色 温
光 色
气氛效果
>5000K
清 凉
（带蓝的白色）
冷的气氛
3300-5000K
中 间
（白）
爽快的气氛
<3300K
温 暖
（带红的白色）
稳重的气氛
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。
照度与光色舒适感的关系只是色觉的偏好而已（是习惯）。
不同色温的人工光源并不影响视觉辨认细节的能力。
实验证明：
在白炽灯（相关温度约2900K），荧光灯（色温约6500K），高压汞灯（色温约5500K）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。
由于同一个颜色样品在不同的光源下可能使人眼产生不同的色彩感觉，而在日光下物体显现的颜色是最准确的。
因此，可以用日光标准（参照光源），将白炽灯、荧光灯、钠灯等人工光源（待测光源）与其比较，显示同色能力的强弱叫做该人工光源的显色性。
在色度学中，按CIE（国际照明委员会）的规定，把普朗克辐射体（如黑体）作为低色温光源的参照标准，把标准照明体D（也叫典型日光或重组日光）作为高色温光源的参照标准。
用上述尺度衡量，白炽灯和日光灯是显色性最好的光源，高压汞灯等虽然发光效率很高，但显色性却很差。
我国国家标准"光源显色性评价方法"中规定用普朗克辐射体（色温低于5000K）和组合日光（色温高于5000K）做参照光源。
1974年CIE推荐了用“试验色”法来定量评价光源显色性的方法，它是测量参照光源照明下和待测光源照明下标准样品的总色位移量为基础来规定待测光源的显色性，用一个显色指数值来表示。
CIE规定14块测验用的标准颜色样品，CIE规定用普朗克辐射体或标准照明体D作为参照光源,并将其显色指数定为100；
CIE规定以这些样品在参照光源下和另一色温为3000K标准荧光灯下的颜色色差△E为尺度，约定标准荧光灯的显色指数为50。
CIE根据在参照光源下和待测光源下颜色样品的色差，导出计算光源显色指数的公式。
光源对某一颜色样品的显色指数称为特殊显色指数Ri,光源对特定8个颜色样品的平均显色指数称为一般显色指数Ra。
1-8号为中等饱和度、中等明度的常用代表性色调样品，第9至14号样品包括红、黄、绿、蓝等几种饱和色、欧美的皮肤色和树叶绿色。
在一些特殊场合使用的LED光源，必须考核其特殊的显色指数。
1985年国家制定了“光源显色性评价方法”标准，并增加了中国人女性肤色的色样，作为第十五种标准色样。
号数
孟塞尔标号
日光下的颜色
号数
孟塞尔标号
日光下的颜色
1
7.5R6/4
淡灰红色
8
10P6/8
淡红紫色
2
5Y6/4
暗灰黄色
9
4.5R4/13
饱和红色
3
5GY6/8
饱和黄绿色
10
5Y8/10
饱和黄色
4
2.5G6/6
中等黄绿色
11
4.5G5/8
饱和绿色
5
10BG6/4
淡蓝绿色
12
3PB3/11
饱和蓝色
6
5PB6/8
淡蓝色
13
5YR8/4
人的肤色
淡黄粉色
7
2.5P6/8
淡紫蓝色
14
5GY4/4
树叶
䦋㌌㏒㧀낈ᖺ琰茞ᓀ㵂Ü
䦋㌌㏒㧀낈ᖺ琰茞ᓀ㵂Ü
䦋㌌㏒㧀낈ᖺ琰茞ᓀ㵂Ü
15
1YR6/4
中国女性肤色
Ra：
colourrenderingindex
特殊显色指数:
Ri=100-4.6△Ei
一般显色指数:
Ra=∑（Ri）/8（i=1,2,…8）
一般显色性指数Ra
Ra值的确定，是将DIN6169标准中定义的8种测试颜色在标准光源和被测试光源下做比较，色差越小则表明被测光源颜色的显色性越好。
显色性指数最高为100。
Ra值为100的光源表示，事物在其灯光下显示出来的颜色与在标准光源下一致。
显色性指数的高低，就表示物体在待测光源下“变色”和“失真”的程度。
例如，在日光下观察一副画，然后拿到高压汞灯下观察，就会发现，某些颜色已变了色。
如粉色变成了紫色，蓝色变成了蓝紫色。
因此，在高压汞灯下，物体失去了“真实”颜色，如果在黄色光的低压钠灯底下来观察，则蓝色会变成黑色，颜色失真更厉害，显色指数更低。
光源的显色性以一般显色性指数Ra值区分，Ra值为：
100～80显色优良
79～50显色一般
49以下显色性差
特殊显色指数Ri
在一些特殊场合使用的LED光源，必须考核其特殊的显色指数。
对于评价在电视演播室、商场、美容场所等照明用LED光源的显色性尤为重要。
指数（Ra）
等级
显色性
一般应用
90-100
1A
优良
需要色彩精确对比的场所
80-89
1B
需要色彩正确判断的场所
60-79
2
普通
需要中等显色性的场所
40-59
3
对显色性的要求较低，色差较小的场所
20-39
4
较差
对显色性无具体要求的场所
光源的显色性是由光源的光谱能量分布决定的。
日光、白炽灯具有连续光谱，连续光谱的光源均有较好的显色性。
通过对新光源的研究发现，除连续光谱的光源具有较好的显色性外，由几个特定波长色光组成的混合光源也有很好的显色效果。
如450nm的蓝光，540nm的绿光，610nm的桔红光以适当比例混合所产生的白光，虽然为高度不连续光谱，但却具有良好的显色性。
用这样的白光去照明各色物体，都能得到很好的显色效果。
三基色荧光灯
灯的种类
显色性Ra
灯的种类
显色性Ra
白炽灯
100
金卤灯
65-93
卤坞灯
100
荧光灯
51-95
高压纳灯
42-52
高压汞灯
25-60
节能灯
85
低压钠灯
25
七、光源显色性
标准光源
我们知道，照明光源对物体的颜色影响很大。
不同的光源，有着各自的光谱能量分布及颜色，在它们的照射下物体表面呈现的颜色也随之变化。
为了统一对颜色的认识，首先必须要规定标准的照明光源。
因为光源的颜色与光源的色温密切相关，所以CIE规定了四种标准照明体的色温标准：
标准照明体A：
代表完全辐射体在2856K发出的光（X0=109.87，Y0=100.00，Z0=35.59）；
标准照明体B：
代表相关色温约为4874K的直射阳光（X0=99.09，Y0=100.00，Z0=85.32）；
标准照明体C：
代表相关色温大约为6774K的平均日光，光色近似阴天天空的日光（X0=98.07，Y0=100.00，Z0=118.18）；
标准照明体D65：
代表相关色温大约为6504K的日光（X0=95.05，Y0=100.00，Z0=108.91）；
标准照明体D：
代表标准照明体D65以外的其它日光。
CIE规定的标准照明体是指特定的光谱能量分布，是规定的光源颜色标准。
它并不是必须由一个光源直接提供，也并不一定用某一光源来实现。
为了实现CIE规定的标准照明体的要求，还必须规定标准光源，以具体实现标准照明体所要求的光谱能量分布。
CIE推荐下列人造光源来实现标准照明体的规定：
标准光源A：
色温为2856K的充气螺旋钨丝灯，其光色偏黄。
标准光源B：
色温为4874K，由A光源加罩B型D-G液体滤光器组成。
光色相当于中午日光。
标准光源C：
色温为6774K，由A光源加罩C型D-G液体滤光器组成，光色相当于有云的天空光。
CIE标准光源D50，其色温为5003K,表示典型的昼光；CIE标准光源D65，其色温为6504K，表示典型的昼光（平均日光）。
D50、D65目前还无法由实物制造出来，因此只能称之为施照体，而实际使用的人工光源则是D50、D65的模拟体。
我国国家标准规定观察透射样品所用的人工光源应为D50的模拟体，观察反射样品的人工光源应为D65的模拟体，光源的一般显色指数应不低于90。
现在研制的三种模拟D65人造光源分别为：
带滤光器的高压氙弧灯、带滤光器的白炽灯和荧光灯。
它们的相对光谱能量分布与D65有所符合，带滤光器的高压氙弧灯提供了最好的模拟，带滤光器的白炽灯在紫外区的模拟尚不太理想，荧光灯的模拟较差。
为了满足精细辨色生产活动的需要，还有采用荧光灯和带滤器的白炽灯组成的混光光源，称为D75光源。
其色温可达7500K。
主要运用在原棉评级等精细辨色工作中。
F天然采光：
光气候、才光气候
§1光气候和采光标准
一、光气候lightingclimate
指室外天然光的自然状况，包括当地天然光的组成及其照度变化、天空亮度及其在天空中的分布状况等。
室外照度的分布及其变化状况。
天然光组成
太阳是天然光的基本光源。
太阳光经过大气层时形成直射阳光和天空扩散光。
这两种光的组成和所占比例依不同天气状态、不同时间而异。
早晚以扩散光为主，阴天全部为扩散光，晴天中午以直射阳光为主。
地面反射光
直射阳光
透过大气层直达地面的那一部分太阳光。
它具有强烈的方向性，在物体的背阳面形成阴影。
直射阳光在地面上形成的照度主要受太阳高度角和大气透明度的影响。
由于太阳高度随时间而变化，大气透明度随天气变化，所以直射阳光照度变化甚大，如阴天时直射阳光照度为零，夏季晴天中午
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