建筑采光和照明原理

一、光的特性和基本量

(一)光的本質與特性

“光”這個術語，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去理解，則光指的是由能夠為人眼所感覺到的可見光譜的輻射能刺激眼睛所引起的“亮”的感覺。

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

(2)人眼對不同波長的可見光有不同的敏感度。人眼的這種特性可見光譜光視效率曲線表示。

從圖21可看出，對于明視覺(即處在光亮環境下)，人眼對波長為555nm的黃綠光最敏感。這意味著該種波長的光能引起人眼最強的亮感;而對于暗視覺(即處在較暗環境中)，則人眼對波長為507nm的藍綠光最敏感。

(3)人眼具有感知顏色的能力，稱為色覺。人眼對780nm范圍內的可見光能夠產生不同的顏色感覺。隨著波長的不同，可區分出紅、橙、黃、綠、青、藍、紫等顏色，見表2-1.

(二)基本光度單位

在光環境設計中，需要一些物理量來進行計算和測量。這些物理量以光通量為基礎，構成光計量體系，其中最基本的有光通量、發光強度、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)。

2.光通量

光通量：光源在單位時間內發出的可見光的能量，用符號φ表示，單位是流明(lm)φ=Km∫φe(λ)V(λ)dλ(2-1)

式中φe(λ)——波長為λ的單色輻射光通量，W;

V(λ)——可見光光譜光視效率，見圖2-1;

Km——最大光譜光視效率，對明視覺而言，在λ=555nm處，其數值為683lm/W，即1光瓦=683lm.

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

3.發光強度

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

設光源在某一方向的小立體角dΩ內發出的光通量為，則該方向的發光強度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球面度立體角內均勻發出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E表示，單位是勒克斯(1x)。

設被照面上一個面積微元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，㎡。

照度是用來衡量被照表面受到光照射程度的一個基本光度量，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1㎡的被照面上所形成的照度，即llx=llm/1㎡.例如，40W白熾燈下1m處的照度為301x;晴天戶外中午陽光下照度可達80000～1200001x。

5.亮度

亮度是受到發光體或一個反射表面的光刺激的物理量。它產生一個主觀亮度感覺。亮度可定義為發光表面在視線方向上單位投影面積上的發光強度，用符號Lα表示，單位是坎德拉每平方米(cd/㎡)，也稱nt(尼脫)，Int=lcd/㎡.Lα=Iα/(A·cosα)(2-4)

式中Iα——發光表面朝視線方向的發光強度，單位是cd;

A·cosα——發光表面在視線方向的投影面積，單位是㎡。

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

(三)基本光度量間的關系

1.發光強度與照度

光源在某一表面產生的直達光成分可用以下兩個照度定律來計算：

(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——光源的發光強度。

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

(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，照度還應通過乘以夾角的余弦來修正，因為這時光通量分布在一個更大些的面積上。這時，被照面的照度可以寫成Eα=E·cosα，于是，距離平方反比定律修正為：

2.照度與亮度

照度與亮度的關系由立體角投影定律表明：E=Lα·Ω·cosθ(2-7)

式中Lα——發光表面的亮度;

Ω——發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——發光表面的面積;

r——發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，某發光面在被照面上形成的照度與發光面的度成正比，也與發光面在被照面上所張的立體角的投影成正比。只要發光面在被照面上的立體角投影相同，則這些發光面在被照面上形成的照度也相同，而與發光面的面積無關。