第七章 建筑光学基本知识
1. 基本光度单位
①光通量：光源在单位时间内发射出的以人眼感觉为基准的能量。
光通量Φ由下式计算：
（7-1） 式中，Φ——光通量，单位为流明（lm ）；
d ()
d e λλΦ——辐射通量的光谱分布（W ）；
V()λ——光谱光视效率，可由图7-4或附表1中的y()λ查出。
m K ——最大光谱光视效能，在明视觉时为683 lm/W 。
计算时，光通量通常采用下式得到：
（7-2）
式中，,e λΦ——波长为λ的辐射通量（W ）。
单位： 光瓦或流明（lm ） 1光瓦= 683 lm
②发光强度：空间中的光的分布状况，就是光通量的空间密度，常用符号I α来表示。
单位为坎德拉，符号为cd 。
光源在给定方向上的发光强度是该光源在该方向的立体角元d Ω内传输的光通量
d Φ除以该立体角之商，发光强度的符号为I α。
点光源在某方向上的立体角元d Ω内发出的光通量为d Φ时，则该方向上的发光强
度为：
当角α方向上的光通量Φ均匀分布在立体角Ω内时，则该方向的发光强度为：
（7-4） ③照度: 对于被照面而言，常用落在其单位面积上的光通量多少来衡量它被照射的程度，
这就是照度。符号为E 。它表示被照面上光通量的密度。
表面上一点照度是入射在包含该点面元上的光通量d Φ除以该面元面积A d 之商，即：
当光通量Φ均匀分布在被照表面A 上时，则此被照面各点的照度均为
A
E Φ
=
（7-5）
照度单位为勒克斯，符号为lx ，等于1 lm 的光通量均匀分布在1m 2
的被照面上。
④发光强度和照度的关系:
1．点光源垂直入射到被照表面。如左图，根据A E Φ=
、I αΦ=Ω和2A
r
Ω=可得： 2A I I E r
αα
Ω=
= （7-6） 上式表明，某表面的照度E 与点光源在这方向的发光强度I α成正比，与距光源的距离r 的平方成反比。此为计算点光源照度的基本公式，称为距离平方反比定律。
2．点光源入射角为i （光源射线与被照面法线所成角）。如右图，根据1122A E A E Φ==、
12cos A A i = 得： 21cos E E i =
即： 2cos I E i r
α
=
（7-7）
它表示：表面法线与入射光线成i 角处的照度，与它至点光源的距离平方成反比，与光源在i 方向的发光强度和入射角i 的余弦成正比。
⑤亮度: 发光体在视线方向上单位投影面积上的发光强度。
其符号为L ，计算公式为：
式中，2d Φ——由给定点处的束元A d 传输的并包含给定方向立体角元d Ω内传
播的光通量；
A d ——包含给定点处的射束截面积；
α——射束截面法线与射束方向间的夹角。
当角α方向上射束截面A 的发光强度I α均相等时，角α方向的亮度为：
（7-8）
亮度的常用单位为坎德拉每平方米(cd ／m 2)，它等于1平
方米表面上，沿法线方向(α＝0°)发出1坎德拉的发光强度。另一单位为熙提（sb ），1sd=104 cd ／m 2
⑥照度和亮度的关系:
如右图，设1A 为各方向亮度都相同的发光面，2A 为被照面。在1A 上取一微元面积
1A d ，由于其尺寸和它距离被照面间的距离r 相比很小，故可视为点光源。微元发光面
积dA 1射向O 点的发光强度为dI α，则其在2A 上的O 点形成的照度为：2cos dI dE i r
α
=
（1）
对微元发光面积1A d 而言，根据亮度和光强的关系7-8式得：1A cos dI L d ααα= （2）
由1、2式得： 12
A cos cos d dE L i r α
α
= （3）
又因为
12
A cos d r
α
为微元面1A d 对O 点所张开的立体角d Ω，故有cos dE L d i α=Ω 整个发光面在O 点形成的照度为：cos E L d i αΩ
=Ω?
因光源在各方向的亮度相同，则
（7-9）
这就是立体角投影定律。它表示某一亮度为L α的发光面在被照面上形成的照度值的大小，等于这一发光面的亮度L α与该发光面在被照射点上形成的立体角Ω的投影（cos i Ω）的乘积。
2. 材料的光学性质 ①光的反射、吸收和透射
②光的规则反射和透射
③扩散反射和透射
漫射材料表面的亮度可有下列公式计算：
对于漫反射材料：E L ρ
π
?=
cd/m 2
对于漫透射材料：E L τ
π
?=
cd/m 2
漫射材料的最大发光强度在表面的法线方向，其他方向的发光强度和法线方向的值有如下关系：
0cos i I I i =
i 为表面法线和某一方向间的夹角，这一关系式称为“郎伯余弦定律”
。
3.可见度及其影响因素
①可见度：就是人眼辨认物体存在或形状的难易程度，故以前又将其称为视度。
室内应用时，以标准观察条件下恰可感知的标准视标的对比或大小定义。
室外应用时，以人眼恰可看到标准目标的距离定义，故常称为能见度。
②影响可见度的因素：
亮度、大小（物件的相对尺寸）、亮度对比、识别时间和眩光等。
4.颜色
①颜色形成
光源色：由光源发出的色刺激。
物体色：被感知为物体所具有的颜色。它是由光被物体反射或透射后形成的。
①分类和属性
无彩色：在知觉意义上是指无色调的知觉色，由从白到黑一系列中性灰色组成。
有彩色：在感知意义上是指所感知的颜色具有色调，它由除无彩色以外的各种颜色组成。
任何一种有彩色的表观颜色，均可按照三种独立的属性分别加以描述：色调（色相）、明度、彩度。
①色调：是各彩色彼此相互区分的视感觉特性。各种单色光在白色背景上呈
现的颜色。
可见光谱不同波长的辐射，在视觉上表现为各种色调。
②明度：是颜色相对明暗的视感觉特性。
彩色光的亮度愈高，人眼愈感觉明亮，它的明度就愈高。
无彩色只有明度这一个颜色属性的差别。
③彩度：是彩色的纯洁性。可见光谱的各种单色光彩度最高。
③颜色混合
色度学中将红（700nm）、绿（546.1nm)、蓝（435.8nm)称为加色法三原色。
青色（减红）、品红色（减绿）、黄色（减蓝）为减法三原色。
5.颜色定量
①CIE 1931 标准色度系统
这一系统的特点是用严格的数学方法来计算和规定颜色。使用这一系统，任何一种
颜色都能用两个色坐标在色度图上表示出来。
②孟塞尔表色系统
孟塞尔（A·H·Munsell）创立的表色系统按颜色的三个基本属性：色调（符号H），明度（V）和彩度（C）对颜色进行分类与标定．它是目前国际通用的物体色表色系统。
③光源的显色性
定义：就是照明光源对物体色表（色表——与色刺激和材料质地有关的颜色的主观表现）的影响（该影响是由于观察者有意识或无意识地将它与标准光源下的色表相
比较而产生的），它表示与参考标准光源相比较时，光源显现物体颜色的特性。
光源色显色性采用显色指数来度量。
第八章天然采光
1.光气候
①光气候：
所谓光气候就是太阳直射光、天空漫射光合地面反射光形成的天然光平均状况。
1．太阳直射光：太阳光穿过大气层时，一部分透过大气层到达地面，称为直接光。它形成的照度高，并具有一定的方向，在物体背后出现明显的阴影。
2．天空漫射光：太阳光中一部分碰到大气层中的空气分子、灰尘、水蒸气等微粒，产生多次反射，形成天空扩散光。它使天空具有一定亮度，这部分光形成的照度较低，没有一定方向，不能形成阴影。
3．地面反射光：太阳直射光合天空漫射光射到地球表面上后产生反射光。
②分区：
③采光系数
概念：采光系数C，它是在全阴天空漫射光照射下，室内给定平面上的某一点由天空漫
E）与室内某一点照度同一时间、同一地点，在室外无遮挡水平面射光所产生的照度（
n
E）的比值：
上由天空漫射光所产生的照度（
w
n
w
E C E
（8-3）
2.窗洞口（采光口） ①侧窗
特点：①采光量：窗口面积相等时，正方形窗口最高，竖长方形次之，横长方形最少。
②照度均匀性：竖长方形在房间进深方向均匀性好，横长方形在房间宽度方向较均匀（如右图），而方形窗居中。
1．影响采光均匀性的因素：进深方向主要是窗位置高低、横向主要因素是窗间墙。
2．影响采光量的主要因素：侧窗尺寸、位置
②天窗
矩形天窗：主要有纵向矩形天窗、梯形天窗、横向矩形天窗和井式天窗等。
锯齿形天窗：锯齿形天窗属单面顶部采光。
③平天窗
3.采光设计
4 采光计算
①侧窗采光计算图例如下：
☆计算点P的选取：
①单侧采光点应选在离内墙1m处，下图（a）；
②多跨建筑的边跨为侧窗采光时，计算点应定在边跨与邻近中间跨的交界处，如下
图（c）。
③双侧采光。下图（b）对称双侧；下图(c)不对称双侧，含高侧窗；
下图（d)不对称双侧，且次窗窗下沿未与工作面处于同一水平面。
②顶部采光计算
☆计算点P的选取：
①对于多跨度连续矩形天窗，其天窗采光分区计算点可定在量跨交界的轴线上（见上图a）；
②平天窗采光分区计算点（见上图b）。
③多跨连续锯齿形天窗，其采光的分区计算点可定在两相邻天窗的交界线上（见上
图c）。
第九章建筑照明
1.电光源
①分类：热辐射光源、气体放电光源、固体发光光源。
②发光机理
用通电的方法加热玻璃壳内的灯丝，导致灯丝产生热辐射而发光的光源。
气体放电灯没有灯丝，它是借助两极之间气体激发而发光，称为冷光源。
实际是一个PN结，基本工作原理是一个电光转换过程。
2.灯具
①配光曲线：光强体被通过对称轴的垂直平面所截出的曲线称为配光曲线。
配光曲线上的每一点表示灯具在该方向上的发光强度。知道灯具对计算点的投光角α，就可查到相应的发光强度I
，利用公式（7-7）可求出点光源在计算点上形成
α
的照度。
注意：①通常以光源的光通量为1000lm为基准绘制配光曲线，对光通量不是1000lm 的光源，需要加以修正。
②对于非对称配光的灯具，需要一组配光曲线来表示不同剖面的配光情况。
②遮光角
定义：灯罩边缘到发光体边沿的连线与水平线的夹角就是遮光角γ（如图），可
表示灯罩遮光的程度。例：图a
遮光角越大，眩光程度大大衰减。
然而，但对透明灯罩而言，由于本身具有一定亮度仍可形成眩光，这时则应该限制其表面亮度值。
③灯具效率
定义：在规定条件下，灯具发出的总光通量Φ与灯具内所有光源在灯具外按照规定
Φ之比称为灯具效率η，也称为灯具光输出比，即：条件发出的全部光通量
Q
①光源装入灯具后，它的光通量输出将受到限制，灯具本身也将吸收部分光能，所
②灯具效率与灯具的形状、所用的材料和光源在灯具内位置有较大关系。
④分类
一般可以分为直接、半直接、均匀漫射、半间接、间接等五种类型。
3.室内工作照明
以满足视觉工作为主的室内照明称为室内工作照明。
为突出艺术效果的照明称为室内外环境照明。
工作照明设计的步骤有： 1.选择照明方式;
2.照明标准;
3.选择合适的光源和灯具;
4.灯具布置.
①照明方式
照明方式一般分为:一般照明、分区一般照明、局部照明、混合照明。图为不同照明方式的照度分布。
②照明标准
照明数量：《建筑照明设计标准》。
照明质量：影响照明质量的主要因素：眩光、光源颜色、照明均匀度、反射比。
4.照明计算
C就等于光源实际投射到利用系数法：这种方法是从平均照度的概念出发，利用系数
u
Φ）和全部灯的额定光通量（NΦ）之比，这里N为灯的个工作面上的有效光通量（
u
数。
利用系数法的基本原理图如下。
从某个光源发出的光通量中，在灯罩内损失了一部分。当射入室内空间时，一部分直达工作面（d Φ），形成直射光照度；另一部分射到室内其他表面上，经过一次或多次反射才射到工作面上（ρΦ），形成反射光照度。光源实际投射到工作面上的有效光通量u Φ为：
u Φ越大，表示光源发出的光通量被利用的越多，利用系数u C 值越大，即：
（9-4）
u C 值的大小与下列因素有关：
①灯具类型和照明方式。
②灯具效率η。
③房间尺寸。（如图：同一灯具，放在不同尺度房间内d Φ就不同，宽而矮的房间内，d Φ就大）。用室空间比（RCR ）来表征这一特性：
（9-5）
其中rc h ——灯具至工作面高度，m ；
l ，b ——房间的长和宽。
④室内顶棚、墙、地板、设备的光反射比。光反射比越高，反射光照度增加得越多。
只要知道灯具的利用系数和光源发出的光通量，就可以按照下式算出房间内工作面上的平均照度：
如需要知道达到某一照度要求安装多大功率的灯泡（即发出的光通量）时，则可将上式改写为：
u
AE
NC Φ=
此外，考虑到照明设施使用过程中要遭受污染，光源要衰减等，因此照度下降，故在照明设计时，应将初始照度提高，即将照度标准值除以表9-25所列的维护系数K 。故利用系数法的照明计算式为：
（9-6）
5.室内外环境照明