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建筑采光和照明原理
一、光的特性和基本量
(一)光的本质与特性
“光”这个术语，可从两方面去理解。若从客观物理意义上去理解，则光指的是以电磁波形式传播的辐射能若从人的主观感觉去理解，则光指的是由能够为人眼所感觉到的可见光谱的辐射能刺激眼睛所引起的“亮”的感觉。
(1)可见光波长为380nm至780nm，单位为nm纳米，也即毫微米，1nm=10-9m.波长大于780nm的红外线、微波、无线电波等，以及波长小于380nm的紫外线、x射线等，都不能为人眼所感知。
(2)人眼对不同波长的可见光有不同的敏感度。人眼的这种特性可见光谱光视效率曲线表示。
从图21可看出，对于明视觉(即处在光亮环境下)，人眼对波长为555nm的黄绿光最敏感。这意味着该种波长的光能引起人眼最强的亮感;而对于暗视觉(即处在较暗环境中)，则人眼对波长为507nm的蓝绿光最敏感。
(3)人眼具有感知颜色的能力，称为色觉。人眼对780nm范围内的可见光能够产生不同的颜色感觉。随着波长的不同，可区分出红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等颜色，见表2-1.
(二)基本光度单位
在光环境设计中，需要一些物理量来进行计算和测量。这些物理量以光通量为基础，构成光计量体系，其中最基本的有光通量、发光强度、照度和亮度等。在介绍这些物理量之前，先介绍球面度(Sr)的概念
1.球面度(Sr)
球面度是用于测量三维或固体角度的单位。1球面度的定义为在半径为r的球心处，一表面积为r2的球面所形成的立体角(图2-2)。球面总面积是4πr2，因此，球中心处共有4π球面度(4πr2/r2=4π)。
2.光通量
光通量：光源在单位时间内发出的可见光的能量，用符号φ表示，单位是流明(lm)φ=Km∫φe(λ)V(λ)dλ(2-1)
式中φe(λ)——波长为λ的单色辐射光通量，W;
V(λ)——可见光光谱光视效率，见图2-1;
Km——最大光谱光视效率，对明视觉而言，在λ=555nm处，其数值为683lm/W，即1光瓦=683lm.
在建筑环境光学中，常用光通量表示光源发出的光能的多少。例如，100W普通白炽灯发出1250lm的光通量，40W日光荧光灯约发出2200lm的光通量等。
3.发光强度
光源在某一方向上的发光强度是光源在该方向单位立体角内所发出的光通量。它表示光通量的空间密度，用符号I表示，单位是坎德拉(cd)。
设光源在某一方向的小立体角dΩ内发出的光通量为，则该方向的发光强度I为：I=dφ/dΩ(2-2)
式中dφ——光通量，lm;
dΩ——立体角，Sr.
坎德拉表示光源在1球面度立体角内均匀发出llm的光通量，即lcd=11m/1Sr.
4.照度
照度指光源落在单位被照面上的光通量，用符号E表示，单位是勒克斯(1x)。
设被照面上一个面积微元ds上接收到的光通量为dφ，则该处的照度为：E=dφds(2—3)
式中dφ——光通量，lm;
ds——面积微元，㎡。
照度是用来衡量被照表面受到光照射程度的一个基本光度量，即被照表面的光通量密度。勒克斯等于llm的光通量均匀分布在1㎡的被照面上所形成的照度，即llx=llm/1㎡.例如，40W白炽灯下1m处的照度为301x;晴天户外中午阳光下照度可达80000～1200001x。
5.亮度
亮度是受到发光体或一个反射表面的光刺激的物理量。它产生一个主观亮度感觉。亮度可定义为发光表面在视线方向上单位投影面积上的发光强度，用符号Lα表示，单位是坎德拉每平方米(cd/㎡)，也称nt(尼脱)，Int=lcd/㎡.Lα=Iα/(A·cosα)(2-4)
式中Iα——发光表面朝视线方向的发光强度，单位是cd;
A·cosα——发光表面在视线方向的投影面积，单位是㎡。
例如，荧光灯管的亮度约为0.1—0.6X104cd/㎡，白炽灯的亮度约为0.15X104cd/㎡，蜡烛光的亮度约为0.5cd/㎡。
(三)基本光度量间的关系
1.发光强度与照度
光源在某一表面产生的直达光成分可用以下两个照度定律来计算：
(1)照度的平方反比定律：E=I/r2
式中r——光源至被照面的距离;
I——光源的发光强度。
式(2—5)适用于点光源形成的照度，它表明，某点光源在离开它rm的被照面上所形成的照度，与其发光强度I成正比，而与光源至该表面的距离的平方成反比。上式也反映了发光强度I与照度E的关系。
(2)照度的余弦定律
上述定律，是在被照面与入射光线相垂直的情况下得出的，若光线是以任意角α射至被照平面上时，照度还应通过乘以夹角的余弦来修正，因为这时光通量分布在一个更大些的面积上。这时，被照面的照度可以写成Eα=E·cosα，于是，距离平方反比定律修正为：
2.照度与亮度
照度与亮度的关系由立体角投影定律表明：E=Lα·Ω·cosθ(2-7)
式中Lα——发光表面的亮度;
Ω——发光表面在与其平面法线成。角的方向上所张的立体角，n=Acosa/r2;
A——发光表面的面积;
r——发光表面中心与被照表面中心的距离;
θ——光线在被照表面上的入射角。
式(2—7)表明，某发光面在被照面上形成的照度与发光面的度成正比，也与发光面在被照面上所张的立体角的投影成正比。只要发光面在被照面上的立体角投影相同，则这些发光面在被照面上形成的照度也相同，而与发光面的面积无关。