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照明中光的基本知識

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光的基本概念

光是能量的一種形態(tài),這種能量能從一個物體傳播到另一個物體,在傳播過程中無需任何物質(zhì)作為媒介,這種能量的傳遞方式被稱為輻射。

實踐證明,光具有波動性,光線的方向也就是波傳播的方向。約100年前,人們已證實了光的本質(zhì)是電磁波。光在一種介質(zhì)(或無介質(zhì))中傳播時,它的傳播路徑將是直線,并稱之為光線。在另一方面,光與物質(zhì)的相互作用中,主要顯示出微粒性,即光具有波動性和微粒性的二重性。與之相對應(yīng),關(guān)于光的現(xiàn)象也有兩種,即光的波動現(xiàn)象和光的量子現(xiàn)象。

1) 光的波動現(xiàn)象

光的電磁波波動現(xiàn)象認(rèn)為光是能在空間傳播的一種電磁波。電磁波的實質(zhì)是電磁振蕩在空間的傳播。

所有的電磁波在真空中傳播時具有相同的傳播速度c,即

c=1ε0μ0(1.1)

式中：ε0——真空的介電常數(shù)，ε0=14π×8.98755×109(F／m)；

μ0——真空的磁導(dǎo)率，μ0=4π×10-7(H／m)。

由此可得電磁波在真空中的傳播速度為：c=2.997925×108（m／s）。

不同的電磁波在真空中的傳播速度雖然都相等,但它們的振動頻率和波長各不相同,三者的關(guān)系為：

c=λν(1.2)

式中：ν——電磁波的頻率（Hz）；

λ——電磁波的波長(m)。

電磁波在介質(zhì)中傳播時,其頻率由輻射源決定而不隨介質(zhì)而變,但傳播速度將隨介質(zhì)而變。在介質(zhì)中電磁波的傳播速度v為：

v=λνn(1.3)

式中：v——電磁波在介質(zhì)中的傳播速度(m／s)；

n——介質(zhì)的折射率。

電磁輻射的波長范圍是極其廣泛的,波長不同的電磁波其特性可能有很大的差別,這些波段不同的電磁波是由不同的輻射源產(chǎn)生的,它們對物質(zhì)的作用不同,因而有不同的作用和測量方法。若將各種電磁波按波長依次排列可以得到電磁波譜。

電磁波的波長范圍極其寬闊,而可見光只占其中極狹窄的一個波段。電磁波可見部分的波長范圍約在380～780nm之間,在這個范圍內(nèi)的各種波長,都可憑眼睛的顏色感覺來加以區(qū)別。將可見光按波長從380～780nm依次展開,光將分別呈現(xiàn)紫、藍(lán)、青、綠、黃、橙、紅色。各種顏色的波長范圍大致如下:

紫色:380～450nm；藍(lán)色:450～480nm；青色:480～500nm；綠色:500～580nm；黃色:580～595nm；橙色:595～620nm；紅色:620～760nm。

波長超過可見光譜的紫色和紅色兩端的電磁輻射,分別稱為紫外輻射和紅外輻射。紫外輻射的短波段可延伸到1nm(1～380nm),短于1nm的是X射線。紅外輻射的長波段可到1mm左右,更長的波段屬于無線電波的范圍。雖然眼睛不能感覺到紫外和紅外輻射的存在,但從生理上能感覺得到,其他特性均與可見光極相似。通常把紫外線、紅外線和可見光統(tǒng)稱為光。

光的電磁理論可以解釋光在傳播過程中出現(xiàn)的一些現(xiàn)象,如光的干涉、衍射和色散等。這說明光在傳播過程中主要表現(xiàn)為波動性。

2） 光的量子現(xiàn)象

波動理論雖然能完滿地描述光的傳播過程,但不能正確地解釋光的發(fā)射和吸收。實驗表明，當(dāng)光(或其他形式的電磁輻射)發(fā)射和吸收時,總含有被稱為“量子”的分立的能量值。一個光能量的量子稱為一個光子,它所攜帶的能量q可由普朗克(Planck)關(guān)系式給出:

q=hυ(1.4)

式中：q——光子的能量（J）；

υ——光子的振動頻率(Hz);

h——普朗克常數(shù)，h=6.6262×10-34 J?s。

可見，光的光子所具有的能量極小,1W的輻射功率就相當(dāng)于每秒輻射出1018個光子。

1.1.2光的常用度量

1） 輻射通量

某物體單位時間內(nèi)發(fā)射或接收的輻射能量,或在介質(zhì)(也可能是真空)中單位時間內(nèi)傳遞的輻射能量，稱為輻射通量,或稱為輻射功率,通常用符號Φe表示，即

Φe=dQedt(1.5)

在上述定義中,發(fā)射、接收或傳遞的輻射能量并未指明一定是可見光的能量,實際上可以包括任意波長的電感輻射的能量;當(dāng)輻射的能量用J作為單位,時間用s作為單位,則輻射通量的單位為W。

2） 光譜輻射通量及其能量分布

(1) 光譜輻射通量

如果輻射源發(fā)出的輻射只含有一種波長成分,這樣的輻射稱為單色輻射。如果這種輻射是指光輻射,則只含一種波長成分的光輻射稱為單色光。在照明工程中,實際照明光源發(fā)出的往往是含有多種波長成分的復(fù)合光。依據(jù)復(fù)合光中各種波長的輻射通量的分布情況,又可分為具有線光譜的復(fù)合光(只包含有限幾種波長)和具有連續(xù)光譜的復(fù)合光(包含無限多種波長);并用光譜輻射通量來定量地描述復(fù)合光中各波長的輻射通量的分布。

光譜輻射通量定義為輻射源在給定波長λ附近取包含該波長的無限小波長范圍,輻射源在該范圍內(nèi)產(chǎn)生的輻射通量dΦe與該波長范圍dλ之比稱為該給定波長處的光譜輻射通量,即

Φe,λ=dΦedλ(1.6)

若輻射通量dΦe的單位為W,波長范圍dλ的單位為m，則光譜輻射通量的基本單位是W／m。

(2) 輻射通量的光譜分布

光譜輻射通量實際上可看做是波長的函數(shù),因此，輻射源的輻射能量隨波長而變化的規(guī)律可以用曲線來表示,并稱之為輻射通量的光譜分布,又常稱為光譜能量(功率)分布。

表示具有線光譜成分的復(fù)合輻射的光譜能量分布。表示理想線光譜成分的光譜能量分布,即每一個線光譜成分具有良好的單色性,因此，此時的光譜輻射通量就是某波長的輻射通量,記作Φe(λ)。但實際輻射源的線光譜成分往往不是理想的,即在其波長附近一定波長范圍內(nèi)均有一定的輻射,所示。在實際測量時,一般不可能也沒有必要將每一波長的輻射都測量其輻射通量,而是分成若干波長段,測量其每一波長段的輻射通量。在照明工程的測量中,一般取5nm或10nm作為一波長段。經(jīng)過處理后,具有線光譜成分的光譜能量分布。

實際光源的光譜能量分布可能還要復(fù)雜一些,例如氣體放電光源通常既含有連續(xù)光譜成分,又具有線光譜成分。

已知光譜能量分布,式(1.6)還可改寫為：

Φe=∫∞0Φe,λdλ(1.7)

用上述積分公式求輻射通量時,首先要知道光譜輻射通量隨波長變化的函數(shù)關(guān)系,但通常很難用函數(shù)式來表示實際輻射源的光譜輻射通量,而只能用光譜能量分布曲線的形式表示。這時可用近似公式求輻射通量。求輻射通量實際上就是求光譜能量分布曲線與橫軸之間所圍的面積。在實際計算時，可用階梯形代替原來的曲線,當(dāng)波長間隔Δλ越小時,階梯形折線就越接近于曲線,因此計算結(jié)果也就越精確。根據(jù)光譜能量分布曲線求解輻射通量的近似公式為：

Φe=∑ni=1Φe,λΔλi(1.8)

3） 光譜光效率

輻射通量是純客觀的物理量,未計及人的視覺效果。人的視覺器官受到可見光的刺激就會產(chǎn)生視覺。事實證明,光刺激所引起的視覺強(qiáng)度(光亮感覺的大小)不僅與光能量的大小有關(guān),還與光的波長有關(guān),在同樣的環(huán)境條件下(指環(huán)境的明亮或昏暗狀況),人們對輻射通量相同但波長不同的光,具有不同的靈敏度。通常用光譜光效率(或光譜光效能)來表示人眼的視覺靈敏度。

光譜光效能的意義是單位輻射通量產(chǎn)生的視覺強(qiáng)度，用符號K(λ)表示。光譜光效能的單位是lm／W。

實驗證明,光譜光效能是波長的函數(shù),且在某一波長下存在最大值。在明視覺條件下(適應(yīng)亮度約為10cd／m2以上),當(dāng)波長為555nm時,光譜光效能最大,稱為最大光譜光效能,記作Km。國際光度學(xué)和輻射度學(xué)咨詢委員會規(guī)定Km=683lm／W。

光譜光效率的定義為某波長光的光譜光效能K(λ)與最大光譜光效能Km之比,就是該波長光的光譜光效率V(λ),即

V(λ)=K(λ)Km(1.9)

式中：K(λ)——給定波長λ的光譜光效能；

Km——最大光譜光效能；

V(λ)——給定波長λ的光譜光效率。

光譜光效率可以看做是光譜光效能的相對值,是波長的函數(shù),其最大值為1,發(fā)生在人們具有最大視覺效果的波長處。若偏離該波長時,光譜光效率將小于1。

光譜光效率除了與波長有關(guān)以外,還與光刺激強(qiáng)度有關(guān),即同一波長的光,在環(huán)境適應(yīng)亮度明暗不同的情況下,人眼對其敏感性是有差別的。此外,光譜光效率既然是評價人眼的視覺靈敏度的,就不可避免地存在著個人差異,這會給光的度量帶來很大的困難,所以必須有一個統(tǒng)一的標(biāo)淮。國際照明委員會(CIE)根據(jù)各國測試和研究的結(jié)果,提出了一個標(biāo)準(zhǔn)光度觀察者,稱為CIE標(biāo)準(zhǔn)光度觀察者。根據(jù)有關(guān)研究,國際照明委員會給出了兩種光譜光效率。第一種是在明亮條件下(適應(yīng)亮度約為10cd／m2以上)獲得的,稱為明視覺光譜光效率,記作V(λ),在555nm波長處視覺效果最高。第二種是在昏暗條件下(適應(yīng)亮度小于10-2cd／m2)獲得的,稱為暗視覺光譜光效率,記作V′(λ),最高視覺效果發(fā)生在507nm波長處。列出了各種波長下的CIE標(biāo)準(zhǔn)光度觀察者光譜光效率。

出了上述兩條光譜光效率曲線,其中實線表示的是明視覺條件下的光譜光效率,虛線表示的是暗視覺條件下的光譜光效率。在照明工程中主要應(yīng)用明視覺光譜光效率,因此下文在未明確說明的情況下,均指明視覺條件。

4） 光通量

光通量的實質(zhì)是光源在單位時間內(nèi)向周圍空間輻射出的使眼睛引起光感的能量。顯然,光通量和輻射通量所描述的是同一個物理概念,只是輻射通量是從純物理的角度來度量光,而光通量是通過人的眼睛來描述光。

根據(jù)一些國家權(quán)威實驗室的測量結(jié)果,輻射功率為1W、波長為555nm的黃綠光,主觀視覺量為683lm，則其他波長的光的輻射功率都為1W時,它們的光通量都小于683lm。由此輻射通量與光譜輻射通量的關(guān)系可得光通量的近似計算公式為:

Φv=Km∫780380Φe,λV(λ)dλ(1.10)

式中：Φv——光通量（lm）；

Km——最大光譜光效能,為一常數(shù)683lm／W；

V(λ)——明視覺下的光譜光效率；

Φe,λ——光譜輻射通量（W／nm）。

Φv的下標(biāo)表示視覺,為了簡便起見,在不會引起混淆的情況下常省去下標(biāo),即用Φ表示光通量。后文介紹的其他光度學(xué)物理量也與此同樣處理。

式（1.10）中的積分上下限本應(yīng)分別為∞和0,但實際上當(dāng)波長小于380nm和大于780nm時,光譜光效率近似為0,因此光通量的近似計算公式為式。

在照明工程中,光通量用來說明光源發(fā)光能力的基本量。例如,一只40W白熾燈發(fā)射的光通量約為350lm，而一只40W熒光燈發(fā)出的光通量約為2500lm,為白熾燈的7倍。

5） 發(fā)光強(qiáng)度

發(fā)光強(qiáng)度簡稱光強(qiáng),表示光源向空間某一方向輻射的光通密度。在討論發(fā)光強(qiáng)度之前,先介紹立體角的概念。

(1) 立體角

立體角定義為任意一個封閉的圓錐面所圍的空間。立體角是以錐的頂點(diǎn)為球心、半徑為r的球面被錐面所截得的面積來度量的。當(dāng)錐面在球面上截得的面積為dA時,則該立體角即為一個單位立體角dω,其表達(dá)式為:

dω=dAr2(1.11)

立體角的單位為球面度(sr)。由此可知,一個球體的立體角為：

ω=Ar2=4πr2r2=4π(1.12)

(2) 發(fā)光強(qiáng)度

一個光源向給定方向的立體角dω內(nèi)發(fā)光強(qiáng)度的定義發(fā)射的光通量dΦ與該立體角之比,稱為光源在給定方向的光強(qiáng),用符號I表示,其表達(dá)式為：

I=dΦdω(1.13)

顯然,發(fā)光強(qiáng)度是光源在指定方向上單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量,或稱之為光通量的立體角密度。發(fā)光強(qiáng)度可簡稱為光強(qiáng),記作I,單位是cd,它是國際單位制中光度學(xué)的基本單位。

【例1.1】100W普通白熾燈輸出的光通量為1250lm,假設(shè)光源向四周是均勻發(fā)射其光通量的,求光源某方向上的光強(qiáng)。

解根據(jù)題意,白熾燈是均勻地向四周發(fā)射光通量,因此它向任何方向的光強(qiáng)也是相等的。白熾燈共發(fā)出1250lm光通量,四周空間對白熾燈張的立體角為4π，故各方向的光強(qiáng)為：

I=Φω=12504π=99.5(cd)

6） 照度

光通量和光強(qiáng)主要用來表征光源或發(fā)光體發(fā)射光的強(qiáng)弱,而照度用來衡量落在物體表面上的光通量的多少,即照度是描述被照面被照射的程度的光度量。其定義為:被照物體表面上一點(diǎn)的照度等于入射到該表面包含這一點(diǎn)的面元上的光通量dΦ與面元的面積dA之比。簡單地說，就是被照面上單位面積入射的光通量。照度用符號E表示,其表達(dá)式為：

E=dΦdA(1.14)

照度的國際單位制單位為lx。當(dāng)1m2被照面上均勻地接收到1lm光通量時,該被照面上的照度值為1lx,即1lx=1lm／m2

也可用lm／m2作單位。若采用cm作長度單位,則照度單位用輻透(ph)來定義,1ph表示1cm2面積上均勻分布1lm光通量的照度值,即1ph=1lm／cm2。輻透的千分之一稱為毫輻透(mph),即1mph=10-3ph。

照度的英制單位是英尺燭光，符號為fc。當(dāng)1ft2被照面上均勻地接受1lm光通量時,該被照面的照度值為1fc,即1fc=1lm／ft2,而1lx=9.29×10-2fc。

lx是一個較小的單位,如在夏季中午日光下,地面照度可達(dá)105lx;在裝有100W白熾燈的臺燈下,桌面平均照度為200～300lx,月光下的照度只有幾lx。

照度可以直接相加。如房間內(nèi)有3盞燈,它們對桌面上A點(diǎn)的照度分別為E1、E2、E3,則A點(diǎn)的照度EA=E1+E2+E3。

7) 出射度

出射度是表征發(fā)光面光輻射強(qiáng)弱的物理量。發(fā)光面上某點(diǎn)S,在發(fā)光面上取包含S點(diǎn)的足夠小的面元dA,該面元發(fā)射的光通量若為dΦ,則S點(diǎn)的出射度M是面元發(fā)射的光通量dΦ(lm)與面元面積dA之比。

M=dΦdA(1.15)

出射度的單位為lm／m2。因為出射度與照度有同樣的量綱,因此也常用照度的單位勒克斯作為出射度的單位。但光出射度表示發(fā)光體發(fā)出的光通量表面密度,照度則表示被照物體所接受的光通量表面密度,為了與照度單位相區(qū)別,出射度的單位一般改稱輻射勒克斯,簡稱輻勒克斯(rlx)。

亮度是描述發(fā)光面或反光面上光的明亮程度的光度量。并且,亮度考慮了光的輻射方向,所以它是表征發(fā)光面在不同方向上的光學(xué)特性的物理量。

若以某發(fā)光面上一點(diǎn)S為研究對象。首先在該發(fā)光面上取一包含S點(diǎn)的足夠小的面元,面積為dA(m2),并設(shè)面元的法線方向為n。觀察者從某一方向觀察該發(fā)光面,發(fā)光面上S點(diǎn)向觀察者方向發(fā)出的光強(qiáng)為dI(cd),且該方向與面元法線方向的夾角為θ。發(fā)光面上S點(diǎn)在指向觀察者方向的亮度是該方向上的光強(qiáng)dI與包含S點(diǎn)的面元dA在垂直于觀察方向的平面上的投影dAcos

θ之比,記作L,即

L=dIdAcos θ(1.16)

亮度的國際單位制單位是cd／m2。若1m2發(fā)光面沿其法線方向發(fā)出1cd光強(qiáng)時,該發(fā)光面在其法線方向上呈現(xiàn)的亮度為1cd／m2。

式表明,亮度與被視物件的發(fā)光強(qiáng)度或反光面的反光程度有關(guān),還與發(fā)光面或反光面的面積有關(guān)。例如,在同一照度下,并排放著的白色和黑色物體,因物體表面對光的反射程度不同,人眼看起來的視覺效果也不同,總覺得白色物件要亮得多;而對兩個發(fā)光強(qiáng)度完全相向的物體來說,例如功率相同的一個普通白熾燈泡和一個磨砂玻璃燈泡,它們在視覺上引起的明亮程度也不同,后者看起來不及前者亮,這是因為磨砂玻璃表面凹凸不平,發(fā)光面積較大的緣故。

光在真空中傳播時,總是以直線方向進(jìn)行傳播,當(dāng)遇到某種物體時,光線可能被反射,或者被吸收、被透射。光投射到非透明的物體時,光的大部分被反射,小部分被吸收;光投射到透明物體時,光除被反射與吸收一部分外,大部分則被透射。

1） 吸收比、反射比和透射比

吸收是由于光能轉(zhuǎn)換成能量的其他形態(tài)時引起的,一般光能會轉(zhuǎn)換成熱能,但也可能轉(zhuǎn)換成不同波長的輻射(如熒光),而在光電池中就轉(zhuǎn)換成電能,在植物的光合作用中就轉(zhuǎn)換成化學(xué)能。物體對光的吸收作用可以用吸收比來表征,吸收比是指被物體吸收的光通量與入射到物體表面的初始光通量之比。

當(dāng)光從一種物質(zhì)射向另一種物質(zhì)時,有一部分光將從兩種物質(zhì)的分界面射回原來的物體材料中,這種現(xiàn)象稱為光的反射。對光的反射作用可以用反射比來表征,反射比是指被物體反射的光通量與入射到物體表面的初始光通量之比。

光投射在某物體上,有部分光穿透該物體,這種現(xiàn)象稱為光的透射。光穿透物質(zhì)的能力用透射比來表征。透射比是指從物體穿透的光的光通量與投射到物體表面的初始光通量之比。

材料對光的反射、吸收和透射性質(zhì)用相應(yīng)的系數(shù)表示如下:

反射比ρ=ΦρΦi(1.17)

吸收比α=ΦαΦi(1.18)

透射比τ=ΦτΦi(1.19)

式中：Φi——投射到物體材料表面的光通量；

Φρ——Φi之中被物體材料反射的光通量；

Φα——Φi之中被物體材料吸收的光通量；

Φτ——Φi之中被物體材料透射的光通量。

根據(jù)能量守恒原則，應(yīng)有：

α+ρ+τ=1(1.20)

影響物體對光的吸收、反射和透射作用的主要因素有如下幾種:

（1）

物體的性質(zhì)。物質(zhì)表面越光滑，反射比就越大；顏色越淺，反射比就越大；透明度越小，反射比就越大。透明材料對光的吸收作用較小,而非透明的表面粗糙且顏色較深的物質(zhì)對光的吸收作用較大;透明材料的透射比大,非透明材料的透視比為0。

（2）

光程,即光在物質(zhì)中傳播的路程長短對光的吸收有影響。一般來說,光程越長,即光在物體中傳播的路程越長,則物體對光的吸收就越強(qiáng),而通過物體透射的光越少。例如，清澈的水是透明度極高的介質(zhì),光可透過水直射水底，但當(dāng)水很深時,例如在深海中,由于光在水中逐漸被吸收,到水下，光已被完全吸收,因此深海的海底就成了黑暗世界。

（3）

入射光的波長。也就是物質(zhì)對光有光譜選擇性,當(dāng)入射光的波長改變時,這3個值也隨之改變。所以確定物質(zhì)的吸收比等值時采用的入射光是等能白光,又稱北向天空光,其光譜能量分布曲線為一等值的線,每一種物質(zhì)在這種復(fù)合光下有確定的吸收比、反射比和透射比的值。

反射光的分布形式有定向反射和擴(kuò)散反射兩大類,擴(kuò)散反射又可分為定向擴(kuò)散反射、漫反射和混合反射。反射光的分布形式。在光發(fā)生反射現(xiàn)象時,光的傳播方向發(fā)生了改變，但光的波長成分不會改變,亦即反射光中不會出現(xiàn)入射光中沒有的波長成分。但這并不意味著反射光與入射光具有相同的光譜能量分布,實際上一般都會有所改變。

根據(jù)反射光束在空間的擴(kuò)展情況,光的反射可以分為以下幾種情況：

(1) 定向反射

光線照射到表面很光滑的不透明材料上,就出現(xiàn)定向反射,又稱為鏡面反射或規(guī)則反射所示。其特征是光線經(jīng)過反射之后,仍按一定方向傳播,立體角沒有變化。定向反射的規(guī)律為:

① 入射光線與反射光線以及反射表面的法線處于同一平面；

② 入射光線與反射光線分居法線兩側(cè)；

③ 光線的入射角等于反射角。

光滑密實材料的表面,如玻璃鏡面、磨光的金屬表面等都能形成定向反射。在照明工程中,常利用定向反射進(jìn)行精確的控光,如制造各種曲面的燈具反光罩,用以重新分配光強(qiáng),同時也可提高燈具的效率。幾乎所有的節(jié)能燈具都使用這類材料做反光層,其中有陽極氧化或拋光的鋁板、不銹鋼板、鍍鉻鐵板、鍍銀或鍍鋁的玻璃和塑料等。

(2) 擴(kuò)散反射

當(dāng)反射光束的立體角大于入射光束的立體角時,稱為擴(kuò)散反射。擴(kuò)散反射又可分成定向擴(kuò)散反射、漫反射和混合反射幾種情況。

定向擴(kuò)散反射的反射光束立體角大于入射光束立體角,即反射光不再像定向反射那樣只向一定的一個方向反射,而向其他方向散開,但散開的方向接近定向反射的方向,它的反射光束的軸線方向仍遵循定向反射規(guī)則。具有定向擴(kuò)散反射特性的反光材料,如經(jīng)過沖砂、酸洗或錘點(diǎn)處理的毛糙金屑表面、光滑的紙、油漆表面等。這時在反射方向可以看到光源的大致形象,但輪廓不如定向反射那樣清晰,而在其他方向又類似漫反射材料具有一定亮度。漫反射的特點(diǎn)是反射光的分布與入射角無關(guān),在宏觀上沒有規(guī)則反射,反射光不規(guī)則地分布在所有方向上,在任何位置觀察反射面,都很難發(fā)現(xiàn)入射方向,反射面上也不再有明顯的光斑。例如無光澤的毛面材料或由微細(xì)的晶體、顏料顆粒構(gòu)成的表面產(chǎn)生漫反射?？梢詫⑦@些微粒看做是單個鏡面反射器,由于微粒的表面處于不同的方向,故將光反射到許多不同的角度上。

漫反射中的一個特例是均勻漫反射,其特點(diǎn)是反射光的光強(qiáng)分布的包絡(luò)面是一個與反射表面相切在入射點(diǎn),球面均勻漫反射的反射光強(qiáng)分布可以用朗伯余弦定律來表示。

Iθ=I0cos θ(1.21)

式中：Iθ——θ角方向上的發(fā)光強(qiáng)度(cd)；

I0——表面法線方向上的發(fā)光強(qiáng)度(cd)；

θ——表面法線與某一方向的反射光之間的夾角。

按照朗伯余弦定律,可以導(dǎo)出由照度計算均勻漫反射材料表面亮度的簡便公式如下:

L=ρEπ(1.22)

式中：L——材料表面的亮度(cd／m2)；

E——材料表面的照度(lx)；

ρ——材料的反射比。

正因為均勻漫反射有上述特點(diǎn),因此建筑飾面材料常近似地看做具有均勻漫反射特性;這一方面是由于建筑上常用的粉刷涂料、無光澤乳膠漆、無光澤墻紙墻布及石膏板等確實具有近似的均勻漫反射特性,另一方面，當(dāng)這些材料看做是均勻漫反射材料時可以大大簡化照明計算,一般來說，由此而引起的誤差基本上在允許范圍之內(nèi)。

多數(shù)材料的表面兼有定向反射和漫反射的特性,這稱為混合反射。混合反射中有定向反射成分。所以,可在反射角處看見光源的形象,但不那么清晰。這類材料如搪瓷表面和較粗糙的金屬表面等?；旌戏瓷渲卸ㄏ蚍瓷渑c漫反射兩種成分的比值與光線的入射角有關(guān)。

3） 光的透射

光投射到某種物質(zhì),并從這種物質(zhì)穿透出來的現(xiàn)象稱為光的透射。類似地,根據(jù)透射光束在空間的擴(kuò)展情況,可分為定向透射和擴(kuò)散透射。

(1) 定向透射

光線射到表面光滑的透明材料上,產(chǎn)生定向透射,。定向透射光束的立體角和方向均保持不變,只在材料內(nèi)部產(chǎn)生很小的折射現(xiàn)象。透射材料表面沒有自身的亮度,只是透過光源的亮度而已。例如普通平板玻璃,光通過透光的平板玻璃時,玻璃的兩側(cè)表面彼此平行,則透射過來的光線方向與入射光線的方向相同,所以隔著玻璃看另一側(cè)的光源和景物時很清楚,且不變形。定向透射又稱為規(guī)則透射,其特點(diǎn)是光透過介質(zhì)后透射光仍按一定的方向傳播。

當(dāng)光通過透光的非平行面的板材時,透射光的方向因折射而不再與入射光方向平行,但其方向仍有一定的規(guī)則,所以仍屬于定向透射。例如因質(zhì)量原因,使平板玻璃的兩側(cè)出現(xiàn)不規(guī)則的不平行,因此從某一側(cè)雖可以看到另一側(cè)的物體,但卻發(fā)生了變形。

(2) 擴(kuò)散透射

擴(kuò)散透射的特點(diǎn)是透過介質(zhì)的透射光束被擴(kuò)展了,根據(jù)擴(kuò)展的情況，擴(kuò)散透射可分為定向擴(kuò)散透射、漫透射和混合透射這幾種形式。

定向擴(kuò)散透射。磨砂玻璃為典型的定向透射材料,在入射光的背側(cè),僅能看見光源和景物的模糊影像。透過磨砂玻璃雖不能看清光源的模樣,但能看出光源的位置。

漫透射和均勻漫透射。例如乳白玻璃和半透明塑料等材料具有均勻漫透射的特性,整個透光表面亮度均勻,完全看不見背側(cè)的光源。這類材料用做燈罩或發(fā)光頂棚時,使人感到光線柔和舒適。

按照朗伯余弦定律可以導(dǎo)出由照度計算均勻漫透射材料表面亮度的簡便公式:

L=τEπ(1.23)

式中：L——透光表面亮度(cd／m2)；

E——材料表面的照度(lx)；

τ——材料的透射比。

嚴(yán)格來說,只有光透過懸浮有密集的細(xì)小微粒的空間時才具有漫透射的特性,一般透射只能算是混合透射。

4） 光的折射

(1) 光的折射

光在透明介質(zhì)中傳播,當(dāng)光從密度小的介質(zhì)(光疏物質(zhì))進(jìn)入密度大的介質(zhì)(光密物質(zhì))時,光速減小;反之,光速增大。由于光速的變化造成光線方向的改變,這就是光的折射,。

光的折射規(guī)律為:入射光線、折射光線與介質(zhì)分界面的法線處于同一個平面內(nèi),且分居于法線的兩側(cè);入射角的正弦與折射角的正弦之比,對確定的兩種介質(zhì)來說，入射角i的正弦與折射角γ的正弦之比是一個常數(shù)，即

n1sin i=n2sin γ(1.24)

式中n1和n2分別為兩種介質(zhì)的折射率。

利用折射能改變光線方向的原理制成的折光玻璃磚、各種棱鏡燈罩,能精確地控制光的分布。

(2) 全反射

可知,當(dāng)光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時,入射角i將小于折射角γ。例如光從水中射向空氣時，因為水相對空氣而言是光密介質(zhì),而空氣相對于水則是光疏介質(zhì),因此入射角i小于折射角γ。

如果逐漸增大入射角i，則折射角γ也隨之增大。當(dāng)入射角增大到一定值時,折射角有可能達(dá)到90°,這時的折射光將沿著兩種介質(zhì)的分界面?zhèn)鞑ァ?/span>

當(dāng)入射角繼續(xù)增大,即入射角大于臨界入射角時,光線將不再射入光疏介質(zhì),而是從兩種介質(zhì)的分界面處全部反射回原來介質(zhì),這種現(xiàn)象稱為全反射。

全反射提供了一種理想鏡面反射的方法,并已被廣泛地應(yīng)用于棱鏡式雙筒望遠(yuǎn)鏡、反射式信號燈和燈具的制造中,在光導(dǎo)纖維和照明工程中也都有應(yīng)用。例如:在游泳池中,常采用水下照明,因燈一般都裝在池壁的水下部分,所以它們的光在射向水面時入射角總是大于臨界入射角,燈光將不會直接穿透水面而射向水外,使觀眾感到眩目，但水下照明能使水下照度提高,有利于觀眾更清楚地觀看運(yùn)動員的水下姿態(tài)。