第五节 建筑与景观设计常用材料的光学特性

“体块和表面是建筑借以表现自己的要素……建筑是一些搭配起来的体块在光线下辉煌、正确和聪明地表演，光和影显示为形式。”

——勒·柯布西耶

人们看到的光，绝大多数是经各种物件及壁面反射或透射的光。所以，如果选用不同的材料，就会形成不同的光效果。比如透光，如果窗户装的是透明玻璃，那么从室内就可以清晰地看到室外的景观，但如果用的是磨砂玻璃，效果就完全不同了，不仅看不清室外景物，而且室内的采光效果也相差很多：前者是阳光射入室内，光射到处很亮，但其余地方就较暗；后者使光线向各个方向扩散，整个房间都较明亮。由此可见，我们应该了解各种建筑装饰材料的光学性质，根据不同的要求，选取不同的材料，以获得理想的光环境。

光对被照物的外观及颜色表现有直接的影响，因为不同的光源其光谱组成不同。光与被照物的表观如图1-5-1所示。

通过肉眼人们可以观察到材料的表面材质状况，或粗糙或光滑等。通过光影，照明可以改变材料表面的外观，改变光源的位置或照射角度可以强化或者弱化材料表面的质感，如图1-5-2所示。

光在传播过程中遇到介质时，其入射的光通量一部分被介质吸收，一部分被反射，另一部分被透射。这三部分光通量占总的入射光通量的比例，分别称为反光系数r、吸收系数a及透光系数t。三者的关系如图1-5-3所示。要做好室内采光和照明设计，就需要了解各种材料对光的反射、透射及吸收的特性，同时还要了解光线经过这些材料的反射和透射后，在空间分布上有些什么规律。

一、反光材料与反光系数

（一）建筑、景观装饰材料的反光系数

表1-5-1中列出了常见的建筑、景观装饰材料的反光系数值，可供采光及照明设计时参考。但如果是特定材料，在使用前还要进行反光及透光系数的测定。

（二）反射

反射后光线的空间分布，取决于材料表面的光洁程度和材料内部的结构。一般有如下几种形式。

1.定向反射

光线射到非常光滑的不透明材料表面时，就会发生定向反射，也称镜面反射。它遵循定向反射定律：入射光线、反射光线与反射面的法线在同一平面上，入射角等于反射角，如图1-5-4所示。但是反射光的亮度和发光强度都比入射光有所降低，因为有一部分被吸收或透射。

光滑密实的表面，如玻璃镜面和磨光的金属表面能形成定向反射。这时，在反射光线的方向上，人们可以较清晰地看到光源的形象。但如果稍稍偏离这个方向，就看不见了。在照明工程中常利用定向反射进行精确的控光，如制造各种曲面的镜面反光罩获得需要的发光强度分布，提高灯具效率。几乎所有的节能灯具都使用这类材料做的反光罩，其中有阳极氧化或抛光的铝板、不锈钢板、镀铬铁板、镀银或镀铝的玻璃和塑料等。光与材料表现的关系如图1-5-5和表1-5-2所示。

2.扩散反射

扩散反射材料可以使反射光线不同程度地分散在比入射光线更大的立体角范围内。根据材料扩散程度的不同，又可分为均匀扩散反射材料和定向扩散反射材料两种。经过冲砂、酸洗、锤点处理的毛糙金属表面、油漆等具有定向扩散反射的特性。

3.漫反射

漫反射的特点是反射光的分布与入射光的方向无关，在宏观上没有规则反射，反射光不规则地分布在所有方向上，如图1-5-4所示。无光泽的毛面材料或由微细的晶粒、颜料颗粒构成的表面会产生漫反射。可以把这些微粒看作是单个的镜反射器，但是由于微粒的表面处在不同的方向，所以将光反射到许多角度上。若反射光的发光强度分布与入射光的方向无关，而且正好是切于入射光线与反射表面交点的一个圆球，这种漫反射称为均匀漫反射。建筑与景观工程中常用的大部分无光泽饰面材料，如涂料、乳胶漆、亚光墙纸、陶板面砖等，都可以近似地看作是均匀漫反射材料。

4.混合反射

多数材料的表面兼有定向反射和漫反射的特性，称为混合反射。建筑与景观工程中常选用的玻化砖、镜面大理石饰材等都呈现出这种综合特性。

二、透光材料与透光系数

光线通过介质时，组成光线的单色分量的频率不变，这种现象称为透射。玻璃、晶体、某些塑料、纺织品、水等都是透光材料，能透过大部分入射光。材料的透光性能不仅取决于它的分子结构，还与它的厚度有关。

材料透射光的分布形式可分为定向透射、定向扩散透射、漫透射和混合透射4种，如图1-5-6所示。常用透光材料的透射比见表1-5-3，透明材料的透射系数见表1-5-4。

1.定向透射

光线射到很光滑的透明材料上，会发生定向透射。若材料的两个表面互相平行，则透过材料的光线与入射方向保持一致，但是透射后的亮度和发光强度都将减弱。

2.定向扩散透射

定向扩散材料有方向性和扩散性两种特性。如磨砂玻璃，透过它可以看到光源的大致情况，但轮廓不清晰。

3.漫透射

半透明材料可使入射光线发生扩散透射，即透射光线所形成的立体角比入射光线有所放大。可以将入射光线均匀地向四面八方透射，各个方向所看到的亮度相同，但看不到光源的形象的材料，具有均匀漫透射特性，乳白玻璃、半透明塑料等就属于这种材料。常用于灯罩及发光顶棚的透光，它们可以降低光源的亮度，减少对眼睛的强烈刺激，也可以使透过的光线均匀分布。

4.混合透射

多数透光材料兼有定向透射和漫透射的特性，称为混合透射。

三、污染对材料光学特性的影响

由于受到环境污染，建筑与景观材料的光学性质会随着时间的推移而受到影响。例如：在天然采光中，随着使用时间的增加，窗玻璃会积累各种尘垢等污染物，使其透射比降低；建筑物的墙面如果受到污染会褪色，也会降低其反射比。

各种材料由于环境污染的影响而使其光学特性降低的程度，称之为污染减光系数t_w（%）。