梁树英， 杨春宇， 张青文

(重庆大学 a. 博士后流动站；b. 建筑城市规划学院，建筑城市规划国家级实验教学示范中心，山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045)

0 引 言

光传播过程中遇到介质时，入射光通量中的一部分被反射，一部分被吸收，一部分透过介质进入另一侧的空间，因此材料(介质)的光学性质主要包括反射、吸收和透射[1]。其中，对建筑光学的研究而言，最重要的是材料的光反射特性。光在完美平整表面上的反射是定向反射(镜面反射)；在均匀粗糙表面上的反射是均匀扩散反射(漫反射)。现代建筑表面材料种类越来越多，特别是一些常用的釉面砖、玻化砖、铝塑板和石材等，其反射特性较为复杂，不能单纯地归为定向反射(镜面反射)或者均匀扩散反射(漫反射)。目前，我国各城市夜景照明进行得如火如荼，但常年能耗巨大，根据不同外饰面材料的亮度反射特性确定合理功率的照明灯具可以有效地节约能耗[2]；另外，城市建筑色彩的研究越来越重要，不同种类的外饰面材料具有不同的色度反射特性，其所呈现的建筑色彩效果也不相同[3]。反射系数(光反射比)是综合描述材料的反射光通量与入射光通量的比值，仅仅测量建筑表面材料的反射系数(光反射比)是不够的，还需要知道材料对光反射的空间分布情况，即系统测试和深入研究材料在不同入射/观测角度下的亮度反射特性和色度反射特性。

随着建筑节能工作不断深化，建筑节能意识逐渐得到普及[5]。城市许多建筑物因夜间景观需要用灯光照亮，建筑物亮度大小既关系到夜景照明节能，也关系到城市光环境质量[6-9]。城市夜景照明的主体是建(构)筑物立面泛光照明，其主要以漫反射公式E=Lπ/ρ为计算依据，该公式是基于漫反射材料建立的(大部分无光泽、粗糙的建筑材料都可以近似地看成这一类材料，如粉刷、砖墙等)，这也是CIE(国际照明委员会)推荐的计算公式。但是，现代城市建筑常用表面材料种类繁多，而且大部分是兼有定向反射(镜面反射)和均匀扩散反射(漫反射)的混合反射材料，目前使用的漫反射计算公式已不完全适用。因此，需要对这些常用饰面材料的亮度反射特性进行深入研究，对漫反射计算公式进行修正，根据建筑物立面泛光照明的饰面材质，确定合理的亮度值，选择相应功率的照明灯具，节约能耗。

另一方面，建筑色彩是组成城市环境的重要因子之一，其承载着历史、文化和美学信息，对城市景观具有十分明显的影响作用，我国许多学者都在进行相关研究[10-14]。建筑色彩的运用其实就是建筑外饰面材料色彩的应用，现代建筑饰面材料的光反射特性较为复杂，同一观察条件下不同饰面材料的建筑会呈现出不同的色彩，即使同一材料其在不同视看方向的色度值也不相同，所表现出来的建筑色彩也会不同。因此，定量研究建筑色彩还需要对这些建筑饰面材料的光反射特性进行系统测试，特别是其色度反射特性。

目前，针对材料的反射系数，其测量方法可分为直接法和间接法两种。直接法是用反射系数样板与待测表面进行直接比较，或用反射系数仪直接测出材料表面的反射系数；间接法则是通过测定待测表面的亮度或照度，从而推算出该材料表面的反射系数[4]。而对于材料的亮度反射特性和色度反射特性，还没有相应的测量仪器和方法。本文结合研究内容的实际需要，研制出具有较高性能及精度的“材料光反射特性测定装置”，并利用该装置系统为城市夜景照明、城市建筑色彩等研究提供基础实验数据。

1 实验系统构成及工作原理

光源的入射角度和人眼的观测角度都会影响建筑饰面材料的亮度值和色度值，本系统将光源的入射角度控制在0°～180°，人眼的观测角度也控制在0°～180°，分别测试不同入射/观测条件下的亮度值和色度值，分析其光反射空间分布特性。

该系统采用定量实测的方式[15]。系统由平行光管及重叠刻度转盘装置、12 V直流稳压电源、目视光度测量导轨、测量仪器4个部分构成(见图1、2)。

图2 材料反射特性测定装置图

(1) 平行光管及重叠刻度转盘装置(见图3)。重叠刻度转盘装置由上下两个同轴的刻度转盘重叠而成，两个刻度转盘具有相同的直径和分度。上层刻度转盘通过杆件连接平行光管，转动上层刻度转盘可以实现光源入射角度(0°～180°)的变化；下层刻度转盘与固定测试试件的构件连接，转动下层刻度转盘可以实现人眼观测角度(0°～180°)的变化(测量仪器不移动而相对改变测试试件的角度，从而减小频繁移动测量仪器导致的实验误差)。平行光管为二次聚焦，模拟观测光源，其产生的平行光束具有较好的平行度和准直性，满足实验的精度要求。平行光管及重叠刻度转盘装置的具体参数如下：重叠双向转盘范围0°～180°；表面锻面阳极氧化；光学间距第1组4.4±0.03，第2组105±0.1；精度±5′；光源为12 V 20 W直流卤素灯；光准直度≤5′。

图3 平行光管及重叠刻度转盘装置图

(2) 12 V直流稳压电源。实验中用来作为平行光管的供电和稳压设备，具体参数如下：额定输出电压0～12 V，纹波≤2 mV，功耗≤240 mA，稳定度≤±0.01%，漂移≤±0.01%，电流0～6 A。

(3) 目视光度测量导轨。长度为6 m，用于承载平行光管及重叠刻度转盘装置，使其可在导轨上自由移动，从而调节测试试件与测量仪器的距离。目视光度测量导轨具有较高的精度，其平行度和垂直误差控制在0.2 mm/m内，满足常规光度计量测试的相关标准及要求。

(4) 测量仪器。因为实验需要，同时测量试件不同入射/观测角度的亮度值和色度值，本系统采用了PR-650光谱扫描式亮度色度计作为测量仪器。PR-650光谱扫描式亮度色度计由美国PHOTO RESEARCH公司生产，是一种基于分光原理的便携式远距离光度/色度计。其配备RS-232接口，测试时与电脑连接，通过专用测试软件自动记录测试数据，可测试的数据包括亮度值、颜色三刺激值、透射率、反射率、光谱能量分布等，其性能参数如下：光谱范围380～780 nm，光谱带宽4 nm，测量与观察视角1° (测量)/7° (观察) 使用MS-75镜头对无穷远时，亮度准确度±2%(2 856 K，23 °C条件下测量亮度)，色彩准确度(照明体A)±0.0015 CIE 1931x，±0.001 CIE 1931y。

PR-650光谱扫描式亮度色度计的附件包含RS-2反射标准白板。在实验中测得的试件亮度数据不能直接作为试件的真实亮度值，需要同时测量标准白板的亮度值，通过标准白板亮度值换算得到试件的亮度值。具体公式为：

试件亮度值=(试件亮度测试值/标准白板亮度测试值)×100%

2 实验方法及数据分析

2.1 实验方法及步骤

(1) 关闭实验室所有门窗及光源，放下装置系统四周的黑绒布，防止其他光源影响实验精度。选择1块试件，并将其固定在重叠刻度转盘装置上，转动重叠刻度转盘装置，使上层刻度转盘与下层刻度转盘的刻度线完全重合，并使试件、平行光管和测量仪器处于同一直线上，即入射角度和观测角度均为90°。利用经纬仪进行校准，保证测量仪器垂直于试件表面，并处于目视光度测量导轨的轴线延长线上。连接12 V直流稳压电源，打开平行光管光源，调节测试试件与测量仪器的距离，选择测量仪器合适的视场角度，使测量区域处于试件表面被平行光管光源照亮的区域内。预热0.5 h，待平行光管光源充分点亮并稳定后进行测量。

(2) 转动上层刻度转盘，调整光源的入射角度为10°，转动下层刻度转盘，改变测试试件的观测角度，每间隔10°进行测试，在特殊观测角度(45°、135°)也进行测试。由于入射角度和观测角度在0°和180°时无法对试件表面的亮度和色度进行测量，故测量时入射角度和观测角度的起始角度均为10°，结束角度均为170°，即角度范围为10°～170°。同时，当入射角度和观测角度相同时，试件、平行光管和测量仪器处于同一轴线上，平行光管会遮挡测试仪器导致无法测量。为此，当入射角度和观测角度相同时，将测试角度左右各偏离3°，取其平均值作为该入射/观测角度的近似值。

(3) 再次转动上层刻度转盘，改变光源的入射角度，入射角度的变量仍是间隔10°(特殊角度45°、135°除外)，按照步骤(2)再次进行测量。

(4) 更换试件，按照步骤(2)、(3)再次进行测量。

2.2 数据分析

系统分别对具有不同反射系数(光反射比)、不同色彩的5种常用饰面材料进行了测量，包括涂料、亮光面砖、亚光面砖、铝塑板和大理石，一共29种建筑外饰面材料实验样品(见表1)，测得了各实验样品的亮度反射数据和色度(CIEL*a*b*色空间)反射数据。

表4 样品材料表面反射系数

利用统计分析Origin8.0软件对29种建筑外饰面材料实验样品的亮度反射数据和色度反射数据进行绘图和分析。本文仅以入射角度为135°、色度反射数据仅以黄色样品为例进行说明(见图4、5)。

(a) 涂料亮度反射特性

(b) 亮光面砖亮度反射特性

(c) 亚光面砖亮度反射特性

(d) 铝塑板亮度反射特性

(e) 大理石亮度反射特性

(a) 涂料亮度反射特性

(c) 亚光面砖亮度反射特性

(d) 铝塑板亮度反射特性

(e) 大理石亮度反射特性

从图4、5可以看出，不同材料的光反射空间分布情况。总体而言，涂料的亮度反射曲线和色度反射曲线均比较平缓，0°～180°范围内各方向测试数据差异较小，没有出现较大的起伏，其光反射特性近似于均匀扩散反射(漫反射)；亮光面砖和大理石的亮度反射曲线和色度反射曲线整体平稳，但在45°出现了突变，即镜面反射现象，其反射特性更接近定向反射(镜面反射)；亚光面砖和铝塑板的亮度反射曲线和色度反射曲线的变化趋势介于涂料、亮光面砖和大理石之间，整体比较平稳，虽在45°附近也出现了突变，但与亮光面砖和铝塑板相比其变化程度要小，并且发生变化的观测角度范围更广，其反射特性属于混合反射材料。结合表1可以看出，涂料灰色、亮光面砖红色和大理石黄色的反射系数均为0.29，亚光面砖黄色(反射系数0.48)、铝塑板黄色(反射系数0.49)、和大理石白色(反射系数0.47)的反射系数相近，但其光反射空间分布并不一定相同。因此，通过本装置系统对材料的亮度反射特性和色度反射特性进行系统测定十分必要。

3 结 语

实验及研究结果表明，建筑饰面材料光反射特性测定装置系统具有较高的测试精度和工作效率。其不仅能对建筑饰面材料的亮度反射特性和色度反射特性进行系统测量，分析出材料的光反射空间分布，由此对漫反射计算公式进行修正，确定建筑物立面泛光照明亮度值和合理的照明灯具，节约能源，同时还可以根据建筑色彩呈现需求和视看角度来确定相应的外饰面材料，对我国城市夜景照明和城市建筑色彩研究具有应用价值。

——斯宾塞