材料光反射特性測定裝置的研制與應(yīng)用

梁樹英， 楊春宇， 張青文

(重慶大學(xué) a. 博士后流動站；b. 建筑城市規(guī)劃學(xué)院，建筑城市規(guī)劃國家級實驗教學(xué)示范中心，山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點實驗室，重慶 400045)

0 引 言

光傳播過程中遇到介質(zhì)時，入射光通量中的一部分被反射，一部分被吸收，一部分透過介質(zhì)進(jìn)入另一側(cè)的空間，因此材料(介質(zhì))的光學(xué)性質(zhì)主要包括反射、吸收和透射[1]。其中，對建筑光學(xué)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(鏡面反射)；在均勻粗糙表面上的反射是均勻擴(kuò)散反射(漫反射)。現(xiàn)代建筑表面材料種類越來越多，特別是一些常用的釉面磚、玻化磚、鋁塑板和石材等，其反射特性較為復(fù)雜，不能單純地歸為定向反射(鏡面反射)或者均勻擴(kuò)散反射(漫反射)。目前，我國各城市夜景照明進(jìn)行得如火如荼，但常年能耗巨大，根據(jù)不同外飾面材料的亮度反射特性確定合理功率的照明燈具可以有效地節(jié)約能耗[2]；另外，城市建筑色彩的研究越來越重要，不同種類的外飾面材料具有不同的色度反射特性，其所呈現(xiàn)的建筑色彩效果也不相同[3]。反射系數(shù)(光反射比)是綜合描述材料的反射光通量與入射光通量的比值，僅僅測量建筑表面材料的反射系數(shù)(光反射比)是不夠的，還需要知道材料對光反射的空間分布情況，即系統(tǒng)測試和深入研究材料在不同入射/觀測角度下的亮度反射特性和色度反射特性。

隨著建筑節(jié)能工作不斷深化，建筑節(jié)能意識逐漸得到普及[5]。城市許多建筑物因夜間景觀需要用燈光照亮，建筑物亮度大小既關(guān)系到夜景照明節(jié)能，也關(guān)系到城市光環(huán)境質(zhì)量[6-9]。城市夜景照明的主體是建(構(gòu))筑物立面泛光照明，其主要以漫反射公式E=Lπ/ρ為計算依據(jù)，該公式是基于漫反射材料建立的(大部分無光澤、粗糙的建筑材料都可以近似地看成這一類材料，如粉刷、磚墻等)，這也是CIE(國際照明委員會)推薦的計算公式。但是，現(xiàn)代城市建筑常用表面材料種類繁多，而且大部分是兼有定向反射(鏡面反射)和均勻擴(kuò)散反射(漫反射)的混合反射材料，目前使用的漫反射計算公式已不完全適用。因此，需要對這些常用飾面材料的亮度反射特性進(jìn)行深入研究，對漫反射計算公式進(jìn)行修正，根據(jù)建筑物立面泛光照明的飾面材質(zhì)，確定合理的亮度值，選擇相應(yīng)功率的照明燈具，節(jié)約能耗。

另一方面，建筑色彩是組成城市環(huán)境的重要因子之一，其承載著歷史、文化和美學(xué)信息，對城市景觀具有十分明顯的影響作用，我國許多學(xué)者都在進(jìn)行相關(guān)研究[10-14]。建筑色彩的運(yùn)用其實就是建筑外飾面材料色彩的應(yīng)用，現(xiàn)代建筑飾面材料的光反射特性較為復(fù)雜，同一觀察條件下不同飾面材料的建筑會呈現(xiàn)出不同的色彩，即使同一材料其在不同視看方向的色度值也不相同，所表現(xiàn)出來的建筑色彩也會不同。因此，定量研究建筑色彩還需要對這些建筑飾面材料的光反射特性進(jìn)行系統(tǒng)測試，特別是其色度反射特性。

目前，針對材料的反射系數(shù)，其測量方法可分為直接法和間接法兩種。直接法是用反射系數(shù)樣板與待測表面進(jìn)行直接比較，或用反射系數(shù)儀直接測出材料表面的反射系數(shù)；間接法則是通過測定待測表面的亮度或照度，從而推算出該材料表面的反射系數(shù)[4]。而對于材料的亮度反射特性和色度反射特性，還沒有相應(yīng)的測量儀器和方法。本文結(jié)合研究內(nèi)容的實際需要，研制出具有較高性能及精度的“材料光反射特性測定裝置”，并利用該裝置系統(tǒng)為城市夜景照明、城市建筑色彩等研究提供基礎(chǔ)實驗數(shù)據(jù)。

1 實驗系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

光源的入射角度和人眼的觀測角度都會影響建筑飾面材料的亮度值和色度值，本系統(tǒng)將光源的入射角度控制在0°～180°，人眼的觀測角度也控制在0°～180°，分別測試不同入射/觀測條件下的亮度值和色度值，分析其光反射空間分布特性。

該系統(tǒng)采用定量實測的方式[15]。系統(tǒng)由平行光管及重疊刻度轉(zhuǎn)盤裝置、12 V直流穩(wěn)壓電源、目視光度測量導(dǎo)軌、測量儀器4個部分構(gòu)成(見圖1、2)。

圖2 材料反射特性測定裝置圖

(1) 平行光管及重疊刻度轉(zhuǎn)盤裝置(見圖3)。重疊刻度轉(zhuǎn)盤裝置由上下兩個同軸的刻度轉(zhuǎn)盤重疊而成，兩個刻度轉(zhuǎn)盤具有相同的直徑和分度。上層刻度轉(zhuǎn)盤通過桿件連接平行光管，轉(zhuǎn)動上層刻度轉(zhuǎn)盤可以實現(xiàn)光源入射角度(0°～180°)的變化；下層刻度轉(zhuǎn)盤與固定測試試件的構(gòu)件連接，轉(zhuǎn)動下層刻度轉(zhuǎn)盤可以實現(xiàn)人眼觀測角度(0°～180°)的變化(測量儀器不移動而相對改變測試試件的角度，從而減小頻繁移動測量儀器導(dǎo)致的實驗誤差)。平行光管為二次聚焦，模擬觀測光源，其產(chǎn)生的平行光束具有較好的平行度和準(zhǔn)直性，滿足實驗的精度要求。平行光管及重疊刻度轉(zhuǎn)盤裝置的具體參數(shù)如下：重疊雙向轉(zhuǎn)盤范圍0°～180°；表面鍛面陽極氧化；光學(xué)間距第1組4.4±0.03，第2組105±0.1；精度±5′；光源為12 V 20 W直流鹵素?zé)簦还鉁?zhǔn)直度≤5′。

圖3 平行光管及重疊刻度轉(zhuǎn)盤裝置圖

(2) 12 V直流穩(wěn)壓電源。實驗中用來作為平行光管的供電和穩(wěn)壓設(shè)備，具體參數(shù)如下：額定輸出電壓0～12 V，紋波≤2 mV，功耗≤240 mA，穩(wěn)定度≤±0.01%，漂移≤±0.01%，電流0～6 A。

(3) 目視光度測量導(dǎo)軌。長度為6 m，用于承載平行光管及重疊刻度轉(zhuǎn)盤裝置，使其可在導(dǎo)軌上自由移動，從而調(diào)節(jié)測試試件與測量儀器的距離。目視光度測量導(dǎo)軌具有較高的精度，其平行度和垂直誤差控制在0.2 mm/m內(nèi)，滿足常規(guī)光度計量測試的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及要求。

(4) 測量儀器。因為實驗需要，同時測量試件不同入射/觀測角度的亮度值和色度值，本系統(tǒng)采用了PR-650光譜掃描式亮度色度計作為測量儀器。PR-650光譜掃描式亮度色度計由美國PHOTO RESEARCH公司生產(chǎn)，是一種基于分光原理的便攜式遠(yuǎn)距離光度/色度計。其配備RS-232接口，測試時與電腦連接，通過專用測試軟件自動記錄測試數(shù)據(jù)，可測試的數(shù)據(jù)包括亮度值、顏色三刺激值、透射率、反射率、光譜能量分布等，其性能參數(shù)如下：光譜范圍380～780 nm，光譜帶寬4 nm，測量與觀察視角1° (測量)/7° (觀察) 使用MS-75鏡頭對無窮遠(yuǎn)時，亮度準(zhǔn)確度±2%(2 856 K，23 °C條件下測量亮度)，色彩準(zhǔn)確度(照明體A)±0.0015 CIE 1931x，±0.001 CIE 1931y。

PR-650光譜掃描式亮度色度計的附件包含RS-2反射標(biāo)準(zhǔn)白板。在實驗中測得的試件亮度數(shù)據(jù)不能直接作為試件的真實亮度值，需要同時測量標(biāo)準(zhǔn)白板的亮度值，通過標(biāo)準(zhǔn)白板亮度值換算得到試件的亮度值。具體公式為：

試件亮度值=(試件亮度測試值/標(biāo)準(zhǔn)白板亮度測試值)×100%

2 實驗方法及數(shù)據(jù)分析

2.1 實驗方法及步驟

(1) 關(guān)閉實驗室所有門窗及光源，放下裝置系統(tǒng)四周的黑絨布，防止其他光源影響實驗精度。選擇1塊試件，并將其固定在重疊刻度轉(zhuǎn)盤裝置上，轉(zhuǎn)動重疊刻度轉(zhuǎn)盤裝置，使上層刻度轉(zhuǎn)盤與下層刻度轉(zhuǎn)盤的刻度線完全重合，并使試件、平行光管和測量儀器處于同一直線上，即入射角度和觀測角度均為90°。利用經(jīng)緯儀進(jìn)行校準(zhǔn)，保證測量儀器垂直于試件表面，并處于目視光度測量導(dǎo)軌的軸線延長線上。連接12 V直流穩(wěn)壓電源，打開平行光管光源，調(diào)節(jié)測試試件與測量儀器的距離，選擇測量儀器合適的視場角度，使測量區(qū)域處于試件表面被平行光管光源照亮的區(qū)域內(nèi)。預(yù)熱0.5 h，待平行光管光源充分點亮并穩(wěn)定后進(jìn)行測量。

(2) 轉(zhuǎn)動上層刻度轉(zhuǎn)盤，調(diào)整光源的入射角度為10°，轉(zhuǎn)動下層刻度轉(zhuǎn)盤，改變測試試件的觀測角度，每間隔10°進(jìn)行測試，在特殊觀測角度(45°、135°)也進(jìn)行測試。由于入射角度和觀測角度在0°和180°時無法對試件表面的亮度和色度進(jìn)行測量，故測量時入射角度和觀測角度的起始角度均為10°，結(jié)束角度均為170°，即角度范圍為10°～170°。同時，當(dāng)入射角度和觀測角度相同時，試件、平行光管和測量儀器處于同一軸線上，平行光管會遮擋測試儀器導(dǎo)致無法測量。為此，當(dāng)入射角度和觀測角度相同時，將測試角度左右各偏離3°，取其平均值作為該入射/觀測角度的近似值。

(3) 再次轉(zhuǎn)動上層刻度轉(zhuǎn)盤，改變光源的入射角度，入射角度的變量仍是間隔10°(特殊角度45°、135°除外)，按照步驟(2)再次進(jìn)行測量。

(4) 更換試件，按照步驟(2)、(3)再次進(jìn)行測量。

2.2 數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)分別對具有不同反射系數(shù)(光反射比)、不同色彩的5種常用飾面材料進(jìn)行了測量，包括涂料、亮光面磚、亞光面磚、鋁塑板和大理石，一共29種建筑外飾面材料實驗樣品(見表1)，測得了各實驗樣品的亮度反射數(shù)據(jù)和色度(CIEL*a*b*色空間)反射數(shù)據(jù)。

表4 樣品材料表面反射系數(shù)

利用統(tǒng)計分析Origin8.0軟件對29種建筑外飾面材料實驗樣品的亮度反射數(shù)據(jù)和色度反射數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖和分析。本文僅以入射角度為135°、色度反射數(shù)據(jù)僅以黃色樣品為例進(jìn)行說明(見圖4、5)。

(a) 涂料亮度反射特性

(b) 亮光面磚亮度反射特性

(c) 亞光面磚亮度反射特性

(d) 鋁塑板亮度反射特性

(e) 大理石亮度反射特性

(a) 涂料亮度反射特性

(c) 亞光面磚亮度反射特性

(d) 鋁塑板亮度反射特性

(e) 大理石亮度反射特性

從圖4、5可以看出，不同材料的光反射空間分布情況。總體而言，涂料的亮度反射曲線和色度反射曲線均比較平緩，0°～180°范圍內(nèi)各方向測試數(shù)據(jù)差異較小，沒有出現(xiàn)較大的起伏，其光反射特性近似于均勻擴(kuò)散反射(漫反射)；亮光面磚和大理石的亮度反射曲線和色度反射曲線整體平穩(wěn)，但在45°出現(xiàn)了突變，即鏡面反射現(xiàn)象，其反射特性更接近定向反射(鏡面反射)；亞光面磚和鋁塑板的亮度反射曲線和色度反射曲線的變化趨勢介于涂料、亮光面磚和大理石之間，整體比較平穩(wěn)，雖在45°附近也出現(xiàn)了突變，但與亮光面磚和鋁塑板相比其變化程度要小，并且發(fā)生變化的觀測角度范圍更廣，其反射特性屬于混合反射材料。結(jié)合表1可以看出，涂料灰色、亮光面磚紅色和大理石黃色的反射系數(shù)均為0.29，亞光面磚黃色(反射系數(shù)0.48)、鋁塑板黃色(反射系數(shù)0.49)、和大理石白色(反射系數(shù)0.47)的反射系數(shù)相近，但其光反射空間分布并不一定相同。因此，通過本裝置系統(tǒng)對材料的亮度反射特性和色度反射特性進(jìn)行系統(tǒng)測定十分必要。

3 結(jié) 語

實驗及研究結(jié)果表明，建筑飾面材料光反射特性測定裝置系統(tǒng)具有較高的測試精度和工作效率。其不僅能對建筑飾面材料的亮度反射特性和色度反射特性進(jìn)行系統(tǒng)測量，分析出材料的光反射空間分布，由此對漫反射計算公式進(jìn)行修正，確定建筑物立面泛光照明亮度值和合理的照明燈具，節(jié)約能源，同時還可以根據(jù)建筑色彩呈現(xiàn)需求和視看角度來確定相應(yīng)的外飾面材料，對我國城市夜景照明和城市建筑色彩研究具有應(yīng)用價值。

——斯賓塞