21建筑光学的基本知识

1、2.1.1 眼睛与视觉2.1.2 2.1.3 材料的光学性质2.1.4 可见光及其影响因素2.1.5 2.1 建筑光学根本知识建筑光学1光的范围光是一种电磁辐射能，是能量的一种形式。能引起人视觉感觉的电磁波，可见光的波长范围：380nm780nm。第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.1 眼睛与视觉波长780nm的电磁波是红外线、微波、无线电波等。波长380nm的电磁波是紫外线、X射线等。2光的作用第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.1 眼睛与视觉1.影响工作效率室内光环境3光的作用第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.1 眼睛与视觉2.影响心理舒适，身体健康室内装饰照明4光的作用第2

2、.1章 建筑光学的根本知识 2.1.1 眼睛与视觉3.美化环境，表现建筑艺术重庆市朝天门夜景5光的作用第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.1 眼睛与视觉4.节能，保护环境照明用电量示意图 以上海用电量为例： 年用电量为1400亿度，其中照明用电量为392亿度电(28%)。 如果照明节能50%，则节约196亿度电，减少二氧化碳56万吨。6黄斑水晶体瞳孔角膜虹膜睫状肌光轴视轴中央窝视神经乳头巩膜脉络膜视经神右眼剖面图房水玻璃体 瞳孔：虹膜中央的圆形孔，它可根据环境的明暗程度，自动调节其孔径，以控制进入眼球的光能数量，起照相机中光圈的作用。 视网膜：光线经过瞳孔、水晶体在视网膜上聚焦成清晰的影象

3、。它是眼睛的视觉感受局部，类似照相机中的胶卷。视网膜上布满了感光细胞锥体和杆体感光细胞。光线射到它们上面产生神经冲动，传输到视神经，再传至大脑，产生视觉感觉。 锥体细胞主要集中在视网膜的中央黄斑区域（称为中央窝），锥体细胞密度最大，在黄斑区外锥体细胞的密度急剧下降。 在中央窝处几乎没有杆状细胞，自中央窝向外，其密度迅速增加，在离中央窝附近达最大密度，然后又逐渐减少。 水晶体：为一偏球形的弹性透明体，它受睫状肌收缩或放松的影响，使其形状改变，从而改变其屈光度，使远近不同的外界景物都能在视网膜上形成清晰的影象。它起照相机的透镜作用，不过水晶体具有自动聚焦功能。第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1

4、.1 眼睛与视觉人眼的构造与视觉过程7人眼的构造与视觉过程人眼的根本构造 瞳孔：光圈，可以根据环境的明暗 程度自动调节孔径，以控制进入眼 睛的光的数量 水晶体：透镜，可自动调焦 视网膜：胶片， 上面布满感光细胞。感光细胞产生 电信号，经视神经传至大脑，形成 视觉感觉 感光细胞：锥状细胞和杆状细胞第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.1 眼睛与视觉8锥状细胞和杆状细胞锥状细胞： 主要分布在视网膜的中央部位，称为 “黄斑的区域 “中央窝锥状细胞的密度到达最大 在明环境中起作用，对色觉和视觉敏 锐度起决定作用，人眼据此判别物体 的颜色和细部特征 对环境的明暗变化反应迅速 在暗环境下不起作用第2.1

5、章 建筑光学的根本知识 2.1.1 眼睛与视觉9锥状细胞和杆状细胞杆状细胞： 分布区域与锥状细胞相反 在暗环境中起决定作用：只有明暗感觉，没有色感觉和细部感觉 对环境的明暗变化反应缓慢 第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.1 眼睛与视觉10锥状细胞和杆状细胞第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.1 眼睛与视觉11人眼的视觉特点视野范围（视场） 水平180，垂直130 （上60，下70） 中心视场（2） 清晰区域（30） 通常站在离展品高度的21.5倍的距离处欣赏展品，就是使展品处于上述视觉清楚区域内第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.1 眼睛与视觉180033000030060090

6、012001500210024002700300070050030010030050070010018007060人眼视野范围12人眼的视觉特点第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.1 眼睛与视觉 视觉：由进入人眼的辐射所产生的光感觉而获得的对外界的认识。处于放松姿态，坐着的人的视野示意图 13人眼的视觉特点颜色感觉 在明视觉时，人眼对于380780nm范围内的电磁波起到不同的颜色感觉第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.1 眼睛与视觉14人眼的视觉特点明、暗视觉 两种感光细胞的不同作用 明视觉在明亮环境中，主要由视网膜的锥体 细胞起作用的视觉 暗视觉在暗环境中，主要由视网膜杆体细胞 起作

7、用的视觉 中间视觉视网膜的锥体感光细胞和杆体感光细胞同时起作用，而且它们随着正常人眼的适应水平变化而发挥的作用大小不同（介于明视觉和暗视觉之间的视觉）第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.1 眼睛与视觉15人眼的视觉特点光谱光视效率V(） 某单色光与人眼最敏感的光产生相同视觉感觉时，两者的辐射通量之比 在不同光亮条件下人眼感受性不同的现象称为“普尔金耶效应（Purkinje effect）第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.1 眼睛与视觉 光谱光视效率曲线代表等能光谱波长 的单色辐射所引起的明亮感觉程度。16人眼的视觉特点光谱光视效率V(）第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.1 眼睛

8、与视觉m选在视感最大值（明视觉：m=555nm，暗视觉：m=507nm） V()=e.m/e. V()光谱光视频率 e.m和e.波长分别为m、的辐射通量（相同视觉感觉）17根本光度单位 第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.2 根本光度单位和应用辐射通量e,：光源在单位时间内向各个方向辐射的能量。辐射通量的单位：W 光的辐射通量只表示光源辐射功率的大小，不能反映这些能量所引起的主观视觉。 2灯辐射通量均为1W，这时对人的感觉是不一样的。18根本光度单位 第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.2 根本光度单位和应用光通量：人眼对光能量的感觉量。单位：lm 例如：。光通量类似于喷水量的大小40

9、瓦荧光灯光通量=2200lm19根本光度单位光通量(Luminous Flux， ）在计算时，光通量常采用下式算得： 第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.2 根本光度单位和应用20根本光度单位 第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.2 根本光度单位和应用单色光光通量与辐射通量的关系：波长为的辐射通量（W）最大光谱光视效能，在明视觉时为683lm/W光谱光视效率 V()描述了某光源辐射通量经过人眼后反映的效率。 例如：低压钠光灯发出波长为589nm的单色光，测得其辐射通量为10.3W，从光谱光视效率曲线查得V (589nm)=0.78，则该光源发出的光通量为21根本光度单位发光强度(Lum

10、inous Intensity，I ） 第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.2 根本光度单位和应用 加了灯罩后，光通量的空间分布就不同了，灯罩下方可增大约2倍，为了描述这种现象，采用发光强度概念22根本光度单位发光强度(Luminous Intensity，I ） 描述光通量在空间的分布 光源向四周辐射光能量，单位立体角内的光通量叫发光强度。 光能量在空间均匀分布的般情况下 单位：坎德拉（“坎，Candela ,cd） 相同光通量的光源在空间的分布可能相差很大第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.2 根本光度单位和应用1 坎德拉 = 1流明 / 球面度23根本光度单位立体角（单位：sr

11、) 球面上的某一面积A对球心形成的空间角( 任意一个封闭圆锥面内所包含的空间）。 =A/R2 单位：sr（球面度） 1sr=面积等于R2的球外表对球心 所张开的立体角整个空间对某点所张的立体角为4。第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.2 根本光度单位和应用对于球外表和球心来说：ABCDOAr 24根本光度单位发光强度(Luminous Intensity，I ） 第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.2 根本光度单位和应用 例如：某半球形吸顶灯均匀发出3528lm的光通量，则该灯在正下方的发光强度为 不用灯罩时， 40W白炽灯在其正下方的发光强度为30cd，采用灯罩后，变为73cd。25

12、根本光度单位照度(illuminance ，E ） 对于被照面而言，常用在其单位面积上的光通量多少来衡量它被照射的程度，这就是常用的照度，符号为E，它表示被照面上的光通量密度第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.2 根本光度单位和应用26根本光度单位照度(illuminance ，E ） 单位被照面积上接收到的光通量的大小（表示被照面被照亮的程度) 单位：勒克斯（lx）、 英尺烛光（fc） 第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.2 根本光度单位和应用27根本光度单位照度(illuminance ，E ） 例：灯正下方1米： 40W白炽灯 40W荧光灯 晴天中午 月夜 30lx 200lx

13、8-12万lx 0.2lx第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.2 根本光度单位和应用28根本光度单位照度(illuminance ，E ） 第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.2 根本光度单位和应用照度可以直接相加，即【例题】一个小型光源的平均发光强度为100cd，从光源发出的总光通量的1/4垂直照射到了一个30.7m的平面上。请计算：由光源发出的总光通量；平面外表的照度。解：由发光强度公式得平面外表的照度为29根本光度单位照度与发光强度的关系：平方反比定律 第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.2 根本光度单位和应用30根本光度单位照度与发光强度的关系： 第2.1章 建筑光学的根本

14、知识 2.1.2 根本光度单位和应用 发光强度是光通量的空间密度，即 其中 因此 照度是光通量被照面密度，即因此，发光强度和照度的关系为余弦定律：31根本光度单位亮度(luminance，L ） 描述光源或反光物体明亮程度的量 亮度表示在给定方向上发光面微元的发光强度和垂直于给定视线方向的微元的投影面积之比。 由于物体外表亮度在各个方向不一定相同，因此常在亮度符号的右下角注明角度，它表示与外表法线成角方向上的亮度 单位：尼特(nt)、熙提(sb) 1 nt =1 cd/m2，1 sb = 1 cd/cm2 = 104 nt 第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.2 根本光度单位和应用32根本

15、光度单位亮度(luminance，L ） 物理亮度与表观亮度 第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.2 根本光度单位和应用33根本光度单位亮度(luminance，L ） 物理亮度与表观亮度 图中，三角形1和三角形2物理亮度相同，但看上去三角形1比2亮。亮度反映了物体外表的物理特征，而我们主观所感受到的物体明亮程度，除了与物体外表亮度有关外，还与我们所处环境的明暗程度有关。 第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.2 根本光度单位和应用34根本光度单位亮度(luminance，L ） 照度与亮度的关系： 第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.2 根本光度单位和应用亮度和照度有何区别？照了不

16、一定亮！照度相同吸光材料，亮度低反光材料，亮度高照度和亮度的关系，指的是光源亮度和它所形成的照度间的关系。35根本光度单位亮度(luminance，L ） 照度与亮度的关系： 立体角投影定律 它表示某一亮度为L的发光外表在被照面上形成的照度值的大小，并且等于这一发光外表的亮度L与该发光外表在被照点上形成的立体角的投影（ cosi）的乘积 第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.2 根本光度单位和应用i注： 辐射角，是光源法线与视线夹角 i被照面法线与视线夹角36根本光度单位根本光度单位之间的关系 第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.2 根本光度单位和应用37光的反射、吸收和透射材料的反射、

17、吸收、透射系数 在光的传播过程中，遇到介质时，会产生反射、吸收、透射现象。 第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.3 材料的光学性质 = + + 38光的反射、吸收和透射比能量守恒定律：材料可分为两类：一类属于定向的，即光线经过反射和透射、后分布的立体角没有改变，如镜子和透明玻璃；另一类为扩散的，这类材料使入射光不同程度地分散在更大的立体角范围内。 第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.3 材料的光学性质39光的反射、吸收和透射比规则反射和透射 光经材料反射或透射后，光通量在空间的分布没有发生改变如镜子、透明玻璃等 应注意防止光线射入人的视野范围 经两边不平行的镜子透射，光线会发生弯曲，物

18、体的形象会变形 第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.3 材料的光学性质40光的反射、吸收和透射比规则反射和透射 第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.3 材料的光学性质 反射特点：（1）入射角等于反射角；（2）入射光线、反射光线以及法线处于同一平面 人在A时，能看清楚的形象，看不到灯的反射形象。而在B时，就会在镜中看到灯的明亮反射形象，影响照镜子的效果 上图表示在不同的花纹的压花玻璃后面放以玩偶，在玻璃前产生程度不同的模糊效果41扩散反射和透射漫射材料（均匀扩散） a.均匀扩散反射材料： 大局部无光泽、粗糙的建筑材料 b.均匀扩散透射材料: 透过材料看不见光源形象或外界景物，只能看见材料

19、的本色和亮度上的变化，常将它用于灯罩、发光顶棚，以降低光源的亮度。 第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.3 材料的光学性质42扩散反射和透射漫射材料（均匀扩散） 反射材料： 透射材料： 朗伯余弦定律 第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.3 材料的光学性质43扩散反射和透射混合反射与透射材料(定向扩散) 与入射角相同的反射角方向上、与入射方向一致透射方向上有最大亮度，其它方向也有一定亮度。 第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.3 材料的光学性质44扩散反射和透射混合反射与透射材料(定向扩散) 反射介于定向反射（透射）和均匀反射（透射）之间 大多数建筑材料属于该类不同光学材料的优缺点

20、第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.3 材料的光学性质45看物体清楚地程度称为视度视度的影响因素 亮度（或照度） 最低亮度（亮度阈）：10-5asb 刺眼亮度：16sb 舒适照度：1000-3000lx 物件的尺寸 视角 亮度比照 比照系数C 第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.4 可见度及其影响因素46 第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.4 可见度及其影响因素区分几率为95%时，物体亮度（与照度成正比）、视角大小和亮度比照三者之间的关系视觉成效曲线47 第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.4 可见度及其影响因素视觉成效曲线曲线说明：从同一根曲线来看，观看对象在眼睛处形成的视

21、角不变时，若亮度比照下降，则需要增加照度才能保持相同视度。不同的曲线(表示在不同视角时)，目标愈小(视角愈小)，需要的照度愈高。天然光(红线)比人工光(蓝线)更有利于视度的提高。但在观看大的目标时，这种差异不明显。48视度的影响因素识别时间 识别时间和亮度的乘积是常数（帮森罗斯科定律） 第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.4 可见度及其影响因素49视度的影响因素识别时间 明适应、暗适应 第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.4 可见度及其影响因素从暗到明的适应时间短，称“明适应从明到暗的 适应时间较长，称“暗适应50视度的影响因素眩光 在视野范围里出现了极高的亮度或极高亮度比照（空间和时

22、间上），以致引起视觉的不舒适和降低物体可见度的视觉条件 根据眩光对视觉的影响程度分为： 失能眩光和不舒适眩光 根据眩光形成过程分为： 直接眩光和反射眩光 第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.4 可见度及其影响因素51视度的影响因素眩光消除或减轻直接眩光的措施：限制光源亮度（增大面积，降低亮度）如加灯罩等。增加眩光源的背景亮度，减少二者之间的亮度比照。减少形成眩光的光源的视看面积（即光源对观测者眼睛形成的立体角）。尽可能增大眩光源的仰角。 第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.4 可见度及其影响因素52视度的影响因素眩光减少反射眩光的方法：(1)尽量使视觉作业的外表为无光泽外表，以减弱镜面

23、反射而形成的反射眩光； (2)应使视觉作业避开和远离照明光源同人眼形成的镜面反射区域；(3)使用发光外表面积大、亮度低的光源；(4)使引起镜面反射的光源形成的照度在总照度中所占比例减少，从而减少反射眩光的影响。（不可防止的眩光源可想法降低其照度、亮度，） 第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.4 可见度及其影响因素53 颜色颜色：不同波长的可见光在人眼中引起的视知觉。影响光环境质量的要素对人的生理和心理活动产生作用，影响人的工作效率 第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.5 颜色 人眼可以感觉物体的颜色、形象、亮度等。 人眼对颜色变化比对亮度变化更敏感。54 颜色的根本特性颜色形成 第2.

24、1章 建筑光学的根本知识 2.1.5 颜色 正常人眼可以感觉出各种颜色。太阳可见光光谱太阳可见光光谱能量分布图 颜色视觉是由于光能量分布不同引起。 光辐射能量集中于可见光短波时，引起蓝色感觉；光辐射能量集中于可见光长波时，引起红色感觉。55 颜色的根本特性颜色的分类与属性 第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.5 颜色 从色显现方式看可把颜色分成：光源色和物体色。 光源色：光源射出光的颜色。 物体色：光被物体反射或透射后的颜色。 外表色：是物体色的一种，指漫反射、不透明物体外表的颜色。 外表色是从入射光中减去一些波长的光后形成的。 例：一张红纸，用白光或红光照射，呈现红色；而用绿光照射则呈现

25、黑色。56 颜色的根本特性颜色的分类与属性 第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.5 颜色 从视感觉角度可把颜色分成无彩色和有彩色。无彩色：从白到黑的一系列中性灰色。黑深灰中灰浅灰白 对外表色，r0.80为白色，如新下的白雪、氧化镁、硫酸钡；r0.04为黑色，如黑丝绒。 对光源色，无彩色的白黑变化相应于白光的亮度变化。亮度高时感觉是白色；无光时是黑色；亮度很低时感觉发暗或发黑。有彩色：除黑白系列以外的各种颜色。 描述有彩色的表观颜色的三个属性：色调（或色相）、 明度、彩度（或饱和度）。57 颜色的根本特性颜色的分类与属性 第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.5 颜色 色调H：各颜色彼此相

26、互区分的视感觉特性。 色调用红、黄、蓝、紫等说明每一种色的范围。 亮度越大， 或r、 越大，则明度越大。 彩度C：颜色的纯洁性。 单色光最饱和，即彩度最高；物体的反射或透射选择性越强，彩度越高。58 颜色的根本特性颜色混合 第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.5 颜色 颜色混合法 加色法：光源色的相加混合。 减色法：染料、涂料的物体色减法混合。 三原色 加色法三原色：可以获得最多的相加混合色的三种颜色。 红色(700nm)、绿色(546.1nm)、蓝色(435.8nm) 补色 补色：某一颜色与另外一种颜色以适当比例混合可得到白色或灰色，称这两种颜色为互补色。59 颜色的根本特性颜色混合 第

27、2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.5 颜色 每一种颜色都有一种相应的补色。 红色(700nm)的补色为青色、绿色(546.1nm)的补色为品红色、蓝色(435.8nm)的补色为黄色，称青色、品红色、黄色为减色法三原色。 颜色混合举例 相加混合（光源色）红绿蓝黄品红青 相减混合（物体色）青品红黄蓝红绿60 颜色定量表色系统（色度系统） 表色系统（或色度系统）：使用规定的符号，按一系列规定和定义表示颜色的系统。 以光的等色实验结果为依据，由进入人眼能引起有彩色或无彩色感觉的可见辐射表示的体系，即以色刺激表示的体系。如国际照明委员会（CIE）1931标准色度系统用构成等感觉指标的颜色图册表示的体系 第2.1章 建筑光学的根本知识 2.1.5 颜色61光源的色温和显色性表色光源的色温和相关色温 某一种光源的色品与某一温度