第一章 建筑光学 基本知识

第一章建筑光学基本知识第1页，课件共71页，创作于2023年2月第1章

建筑光学基本知识第2页，课件共71页，创作于2023年2月光环境设计光环境设计要运用很多学科的基础理论，如建筑学、物理学、美学、生理学、心理学、人工工效等等，它既是科学，又是艺术，同时又受经济和能源的制约。光环境设计主要包括：（1）天然光环境设计，太阳是生命之源，它以无尽的光和热哺育大地，充分利用昼光照明和渲染气氛，不仅可以获得较高的视觉功效，节约能源和费用，也是人们在生理和心理上感到舒服满意的关键因素。第3页，课件共71页，创作于2023年2月（2）人工光环境设计，自从1879年爱迪生发明电灯以来，人类结束了借火光照明的漫长岁月，步入了人工照明的新时代。建筑物内不仅在夜间采用人工照明，有些场所，白天也要用人工照明，为了使建筑物在白天和夜晚都能同样的使用和美观，掌握一些人工光环境的设计方法和实践经验尤为重要。优良人工光环境的设计要靠建筑师、室内设计师、电气工程师和设备工程师密切合作，但建筑设计师应发挥主导作用。第4页，课件共71页，创作于2023年2月光环境概述光环境（Luminousenvironment）的内涵很广，是由光与颜色在室内建立的同房间形状有关的生理和心理环境。人们依靠不同的感觉器官从外界获得各种信息，其中约有80%来自光和视觉，在生产、工作、学习场所，良好的光环境可以振奋人的精神，提高工作效率和产品质量，保障人身安全和视力健康。在娱乐、休息、公共活动场所，光环境的首要作用，在于创造舒适优雅、活泼生动，或庄重严肃的环境气氛，对人的情绪状态、心理感受产生积极的影响。建筑师的任务之一，就是要为人们创造优良的光环境。第5页，课件共71页，创作于2023年2月90年代末上海市公共建筑的一次能源消耗比例第6页，课件共71页，创作于2023年2月北京大型公共建筑能耗比例第7页，课件共71页，创作于2023年2月光的性质：可见光：波长在380~780nm之间的电磁波辐射。不同波长的光在视觉上形成不同的颜色。多色光：一般光源发出的光往往是由不同波长的电磁波组成，这样的光，称为多色光。单色光：波长单一的光，称为单色光。第8页，课件共71页，创作于2023年2月在带有多种光谱成分的光源中，如果某一部分占比例较大，就呈现出那个波长对应的颜色。较短的波长为主较长波长为主第9页，课件共71页，创作于2023年2月眼睛的构造与视觉过程

人的视觉感觉只能通过眼睛来完成。眼睛的构造和照相机相似，图是人的右眼剖面图，其主要的组成部分和功能有：第10页，课件共71页，创作于2023年2月3.1瞳孔瞳孔为虹膜中央的圆形孔，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。相当于起到了照相机中光圈的作用。3.2水晶体水晶体为一扁球形的弹性透明体，它受睫状肌收缩或放松而改变形状和屈光度，使远近不同的外界景物都能在视网膜上形成清晰的影像。它起照相机的透镜作用。3.3视网膜视网膜光线经过瞳孔、水晶体在视网膜上聚焦成清晰的影像。它是眼睛的视觉感受部分，相当于照相机中的胶卷。视网膜上布满了感光细胞，接受光的光刺激，并把光信息传输至视神经，再传到大脑。第11页，课件共71页，创作于2023年2月3.4感光细胞感光细胞分为锥体细胞和杆体细胞两种，它们处在视网膜最外层上，接受光刺激。但它们在视网膜上的分布是不均匀的。如图所示：第12页，课件共71页，创作于2023年2月两种感光细胞的功能特征不同：锥体细胞在明亮环境下对色觉和视觉敏锐度起决定作用，它能分辨出物体的细部和颜色，并对环境的明暗变化作出迅速的反应；杆体细胞在黑暗环境中对明暗感觉起决定作用，它虽能看到物体，但不能分辨其细部和颜色，对明暗变化的反应缓慢。第13页，课件共71页，创作于2023年2月眼睛的视觉特点1视看范围(视场)受到感光细胞在视网膜上的分布状态以及眼眉、脸颊的影响，人的头部不动时人眼的视看范围为：水平面180度，垂直面130度，上方为60度，下方为70度。水平方向单眼视野180

双眼视野180

第14页，课件共71页，创作于2023年2月眼睛的视觉特点2明视觉、暗视觉因锥体、杆体细胞起作用的不同，形成了明暗视觉。明视觉是指在明亮环境中，能够辨认很小的细节、颜色，并能适应亮度变化的；暗视觉是指在黑暗环境中，只有明暗感觉而无颜色感觉，也无法分辨物件的细节，对外部变化的适应能力低。第15页，课件共71页，创作于2023年2月3颜色感觉

在明视觉时，人们对于380nm—780nm范围内的电磁波引起不同的颜色感觉。不同颜色感觉的波长范围和中心波长表1—1

光谱颜色中心波长极范围颜色感觉中心波长/nm范围/nm红700640-750橙620600-640黄580550-600绿510480-550蓝470450-480紫420400-450第16页，课件共71页，创作于2023年2月光谱光视效率

人眼观看同样功率的辐射，在不同波长时感觉到的明亮程度不一样。人眼的这种特性常用光谱光视效率曲线来表示。如图，它表示获得相同视觉感觉时，波长和波长的单色光辐射通量的比。选在视感最大值处（明视觉时为，暗视觉时为），用公式表述如下：第17页，课件共71页，创作于2023年2月单色光谱光视效率

不同波长的相对光谱光效率第18页，课件共71页，创作于2023年2月图中的明视觉曲线的最大值在波长555nm处，即在黄绿光部位最亮；虚线表示暗视觉时的光谱光视效率，整个曲线向短波方向推移，长波端的能见范围缩小，短波端的能见范围略有扩大。在不同光亮条件下人眼感受性不同的现象称为“普尔钦效应”。在设计室内颜色装饰时，根据装饰物色彩所处环境的明暗可能变化程度，充分考虑到上述效应。第19页，课件共71页，创作于2023年2月二、基本光度单位及应用1、光通量2、发光强度3、照度4、亮度第20页，课件共71页，创作于2023年2月一、光通量：

物理意义：说明光源发光能力的基本量，能量单位。定义：辐射体单位时间内以电磁辐射的形式向外辐射的能量称辐射功率或辐射通量(W)。光源的辐射通量中被人眼感觉为光的能量(波长380－780nm)称为光通量。单位:流明(lumen，lm)。人眼在观看同样功率的辐射时,在不同波长时感觉到的亮度是不同的，人眼的这种特性用相对光谱光效率V(

)来表示。第21页，课件共71页，创作于2023年2月光通量的计算公式：单位换算：

1光瓦等于辐射通量为1W，波长的黄绿光所产生的光感觉量。光瓦单位太大，常用另一较小单位流明（）。1光瓦第22页，课件共71页，创作于2023年2月已知钠光灯发出波长为589nm的单色光，设其辐射通量为10.3W，计算其发出的光通量？解：查表：实线明视觉V(589)=0.78

φ589

=683×0.78×10.3=5484lm第23页，课件共71页，创作于2023年2月二、发光强度：发光强度：指光源所发出的光通量在空间的分布密度。不同光源发出的光通量在空间的分布往往不同。公式计算：当点光源在某一方向上的无限小立体角内发出的光通量为时，则该方向上的发光强度为第24页，课件共71页，创作于2023年2月发光强度的单位：坎德拉（Candela），符号。立体角的单位：球面度，符号。如图13-2，在一半径为的球心O处放一光源，它向球表面ABCD所包围面积A上发出的光通量。面积A在球心形成的立体角为：则这一方向的发光强度为：第25页，课件共71页，创作于2023年2月光通量

相同,发光强度I却不同I小I大第26页，课件共71页，创作于2023年2月三、照度：照度：表示被照面上的光通量密度。计算公式：设被照面无限小面积上所接受的光通量为，则该点处的照度为：当光通量均匀分布在被照面A上时，则此时被照面的照度为：单位：勒克斯1ml1m2第27页，课件共71页，创作于2023年2月照度E性质：可叠加性。几个光源同时照射被照面时，实际照度为单个光源分别存在时形成照度的代数和。第28页，课件共71页，创作于2023年2月第29页，课件共71页，创作于2023年2月发光强度和照度的关系以一个点光源为例，寻找发光强度和照度的关系；右图a所示，表面距点光源O分别为，具有相同的立体角，光通量相同，发光强度也就相同。而表面积之比，它们的照度随着面积增大而减少。第30页，课件共71页，创作于2023年2月第31页，课件共71页，创作于2023年2月推广到一般情况，与联立求得，

——距离平方反比定律第32页，课件共71页，创作于2023年2月图b所示，，且，则上式)表明：某表面的照度与光源在这方向的发光强度成正比，与入射角的余弦成正比，与距光源的距离的平方成反比。第33页，课件共71页，创作于2023年2月如图所示，在距离桌面2米处挂一只40w白炽灯，设在白炽灯的发光强度I0~25°=30cd，I25~45°=25cd，求灯下桌面上1、2两点处的照度。【解】：由式可得1、2两点处的照度分别第34页，课件共71页，创作于2023年2月四、亮度：物体在视线方向上的发光强度越大，投影面积越小，就感到它越亮，即亮度越大。亮度单位：熙提sb，亮度：发光体在视线方向单位投影面积发出的发光强度太阳亮度20万sb，蓝天0.2~2.0sb，白炽灯灯丝亮度300~500sb。可以证明：发光(或反光)物体的亮度和发光体在视线方向的投影面积

成反比，与发光体朝视线方向的发光强度

成正比。。即

第35页，课件共71页，创作于2023年2月第36页，课件共71页，创作于2023年2月亮度反映了物体表面的物理特性；而人们主观所感受到的物体明亮程度，除了与物体表面亮度有关外，还与所处环境的明暗程度有关。于是，将亮度分为两种，前者称为“物理亮度(或称亮度)”，后者称为“表现亮度(或称明亮度)”。

第37页，课件共71页，创作于2023年2月亮度和照度有何区别？照度相同吸光材料，亮度低反光材料，亮度高照了不一定亮！第38页，课件共71页，创作于2023年2月照度和亮度的关系照度和亮度的关系，指的是光源亮度和它所形成的照度间的关系。如上图所示：

第39页，课件共71页，创作于2023年2月而

得

所以有

整个发光面在O

点形成的照度是:均匀亮度是有

这就是常用的立体角投影定律，它表示某一亮度为

的发光表面在被照面上形成的照度值的大小，等于这一发光表面的亮度

与该发光表面在被照点上形成的立体角

的投影

的乘积。第40页，课件共71页，创作于2023年2月解：窗洞可看作发光平面，其亮度等于窗外蓝天的亮度。

侧窗：

Ew=10000×0.228×0.243=555lx天窗：

Em=10000×0.25×i=2500lx第41页，课件共71页，创作于2023年2月13-3材料的光学性质第42页，课件共71页，创作于2023年2月光的反射、吸收和透射。如图13-13。据能量守恒，有反射、吸收和透射光通量与入射光通量之比，分别称为反光系数、吸收系数和透光系数，即第43页，课件共71页，创作于2023年2月第44页，课件共71页，创作于2023年2月

表13-1，13-2列出了常用建筑材料的反光系数和透射系数，供采光设计时参考使用。第45页，课件共71页，创作于2023年2月为作好采光和照明设计，还需了解光通量经介质反射和透射后分布上的变化。根据光通量分布变化的角度不同，反光和透光材料均可分为两类：一类是定向的；光线经定向类材料的反射和透射后，光分布的立体角没有变；一类是扩散的,光线经扩散类材料的反射和透射后，入射光通量程度不同的分散在更大立体角范围。

第46页，课件共71页，创作于2023年2月一、定向反射和透射定向反射：光照射到表面很光滑的不透明材料上，出现定向反射。人眼通过对光的感受由大脑中产生的感觉。特点：（如图）入射角等于反射角；入射光线，反射光线以及反射表面的法线处于同一平面。利用这种特点将光滑表面放在合适位置，可将光线反射到所需位置，或避免光源在视线中出现。aaa第47页，课件共71页，创作于2023年2月定向透射：光照射到透明材料上，出现定向透射。若透明材料两表面彼此平行，则透过光线的方向和入射方向保持不变，只在材料内产生微小的折射；若两表面不平性，各处厚薄不均，因折射角不同透过的光线就不平行。第48页，课件共71页，创作于2023年2月二、扩散反射和透射半透明材料使入射光线发生扩散透射；表面粗糙的不透明材料使入射光线发生扩散反射。据对光的扩散状况，可将材料分为均匀扩散和定向扩散两类。第49页，课件共71页，创作于2023年2月（一）均匀扩散材料：均匀扩散材料将入射光线均匀地向四面八方反射或透射，从各角度看，其亮度完全相同，看不见光源形象。这类材料的亮度和发光强度分布如图13-15。反射材料透射材料发光强度第50页，课件共71页，创作于2023年2月（二）定向扩散材料：某些材料同时具有定向和扩散两种性质。在其定向反射（透射）方向上具有最大的亮度，而在其它方向也有一定亮度，如图亮度和发光强度分布。这时在反射方向可看到光源的大致形象，但轮廓不似定向反射那样清晰，而在其它方向又类似扩散材料具有一定亮度，不象定向反射材料那样没有亮度。第51页，课件共71页，创作于2023年2月四、视度及其影响因素人们看物体的清楚程度叫着视度。视度受以下因素的影响。

1.1.1

亮度当物体发光或反光时，人们才能看见它。实验表明：人们能看见的最低亮度叫最低亮度阈，最低亮度阈。若亮度过大，超出眼睛的适应范围，眼睛的灵敏度反而会下降，当物体亮度超过时，人们就感到刺眼。以感到“满意”的人所占的百分数为统计结果，符合正则分布。最大百分比在1500～30001x之间。第52页，课件共71页，创作于2023年2月适当的照度水平照度过大，被照物的亮度就越高。亮度到一定程度后，反而会超过眼睛的适应范围。当物体亮度超过一定值时人眼会感到刺眼，不能工作。对于人眼视力而言，存在着最佳亮度。照度标准卧室75－150lx起居室100－300lx普通办公室300lx高档办公室500lx手术室750lx人们感到满意的照度值第53页，课件共71页，创作于2023年2月物件尺寸物体尺寸以及眼睛至物件的距离均影响人们观看物件的视度。物件尺寸d、眼睛至物件的距离l、形成视角，其关系如下：物件尺寸d是只需要辨别的尺寸，如图3-13需看清开口方向时，物件尺寸d指开口尺寸。第54页，课件共71页，创作于2023年2月亮度对比亮度对比是视野中目标和背景的亮度差与背景亮度之比。符号为C。亮度差越大，视度也高。式中：——目标亮度；——背景亮度。第55页，课件共71页，创作于2023年2月对比感受性对比敏感度亮度对比对人眼看物体的清晰程度的影响阈限对比，随条件变化

第56页，课件共71页，创作于2023年2月对于均匀照明的无光泽的背景和目标，亮度对比可用光反射比表示，即式中：——目标光反射比；——背景光反射比。视功能实验表明：物体亮度、视角大小、亮度对比三个因素对视度的影响是相互有关的。图所示辨别几率为时，三个因素之间的关系。第57页，课件共71页，创作于2023年2月条件：识别几率95％视

觉

功

效

曲

线第58页，课件共71页，创作于2023年2月曲线表明：①从同一根曲线来看，观看对象在眼睛处形成的视角不变时，若亮度对比下降，则需要增加照度才能保持相同视度。②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。③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，这种差别不明显。第59页，课件共71页，创作于2023年2月识别时间眼睛观看物体时，只有当该物体发出足够的光能，形成一定的刺激，才能产生视觉感觉。在一定条件下符合：亮度ⅹ时间=常数

(邦森—罗斯科定律)可见，物体愈亮，察觉它的时间就愈短。当人们从明亮环境走到黑暗处(或相反)，就会由原来看得清，突然变成看不清，经过一段时间才由看不清东西到逐渐又看得清的变化过程，这叫做“适应”。从暗到明的适应时间短，称“明适应”，在照明设计中应考虑人们流动过程中可能出现的视适应问题。当出现环境亮度变化过大的情况，应考虑在其间设置必要的过渡空间，使人眼有足够的适应时间。第60页，课件共71页，创作于2023年2月视觉适应眼睛的适应过程第61页，课件共71页，创作于2023年2月避免眩光眩光就是在视野中由于亮度的分布或范围不适宜，或在空间或时间上存在着极端的亮度对比，以致引起不舒服和降低物体可见度的视觉条件。根据眩光对视觉的影响的程度可分为：失能眩光和不舒服眩光。对于室内光环境来说，只要将不舒适眩光限制在允许的限度内，失能眩光也就消失了。根据眩光的形成过程，眩光可分为直接眩光和反射眩光：直接眩光是由视野中的高亮度的或未曾充分遮蔽的光源所产生的。反射眩光是由视野中的光泽表面的反射所产生的，反射眩光往往难以避开。第62页，课件共71页，创作于2023年2月眩光产生的原因不恰当的自然采光口，不合理的光亮度，不恰当的强光方向，都会在室内造成眩光现象可能产生眩光的地方玻璃办公桌面局部照明的展板不恰当的工作面照明黄种人眼睛的黑色素较白种人的多，对眩光的忍受力比白种人强。白种人比黄种人的耐暗程度强。第63页，课件共71页，创作于2023年2月第64页，课件共71页，创作于2023年2月光污染玻璃幕墙的反射