建筑物理第一讲 光环境、视觉与光度量单位

第二篇：建筑光环境Zhang-xiuxin1全篇共分五讲：第一讲：光环境、视觉与光度量单位第二讲：颜色的基本概念与光环境质量评价第三讲：天然光环境(一)--昼光光源与采光设计第四讲：人工光环境（一）---人工光源与采光第五讲：人工光环境（二）---室内环境照明设计2第一讲：光环境、视觉与光度量单位光是一种电磁辐射能人类的生活离不开光3主讲内容：1.1、光环境概述1.2、眼睛与视觉1.3、视觉特性1.4、基本光度量单位及其应用1.5、材料的光学性质4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。1.1光环境概述：光环境的涵义光环境（Luminousenvironment）：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。51.1.1:光环境的涵义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%来自光和视觉建筑师的任务之一，就是要为人们创造优良的光环境。671.1.1.2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。（1）天然光环境设计；（2）人工光环境设计；8（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。（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。光环境设计的主要内容9光环境的三种设计理念理念之一：设计空间就是设计光亮理念之二：对主动光源和被动光源的理解理念之三：光环境中光与影的应用10设计理念之一：“设计空间就是设计光亮”

－－“亮度空间”概念（一条视觉设计辅助线）实在空间和亮度空间：如果把由实际物体构成的空间称之为“实在空间”，那么由这些实际物体的亮度构成的视觉空间就称之为“亮度空间”。“亮度空间”是“实在空间”的视觉转化器。11“设计空间就是设计光亮”

－－“亮度空间”概念（一条视觉设计辅助线）实际物体的“实在空间”只有通过亮度转化为“亮度空间”才能被视觉所感受。路易·康说：“设计空间就是设计光亮”，“亮度空间”才是建筑设计作为一种空间视觉艺术的真正目的，而实体形式的构筑只是一种准备和前提。12

路易·康是美国现代建筑师。

路易·康的作品:坚实厚重，不表露结构功能，他在设计中成功的运用了光线的变化，是建筑设计中光影运用的开拓者。

在有的设计中他将空间区分为“服务的”和“被服务的”，把不同用途的空间性质进行解析、组合、体现秩序，突破了学院派建筑设计从轴线、空间序列和透视效果入手的陈规，对建筑师的创作灵感是一种激励启迪。

路易·康的代表作品有宾西法尼亚大学理查德医学研究中心、耶鲁大学美术馆、爱塞特图书馆、孟加拉国达卡国民议会厅、等。路易·康的著作有《建筑是富于空间想像的创造》、《建筑·寂静和光线》、《人与建筑的和谐》等。13孟加拉国达卡国民议会厅14金贝尔美术馆--路易斯•康美术馆是一个将天然采光设计和空间造型相结合的经典范例！15空间与光亮的和谐统一实在空间是亮度空间的准备和前提1617宾馆前厅会议室“设计空间就是设计光亮”18设计理念之二：对主动光源和被动光源的理解人们习惯上有这样一个认识，只有太阳、灯管、灯泡这些自身发光的才叫光源，而实际上被照亮的界面也是一种光源。----这是两种不同的光源，前者可称之为主动式光源，后者为被动式光源；好的光学设计，应该让光的表现有非常强的目的性，每一种光都对应着一种实体，光照在物面上，把点光源变成了面光源，形成了室内亮度和景色的互动。19好的光学设计，应该让光的表现有非常强的目的性，每一种光都对应着一种实体。20“被照亮的界面也是一种光源”被动式光源自身是一种适宜的亮度，是一个美丽的“光亮”,使光照与亮度统一起来。21景物形成二次光源,照亮室内空间，给人一种舒适、雅致的视觉！222324252627主动式光源表面亮度极高以至于成为眩光，在亮度空间中是一个“畸点”，28

安藤忠雄曾指出：现代建筑消除了黑暗，创造了一个“过分透明的世界”——一个”泛光的世界”，导致了人们无法去感受场所的独特性。“这种光晕般扩散的世界，就像绝对的黑暗一样，意味着空间的死亡”

安藤忠雄有指出：“在到处布满着匀质光线的今天，我仍然追求光明与黑暗之间相互渗透的关系。设计理念之三：光环境中光与影的应用29空间与光亮的和谐统一光明与黑暗之间相互渗透的30从摄影师的眼睛出发黑、白、灰的关系光影之间的关系31安藤曾说道：「我所感觉到的是一个真正存在的空间。当建筑以其简洁的几何排列，被从穹顶中央一个直径为9米的洞孔，所射进的光线照亮时，这个建筑的空间才真正地存在。在这种条件下的物体和光线，在大自然里是不会感觉到的，这种感觉只有通过建筑这个中介体才能获得，真正能打动我的，就是这种建筑的力量。」光的教堂古罗马的万神庙32作品中呈现光、影渗透的魅力！3334一个”泛光的世界”，导致了人们无法去感受场所的独特性！“这种光晕般扩散的世界，就像绝对的黑暗一样，意味着空间的死亡”351.2眼睛与视觉视觉的形成即依赖于眼睛的生理机能和大脑积累的视觉经验，又和照明状况密切相关。人的眼睛和视觉，就是长期在自然光照射下演变进化的。光是一种能够在人的视觉系统上引起光感觉的电磁辐射，光的波长范围为380nm~780nm。波长大于780nm的红外线、无线电波等，以及小于380nm的紫外线、X射线等，人眼均感觉不到。右图：太阳辐射的电磁波1nm=10-9m36人的肉眼只能对380—780nm的可见光作出反应。37眼睛的主要组成部分和其功能：瞳孔、水晶体、视网膜、感光细胞38

视网膜上布满了感光细胞—锥状细胞和杆状细胞，经光线照射产生神经冲动，传输到视神经，再传至大脑，产生视觉。感光细胞在视网膜上的分布是不均匀的：锥体细胞主要集中在视网膜的中心部位，成为“黄斑”的黄色区域，黄斑区的中心有一小凹，叫“中心窝”。黄斑区域以外锥体细胞的个数急剧下降，与此相反，在中心窝处几乎没有杆状细胞，自中心窝以外，其密度迅速增加。视网膜的剖面图39锥体细胞：在明亮环境下能分辨出物体的细部和颜色；在环境的明暗发生变化时能迅速反应，以适应新的环境。两种细胞的功能特征杆状细胞：在黑暗环境中对明暗感觉起决定作用，不能分辨物体细部和颜色，对明暗的变化反应缓慢。401.3视觉特性无论是对目标的察觉、辨认、识别，还是对光环境的一般反应来说，视觉都是一个极其复杂的系统，视觉系统有很大的自调能力，能对传递的信息自行调节到最佳清晰度。它具有以下特性：1.3.1亮度阈限暗视觉：指在黑暗环境里（0.001cd/m2以下的亮度水平），杆状细胞起作用，暗视觉只有黑灰白三色。相当于晚上暗处。明视觉：指在明亮环境中（大于3cd/m2的亮度水平），视网膜锥体细胞起作用，分辨颜色和细部。中间视觉：在3-0.001cd/m2之间，相当于道路照明和居住区照明的明暗。人眼对光的适应范围远比人能够感受的温度变化大的多，其阈限为：

10-6cd/m2~106cd/m2视觉阈限值遵守两定律：里科定律亮度×面积（目标）=常数邦森—罗斯科定律亮度×时间=常数411.3.2

光亮效应——韦勃定律（心理物理学的一个著名的定律）对于外界光刺激的变化，人视觉的反应，韦勃通过心理物理试验得到：能察觉到的光刺激变化同刺激水平的比值是一常数关系。

ΔΙ/Ι=Κ（常数）用仪器测得照明量—称为“刺激”，这是一客观物理量。把人眼可以感知的光刺激变化—称为“感觉”，这是一个主观物理量。例如：在一照度为10lx的房间里，增加1lx的照度刚刚能察觉出变化；在另一个照度水平为100lx的房间里，就需要增加10lx的照度才能刚刚察出有照度的变化。两者的比率均为0.1421.3.3视野当头和眼睛不动时，人眼能察觉到的空间范围叫视野，在垂直方向的角度约为130°，水平方向约为180°视野周围1~2°内的物体能在视网膜中心窝成像，清晰度最高，这部分叫中心视野431.3.4光谱光视效率不同波长的光在视觉上形成不同的颜色，如700nm的光呈红光，580nm呈黄光，单一波长的光呈现一种颜色，称为单色光。日光和灯光都是有不同波长的光混合而成的复合光，他们呈现白色或其他色。将复合光中各种波长辐射的相对功率量值按对应波长排列联结起来，就形成该复合光的光谱功率分布曲线。在光亮环境中，辐射功率相等的单色光看起来555nm的黄绿光最明亮；在较暗的环境里，510nm的蓝绿光最为敏感。44光谱光视效率：国际照明委员会（CIE）根据大量的实验结果，人眼观看同样功率的辐射，不同波长的光，感到的明亮程度不一样。人眼的这种特性常用光谱光视效率[V(λ)]曲线来表示。在人获得相同的视觉感受时，波长λm（视感觉最大值处-555和510nm）和波长λ的单色光辐射通量（辐射源在单位时间内发出的能量，单位为瓦，W）的比。

V(λ)=Φe.·λm

/Φe·λ45架设在物理量与视知觉之间的桥光谱光视效率461.4基本光度量单位及其应用光环境的设计和评价离不开定量的分析和说明，需要借助一些物理光度量来描述光源与光环境的特征。常用的光度量有：光通量、照度、发光强度和亮度1.4.1光通量————描述光源的量由于人眼对不同波长的光具有不同的灵敏度，所以不能直接用光源的辐射功率或辐射通量来衡量光能量，须采用以人眼对光的感觉量为基准的单位——光通量来衡量。

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光通量:Φ=KmΣΦe,λV(λ)单位：流明（Im）Φ——光通量

Фe,ג－－波长为ג的单色辐射能通量，W；V(ג)－－CIE标准光度观测者明视觉光谱光视效率；Km－－最大光谱光视能，lm/W（明视觉时＝683lm/W）。建筑光学中，常用光通量表示一光源发出的光能多少，是描述光源的量。如100w白炽灯发出1250Im的光通量，40w日光灯月发出2200Im的光通量。481.4.2发光强度———描述光源的量光通量是说明某一光源向四周空间发射出的总光能量，不同光源发出的光通量在空间的分布是不同的。不但要了解光源发出的光通量，还要了解光通量的空间密度即发光强度。如悬吊在桌面上空一盏100w白炽灯，他发出1250Im的光通量，但加不加灯罩，投射到桌面上的光线就不一样。加上灯罩，灯罩将往上的光向下反射，使向下的光通量增加，桌面上就亮一些。发光强度：点光源在给定方向的发光强度，是光源在这一方向上立体角元内发射的光通量与该立体角元之比。

I=dΦ/dΩ

单位：坎德拉（cd）如在有限立体角Ω内传播的光通量Φ是均匀分布的，则有：I=Φ/Ω49发光强度：I=Φ/Ω立体角：Ω=S/r2S:锥体顶点为球心，任一长度r为半径作一球面，被锥体截取的一部分球面面积。1.4.3照度——描述被照面的量照度：被照面上接受的光通量的面密度，符号为E。若照射到表面一点面元上的光通量为dΦ，该面元的面积为dA,则E=dΦ/dA单位为：勒克斯（