《建筑光学基本知识》PPT课件.ppt

第二篇 建筑光学,光学基本知识 光的视觉性质 基本光度单位及应用 视度及其影响因素 材料的光学性质,天然采光 光气候与采光标准 采光口 采光设计,人工采光 电光源 灯具 室内工作照明 室内外环境照明,第一节 光的视觉性质 光是以电磁波形式传播的辐射能电磁辐射的波长范围很广，只有波长在380nm-760nm的这部分辐射才能引起光视觉，称为可见光(简称光)。波长短于380nm的是紫外线、 射线、 射线、宇宙线；长于760nm的有红外线、无线电波等等。它们与光的性质是不同的，人眼是看不见的。 不同波长的光在视觉上形成不同的颜色，例如700nm的光呈红色，580nm呈黄色，470nm呈蓝色单一波长的光呈现一种颜色，称为单色光。日光和灯光那是由不同波长的光混合而成的复合光，它们呈白色或其他颜色。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，它是光源的个重要物理参数。光源的光谱组成不但影响光源的表现颜色，而且决定被照物体的显色效果,(一)明暗视觉 光入射到人们的眼睛内发挥刺激作用而产生视知觉的综合。视知觉包括看到光的明暗，物体的形状、颜色、动态、远近、深浅的所有知觉。视知觉不仅依靠光对神经系统的刺激，而且依靠大脑对由光产生的神经脉冲信号进行解释、分析和判断，最后形成视觉。这样，光刺激从眼睛到大脑变成神经脉冲信号，便在大脑中引起了生理变化，而且作为行动表现出来形成视觉系统。因此从引起视觉的刺激来看，光起着很重要的作用。无论在光环境中或在视觉环境中都要考虑光与视觉的关系。,(二)眼睛 视网膜是透明的，厚度约为0.3mm，而且有多层结构。其中的感光细胞位于视网膜的外侧。这感光细胞分为锥体细胞和杆体细胞两种。锥体细胞分布于视网膜的中心凹部附近。眼睛在明视觉的状态下，锥体细胞能对光刺激和色刺激的知觉发挥作用。杆体细胞分布于视网膜的周边部分。眼睛在暗视觉的状态下，杆体细胞只对弱光刺激的知觉发挥作用，几乎不能识别物体的颜色或形状的细部。,(三)适应 视网膜的感光度变化的过程或现象称为适应。 对于亮处或暗处的适应都需要经历时间。由亮处到暗处，视网膜的感光度达到最高时，需要10一35min，称为暗适应；由暗处到亮处，只需要1min，称为明适应。 眼睛按照暗适应而起的作用，称为暗视觉。它主要是杆体细胞起作用的视觉状态。眼睛按照明适应而起的作用，称为明视觉。它主要是锥体细胞起作用的视觉状态。 在光环境或视觉环境中会遇到多处的明亮或黑暗区段或部位，健康的眼睛是能够适应的。,(四)视力 人们的眼睛辨认物体形状的细部的能力称为视觉敏锐度，在医学上称为视力，已经通用。它存在着个人差异。根据国际眼科学会的规定，它用兰道尔环来测量，规定在5m的视距上能够辨认l的开口时为1.0。 物体大小对眼睛形成的张角称为视角，单位为分()。视力等于刚刚能够分辨的视角的倒数。 物体由出现到形成视知觉所需时间的倒数称为视力速度。它随着光照度的增加面提高很快，当达到一定数值后，就不明显提高。,(五)视野 当头部和单眼或双眼不移动时可察觉到的空间范围称为视野。由于脸部的其他部分的妨碍，视野中的上下左右部分不会均等。常常是视野的下部看去过大，右部看去也过大。在视野中能够清晰地看到对象的部分是视角l 1.5度的范围，这一范围由于在视网膜的中心凹部，所以成像清析称为中心视野。离开中心视野，视力便会迅速减小这一部分称为周围视野。,(六)光视效能 眼睛在可见光的范围内眼睛对每一波长的感受性也不是均等的。眼睛对某一波长的光的敏感度称为光视效能。对波长为555nm的黄绿光，眼睛的感受性最高。国际照明委员会(CIE)根据大量的实验结果，将视亮度感觉相等的波长为m和的两个辐射通量之比，定义为波长的单色光的光谱光视效率(也称视见函数)，以V()表示。 m选在最大比值等于1处，即555nm处， V() l，其他波长的V()均小于l。这就是明视觉光谱光视效率。在较暗的环境中(适应以510nm的蓝绿光最为敏感按照这种特定光环境条件确定的V()函数称为暗视觉光谱光视效率。,(七)错视 眼睛不能知觉物体的正确形状的现象，称为错视。因此要为光环境提供完善的条件使眼睛不致出现错视。 (八)闪烁 眼睛看运动物体时物体在视网膜上成像，一闪即失，接着进行下一次成慷。这样反复进行，在眼睛卜形成时亮时灭的不连续的光。这种现象称为闪烁。用每秒亮灭的频率来表示眼睛能分清闪烁的界限。 称为闪烁临界值或闪烁融合频率。在高亮度的情况下，视网膜周围部分的临界值比中心部分的临界值要高。在光环境中多数情况要避免闪烁。只有少数情况如舞厅之类需要光的闪烁。 (九)眩光 如果视野内有亮度极高的物体或强烈的亮度对比，则可引起不舒适或视觉降低的现象，称为眩光。眩光是影响光质量的最重要的因素，对视觉有危害性。在光环境中，眩光一般是应该限制的， 只有个别情况除外。,上次课主要内容回顾,光的视觉性质： 光的本质以电磁波形式传播的辐射能，波长为 的这部分辐射才能引起光视觉，称为可见光(简称光) 不同波长的光在视觉上形成不同的颜色，单一波长的光呈现一种颜色，称为单色光。 视觉光入射到人们的眼睛内发挥刺激作用而产生视知觉的综合。 光视效能视亮度感觉相等的波长为m和的两个辐射通量之比，定义为波长的单色光的光谱光视效率以V()表示。 m选在最大比值等于1处： 即明视觉 处，对于暗视觉 处,第二节 光度量 光环境的设计与评价离不开定量的分析和说明，这就需要借助于一系列的物理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。 一、光通量 光通量是按照国际约定的人眼视觉特性评价的辐射能通量(辐射功率)。根据这定义，光通量可以由辐射通量及V()函数导出：,式中：光通量，lm e,波长为的单色辐射通量，W V(）CIE标准光度观测者明视觉光谱光视效率。 Km最大光谱光视效能，lm/W,(lm),光视效能K是描述光和辐射之间关系的量，它是与单位辐射量相当的光通量。但是，K值是随光的波长而变化的， K()的最大值K(m)在 555nm处。根据一些国家权威实验室的测量结果，l977年国际计量委员会决定采用Km683lmW。 光通量的单位是流明，符号为lm。在国际单位制和我国规定的计量单位中，它是一个导出单位，l流明是发光强度为l坎德拉的均匀点光源在1球面度立体角内发出的光通量。 在照明工程中，光通量是说明光源发光能力的基本量。例如，一只40瓦白炽灯发射的光通最为350lm： 一只40瓦荧光灯发射的光通量为21001m，比白炽灯多5倍多。,二、发光强度 I 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内发射的光通量与该立体角之商，符号为I，单位是坎德拉（Candela）。,式中的为立体角。以任一锥体顶点0为球心，任意长度r为半径作一球面，被锥体截取的一部分球面面积为S，则此锥体限定的立体角值为：,(cd),如果在有限立体角内传播的光通量是均匀分布的，上式可写为：,(cd),(sr),立体角的单位是球面度（sr），当S=r2时，=1 sr，因为球的表面积为4r2，所以立体角的最大数值为4球面度。,三、照度 E 照度是受照平面上接受的光通量的密度，符号为E若照射到表面点面元上的光通量为d ，该面元的面积为dA，则:,(lx),照度的单位是勒克斯（lx），1勒克斯等于1流明的光通量均匀分布在1平方米表面上所产生的照度，即1lx=1lm/m2。 勒克斯是一个较小的单位，如夏季中午日光下，地平面上照度可达1000 lx，在装有40W白炽灯的书写台灯下看书，桌面照度平均为200300 lx。,四、亮度 L 1、概念 ： 在相同的照度情况下，黑色物体和白色物体在人眼中引起的视觉感觉不同，这表明物体表面的照度并不能直接表明人眼对物体的视觉感觉。而是由视网膜上物像的照度成正比。视网膜上物像的照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。因此将发光体在视线方向上单位面积发出的发光强度定义为亮度。用符号L表示，单位为cd/m2。,(cd/m2),2、光亮度和视亮度 假设在表面的一点处有面元dS(图中线AB)，与dS的法线成 角方向的发光强度为dI ，则dS在这方向的正投影面积为dSCOS (图中线CD)。这时眼睛看到的dS上的亮度L为,式中的亮度称为光亮度（物理亮度），它是一个客观物理量。我们所感受到的物体明亮程度除了与物体表面亮度有关外，还与我们所处的环境的明暗程度有关，称为表观亮度。亮度的主观量，称为视亮度或主观亮度。它是一个心理量，没有量纲。因此光亮度和视亮度是有区别的。,(cd/m2),光度学中的4个基本量,五、建筑照明计算基础 (一)距离平方反比定律 点光源在与照射方向垂直的平面产生的照度与光源的光强成正比，与光源至受照面的距离的平方成反比。这称为距离平方反比定律，适用于点光源产生的点照度的计算。可由下式计算：,以上公式也可以从发光强度和照度之间的关系求出：,(二)照度余弦定律,点光源照射在水平面上产生的照度与光源的光强成正比，也与受照面法线和入射光的夹角的余弦成正比，但与光源至受照面的距离的平方成反比。这称为照度余弦定律，由下式计算：,(三)立体角投影定律,如图所示，假设S1(图中线AB)为各方向的亮度均相等的发光面，S2(图中线CD)为受照面，在S1上取一微小面元dS1作为点光源。,则在S2上的P点处的照度按余弦定律为:,按亮度与光强的关系式，设I为S1在方向的光强，L为S1在方向的亮度，则有:,ILdS1cos,为以P点为顶点的dS1所张的立体角,则S1在P点处产生的照度为:,进行积分后得到:,进行换算后得到:,表明发光面在受照面上产生的照度，仅与发光面的亮度及其在受照面上的立体角投影有关，而与发光面的面积的绝对值无关。S1和S1COS的面积不同，但由于它们对受照面形成的立体角投影相同，因此只要它们的亮度也相同，它们对S2形成的照度就会一致。,课后习题,教材P139：6-1、 教材P139：6-4、 教材P139：6-6,上次课主要内容回顾,光度学基本原理 1、光通量、发光强度、照度、亮度的概念 2、建筑照明计算定律 照度余弦定律 立体角投影定律,第三节 视度及其影响因素 视度：看物体的清楚程度。 影响视度的因素：亮度、背景亮度、物体的视角、识别时间、眩光,1、亮度 ：对大多数人而言，能看见物体 的最低亮度为10-5 asb ,当亮度达到 104 asb时，人眼的灵敏度最大，视度最高，而后视度便随着亮度的增加而降低，当亮度达到16sb时，人们便感到刺眼，反而看不清楚了。 2、物件尺寸：物件的尺寸，眼睛至物件的距离都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，其关系为：,3、亮度对比，是视野中目标和背景的亮度差与背景(或目标)亮度之比，用对比系数C表示，对比越大，视度越高。,4、识别时间：眼睛观看物体时，只有当该物体发出足够的光能，形成一定刺激，才能产生视觉感觉，在一定条件下，亮度*时间常数，也就是说:呈现时间越少，越需要更高的亮度才能引起视感觉。在设计中应考虑人们流动过程中可能出现的视适应问题。,5、避免眩光：当视野内出现高亮度或过大的亮度对比，就会引起视觉上的不舒适，烦恼或视觉疲劳，这种亮度或亮度对比称为眩光。 直接眩光和反射眩光 失能眩光和不舒适眩光,第四节 材料的光学性质 光在传播过程中遇到新的介质时，会发生反射、透射与吸收现象一部分光通量被介质表面反射()， 部分透过介质()，余下的一部分则被介质吸收()，根据能量守恒定律，入射光通量(i)应等于上述三部分光通量之和：,+ + = i,= / i,= /i,= /i,+ +1,一、反射：反射光的分布型式有规则反射与扩散反射两大类扩散反射又可细分为定向扩散反射、漫反射、混合反射等 1 规则反射 规则反射也叫镜面反射，其特征是光线经过反射之后仍按一定的方向传播，立体角没有变化规则反射的规律为：入射光线与反射光线以及反射表面的法线同处于一个平面内；入射光与反射光分居法线两侧，入射角等于反射角。,光滑密实的表面，如玻璃镜面和磨光的金属表面形成规则反射。在照明工程中常利用规则反射进行精确的控光，如制造各种曲面的镜面反光罩获得需要的光强分布，提高灯具效率几乎所有的节能灯具都使用这类材料做的反光罩，其中有阳极氧化或抛光的铝板、不锈钢板、镀铬铁板镀银或镀铝的玻璃和塑科等,2 定向扩散反射 扩散反射保留了规则反射的某些特性，即在产生规则反射的方向上，反射光最强，但是反射光束被“扩散到较宽的范围，经过冲砂酸洗或锤点处理的毛糙金属表面、表面光滑的纸以及油漆表面具有定向扩散反射的特性,其特点是在某一反射方向上有最大亮度，而在其他方向上也有一定亮度，在反射方向上可以看见光源的像，但轮廓不像定向反射那样清晰。,3 漫反射 漫反射的特点是反射光的分布与入射光方向无关，在宏观上没有规则反射，反射光不规则地分布在所有方向上，无光泽的毛面材料或由微细的晶粒、颜料颗粒构成的表面产生漫反射可以把这些微粒看作是单个的镜反射器，但是由于微粒的表面处在不同的方向，所以将光反射到许多角度上,若反射光的光强分布与入射光的方向无关，而且正好是切于入射光线与反射表面交点的一个圆球，这种漫反射称为均匀漫反射,均匀漫反射反射光的最大发光强度在垂直于表面的法线方向，其余方向的光强同最大光强有以下关系； I0=ICOS,I反射光与表面法线夹角为方向的光强cd I0反射光在反射表面法线方向的最大光强，cd,上式称为朗伯余弦定律符合朗伯定律的材料叫朗伯体这类材料无论入射光的方向如何，其表面各方向上的亮度都是相等的。氧化镁、硫酸钡、石膏等具有这种特性。建筑工程常用的大部分无光泽饰面材料，如粉刷涂料、乳胶漆、无光塑料墙纸、陶瓷面砖等都可以近似地看作均匀漫反射材料。,按照朗伯定律可以导出由照度计算均匀漫反射材料表面亮度的简便公式如下；L= *E/ (cd/m2),4 混合反射 多数的材料表面兼有规则反射和漫反射的特性，这称为混合反射光亮的搪瓷表面呈现漫反射与镜面反射结合的