光与颜色的基本概念.ppt

第二讲 光与颜色的基本概念 本章主要介绍了光与颜色的基本概念 ： 1、基本光度单位及其应用 2、材料的光学性质 3、颜 色 4、光源的色温和显色性 1、基本光度单位及其应用 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、基本光度单位及其应用 1.1 光通量 1.2 发光强度 1.3 照度 1.4 发光强度和照度的关系 1.5 亮度 1.6 照度和亮度的关系 1.1 光通量 由于人眼对不同波长的电磁波具 有不同的灵敏度，不能直接用光源的 辐射功率或辐射通量来衡量光能量， 于是，引入光通量。 光通量就是人眼对光能量中的有 感觉的量。 光通量符号： ，单位：流明(lm)。 计算公式： 式中 波长为 的光谱辐射通量，w 光谱光视效率，由教材P131图7-4中查得 最大光谱光视效能，明视觉时为 。 建筑光学中，常用的光通量表示一个光源发出的光 能多少，是光源的一个基本参数。100W普通白炽 灯发出1250 lm的光通量，40W日光色荧光灯约发 出2400 lm的光通量。 例题：在光亮环境中，辐射功率相等的单色光看 起来（ ）光最明亮。 A、700nm红光; B、510nm蓝绿光; C、580nm黄光;D、555nm黄绿光. 例题：下面关于光的阐述中，（ ）是不正确的 。 D A、光是以电磁波形式传播； B、可见光的波长范围为380780 nm； C、红外线是人眼所能感觉到的； D、紫外线不是人眼所能感觉到的. C 例题： 已知某种灯仅辐射出波长为555纳米的单色光 ，设其辐射通量为1瓦，则该灯对应的光谱光视效率 V为 ，相应的光通量为 流明。 1 683 例题：已知钠灯发光波长为589nm，其辐射通量为 10.3w，求其发光通量。 解：=589nm，（）=0.769 例题：已知500W 贡灯发出的单色光辐射通量值，试计 算其光通量。 例题：已知某种灯仅辐射出波长为555纳米的单色光， 设其辐射通量为10瓦，则该灯对应的光谱光视效率V 为 ，相应的光通量为 流明。16830 波长（m ） 单色辐射通量 （W） 光谱光视效 率 光通量（lm ） 3652.2 4064.00.00071.9 4368.40.0180103.3 54611.50.98417729.6 57812.80.88927773.7 6910.90.00764.7 总计39.815613.2 1.2 发光强度 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。 均匀照射 发光强度单位：坎德拉（cd ）， 发光强度的符号，表示发光强度与方向有关； 立体角 与此类似，定义立体角为曲面上面积 微元ds与其矢量半径的二次方的比值 为此面微元对应的立体角记作 d=ds/r2；由此可得，闭合球面的立 体角都是4。 和平面角的定义类似。平面角我们定义一段弧微 分dl 与其矢量半径r的比值为其对应的圆心角记作 d= dl/r；所以整个圆周对应的圆心角就是2。 立体角 一个锥面所围成的空间部分称为“立体角”。 立体角是以锥的顶点为心 ，半径为1的球面被锥面 所截得的面积来度量的， 度量单位称为 “立体弧度（sr）”。 例题：发光强度就是给定光源在给定方向的立 体角元内传输的 除以该 之商。 光通量 立体角元 例题：某一光源在1sr立体角内均匀辐射出 100lm的光通量，试问发光强度单位是 ， 并求出该立体角方向上的发光强度大小为 。 cd 100cd 1.3 照度 对于被照面而言，单位面积上的光通量叫 照度，用来衡量它被照射的程度。 均匀照射 符号：E ，单位：勒克斯（lx ）， 阴天中午室外照度为800020 0001x； 晴天中午在阳光下的室外照度可高达80 000120 000lx。 解：直径D=100cm=1m 球的表面积为S=4R2=D2=m2 透过乳白色玻璃球形灯罩的光通量 =100lm 这圆表面上各点照度为： 【例题】在一个直径为100厘米的乳白色 玻璃球形灯罩内表面上均匀落下100流明 的光通量，求灯罩内表面上各点照度。 1.4 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。 表面A1、A2、A3 距点光源O 分别为r、2r、3r ，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1：4：9 ，它们的照 度随着面积增大而减少。 距离平方反比 定律 右图所示 左图a所示，光线垂直入射 （i为入射角） 某表面的照度E与光源在这方向的发光强度 成正比，与入射角 余弦成正比，与距光源 的平方成 反比。 的距离 【例题】辐射波长为555nm的单色光源，其辐射功率 为10瓦，试求： A、该单色光源辐射出的光通量； B、该单色光源辐射出的发光强度（它向四周均匀地发 射光通量） C、距离它4米处的照度。 解： 【例题】辐射波长为555nm的单色光 源，其辐射功率为10W，求离光源2m 处的照度。 解： 【例题】如图所示，在距离桌面2.1米处挂一只 40w白炽灯，设在045内白炽灯的发光强度 均为30cd，求灯下桌面上1、2两点处的照度。 【解】：1、2两点处 的照度分别为： 1.0m 2.1m E1 E2 1.5 亮度 一个发光(或反光)物体，在视网膜上成像，视觉感 觉与视网膜上的物像的照度成正比，物像的照度愈 大，觉得发光(或反光)物体愈亮。 发光(或反光)物体表面沿视线方向单位投影面上的 发光强度就叫着亮度。 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 Acos成反比，与发光体朝 视线方向发光强度 成正比。 发光(或反光)物体表面沿视线方向单位投影面上的 发光强度就叫着亮度。 由给定点处的束元dA传输的， 并包含给定立体角d内传输的光通量； 给定点处的射束包含的截面积； 是射束方向与射束截面法线之间的夹角； 是垂直射束方向上的dA的投影。 当角方向上射束截面A的 发光强度相同时，均为 A 角方向上的亮度为 ： 是A在垂直射束方向的投影 1.5 亮度 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)”。 亮度常用单位为：坎德拉每平米（cd/m2），即1平米表 面上，沿法线方向（=0）发出1cd的发光强度。 另一较大亮度单位是：熙提（sb） ，它表示1cm2面积上 发出1cd的亮度。 【例题】一个直径为250mm的乳白色玻璃球形 灯罩，内装一个光通量为1260lm的白炽灯，设 灯罩的光透射比为0.60，求灯罩外表面亮度？ 解： 直径D=250mm=0.25m 球的表面积为S=4R2=D2=0.196m2 透过乳白色玻璃球形灯罩的光通量 =12600.6=756lm 发光强度=d/d=/(4) 灯罩外表面亮度 L=/dAcos=d/(ddAcos0)=/(4D2) 【例题】一个直径为400毫米的乳白玻璃 球形灯罩，内装一个光通量为1179流明 的白炽灯，设灯罩的光透射比为0.7，求 灯罩外表面亮度（不考虑灯罩的内反射影响）。 解法一： 内表面照度： 乳白灯罩外表面亮度： 均匀扩散透射材料表面的亮度公式： 【例题】一个直径为400毫米的乳白玻璃 球形灯罩，内装一个光通量为1179流明 的白炽灯，设灯罩的光透射比为0.7，求 灯罩外表面亮度（不考虑灯罩的内反射影响）。 解法二： 1.6 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。 于是， 亮度 照度 A1为各个方向亮度都相同的发光 面，A2为被照面。dA1可视为点光 源。它在A2上照度为： 【例题】设有一个乳白玻璃的球形灯，灯罩的直径为4厘 米，其轴向发光强度为100坎德拉，求该灯的轴向亮度？ 解： 1.6 照度和亮度的关系 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L 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L与 该发光表面在被照点上形成的立体角的投 影cosi 的乘积。 【例题】在房间侧墙和屋顶上各开一个1m2的窗 洞，它们与室内桌子的相对位置如图，设通过窗 洞看见的天空亮度为1sb，试分别求出各个窗洞 在桌面上形成的照度(桌面与侧窗窗台等高)。 【解】： 侧窗： 均匀亮度是有 天窗 ： 【例题】房间的平面尺寸为715m2，净空高3.6m，在 顶棚正中布置一个亮度为1000cd/m2的均匀扩散光源（ 发光顶棚），其尺寸为513 m2，求房间四角处的地面 照度（不计室内反射光影响）。 15m 3.6m 7m 【例题】一房间的平面尺寸为6.6m9.6m，净空高 3.6m。在顶棚正中布置一亮度为500cd/m2的均匀扩散 光源，其尺寸为4.6m7.6m，求房间四角处的地面照 度（不考虑室内反射光影响）。 9.6m 3.6m 6.6m 解： 式中 波长为 的光谱辐射通量，w 光谱光视效率，由教材P131图7-4中查得 最大光谱光视效能，明视觉时为 【例题】下列光度量单位中，哪个不是亮度单位( ) Acd BAsb Csb Dlm D 【例题】照度的单位是： ( ) A流明 B坎得拉 C勒克斯 D坎得拉每平米 C 【例题】离光源3米处的发光强度是100cd，在同一方 向，离光源6m处的发光强度是( )。 A25cd B50cd C.100cd D200cd C 【例题】一个点光源直接入射到被照面所形成的照度 ，与光源距被照面的距离的几次方成反比( ) A一次方 B二次方 C三次方 D四次方 B 任何光源发光强度只与光线照射方向有关，与距离无关 阿熙堤亮度单位，等于1/烛光每平方公尺 Asb = 1/ cd =0.3183 cd 2、材料的光学性质 2.1 材料的反射、吸收、 透射系数 2.2 定向反射和透射 2.3 扩散反射和透射 2.1 材料的反射、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。 光通量： 分别叫反射通量、吸收通量、透射通量 。 反光系数、吸收系数、透光系数 常用建筑材料的光反射比和光透射比见P139表7-2 表7-3 材 料值值材 料值值 石 膏 大白粉刷 水泥砂浆抹面 白水泥 白色乳胶漆 0.91 0.75 0.32 0.75 0.84 混凝土地面 沥沥青地面 铸铁铸铁 ，钢钢板地面 0.20 0.10 0.15 瓷 釉 面 砖砖 白 色 黄绿绿色 粉 色 天蓝蓝色 黑 色 0.80 0.62 0.65 0.88 0.08 调调 和 漆 白色和米黄色 中黄色 0.70 0.57 红红 砖砖 灰 砖砖 0.33 0.28 无釉陶土地砖砖 土黄色 朱 砂 0.53 0.19 塑 料 墙墙 纸纸 黄白色 蓝蓝白色 浅粉白色 0.72 0.61 0.65 材 料值值材 料值值 胶合板 广漆地板 菱苦土地面 0.58 0.10 0.15 马赛马赛 克地砖砖 白 色 浅蓝蓝色 浅咖啡色 绿绿 色 深咖啡色 0.59 0.42 0.31 0.25 0.20 材 料 值值 普通玻璃 0.08 大理石 白色 乳色间绿间绿 色 红红色 黑色 0.60 0.39 0.32 0.08 材 料值值 水磨石 白色 白色间间灰黑色 白色间绿间绿 色 黑灰色 0.70 052 0.66 0.10 塑料贴贴面板 浅黄色木纹纹 中黄色木纹纹 深棕色木纹纹 0.36 0.30 0.12 材 料 颜颜 色 厚度 mm 值值 材 料 颜颜 色 厚度 mm 值值 普通玻璃 钢钢化玻璃 磨砂玻璃 (花纹纹深密) 无 无 无 36 56 36 0.780.82 0.78 0.550.60 聚苯乙 烯烯板 聚氯氯乙 烯烯板 聚碳酸 酯酯板 无 本 色 3 2 3 0.78 0.60 0.74 压压花玻璃 (花纹纹深密) 压压花玻璃 (花纹纹浅稀) 夹丝夹丝 玻璃 无 无 无 3 3 6 0.57 0.71 0.76 聚酯酯玻 璃钢钢板 无 绿绿 34 层布 34 层布 0.73 0.77 0.62 0.67 材 料 颜颜 色 厚度 mm 值值 材 料 颜颜 色 厚度 mm 值值 压压花夹丝夹丝 玻璃 (花纹细纹细 ) 无60.66 小波玻璃钢钢 瓦 大波玻璃钢钢 瓦 玻璃钢钢罩 钢钢窗纱纱 绿绿 绿绿 本 色 绿绿 34 层布 0.38 0.48 0.72 0.74 0.70 夹层夹层安全玻璃无3+30.78 双层层隔热热玻璃 (空气层层厚5mm) 无 3+5+3 0.64 镀锌铁丝镀锌铁丝 网 (孔20mmX20mm) 茶色玻璃 中空玻璃 安全玻璃 茶色 无 无 36 3+3 3+3 0.89 0.080.50 0.8l 0.84 吸热热玻璃蓝蓝35 0.52 0.64 乳白玻璃 乳 白 3 0.60 有机玻璃无260.85 乳白有机玻璃 乳 白 30.20 2.1 材料的反射、吸收、透射系数 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 玻璃定向反射、定向透射（规则反射和 透射）； 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扩散 反射、扩散透射。 2.2 定向反射和透射 2.2. 定向反射（规则反射） 2.2. 定向透射（规则透射） 2.2. 定向反射（规则反射） 光线射到表面很光滑的不透明 材料上，就出现定向反射现象。 定向反射现象符合反射定理，即 ： 光线入射角等于反射角； 入射光线、反射光线以及反 射表面的法线处于同一平面， 2.2. 定向透射（规则透视） 光线射到透明材料上产生定向透射，定向 透射经材料的两个表面时符合折射定理。 入射线、折射线与分界面的法线同处于 一个平面，且分居于法线的两侧； 入射角正弦和折射角正弦的比值是一个 常数。即 。 2.2. 定向(规则)透射 若两个表面不平，各处厚薄不匀或将一面压 花，透过材料的光线互不平行，隔着它所见 到的物体形象就发生变形。人们利用这种效 果，使外界形象严重歪曲，这样就不致分散 室内人们的注意力。 定向反射和定向透射的光强分别为： 定向反射和定向透射的亮度分别为： 2.3 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，使光线 分散在更大的立体角范围内。 又可按它的扩散特性分为均匀扩 散材料和定向扩散材料两种。 2.3.1 均匀扩散材料 （漫射材料 ） 均匀扩散反射材料（漫反射材料）有氧化镁、石 膏等。但大部分无光泽、粗糙的建筑材料，如粉 刷、砖墙等都可以近似地看成这一类材料。 均匀扩散透射材料（漫透射材料）有乳白玻璃和 半透明塑料等，透过它看不见光源形象或外界景 物，只能看见材料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。用 矢量表示的亮度和发光强度分布见图210；图 中实线为亮度分布，虚线为发光强度分布。 漫反射 漫透射 漫射材料表面的亮度 处处相同（实线表示 ） 漫散材料的最大发光强度在 表面的法线方向（虚线表示 ） 均匀扩散材料（漫射材料）表面的亮度公式： 漫反射材料 漫透射材料 如果用另一亮度单位阿熙提（asb），则： 漫透射材料 漫反射材料 （照度E单位为lx） 均匀扩散材料（漫射材料）表面的亮度公式计算： 反射材料 透射材料 定向反射和定向透射（规则反射和透射）的亮度公式为： 均匀扩散材料 的最大发光强 度在表面的法 线方向，其他 方向的发光强 度和法线方向 的发光强度有 如下关系： 朗伯余弦定理 2.3.2 定向扩散材料 -混合反射与透射材料 某些材料同时具有定向和扩散两种性质。 它在定向反射(透射)方向，具有最大的亮度 ，而在其他方向也有一定亮度。 这种材料的亮度和发光强度分布见图2-11 。图中实线表示亮度分布，虚线表示发光 强度分布。 这种材料如：有光滑的纸、较粗糙的金属 表面、油漆表面等。 混合反射 混合透射 2.3.2 定向扩散材料 常见的办公桌表面深色的油漆表面（ 定向扩散反射特性），容易在桌面上看到 明显的照明灯反射形象，特别刺眼（教材 P185 图7-18）。 若用浅色均匀扩散材料代替原有的深色油 漆表面（均匀扩散特性），使反射光通量 均匀分布，亮度均匀，给工作创造了良好 的视觉条件。 例题：1.在照度为10lx的房间里，增 加1lx的照度刚能察觉出变化；在 另