光与颜色的基本概念.ppt

第二讲光与颜色的基本概念 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 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1250lm的光通量 40W日光色荧光灯约发出2400lm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380 780nm 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 1 6830 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 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 r 2 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8000 200001x 晴天中午在阳光下的室外照度可高达80000 120000lx 解 直径D 100cm 1m球的表面积为S 4 R 2 D 2 m 2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 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0 45 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 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 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 4 R 2 D 2 0 196m2透过乳白色玻璃球形灯罩的光通量 1260 0 6 756lm发光强度 d d 4 灯罩外表面亮度L dAcos d d dAcos0 4 D 2 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 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7 15m2 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5 13m2 求房间四角处的地面照度 不计室内反射光影响 例题 一房间的平面尺寸为6 6m 9 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 6m 7 6m 求房间四角处的地面照度 不考虑室内反射光影响 解 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 A cd B AsbC sbD lm 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 A 25cdB 50cdC 100cdD 200cd 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 3183cd 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 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2 10 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 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 在另一个照度水平为500lx的房间里 需要增加 lx的照度才能刚刚察出有照度的变化 A 2B 5C 10D 50 D 2 下列 是亮度的单位A Ix B sb C asb D Cd E Cd m2 F Im BCE 3 下列材料中 是漫反射材料A 镜片B 搪瓷C 石膏 D 乳白玻璃 C 4 关于漫反射材料特性叙述中 是不正确的A 受光照射时 它的发光强度最大值在表面的法线方向B 受光照射时 从各个角度看 其亮度完全相同C 受光照射时 看不见光源形象D 受光照射时 它的发光强度在各方向上相同 D C 5 下列材料中 是漫透射材料A 透明平板玻璃B 茶色平板玻璃C 乳白玻璃D 中空透明玻璃 6 将一个灯由桌面竖直向上移动 在移动过程中 不发生变化的量是 A 灯的光通量 B 灯落在桌面上的光通量C 受光照射时 看不见光源形象D 桌子表面亮 A 7 均匀扩散材料的最大发光强度与材料表面法线所形成的角度为 A 0 B 30