建筑物理光学第一章1362

1、第二篇 建筑光学学习建筑光学的意义 光环境是由光照射室内外空间所形成的环境，是建筑物理环境光环境是由光照射室内外空间所形成的环境，是建筑物理环境的一个重要组成部分。的一个重要组成部分。 光可以通过太阳（自然光）或人造光源（人工照明）来提供。光可以通过太阳（自然光）或人造光源（人工照明）来提供。 人体器官中，眼睛是与光环境相密切联系的，物体与环境通过被人体器官中，眼睛是与光环境相密切联系的，物体与环境通过被光所照亮从而为人眼所感知。光所照亮从而为人眼所感知。 从功能上看，人们在进行生产、工作和学习时，建筑物的采光和从功能上看，人们在进行生产、工作和学习时，建筑物的采光和照明光环境好，可提高工作效

2、率和产品质量，照明光环境好，可提高工作效率和产品质量，有利于安全和保护有利于安全和保护人的视力健康人的视力健康。 从艺术上看，光线能够建构空间、从艺术上看，光线能够建构空间、 塑造形体、塑造形体、 渲染气氛、渲染气氛、 显显现色彩、现色彩、 突出重点、突出重点、 引导视线、引导视线、 装饰环境，是装饰环境，是表现建筑与美表现建筑与美化室内外环境的重要手段化室内外环境的重要手段。 建筑师应当掌握如何合理而巧妙地运用建筑光环境的设计与建筑师应当掌握如何合理而巧妙地运用建筑光环境的设计与表现手法，来构建意境非凡、效果动人的建筑作品。建筑光环境表现手法，来构建意境非凡、效果动人的建筑作品。建筑光环境设

3、计历来是、也必将永远是建筑创作中重要的不可或缺的。设计历来是、也必将永远是建筑创作中重要的不可或缺的。普通的建筑设计中白天与夜晚迥异的光环境营造朗香教堂利用开窗采光营造神秘宗教氛围卢浮宫金字塔：美丽的构造物实际是地下展馆采光天井图书馆：优秀建筑室内光环境营造，自然与人工的结合夜景照明：建筑光学新的发展方向第一章 建筑光学基本知识 第一节 眼睛与视觉 第二节 基本光度单位与应用 带三节 材料的光学性质 第四节 视度及其影响因素 第一章 建筑光学基本知识第一节 眼睛与视觉 一、光的本质与特性 “光光” 的本质，可从两方面去理解。的本质，可从两方面去理解。 若从客观物理意义上去理解，则光指的是以电磁

4、波形式传播若从客观物理意义上去理解，则光指的是以电磁波形式传播的辐射能；的辐射能； 若从人的主观感觉去理解，则光指的是辐射能刺激眼睛所引若从人的主观感觉去理解，则光指的是辐射能刺激眼睛所引起的起的 “亮亮” 的感觉。的感觉。 总结一下，光是一种能够在人的视觉系统上引起光感觉的电总结一下，光是一种能够在人的视觉系统上引起光感觉的电磁辐射，其波长范围为磁辐射，其波长范围为380nm380nm780nm780nm。波长大于波长大于780nm780nm的红外线、的红外线、无线电波等，以及小于无线电波等，以及小于380nm380nm的紫外线、的紫外线、射线等，人眼均是感射线等，人眼均是感觉不到的。觉不到

5、的。光的基本性质图 “光光”的波长特性：的波长特性： 不同波长的光在人眼中形成不同的颜色感觉。不同波长的光在人眼中形成不同的颜色感觉。 不同波长的光引起的视觉明亮程度不同。不同波长的光引起的视觉明亮程度不同。 二、人眼的构造 角膜 透明外膜，光线由此进入。 虹膜 根据光线强弱水平开闭的彩色隔膜。 瞳孔 虹膜中间的孔，相当于光圈，调节进光量的大小。 水晶体 瞳孔后面扁球形弹性透明体，其透镜作用，根据远近视觉调节光线将光线聚焦在视网膜上。 人眼的构造 视网膜 眼睛的感光内层，相当于胶卷，由无数感光细胞组成。 感光细胞 分为锥状细胞和杆状细胞。锥状细胞主要集中在正对瞳孔的视网膜的中央区域，称为黄斑区

6、。此处杆状细胞很少，越远离黄斑区，锥状细胞越少，杆状细胞越多。 锥状细胞与杆状细胞的分布 锥状细胞在明亮环境下，对色觉和视觉敏锐度起决定作用。杆状细胞在黑暗环境下对明暗感觉起决定作用。 盲点 视神经穿出视网膜处，既无杆状细胞也无锥状细胞，对光无反应。 三、人眼的视觉特点 （一）视角、视力和视野 1、视角 被观看物体的大小对眼睛形成的张角。观看物体距离一定时，视角大表示被观看物体的尺寸大。（ 视角（分）；d 物体尺寸； l 观看距离 ）视角的定义 2、视力 人眼辨认形状细部的能力，也称为视觉敏锐度。 医学上用视力表检验人们视力的高低，即所观看最小视角的倒数。 如：在5m看视力表上的视标，当视标为

7、1.46mm时，视角正好为1分，医学上就把能识别1分视角的视标的视力作为1，识别2分视标的视力等于0.5。 3、视野 人双眼不动的视野范围为：水平面180；垂直面130，上方为60，下方为70。 双眼视野剖面 中心视场：黄斑区对应的角度约为2，即视线上下约1。它具有最高的视觉敏锐度，能分辨最微小的细部，提供最佳的颜色响应。 视觉清楚区域：视线上下约30范围，这是观看物体总体有利的位置。（二）明适应与暗适应 1、明、暗视觉 由于锥、杆体细胞在不同的明暗环境中起主要作用，形成明暗视觉。 明视觉 在亮度超过10cdm2的环境里，视觉完全由锥状感光细胞起作用，此时的视觉称为明视觉。明视觉能够辨认很小的

8、细节，具有颜色感觉，而且对外界亮度变化的适应能力强。 暗视觉 当环境亮度低于102 cdm2时，属于暗视觉的范围。此时，主要由视网膜的杆状细胞起作用。暗视觉只有明暗感觉而无颜色感觉，也无法分辨物体的细节。 2、明、暗适应 视觉适应是指眼睛由一种光刺激到另一种光刺激的适应过程。它是眼睛为适应新环境连续变化的过程，所需要的时间称为适应时间。视觉适应包括明适应和暗适应。 明适应 由暗环境到明亮环境下的适应叫明适应，所需时间为36s。 暗适应 由明亮环境到暗环境下的适应叫暗适应，所需时间为1035分钟。（三）颜色的感觉 人眼具有感知颜色的能力，称为色觉。在明视觉时，人们对于380780nm范围内的电磁

9、波引起不同的颜色感觉。不同波长的光在视觉上形成不同的颜色。单色光是单一波长的光，如700nm的单色光呈红色；复合光是不同波长混合在一起的光。 （四）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。 它表示获得相同视觉感觉时，波长m和波长的单色光辐射通量的比。m选在视感最大值处:明视觉时为555nm(黄绿光），暗视觉为507nm（蓝绿光）。 在明视觉时人眼对555nm的黄绿光最敏感，在暗视觉时对507nm的蓝绿光最敏感。 光谱光视效率曲线第一章 建筑光学基本知识 第一节 眼睛与视觉 第二节 基本光度单位与应用 带三节 材料的光学

10、性质 第四节 视度及其影响因素 第二节 基本光度单位和应用 基本的光度单位 光通量 光强 照度 亮度 一、光通量 辐射通量 光源在单位时间内辐射的能量称为其辐射通量。光源在某一波长的辐射通量称为单色辐射通量，记为e, 光通量 光通量表示光源单位时间内向周围空间辐射出去的并使人眼产生光感的能量，用符号表示，单位为Lm(流明）。Km V() e, e, 波长为的光源的辐射通量（功率）（W） Km 最大光谱光视效能，明视觉时为683lm/w V() 波长为的光源的相对光谱光视效率 波长为的光源的光通量（ Lm ） P162 辐射通量=10.3W，波长589nm单色光的光通量。10.3*0.769*6

11、835410lm注意:用明视觉曲线！P162 500w汞灯的单色辐射通量值如下，求光通量波长（波长（nm）单色辐射通量单色辐射通量（w）3652.24064.04368.454611.557812.86910. 9总计39.8辨析：辐射通量与总功率 可见光波长：380780nm1.求单色光谱光视效率（查图）0.00070.01800.98410.88920.00761.9103.37729.67773.74.72.求单色光通量（*683*单色光谱光视效率）15613.2 lm 二、发光强度 发光强度 光源的光通量在空间某一方向上的空间分布密度，用符号I 表示 。发光强度是衡量一个光源在指定方向

12、上的力量或“冲击力”。 立体角 立体角概念 半径为r的球体。球面上某块面积A对球心形成的角称为立体角，以表示。单位是Sr（球面度）。完整立体角：4球的表面积：4r2 = A /r2 当 A=r2 时，它在球心处所成的立体角为1sr。 所以，光源在某一方向上的发光强度可以表示为： I = / 光强的单位为坎德拉（cd），表示光源在1球面度立体角内均匀发出1lm的光通量。 1cd = 1lm / 1sr 思考 一盏白炽灯的光通量为1250lm，如它向四周均匀发射光通量，求其发光强度？ I = / =1250/4=99.5cd 三、照度 照度是表示被照面上光通量的密度，用符号E表示，单位为勒克斯（l

13、x）。 E = / A 即 1lx = 1lm / 1m2 照度的单位很小，如夏季中午日光下，底平面的照度可达10的五次方，在装有40W白炽灯的书写台灯下看书，桌面照度为200300 Lx，月光下的照度只有几个Lx。 照度无方向，可以直接相加。 四、亮度 亮度为发光体在视线方向单位投影面积发出的发光强度，称为该发光体表面的亮度，用符号L表示。 L = I / A cos 单位：cd/m2 其他单位：熙提（sb）、 阿熙提（asb） 1sb=104cd/m2 ；1asb=1/cd/m2 亮度是有方向的量，常在亮 度符号右下角注明角度，它表示 与表面法线成角方向上的亮度。 人认为的面积 思考 一个

14、长条形嵌入式灯具的发光面积为0.25 X 1.25平方米，在45方向上的发光强度为600cd，求该方向上的亮度？ 思考 一个长条形嵌入式灯具的发光面积为0.25 X 1.25平方米，在45方向上的发光强度为600cd，求该方向上的亮度？ L = I / A cos = 600 / 0.25 X 1.25*cos45 = 600 /（0.3125*cos45）2702.7 cd/m2辨析：点光源向面光源的转换。 与物体反射同理 物理亮度与表（主）观亮度 亮度反映了物体表面的物理特性；而我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，还与我们所处环境的明暗程度有关。为了区别这两种不同的亮

15、度概念，常将前者称为“物理亮度”，后者称为“表（主）观亮度”。 五、照度与发光强度的关系（点光源） 一个点光源在被照面上形成的照度，与光源在这个方向上的发光强度，遵循“平方反比定律”，即E = I / r2 点光源产生照度的概念 简单推导： 已知：E=/A (1) 又知：I =/ 得：=I (2) 由：=A / r2 代入(2) 得：=I A / r2（3） 把（3）代入（1） 得：E=I / r2 不同平面上形成的照度 如果，点光源照射方向与被照面法线形成一定夹角（ ），则被照上形成的照度公式即为： E =/A E = cos /A =E cos E = I cos / r2 E = I c

16、os / r2 该式表明：点光源在任一表面上形成的照度与它在该方向上的发光强度成正比，与入射光线与被照面法线形成的夹角余弦成正比，与它到被照面的距离平方成反比。注意：这里的点光源一般是指圆形光源的直径小于它到被照面距离的1/5，线光源的长度小于到被照面距离的1/4时，我们就将它视为点光源。 【例题】如图所示，在桌上2m处挂一40w白炽灯，求灯下桌面点1处照度E1及点2处照度值E2(设白炽灯在任一方向上的发光强度均为30cd)。解： I=30cd E1= I cos0 / r2 =（30 / 22） =7.5 lx E2=I cos / r2 = 30 * 2/5 / 5 =12/2.236 5

17、.4 lxr=4r=4+1=5cos=2/5 六、照度与亮度的关系 照度与亮度的关系是指光源亮度和它在被照面上所形成的照度之间的关系，二者遵循“立体角投影定律”，即 E = L cos E = I cos / r2 L = I / A cos I = LA cos E = L A cos cos/ r2=L cos 六、照度与亮度的关系 E = L cos = A cos /r2 它表示某一亮度为L的发光表面在被照面上形成的照度，是这一发光表面的亮度L与该发光表面在被照面上形成的立体角在被照面上的投影（ cos）的乘积。该定律同样适用于点光源。为两个面中心连线与被照面法线夹角为两个面中心连线与

18、发光面法线夹角 A为发光面面积【P168例题例题】 在侧墙和屋顶上各有一个1m2的窗洞，它们与室内桌子的相对位置见图，设通过窗洞看见的天空亮度为lsb，试分别求出各个窗洞在桌面上形成的照度(桌面与侧窗台等高)天窗时：E = L cos ， = A cos /r2A=1m2，r=2mcos= 1cos = 1E = 1sb*1m2*1*1 = 10000/4 2500lxr 4侧窗时：E = L cos ， = A cos /r2A=1m2，r=4.25mcos= 0.5/4.25cos = 2/4.25E = 1sb*1m2*2/4.25*0.5/4.25 = 10000/4.25*4.25

19、554 lxr 4.25 I=/ E = /A E = I cos/ r2 E = Lcos 【小结】光线出射角度受照面角度受照面角度 L = I / A cos光线出射与受光体角度连线与两个面的角度第三节 材料的光学性质 人们在建筑物内所看到的光，除了直达光外，就是经过各界面反射后到达的间接光。直达光如果是经过透光材料到达，就成为透射光。 不同材料对光的反射和透射的性能不同，就会在建筑空间形成不同的光照效果。 了解各种材料的光学性质，可以方便的控制和定向光线，这是建筑师控制、调整光线的基本手法之一。 在光的传播过程中，遇到介质（如玻璃、墙）时，人射光通量中的一部分被反射()，一部分被吸收()

20、，一部分透过介质进入另一侧的空间() = + + 令： += 1= 光反射比 （反射系数）= 光吸收比 （吸收系数）= 光透射比 （透射系数）则： + + = 1 光的反射、吸收和透射常见饰面材料的光反射比值 室内表面材料光反射比值越高，室内越明亮；值越小，照明量相应要增加。值不是越高越好，在不同场合下，用不同的适宜范围。 常见饰面材料的光透射比值 进行采光和照明设计，必须了解： （1）材料的光反射比、光透射比等数值。 （2）经过介质反射和透射后，光通量发生了什么变化。 光经过材料的反射和透射后，反射和透过光通量的分布变化取决于材料表面的光滑程度和材料内部分子结构。反光和透光材料均可分为两类：

21、 定向材料：经过反射和透射后，光分布的立体角没有改变。 扩散材料：经过反射和透射后，光分布的立体角增大了。 一、定向反射和透射 1、定向反射 光线照射到表面很光滑的不透明材料上，发生定向反射，也叫镜面反射。如玻璃镜、磨光的金属表面等。 定向反射的特点： （1）入射角=反射角，光线反射后的立体角没有发生改变。 （2）入射光线、反射光线与材料法线处于同一平面。 （3）在定向反射方向可以清晰地看到光源的形象。 （4）反射后的光源亮度和发光强度都比入射光有所降低： L = L总 I = I总 在照明工程中，常利用定向反射来进行准确地控光，如制造各种曲面的镜面反射罩获得需要的光强分布，提高灯具的效率。

22、此外，要避免定向反射光线射入人的眼睛造成眩光。 抛物形镜面格栅或百叶 避免定向反射的影响 2、定向透射 光线照射到表面很光滑的透明材料上，发生定向透射。如透明玻璃、有机玻璃等。 定向透射的特点： （1）入射光线与透射光线平行，光线透射后立体角没有发生改变。 （2）入射光线、透射光线与材料法线处于同一平面。 （3）在定向透射方向可以清晰地看到光源的形象。 （4）透射后的光源亮度和发光强度都比入射光有所降低： L= L总 I = I总 如果玻璃表面不平行，则透射光线会偏离原方向，使光源影像模糊不清，但仍能使部分光线透射过去，保持一定的采光效果，如压花玻璃、玻璃砖等。 照明工程中，常利用透镜作为光源的遮挡或透射部分，用来控制亮度及定向光线。 二、扩散反射和透射 光线照射到表面粗糙的不透明材料上，就发生扩散反射。 光线照射到半透明的材料上，就发生扩散透射。 根据扩散的程度不同，又分为： 1、均匀扩散反（透）射 2、定向扩散反（透）射 1、均匀扩散材料 均匀扩散材料包括均匀扩散反射材料和均匀扩散透射材料，前者俗称漫反射，后者俗称漫透射。 二者共有的特点为： （1）将入射光线均匀向四面八方反射（透射）。 （2）表面亮度完全均匀，看不到光源的形象。 （3）发光强度的分布符合“朗伯余弦定律”。 朗