建筑光环境1光学基本知识课件.ppt

1、建筑物理三大研究主题：建筑热环境 建筑光环境 建筑声环境授课及考核方式 课堂讲授+实验 考试：闭卷笔试 增加调研汇报环节，计入平时成绩本篇知识构架 第1章 建筑光学基本知识 光环境的相关概念 第2章 天然采光 各种采光窗的采光特性和采光设计及计算方法 第3章 建筑照明 人工光源和灯具的光学特性及其基本的照明设计和计算方法第1章建筑光学基本知识主要内容 光与视觉 基本光度单位及应用 材料的光学性质 可见度及其影响因素 颜色光与视觉 人眼看到的光是一种能够直接引起视感觉的电磁辐射，其波长范围为380780nm。光的度量必须和人的主观感觉联系起来。为了搞好光照设计，应对人眼的视觉特性、光的度量、材料

2、的光学性能等有必要了解。电磁波谱u眼睛的主要组成部分和功能（1）瞳孔：根据环境的明暗程度自动调节孔径，以控制进入眼球的光能数量。相当于照相机中光圈的作用。（2）水晶体：成像功能，还带有自动聚焦功能，相当于透镜。（3）视网膜：成像部位，光线经过瞳孔、水晶体在视网膜上成像。相当于胶卷。视网膜上布满了感光细胞。类比照相机或摄像机（4）感光细胞接受光刺激 锥体细胞 视网膜中央部位有一个称为“黄斑”的黄色区域，其中心有一个“中央窝”，锥体细胞在此达最大密度，往外急剧下降。功能特征：功能特征：在明亮环境下对色觉和视觉敏感度起决定作用。杆体细胞 在中央窝处几乎没有杆体细胞，自中央窝向外，其密度迅速增加，离中

3、央窝20附近达到最大密度，然后又逐渐减少。功能特征：功能特征：在黑暗环境中对明暗感觉起决定作用。明视觉、暗视觉和中间视觉明视觉明视觉是指在明亮环境中（大于 3cd/m2以上的亮度水平），主要由视网膜的锥体细胞起作用的视觉。明视觉能够辨认很小的细节，此时人眼具有颜色感觉，而且对外界亮度变化的适应能力强，反应迅速。暗视觉暗视觉是指在黑暗环境中（小于cd/m2以上的亮度水平），主要由视网膜的杆体细胞起作用的视觉。暗视觉只有明暗感觉而无颜色感觉，也无法辨认物体的细节，对外部明暗变化的适应能力低，反应缓慢。中间视觉中间视觉发生在明视觉与暗视觉之间，此时视觉系统的锥状和杆状细胞同时在起作用，二者的作用大小

4、依实际而变化。u人的视觉活动特点视觉适应 从明亮环境到较暗环境时，人眼对环境转换的适应称为暗适应，适应时间较长。从较暗环境到明亮环境时，人眼对环境转换的适应称为明适应，适应时间较短。应用 设计中，应考虑人们流动过程中可能出现的视觉适应问题，当出现环境亮度变化过大的情况，可在其间设置必要的过渡空间，使人眼有足够的视觉适应时间；在需要人眼变动注视方向的工作场所中，视线所及的各部分亮度差别不宜过大，这样可减少视疲劳。u光谱光视效率 明视觉时，人眼感到黄绿 光部位最亮，最大值在波 长555nm处，愈趋向光谱 两端的光愈暗；暗视觉时，蓝绿光部位 最亮，最大值在507nm。在不同光亮条件下，人眼 感受性不

5、同的现象称为 普尔金耶效应基本光度单位及应用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，我们就由于人眼对不同波长的电磁波具有不同的灵敏度，我们就不能直接用光源的辐射功率或辐射通量来衡量光能量，所不能直接用光源的辐射功率或辐射通量来衡量光能量，所以必须采用以人眼对光的感觉量为基准的单位以必须采用以人眼对光的感觉量为基准的单位 光通量光通量 来衡量来衡量光通量光通量符号：符号：单位：流明（单位：流明（lumen），），lm 在建筑光学中，常用光通量表示光源发出的光能量，它成为光源的一个基本参量。例如100W普通白炽灯发出1179 lm的光通量。1179 lm2400lm 光通量是说明某

6、一光源向四周空间发射出的总光光通量是说明某一光源向四周空间发射出的总光能量。能量。不同光源发出的光通量在空间的分布是可以调节不同光源发出的光通量在空间的分布是可以调节的。的。例如，使用灯罩就会使得同一光源向下反射的光通量增加，故，了解光通量的空间分布状况也很必要发光强度正是其表征2.发光强度 I 发光强度：光源在某一方向的发光强度定义为光源在该方向上单位立体角内发出的光通量。表示发光强度与方向有关 表示光源光源光通量的空间密度 单位：坎德拉(candela,cd)dIdsrlmcd111立体角 P157 由于光是辐射在三维空间，故用立体角对光进行计量。立体角是球面积对球心形成的角，以 表示；半

7、径为r、面积为A的球面形成的立体角为：面积A上微元dA和球心连线与微元法线之间的夹角 单位是球面度，以sr表示 立体角的大小与球半径无关。当球面积A=r2时，在球心处形成的立体角为1球面度，即21/1A rsr 2cosdAdr 光通量 相同,发光强度I 可以不同 运用人为手段在某方向上达到所需的发光强度光通量和发光强度都是光源自身的特性，对于被照面而言，常要研究其实际被照射的程度，常用“照度”来衡量。定义：落在单位面积被照面被照面上的光通量的数值，即被照面上的光通量密度。表示被照面被照射的程度。表达式（当光通量均匀分布在被照表面上时）：其中，为光通量（lm），A为被照面面积（m2）单位：勒克

8、斯(lux,lx)，相当于 1 lm的光通量均匀分布在1 m2 的被照面上EA3.照度 E照度 E 性质：可叠加性。几个光源同时照射被照面时，实际照度为单个光源分别存在时形成照度的代数和。4.光源的发光强度 I 与被照面的照度E之间的关系 射束截面法线与射束方向间的夹角。（发光面法线与视线方向的夹角）i入射光线与被照面法线间的夹角。例题：P160 例7-35.亮度 L定义 相同照度条件下，人眼观看黑、白两个物体，感觉白色物体亮得多，说明人眼对物体的视觉感觉不能用物体表面照度来直接说明。一个发光（或反光）物体，在眼睛的视网膜上成像，视觉感觉和视网膜上的物像的照度成正比，物像的照度愈大，我们觉得被

9、看的发光（或反光）物体愈亮。即亮度是与眼睛感觉有关的量，取决于进入眼睛的光通量在视网膜物像上的密度。亮度的定义为：发光体在视线方向上单位面积发出的发光强度。若光源照射物体N，人看N。则照度反映研究表面接收到的发光强度。亮度反映人眼感觉到的研究表面反射的发光强度。若人眼直接观看一个发光体M。则对于该发光体没有照度的概念；亮度反映该发光体在人眼视线方向上单位面积发出的发光强度。概念辨识5.2 亮度表达式cosILA当量面积当量面积 Acos I L表示与表面法线成角方向上的亮度。射束截面法线与射束方向间的夹角。（发光面法线与视线方向的夹角）I由于物体表面亮度在各方向不一定相同，与表面法线成角方向上

10、的亮度（假设角方向上射束截面A的发光强度 均相等时）：亮度的常用单位为坎德拉每平方米（cd/m2），也称尼脱（nt）。即2111mcdnt 有时也用另一较大的单位熙提（sb），它表示1cm2面积上发出1cd时的亮度单位。即ntmcdsb42410101视网膜视网膜只可承只可承受受16sb16sb以下的以下的亮度！亮度！5.3 物理亮度和表观亮度的关系 亮度保持不变的同一个物体分别把它放置到明亮和黑暗两种环境中，我们感受到的物体的明亮程度是不同的。我们主观所感觉到的物体明亮程度，与物体表面亮度有关，还与我们所处环境的明暗程度有关。二者分别用“物理亮度（或称亮度）”和“表观亮度（或称明亮度）”表示

11、。前者反映了物体表面的物理特性，后者考虑了物体与环境的明暗对比。要想在不同环境亮度条件下获得相同的亮度感觉，就需要确定不同的物理亮度。亮度和照度有何区别？照了不一定亮！照度相同照度相同吸光材料，亮度低吸光材料，亮度低反光材料，亮度高反光材料，亮度高 设A1为各方向亮度都相同的发光面，A2为被照面。在A1上取一微小面积dA1，它在A2上的O点处形成的照度为：6.光源亮度L与被照面照度E的关系2coscoscosAELiLirE被照面照度，lx；L发光表面亮度，cd/m2；A发光表面面积，m2；r 光源至被照面距离，m；光源射线与光源法线夹角；i光源射线与被照面法线夹角。小结换算成每单换算成每单位

12、面积的值位面积的值换算成特换算成特定方向每定方向每单位立体单位立体角内的值角内的值换算成每单位换算成每单位面积内的值面积内的值入射入射出射出射材料的光学性质1.光的传播特性 光遇到介质会发生反射、透射和吸收。材料反射（或透射）后的光源亮度和发光强度，因材料的吸收和反射而有所降低。与传热学类似与传热学类似 =+光反射比（反光系数）光反射比（反光系数）光吸收比（吸收系数）光吸收比（吸收系数）光透射比（透射系数）光透射比（透射系数）+=1 光经过介质的反射和透射后，分布上起了变化，这种变化取决于材料表面的光滑程度和材料内部分子结构。按照材料反光透光特性，将其分为两大类：一类属于规则的，另一类为扩散的

13、。2.反光和透光材料2.1 规则反射与透射材料 入射角反射角 例子：玻璃镜、磨得很光滑的金属表面 应用：利用反射光线的指向性，将表面放在合适位置，将光线反射到需要的地方，或避免光源在视线中出现 光线射到透明材料上则产生规则透射。规则透射是在无漫射的情况下，按照几何光学的定律进行的透射：材料两表面平行，则光线透射方向与入射方向平行；若两表面不平行，透射光线也不与入射光线平行。例子：平板玻璃，隔着它可以清楚地、毫无变形地看到另一侧景物；压花玻璃，使外界形像扭曲不清，不分散室内人们注意力，又避免室内活动从室外一览无余。2.2 扩散反射与透射材料分两类：漫射材料、混合反射与透射材料 漫射材料（均匀扩散

14、材料）入射光线均匀地向四面八方反射或透射，各角度亮度相同 例子：石膏和大部分无光泽、粗糙的建筑材料，如粉刷涂料、砖墙等属于漫反射材料；乳白玻璃和半透明塑料属于漫透射材料，透过它看不见光源形像或外界景物，只能看见材料本色和亮度上的变化，常用于灯罩、发光顶棚，以降低光源亮度，减少刺眼程度。混合反射与透射材料同时具有规则和扩散两种性质 与入射角相同的反射角方向上、与入射方向一致的透射方向上有最大亮度，其它方向也有一定亮度 例子：光滑的纸、较粗糙的金属表面、油漆表面及磨砂玻璃（注意与压花玻璃不同）应用：办公桌表面材质可见度及其影响因素人眼辨认物体存在或形状的难易程度称为可见度（视度），定量表示人眼看物

15、体的清楚程度影响因素 亮度 物件的相对尺寸 对比 识别时间 眩光1.亮度 人眼要看清物体必须具备一定亮度，随着亮人眼要看清物体必须具备一定亮度，随着亮度增加看得越清楚，即可见度增大。度增加看得越清楚，即可见度增大。人们能看到的最低亮度（称人们能看到的最低亮度（称“最低亮度阈最低亮度阈”）10-5cd/m2 亮度上限亮度上限16104cd/m2，超过上限，感到刺眼，超过上限，感到刺眼，无法坚持工作；无法坚持工作；随照度增加，人的心理感受越满意，但达到一定值随照度增加，人的心理感受越满意，但达到一定值后再增加，超出眼睛适应范围，反而容易引起疲劳后再增加，超出眼睛适应范围，反而容易引起疲劳l满意照度

16、满意照度15003000lx。2.物件的相对尺寸 放置在离眼睛相同距离的物体，尺寸越大看得越清。3.亮度对比 亮度对比即观看对象和其背景之间的亮度亮度对比即观看对象和其背景之间的亮度差异，差异愈大，可见度愈高。差异，差异愈大，可见度愈高。视觉功效实验表明：物体亮度（与照度成正比）、视角大小和亮度对比三个因素对可见度的影响是相互关联的。1.视角不变时，对比的不足，可增加照度来弥补。2.目标愈小（视角愈小），需要的照度愈高。3.天然光比人工光更有利于视度的提高。4.识别时间在一定条件下，亮度时间常数（邦森-罗斯科定律）即呈现时间越少，越需要更高亮度才能引起视感觉。故识别移动对象，时间短促而辨认困难

17、时，照度标准需提高。5.避免眩光 眩光是在视野中由于亮度的分布或亮度范围不适宜，或存在着极端的对比，以致引起不舒适感觉或降低观察细部或目标能力的视觉现象。眩光就是通常所说的“晃眼”,它会使人感到刺眼,引起眼睛酸痛、流泪和视力降低，甚至因明暗不能适应而丧失明视能力。分类 失能眩光：如白天眼睛正视太阳、夜间眼睛正视迎面而来的汽车灯光。不舒适眩光：一个很大的高亮度光源在接近视线的范围内，虽不会降低视力，但会引起视觉上的不舒适。如看阳光下的积雪等。直接眩光：由高亮度光源的光线直接进入人眼内所引起 反射眩光：光源通过光泽表面，特别是抛光金属如镜面反射进入人眼引起眩光产生的原因 周围环境较暗时，眼的适应程

18、度很低，即使是亮度较暗的灯光，也会产生明显的眩光；不合理的光亮度 不恰当的自然采光口（上课同学抬头能看到刺眼的太阳）;灯具的位置或者视距不当，使光源的亮光直接或间接经过镜面物反射进入人眼，都会产生显著的眩光；黄种人眼睛的黑色素较白种人的多，对眩光的忍受力比白种人强。白种人比黄种人的耐暗程度强。避免眩光的措施减轻或消除直接眩光的措施1.限制光源亮度。（当光源亮度超过16sb时，应考虑采取措施将光源挡住灯泡+灯罩）2.增加眩光光源的背景亮度，减少两者之间的亮度对比。（深色桌面与白纸亮度对比大，不舒适桌面浅色）3.减小形成眩光的光源视看面积，即减小眩光光源对观测者眼睛形成的立体角。（灯具做成橄榄形）

19、4.尽可能增大眩光光源的仰角。（提高灯的悬挂高度）减轻反射眩光的措施：1.尽量使视觉作业的表面为无光泽表面，以减轻镜面反射而形成的反射眩光。2.应使视觉作业避开和远离照明光源同人眼形成的镜面反射区域。3.使用发光面积大、亮度低的光源。4.使引起镜面反射的光源形成的照度在总照度中所占的比例减少，从而减少反射眩光的影响。颜色1.色彩的情感 色彩的冷暖感色彩的冷暖感 色彩的轻重感色彩的轻重感：低明度色彩有较重的色感觉，高明度色彩有较轻的色彩感觉 色彩的软硬感色彩的软硬感：明度越低越有硬感，明度越高愈有软感 色彩的强弱感色彩的强弱感：明度低的色感强，明度高的色感弱；纯度变高，一般色感强度增大 色彩的进

20、退感色彩的进退感：红、橙、黄等暖色在同等距离情况下会比蓝、青等色彩显得近 色彩的其它感情效果色彩的其它感情效果：明快与忧郁、兴奋与恬静、华美与质朴等感觉2.颜色的基本特性 光源色 物体色 表观色 色温越高，舒适照度越高色表类别 色 表 相关色温（K）用 途 1 2 3 暖 中间 冷 5300 客房、卧室、病房、酒吧、办公室、教室、商场、诊室、车间 高照度空间、热加工车间 3.光源的色温和显色性 常见光源的色温蜡烛：蜡烛：2000 K白炽灯：白炽灯：3000 K荧光灯：荧光灯：5000 K光源的显色性 物体色在不同照明条件下的颜色感觉可能变化，这种变化可用光源的显色性来评价。显色性用显色指数度量

21、，值越高，显色性越优良，因此需根据使用场所恰当选择。习题 可见光的波长范围为 。明视觉最大光谱光视效能为 。就材料的光学性质来说，石膏、粉刷的墙体属 材料，较粗糙的金属表面、深色油漆桌面、表面光滑的彩色杂志纸张属 材料。从 到 的适应时间短，称“明适应”；从 到 的适应时间长，称“暗适应”。习题 当点光源垂直照射在1m距离的被照面时的照度值为E1时，若至被照面的距离增加到3m时的照度E2为原E1照度的多少？（A）1/3 （B）1/6 （C）1/9 （D）1/12 下列哪一种材料属于较理想的均匀漫透射（均匀扩散透射）材料？（A）茶色玻璃 （B）透明玻璃 （C）压花玻璃 （D）乳白玻璃 A、B、C都是规则透射，C只是透射光线不与入射光线平行 CDAA度度DC谢谢大家！