第 1 篇建筑光学第 1 章建筑光学基本知识一、光的视觉性质l光是一种电磁辐射。任何能发光的物体均称为光源。如太阳、白炽灯、日光灯等。l建筑光学中讨论的光通常为可见光。波长范围为：380nm780nm 。l波长不同，光色也不同。l波长 780nm：红外光，有很好的热效应；l波长380nm：紫外光，有极强的杀菌消毒能力。二、人眼的视觉特点人眼的组成：l 瞳孔l水晶体l视网膜l感光细胞 锥状细胞 杆状细胞二 、人眼的视觉特点l1、视野范围（双眼不动）：l水平：180 l垂直：130（上方60,下方70 ）。l从中心视场往外到30 范围内是视觉清楚区域，是观看物体总体的有利位置。通常站在离展品高度的21.5倍的距离观赏展品，就是使展品处于视觉清楚区域内。二、人眼的视觉特点2. 明、暗视觉 人对光的感知反应称为视觉，它主要通过人眼的感光细胞来实现。视网膜上分布有两类感光细胞：锥状感光细胞：引起明视觉，分辨物体的颜色和巨细，灵敏度高；杆状感光细胞：引起暗视觉，既不能分辨物体的颜色，也不能分辨物体的细节，灵敏感度低。l3、颜色感觉：不同波长的光在视觉上形成不同的颜色 波长长暖色；波长短冷色。二、人眼的视觉特点二、人眼的视觉特点l4、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。光的客观辐射功率转换成人眼感知的主观功率，有一个“转换效率”问题，称为“光谱光视效率”，简称“光效率”。其大小随波长不同而不同，用V() 表示。 V( )=m/ l指在特定光度条件下，波长为m与波长的单色辐射获得相同视觉感觉时，两个单色辐射通量之比。 m-最大视感觉处的波长：二、人眼的视觉特点l光效率有明暗视觉之分。明视觉：555nm (黄绿光)暗视觉：507nm (蓝绿光) _三、基本光度单位l 光通量l 发光强度l 照度l 亮度三、基本光度单位l1、辐射通量：单位时间内从光源表面辐射出的各种波长光能量的总和，也可理解为光源的辐射功率，是一个客观量。l2、光通量：人眼对光的感觉量，即：辐射通量对人眼所引起的视觉强度，用 表示。其大小等于辐射通量与光效率的乘积，单位为流明（lm）。le,-波长为的单色辐射通量（w）l V() -CIE光谱光视效率l Km-最大光谱光视效能。明视觉时为683 lm/wl例1：已知纳光灯发出波长为589nm的单色光，设其辐射通量为10.3w，试计算其发出的光通量。l解：从图1-4相对光谱光视效率图（实线）曲线中可查出，对应波长的V() =0.78,则该单色光源发出的光通量为l 3、发光强度l立体角：=A /r2 单位：球面度(sr) 当A r2时， =1srl光通量反映的是人眼感知的单位时间内光源向四面八方辐射的总能量。在建筑光学中，常需感知光源向某一方向辐射的能量，即光通量的空间分布密度，称为“发光强度”。l发光强度的单位：坎（Candela, cd）， 它表示光源在1球面度立体角内均匀发出1lm的光通量。 I=/ 1cd=1lm / 1sr4、照度l被照面（工作面）上单位面积上接受到的光通量，即为“照度”，其实质为光通量的平面密度。l如果光通量 均匀地分布在A面上，则A面上的照度 E=E=/A/Al照度单位是勒克斯（Lx） 性质：照度可以直接相加，几个光源同时照射在被照面时，其上的照度为单个光源分别存在时形成的照度的代数和。 5、亮 度l亮度，它既与物体表面的照度有关，但又不能全由它来决定。l例：若将黑、白两种物体分别置于房间的同一位置，则可发现，白色物体的表面要比黑色物体的表面亮一些，但是，它们得到的照度却是一样的。这说明，照度不能直接反映人眼对物体的明亮感觉。l研究发现：物体的明亮程度主要通过人眼视网膜上的成像照度来反映，成像的照度越大，则被视物体的发光或反光就显得越亮。l亮度的定义：发（反）光体或发光表面在视线方向单位投影面积上的发光强度。l L=I / Acos l亮度的常用单位为：坎德拉每平方米（cd/ ）l另一个较大的单位为：熙提（sb），表示1 c 面积上发出1cd时的亮度单位。l 1sb=10000cd/ l亮度是个主观量，我们眼睛所感受到的物体明亮程度，除了与物体表面亮度有关外，还与环境的明暗程度有关。6、发光强度和照度的关系l点光源在被照面上形成的照度，与发光强度和距离有关l“发光强度”的描述对象是光源，表示一个光源在某个方向上发射的能量。l“照度”的描述对象是被照面（工作面）l两者之间的量化公式：E = I / r2 l距离平方反比定律：点光源在一表面形成的照度与它在这个方向上的发光强度成正比，和它到被照 面的距离平方成 反比。6、发光强度和照度的关系l当入射角不等于0时，而是形成角，则：点光源在表面法线与光线成角处形成的照度与它在方向上的发光强度和入射角的余弦成正比，和它到被照 面的距离平方成 反比。 A1=A2/cosE=Icos/r2l例2 :如图所示：在桌上2m处挂40w白炽灯，光通量 =350lm,求灯下桌面点1及点2处的照度。l解：7、亮度和照度的关系l亮度与照度的关系是指光源亮度和它所形成的照度之间的关系。l E=Lcos l立体角投影定律：某一亮度为L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点上形成的立体角在被照面的投影（ cos ）的乘积。l适用于光源尺寸相对于它与被照点距离较大时。l定律表明：某一发光表面在被照面上形成的照度，仅和发光表面的亮度及其在被照面上形成的立体角投影有关，而和该发光表面面积的绝对值无关。视度看物体的清楚程度。影响视度的因素有：1.亮度 最低亮度：3.1410-5 cd/m2 满意照度: 15003000 lx 最高亮度：1.6105 cd/m2。 四、视度及其影响因素 2.物件尺寸： 视角，与物件的实际尺寸、物体到眼睛的距离有关。 四、视度及其影响因素 3.对比： 亮度对比系数c 四、视度及其影响因素l试验证明：物体亮度、视角大小和对比三个因素对视度的影响是相关的。 4.识别时间： 邦森-罗斯科定律：亮度识别时间=常数 视觉适应：当外界光环境亮度发生变化时，人眼需要调节入射光亮，改变视网膜的感光度的变化过程。 （1）明适应从暗到明的适应过程，1分钟左右 （2）暗适应从明到暗的适应过程，1035分钟5.眩光：视野内出现过高的亮度，或过大的亮度对比，引起视觉不舒适、烦恼或疲劳。 直接眩光 不舒适眩光 根据发生原因 根据产生后果 反射眩光 失能性眩光 四、视度及其影响因素 眩光的避免l消除或减轻直接眩光的措施：l限制光源的亮度；l增加眩光光源的背景亮度，减小两者之间的亮度对比；l尽可能的增大眩光光源的仰角。 减小反射眩光的措施l尽量使视觉作业的表面为无光泽的表面；l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；l使用发光表面积大、亮度低的光源；l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。五、颜 色颜色：指光作用于人眼引起除形象以外的视觉特性。颜色的基本特性：光源色就是由光源发射的光的颜色。光被物体反射或透射后的颜色称为物体色。人眼感觉的表面色可以看成是入射光中减去一些波长的光而产生的。颜色的分类和属性：颜色分为无彩色和有彩色两大类。色彩的三要素：色相（色调）：各种单色光在白色背景上呈现的颜色。明度：指颜色相对明暗的视觉特性。彩度（饱和度）：指的是彩色的纯洁性。 五、颜 色光源色温：当光源的颜色和一完全辐射体（黑体）在某一温度下发出的光色相同时，完全辐射体的温度就叫做光源的色温，符号TC ,单位为K。例如：40瓦的白炽灯色温是2700K，40瓦荧光灯色温为30007500K。光源显色指数：物体在待测光源下的颜色和它在参考标准光源下颜色相比的符合程度叫做光源显色指数，符号Ra。例如：500瓦的白炽灯Ra为9599，荧光灯Ra为5093。l问题：光线经过介质反射和透射后，光通量的分布变化？l总入射光通量=反射光通量+吸收光通量+透射光通量 六、材料的光学性质光遇介质时的传播特性光遇介质时的传播特性光通量经过介质反射和透射后，光的分布变化取决于： 材料表面的光滑程度和材料内部分子结构六、材料的光学性质材料按光学性质的分类材料按光学性质的分类 1、定向反射与定向透射光线射到表面很光滑的不透明材料上，发生定向反射。特点（1）入射角=反射角； （2）入射光线、反射光线与材料法线处于同一平面； （3）在定向反射方向可清楚看到光源形象。光线射到表面很光滑的透明材料上，发生定向透射。 （1） 入射光线与透射光线平行； （2）入射光线、折射光线与材料法线处于同一平面； （3）在定向透射方向可清楚看到另一侧景象。 经过反射或透射后，光源的亮度和发光强度降低：亮度：发光强度： 六、材料的光学性质 2、扩散反射与透射入射光线射到半透明材料上，发生扩散透射。入射光线射到表面粗糙的不透明材料上，发生扩散反射。（1）均匀扩散材料特点（1）将入射光线均匀向四面八方反射或透射； （2）材料表面亮度完全均匀； 反射材料透射材料 六、材料的光学性质 （1）均匀扩散特点（1）将入射光线均匀向四面八方反射或透射； （2）表面亮度完全均匀； （3） 发光强度的分布服从朗伯余弦定律（4）看不见光源形象。 六、材料的光学性质 （2）定向扩散材料 多数材料同时具有定向和扩散两种性质。它们在定向反射和定向透射方向，具有最大的亮度，而在其他方向也有一定亮度。可以看见光源大致形象。 思考题： 为什么有的商店大玻璃橱窗能够像镜子似的照出人像，却看不清里面陈列的展品？