1建筑光学基础知识

浙江理工大学理学院物理系制作：石永锋浙江理工大学科学与艺术学院制作：石永锋1第四章建筑光学基础知识光是一种电磁辐射能，是能量的一种形式。可见光的波长范围：380nm～780nm。波长780nm的电磁波是红外线、微波、无线电波等。波长380nm的电磁波是紫外线、X射线等。建筑光学：研究与建筑有关的光的性质和光的视觉性质、天然采光和人工照明等。浙江理工大学理学院物理系制作：石永锋浙江理工大学科学与艺术学院制作：石永锋2光的作用：1.影响工作效率室内光环境浙江理工大学理学院物理系制作：石永锋浙江理工大学科学与艺术学院制作：石永锋32.影响心理舒适，身体健康室内装饰照明浙江理工大学理学院物理系制作：石永锋浙江理工大学科学与艺术学院制作：石永锋43.美化环境，表现建筑艺术重庆市朝天门夜景浙江理工大学理学院物理系制作：石永锋浙江理工大学科学与艺术学院制作：石永锋54.节能，保护环境照明用电量示意图以上海用电量为例：年用电量为1400亿度，其中照明用电量为392亿度电(28%)。如果照明节能50%，则节约196亿度电，减少二氧化碳56万吨。浙江理工大学理学院物理系制作：石永锋浙江理工大学科学与艺术学院制作：石永锋6§4-1眼睛与视觉本节要点：1.人眼的构造；2.人眼的视觉特点；3.光谱光视效率。浙江理工大学理学院物理系制作：石永锋浙江理工大学科学与艺术学院制作：石永锋7一、人眼的构造黄斑水晶体瞳孔角膜虹膜睫状肌光轴视轴中央窝巩膜脉络膜右眼剖面图房水玻璃体瞳孔：虹膜中央的圆形孔，它可根据环境的明暗程度，自动调节其孔径，以控制进入眼球的光能数量，起照相机中光圈的作用。视网膜：光线经过瞳孔、水晶体在视网膜上聚焦成清晰的影象。它是眼睛的视觉感受部分，类似照相机中的胶卷。视网膜上布满了感光细胞—锥体和杆体感光细胞。光线射到它们上面产生神经冲动，传输到视神经，再传至大脑，产生视觉感觉。锥体细胞主要集中在视网膜的中央黄斑区域（称为中央窝），锥体细胞密度最大，在黄斑区外锥体细胞的密度急剧下降。在中央窝处几乎没有杆状细胞，自中央窝向外，其密度迅速增加，在离中央窝附近达最大密度，然后又逐渐减少。水晶体：为一偏球形的弹性透明体，它受睫状肌收缩或放松的影响，使其形状改变，从而改变其屈光度，使远近不同的外界景物都能在视网膜上形成清晰的影象。它起照相机的透镜作用，不过水晶体具有自动聚焦功能。浙江理工大学理学院物理系制作：石永锋浙江理工大学科学与艺术学院制作：石永锋8位于视网膜上的光感受器有两种类型，分别对不同波长的光波起作用，产生不同类型的视觉。锥体视觉：当人眼在正常光照情况时，锥体细胞将成为运作的光感受器。此时人们看到的光是有色的。在视网膜中央的中心集中了大量的锥体细胞，它们被用于观察细部。杆体视觉：当人眼在非常低的照度水平条件下，杆体细胞将作为运作的光感受器。这些杆体细胞要比锥体细胞敏感得多，而看到的光是无色的。杆体细胞聚集在视网膜的边上，使得眼睛对于视野边缘的运动非常敏感。浙江理工大学理学院物理系制作：石永锋浙江理工大学科学与艺术学院制作：石永锋9二、人眼的视觉特点1800330000300600900120015002100240027003000700500300100300500700100人眼视野范围1.视看范围（双眼不动）：水平面：180°垂直面：130°180°0°70°60°白色区域：双眼共同视看区域。斜线区域：单眼视看区域。中心视野：黄斑2°视觉清楚：中心视野向外30°浙江理工大学理学院物理系制作：石永锋浙江理工大学科学与艺术学院制作：石永锋10视觉：由进入人眼的辐射所产生的光感觉而获得的对外界的认识。处于放松姿态，坐着的人的视野示意图浙江理工大学理学院物理系制作：石永锋浙江理工大学科学与艺术学院制作：石永锋11明视觉：锥体细胞在明亮环境下对色觉和视觉的敏锐度起决定作用，即这时它能分辨出物体的细部和颜色，并对环境的明暗变化作出迅速的反应，以适应新的环境。暗视觉：杆状细胞在黑暗环境中对明暗感觉起决定作用，它虽能看到物体，但不能分辨其细部和颜色，对明暗变化的反应缓慢。人眼对单色光的敏感程度不同。在光亮环境下，人眼对波长为555nm的黄绿光感觉最敏感；在较暗的环境下，人眼对波长为507nm的蓝绿光较敏感。中间视觉：介于明视觉和暗视觉之间的视觉。2.明暗视觉浙江理工大学理学院物理系制作：石永锋浙江理工大学科学与艺术学院制作：石永锋123.光谱光视效率人眼观看同样功率的辐射，对不同波长的辐射感觉的明亮程度不同。常用光谱光视效率曲线来表示。光谱光视效率曲线代表等能光谱波长的单色辐射所引起的明亮感觉程度。紫蓝绿蓝紫蓝绿黄绿黄橙红0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0明视觉暗视觉380460540620700780V()V′()光谱光视效率浙江理工大学理学院物理系制作：石永锋浙江理工大学科学与艺术学院制作：石永锋13§4.1眼睛与视觉复习：人眼的构造：锥体细胞和杆体细胞的作用。人眼的视觉特点：视看范围、明暗视觉、光谱光视效率。§4.1作业：从人眼的构造上看，人眼的功能在哪些方面与照相机类似？浙江理工大学理学院物理系制作：石永锋浙江理工大学科学与艺术学院制作：石永锋14§4-2基本光度单位及应用本节要点：1.光通量、发光强度、照度、亮度的符号、单位、定义和计算公式；2.发光强度和照度关系；3.照度和亮度关系。光源被照面光线光通量发光强度I照度E亮度L浙江理工大学理学院物理系制作：石永锋浙江理工大学科学与艺术学院制作：石永锋15一、光通量辐射通量Φe,：光源在单位时间内向各个方向辐射的能量。辐射通量的单位：W光的辐射通量只表示光源辐射功率的大小，不能反映这些能量所引起的主观视觉。2灯辐射通量均为1W，这时对人的感觉是不一样的。浙江理工大学理学院物理系制作：石永锋浙江理工大学科学与艺术学院制作：石永锋16光通量Φ：人眼对光能量的感觉量。光通量的单位：lm例如：100W的白炽灯辐射的光通量为1250lm；40W的日光灯辐射的光通量为2200lm。光通量类似于喷水量的大小浙江理工大学理学院物理系制作：石永锋浙江理工大学科学与艺术学院制作：石永锋17单色光光通量与辐射通量的关系：)(,eVΦKΦm波长为λ的辐射通量（W）最大光谱光视效能，在明视觉时为683lm/W光谱光视效率V()描述了某光源辐射通量经过人眼后反映的效率。例如：低压钠光灯发出波长为589nm的单色光，测得其辐射通量为10.3W，从光谱光视效率曲线查得V(589nm)=0.78，则该光源发出的光通量为)(,eVΦKΦm87.03.10683)lm(5487浙江理工大学理学院物理系制作：石永锋浙江理工大学科学与艺术学院制作：石永锋18光通量与辐射通量的关系：780nmnm380,e780nmnm380d)(dVΦKΦΦm或)(,emVΦKΦλ例如：通过下列数据计算水银灯的光通量。波长=365、406、436、546、578、691nm单色辐射通量e,=2.2、4.0、8.4、11.5、12.8、0.9W光谱光视效率V()=×、0.0007、0.018、0.984、0.889、0.0076)lm(7.15610)018.04.80007.00.4(683Φ浙江理工大学理学院物理系制作：石永锋浙江理工大学科学与艺术学院制作：石永锋19二、发光强度1.立体角ABCDOArΩ立体角Ω：球面上的某一面积A对球心形成的空间角。2rAΩ一般情况下ArAΩ2dcos立体角的单位：sr（球面度）整个空间对某点所张的立体角为4。浙江理工大学理学院物理系制作：石永锋浙江理工大学科学与艺术学院制作：石永锋202.发光强度发光强度I：描述光通量的空间分布的物理量。ΩΦIdd光能量在空间均匀分布的般情况下ΩΦI发光强度的单位：cd（坎德拉）1坎德拉=1流明/球面度浙江理工大学理学院物理系制作：石永锋浙江理工大学科学与艺术学院制作：石永锋21例如：某半球形吸顶灯均匀发出3528lm的光通量，则该灯在正下方的发光强度为)cd(518不用灯罩时，40W白炽灯在其正下方的发光强度为30cd，采用灯罩后，变为73cd。π23528I浙江理工大学理学院物理系制作：石永锋浙江理工大学科学与艺术学院制作：石永锋22三、照度照度：表示被照面被照亮的程度。AΦEdd光通量Φ均匀分布在被照面上时AΦE照度的单位：lx（勒克斯）例如：①40W白炽灯正下方1m处的照度约为30lx，采用灯罩后，变为约73lx；浙江理工大学理学院物理系制作：石永锋浙江理工大学科学与艺术学院制作：石永锋23②阴天中午室外照度为8,000～20,000lx，晴天中午在阳光下的室外照度为80,000～120,000lx。照度可以直接相加，即iiEE【例题】一个小型光源的平均发光强度为100cd，从光源发出的总光通量的1/4垂直照射到了一个3×0.7m的平面上。请计算：⑴由光源发出的总光通量；⑵平面表面的照度。解：⑴由发光强度公式得IΩΦπ4100)lm(64.1256⑵平面表面的照度为AΦE2.10π10)lx(6.149浙江理工大学理学院物理系制作：石永锋浙江理工大学科学与艺术学院制作：石永锋24四、发光强度和照度的关系发光强度是光通量的空间密度，即ΩΦIddΩIΦdd其中2dcosdrAΩ因此2dcosdrAIΦ照度是光通量被照面密度，即AΦEdd浙江理工大学理学院物理系制作：石永锋浙江理工大学科学与艺术学院制作：石永锋25因此，发光强度和照度的关系为cos2rIE被照面IP光源r【例题】如图所示，在桌面上方挂了一只40W的白炽灯，假设白炽灯下方的发光强度均为30cd，试求白炽灯在桌面上计算点P形成的照度。3.2m2mP光源hsr解：cos2rIErhrI23rhI2/322)(shhI)lx(79.1余弦定律：浙江理工大学理学院物理系制作：石永锋浙江理工大学科学与艺术学院制作：石永锋26五、亮度黑色物体和白色物体的视觉感觉虽然两张图片上的照度相同，但明暗感觉不同，故采用一个新的量——亮度来评价这一现象。亮度L：表示人眼看到的物体表面的明亮程度。浙江理工大学理学院物理系制作：石永锋浙江理工大学科学与艺术学院制作：石永锋27AIAcoscosAIL亮度表示在给定方向上发光面微元的发光强度和垂直于给定视线方向的微元的投影面积之比。亮度的单位：cd/m2（坎德拉每平方米）亮度的另一较大的单位：sb（熙提）1sb=104cd/m2例如：白炽灯灯丝的亮度：300～500sb；荧光灯管表面的亮度：0.8～0.9sb；太阳的亮度：200,000sb；无云蓝天的亮度：0.2～2.0sb.浙江理工大学理学院物理系制作：石永锋浙江理工大学科学与艺术学院制作：石永锋28三角形1和三角形2的亮度相同，但看上去三角形1比2亮。例如：同一只路灯晚上开着的灯比白天亮，但是路灯本身的物理亮度不变，但观看时与环境明暗有关的亮度——表观亮度却改变了。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。浙江理工大学理学院物理系制作：石永锋浙江理工大学科学与艺术学院制作：石永锋29六、照度和亮度的关系阴天天空暗，室内照度小；晴天天空亮，室内照度大。因此，被照面上照度大小与光源本身亮度有关。照度和亮度的关系是指光源亮度和它所形成的照度之间的关系。被照面P面光源rcos2rIEAcosAILcosALI浙江理工大学理学院物理系制作：石永锋浙江理工大学科学与艺术学院制作：石永锋30被照面P面光源rAcoscos2rALE其中ΩrA2coscosΩLEΩcos发光表面在P点形成的立体角在工作面上的投影角立体角投影定律：该定律成立的条件：①光源在各方向的亮度相同；②光源尺寸r(面光源)。浙江理