建筑光学基础知识

第3章建筑光学基础知识光——是能量的一种形式，或说光是一种电磁辐射能。nm——纳米1nm=10-9m图1-3电磁波波谱780nm380nm光的作用：1.影响工作效率；室内光环境2.影响心理舒适，身体健康；室内装饰照明3.美化环境，表现建筑艺术；重庆市朝天门夜景4.节能，保护环境；以上海用电量为例：年用电量为1400亿度电，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。照明用电量示意图3.1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。3.1.1人眼的构造图3-1人的右眼剖面图照相机类似于瞳孔——起照相机中的光圈作用——能控制进光量。水晶体——起照相机的透镜作用，但它具有自动聚焦功能。视网膜——类似于照相机中的胶卷——能对光线产生反应。感光细胞——分为锥体（状)感光细胞和杆体（状)感光细胞；2002年发现了神经节感光细胞——第三种感光细胞——控制昼夜节律、强度和瞳孔大小等。锥体细胞和杆体细胞示意图锥体细胞————————杆体细胞•锥体（状)感光细胞——分布在眼中心部位，灵敏度差，但可感觉颜色（眼中有红、绿、蓝感光色素）。•杆体（状)感光细胞——分布在眼中心的四周，灵敏度高，无颜色感觉。•人眼——一种可见光的接收器，人类在进化过程中人眼已经适应了太阳光。•太阳、大气层、地球示意图太阳光——经过大气层——射到地面；地面上光辐射强度在500nm附近最大，人眼最敏感的光的波长；明视觉——明亮的环境下，如白天，555nm（黄绿光）；暗视觉——暗环境下，如晚上不开灯，507nm（绿色光）。3.1.2人眼的视觉特点图3-4人眼视野视觉就是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。（1）视看范围（视野），见图3-4。处于放松姿态，坐着的人的视野示意图（2）明、暗视觉明视觉：在明亮的环境中，主要由视网膜的锥体细胞起作用的视觉（高于几个cd/m2的亮度时的视觉）。暗视觉：在暗环境中，主要由视网膜的杆体细胞起作用的视觉（低于百分之几cd/m2的亮度时的视觉）。中间视觉：视网膜的锥体感光细胞和杆体感光细胞同时起作用，而且它们随着正常人眼的适应水平变化而发挥的作用大小不同（介于明视觉和暗视觉之间的视觉）。注：本书中仅介绍明视觉情况。图3-7视亮度匹配实验原理在明视觉条件下：在国际上，把人眼对555nm感觉量定为1。通过实验确定其他波长在视感觉相同时需要辐射通量多大才与555nm相同（图3-7）。（3）光谱光视效率实验结果见图3-6。光谱光视效率V（λ）曲线表示在特定光度条件下产生相同视觉感觉时，在视亮度匹配实验里，波长λm和波长λ的单色光辐射通量的比:V(λ）=Φeλm/Φeλ图3-6光谱光视效率曲线思考题：•从人眼的构造上看，人眼的功能在哪些方面与照相机类似？•3.1眼睛与视觉复习：•主要介绍了明视觉概念和光谱光视效率V(λ)。3.2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。设有2个灯均发出单色光，且辐射出波长为555nm和620nm，辐射通量均为1W，这时对人的感觉是否一样？结果显然是不一样的。图3-8人眼对不同波长光线的感觉光源——表面能辐射光和反射光的物体（太阳、各种灯……)。d)(d)(d0VKem对于明视觉:为了比较任意两个灯发出的可见光多少时，由于光谱光视效率随波长分布不同，那么不能直接用辐射通量（瓦）多少比较，只能化成相当于多少555nm标准光通量进行比较。因为V(λ)=eλm/eλ，所以eλm=eλ×V(λ),把eλm称为光通量，简写成λ。3.2.1光通量光通量——在单位时间内人眼感觉光辐射能量的大小。在计算时,光通量常采用下式算得:式中:Km——最大光谱光视效能，在明视觉时为683lm／W；e,λ——波长为λ的辐射通量,瓦（W）。光通量表示光源在单位时间内发出光能的多少，类似于单位时间内水龙头喷水量的大小。)(,emVKλ图3-9光通量类似于喷水量的大小【例3-1】已知低压钠灯发出波长为589nm的单色光，设其辐射通量为10.3W，试计算其发出的光通量。【解】从图3-6的明视觉（实线）光谱光视效率曲线中或从附录4的（λ）中可查出，对应于波长589nm的V（λ）＝0.769，则该单色光源发出的光通量为：589=683×10.3×0.769≈5410lmy光通量单位：光瓦太大了，如40瓦白炽灯约发出0.5光瓦。故常用流明，lm。在国际上：明视觉时，1光瓦=683lm；暗视觉时，1光瓦=1700lm。例：40瓦荧光灯可发出约2000lm(约2.93光瓦)，100瓦白炽灯可发出约1250lm(约1.83光瓦）。3.2.2发光强度图3-10灯罩影响光分布加了灯罩后，光通量的空间分布就不同了，灯罩下方可增大约2倍，为了描述这种现象，采用发光强度概念。光源在给定方向上的发光强度是该光源在该方向的立体角元dΩ内传输的光通量dФ除以该立体角之商，ddII发光强度的符号为I，单位为坎德拉，cd，1cd表示光源在1球面度立体角内均匀发射出1lm的光通量，即：sr1lm1cd1光通量分布均匀时：立体角示意图即1坎德拉=1流明/1球面度2cosddRA立体角——任意一个封闭圆锥面内所包含的空间。立体角的计算公式：式中：——立体角轴与被研究面法线之间的夹角。本例中因为球半径R垂直于球表面，所以等于0°，于是cos等于1。因此，对于球表面和球心来说：=A/R2立体角的单位：球面度，记为sr。1sr=面积等于R2的球表面对球心所张开的立体角。例：一光源在0.5sr立体角内均匀发射出100lm的光通量，求该方向上的发光强度I。•解：I=/=100lm/0.5sr•=200cd=200坎德拉3.2.3照度对于被照面而言，常用在其单位面积上的光通量多少来衡量它被照射的程度，这就是常用的照度，符号为E,它表示被照面上的光通量密度：，均匀时图3-12台灯下的书位置不同，明暗不同AEddAE照度的常用单位为勒克斯，符号为lx，1lx等于1流明的光通量均匀分布在1平方米的被照面上,。照度的英制单位为英尺烛光（fc），由于1平方米＝10.76平方英尺，所以1fc=l0.76lx。2m1lm1lx1图3-13照度单位例：直径为100cm的圆面上均匀落下100lm的光通量，求这圆面上的各点照度。解：E=/A=/R2=100/(×0.52)=127lx例：灯正下方1米:40W白炽灯40W荧光灯晴天中午月夜30lx200lx8~12万lx0.2lx发光强度光通量空间密度照度光通量被照面密度余弦定律AIEdd2RicosAdd2cosRiIE3.2.4发光强度和照度的关系AEddddIddI当光垂直入射时，即i=0°时，某表面的照度E与点光源在这方向的发光强度Iα成正比，还与光源的距离R的平方成反比。这就是计算点光源产生照度的基本公式，称为距离平方反比定律：2RIE【例3-3】如图3-15所示，在桌子上方2m处挂一40W白炽灯，求灯下桌面上点1处照度E1，及点2处照度E2值（设辐射角α在0°～45°内该白炽灯的发光强度均为30cd）。【解】因为I0～45=30cd，所以lx5.70cos230coso221iRIElx4.53426cos1230cos'o2222iRIE图3-15点光源在桌面上形成的照度图3-16黑色物体和白色物体的视觉感觉（a）黑色物体；（b）白色物体在图3-16中，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。3.2.5亮度亮度——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。亮度的符号为L，其计算公式为：图3-17亮度概念cosddAIL当角α方向上光束截面A的发光强度Iα均相等时，角α方向的亮度为：由于物体表面亮度在各个方向不一定相同，因此常在亮度符号的右下角注明角度，它表示与表面法线成α角方向上的亮度。亮度的常用单位为坎德拉每平方米（cd／m2），它等于1平方米表面上，沿法线方向（α＝0º）发出1坎德拉的发光强度，即：cosAIL22m1cd1m/cd1有时用另一较大单位熙提（符号为sb），它表示1cm2面积上发出1cd时的亮度单位。很明显1sb(熙提）=104cd／m2；1asb(阿熙提）=1/cd／m2；常见的一些物体亮度值如下：白炽灯灯丝300～500sb荧光灯管表面0.8～0.9sb太阳200000sb无云蓝天（视距太阳位置的角距离不同，其亮度也不同）0.2～2.0sb图3-18表观亮度与物理亮度区别与联系在图3-18中，三角形1和三角形2物理亮度是相同的，但看上去三角形1比2亮。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。又例如：同一只路灯，晚上开着的灯比白天亮；但是在一般情况下，路灯本身的亮度不变，即物理亮度(亮度)——反映了物体本身的表面物理特性——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。例：有一个乳白色玻璃球形光源，直径为6cm,其轴向光强为55cd,求轴向亮度。解：L0=Iα/（Acosα）=≈19452cd/m2注意：1.亮度对光源本身的（照度是指被照面）；2.—辐射角，是光源法线与视线夹角;i—被照面法线与视线夹角;3.单位：面积常取平方米。在阴天时，天空暗，室内照度小，需开灯；晴天时，天空亮度大，室内照度大。由此看来，被照面上照度大小与光源本身亮度大小有关。203.0π553.2.6照度和亮度的关系所谓照度和亮度的关系，指的是光源亮度和它所形成的照度之间的关系。如图3-20所示，设A1为各方向亮度都相同的发光面，A2为被照面；在A1上取一微元面积dA1。图3-20照度和亮度的关系均匀式（3-9）cosddAIL2cosddRiIEcosddALI2cosddRAiRLEcoscosdAd2iLEcosddiLEcos这就是常用的立体角投影定律，它表示某一亮度为Lα的发光表面在被照面上形成的照度值的大小，并且等于这一发光表面的亮度Lα与该发光表面在被照点上形成的立体角Ω的投影（Ωcosi）的乘积。这一定律表明：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。注意：立体角投影定律适用于光源尺寸相对于它和被照点距离较大时，即面光源时。【例3-4】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3-21，设通过窗洞看见的天空亮度均为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】窗洞可视为一发光表面，其亮度等于透过窗洞看见的天空亮度，在本例题中天空亮度均为lsb，即104cd／m2。按公式（3-9）计算：侧窗时iLEcos970.05.022cos22（sr）228.05.02cos122243.025.45.0cosilx554243.0228.010000侧E（sr）图3-21立体角投影定律计算图41lx250014110000E天1cosi天窗时（sr），思考题：请说出光通量、发光强度、照度、亮度的定义、符号、单位及相互关系。ddI)(,VKemIAEddAEcosAILcosddAIL3.2基本光度单位及应用复习：主要介绍的内容：一、光量1.光通量,e,λ(瓦)，流明，lm2.发光强度（均匀）坎德拉，cd3.照度（均匀）勒克斯，lx4.亮度（均匀）坎德拉/米2，cd/m2二、两个定律1.余弦定律2.立体角投影定律3.3材料的光学性质本节要点：1.规则反射和透射；2.扩散反射