建筑物理-建筑光学

建筑光学第二篇建筑光学光学基本知识光的视觉性质基本光度单位及应用材料的光学性质颜色•天然采光光气候与采光标准采光口采光设计•建筑照明电光源灯具室内工作照明室内外环境照明第一节建筑光学的基本知识光的视觉性质光是一种电磁辐射能，人类的生活离不开光。光是以电磁波形式传播的辐射能．电磁辐射的波长范围很广，只有波长在380nm-760nm的这部分辐射才能引起光视觉，称为可见光(简称光)。波长短于380nm的是紫外线、χ射线、γ射线、宇宙线；长于760nm的有红外线、无线电波等等。它们与光的性质是不同的，人眼是看不见的。线1010101010101010-13-12-9-4-225nmpmfmummmmkm宇宙线X射线紫外线红外UHFVHF短波无线电雷达远红外500600700400800380780红红外橙黄绿紫外紫蓝可见光nmm(A)可见光只是电磁波的一部分不同波长的光在视觉上形成不同的颜色，例如700nm的光呈红色，580nm呈黄色，470nm呈蓝色．单一波长的光呈现一种颜色，称为单色光。日光和灯光那是由不同波长的光混合而成的复合光，它们呈白色或其他颜色。线1010101010101010-13-12-9-4-225nmpmfmummmmkm宇宙线X射线紫外线红外UHFVHF短波无线电雷达远红外500600700400800380780红红外橙黄绿紫外紫蓝可见光nmm(A)第一讲眼睛与视觉1.眼睛的构造1）瞳孔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。相当于起到了照相机中光圈的作用。2）水晶体水晶体，为一扁球形的弹性透明体，它受睫状肌收缩或放松而改变形状和屈光度，使远近不同的外界景物都能在视网膜上形成清晰的影像。它起照相机的透镜作用。3）视网膜视网膜，光线经过瞳孔、水晶体在视网膜上聚焦成清晰的影像。它是眼睛的视觉感受部分，相当于照相机中的胶卷。视网膜上布满了感光细胞，接受光的光刺激，并把光信息传输至视神经，再传到大脑。4）感光细胞感光细胞，分为锥体细胞和杆体细胞两种，它们处在视网膜最外层上，接受光刺激。但它们在视网膜上的分布是不均匀的(图)。两种感光细胞的功能特征不同：①锥体细胞在明亮环境下对色觉和视觉敏锐度起决定作用，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。②杆体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。眼睛的构造和视看的过程瞳孔(调节光线)水晶体(调焦作用)视网膜(视觉感受)感光细胞(转换为神经冲动)大脑(产生视觉)2.视觉特性1）视觉视觉，指人眼通过对光的感受由大脑中产生的感觉。视觉的形成过程：①光源（太阳或灯）发出光辐射；②外界景物在光照射下产生颜色、明暗和形体的差异，相当于形成二次光源；③二次光源发出不同强度、颜色的信号进入人眼瞳孔，借助眼球调节，在视网膜上成像；④视网膜上接受的光刺激（即物象）变为脉冲信号，经视神经传给大脑，通过大脑的解释、分析、判断而产生视觉。2）亮度阈亮度阈，指能够引起视觉感觉的亮度范围的上、下限值。物体具有一定亮度是在视网膜上成像以引起视觉感觉的基本条件。实验表明人眼能感觉到物体存在一个最低亮度阈；视觉可以忍受的亮度上限约为100sb，超过这一数值，视网膜就会因辐射过强而受到损伤。3）视野视野，指当头和眼睛不动时人眼能察觉到的空间范围。视野范围(图)：①双眼视野在垂直方向的角度约130。，水平方向约180。。②单眼视野较小一些，约占总视野中的120。范围。③视线周围1-5。内物体能在视网膜中心成像，清晰度最高，这部分叫“中心视野”。④目标偏离中心视野以外观看时，叫“周围视野”；视线周围30。视觉环境的清晰度也较好。4）视力视力，指任凭借视觉器官辨认目标或细节的敏锐程度。在数量上，视觉敏锐度等于刚能分辨的视角(物体大小或其中某细节的大小对眼睛形成的张角）的倒数。5）眩光眩光，指亮度过高或亮度对比过大的刺眼光源，可以分为直射眩光和反射眩光。直射眩光，直接被眼看到，引起视觉功能损失的眩光；反射眩光，在一些光滑表面上，也可能看到眩光源的反射形象，同样能引起视觉功能的损失。不同位置的眩光对视力影响程度不同，如图。眩光源的尺寸也影响刺激量的大小，尺寸大的就刺眼一些。眩光产生的原因：①不恰当的采光口形式及位置。②不合理的光亮度。③不恰当的投光方向等。可能产生眩光的地方：①玻璃办公桌面；②局部照明的展板；．③不恰当的工作面照明。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；而白种人比黄种人的耐暗能力强。第二讲基本光度单位和应用光通量发光强度照度亮度光通量物理意义：说明光源发光能力的基本量，能量单位。定义：辐射体单位时间内以电磁辐射的形式向外辐射的能量称辐射功率或辐射通量(W)。光源的辐射通量中被人眼感觉为光的能量(波长380－780nm)称为光通量。单位:流明(lumen，lm)。人眼在观看同样功率的辐射时,在不同波长时感觉到的亮度是不同的，人眼的这种特性用相对光谱光效率V()来表示。例:100W白炽灯的光通量为1250lm36WT8荧光灯的光通量为2500lm15发光强度I发光强度：表示光源光通量的空间密度定义：光源在某一方向的发光强度定义为光源在这方向上单位立体角内发出的光通量(和距离无关)。单位：坎德拉(candela,cd)2rdSdddIds16光通量相同，发光强度却不同17定义：落在单位面积被照面上的光通量的数值。表示被照面被照射的程度。表达式：单位：勒克斯(lux,lx)，相当于1lm的光通量均匀分布在1m2的被照面上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。dSdE照度E18照度例:在40W白炽灯下1m处的照度约为30lx,加搪瓷伞形灯罩后可增加为73lx夏季中午在太阳能直接照射下100，000lx满月晴空的月光下为0.2lx晴朗的白天室内照度为100—500lx一般情况下,1-5lx的照度仅能辨别物体的轮廓一般而言，居家空间到底适用何种光源，除依据室内的整体规划外，也应考虑用电之效率及各场所所需之应有照度。每一不同使用目的的场所，均有其合适的照度来配合。例如：起居间所需之照明照度为150－300Lx；一般书房照度为100Lx，但阅读时所需之照明照度则为600Lx，所以最好再使用台灯作为局部照明。21亮度L定义：正在发光(或反光)表面的明亮程度。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象上的密度。物理亮度：发光体在视线方向上单位面积发出的发光强度，尼特(nit,nt)、熙提(stilb,sb)1nt=1cd/m2，1sb=1cd/cm2=104nt主观亮度：考虑背景亮度的作用视网膜只可承受16sb以下的亮度！面光源一个单元面积上的亮度亮度与被视物体的发光强度或反光面的反光强度有关,还与发光面或反光面的面积有关.例:同一照度下的黑白物体功率相同的普通灯泡与磨砂灯泡一般情况下:40W荧光灯的表面亮度为7000cd/m2晴朗天空平均亮度为5000cd/m2太阳的表面亮度为1.6×109cd/m2当亮度超过1.6×105cd/m2时,人眼就难以忍受了23亮度和照度有何区别？照了不一定亮！照度相同吸光材料，亮度低反光材料，亮度高几个光度量关系示意图名称符号定义公式单位光通量ΦΦ＝683∫Φe,λV（λ）dλLm,1lm=1/683W发光强度II=Φ/Ωcd,1cd=1lm/sr照度EE=Φ/Slx,1lx=1lm/m2亮度LθE=Iθ/ScosθNt,1nt=1cd/m2光度学中的4个基本量第三节材料的光学性质光在同一介质中以直线传播，当遇到介质变化时将发生反射、吸收和透射现象（图），其中反射光和透射光人眼可见。为做好采光和照明设计，还需了解光通量经介质反射和透射后分布上的变化。根据光通量分布变化的角度不同，反光和透光材料均可分为两类：一类是定向的；一类是扩散的。光线经定向类材料的反射和透射后，光分布的立体角没有变；而光线经扩散类材料的反射和透射后，入射光通量程度不同的分散在更大立体角范围。常用建筑材料的反光系数和透射系数。1.定向反射和透射1）定向反射光照射到表面很光滑的不透明材料上，出现定向反射。人眼通过对光的感受由大脑中产生的感觉（图）。定向反射的特点：①入射角等于反射角。②入射光线、反射光线以及反射表面的法线处于一平面。利用这种特点将光滑表面放在合适位置，可将光线反射到所需位置，或避免光源在视线中出现。1.定向反射和透射1）定向透射光照射到透明材料上，出现定向透射。若透明材料两表面彼此平行，则透过光线的方向和入射方向保持不变，只在材料内产生微小的折射(图)；若两表面不平行，各处厚薄不均，因折射角不同透过的光线就不平行。2.扩散反射和透射半透明材料使入射光线发生扩散透射；表面粗糙的不透明材料使入射光线发生扩散反射。据对光的扩散状况，可将材料分为均匀扩散和定向扩散两类。1）均匀扩散材料材料:反射:氧化镁,石膏,粉刷透射:乳白玻璃,半透明塑料定义:均匀扩散材料将入射光线均匀地向四面八方反射或透射,从各个角度看,其亮度完全相同,看不见光源形象.2）定向扩散材料定义:定向扩散材料具有定向和扩散两种性质.它在定向反射(透射)方向,具有最大亮度,而在其他方向也有一定亮度.这时在反射方向可看到光源的大致形象，但轮廓不似定向反射那样清晰，而在其它方向又类似扩散材料具有一定亮度，不像定向反射材料那样没有亮度。材料:反射:光滑的纸,较粗糙的金属表面,油漆表面透射:磨砂玻璃第四节颜色颜色就是光作用于人眼引起的形象以外的视觉特性。颜色是影响光环境质量的要素，同时对人的生理和心理活动产生作用。人眼的视觉特点颜色感觉1）颜色形成在明视觉条件下，色觉正常的人可以感觉出红、橙、黄、绿、蓝和紫色，还可以在两个相邻颜色的过渡区域内看到黄红、绿黄、蓝绿、紫蓝和红紫等中间色。从颜色的显现方式上可将颜色分为光源色和物体色。(1)光源色光源是能发光的物理辐射体，如灯、太阳等。光源辐射多个单色光对应的辐射能量不同，引起的颜色视觉不同。辐射能量集中于光短波部分的色光会引起蓝色的视觉，如天空光蓝色（冷色）。辐射能量集中于光长波部分的色光会引起红色的视觉，如太阳光红黄色（暖色）。(2)物体色光被物体反射或透射后的颜色是物体色。物体色即与光源的光谱能量分布有关，又与物体表面的光谱反射比或透射比分布有关。一张红纸，用白光照射时反射红色光（其它色被吸收）；绿光照射时呈现黑色（入射光中没有红色供反射）。2）颜色的分类和属性颜色分为无彩色和有彩色。(1)无彩色无彩色指从白到黑的一系列中性灰色。光反射比为1的理想的完全反射体——纯白，光反射比为0的理想的无反射体——纯黑。纯白和纯黑的物体实际上并不存在，光反射比最高约为0.98（氧化镁），接近纯白；光反射比最低约为0.02（黑丝绒），接近纯黑。一般的，物体表面的先反射比在0.8以上为白色；光反射比在0.04以下为黑色。对于光源来说，无彩色的白黑变化相应于白光的亮度变化。当光的亮度非常高时，就认为是白色的；光的亮度很低时认为是灰色的；无光时为黑色。(2)有彩色有彩色指除无彩色以外的各种颜色。有彩色可以按照色调（色相）、明度、彩度（也叫饱和度）三种独立的属性分别加以描述。①色调（色相）单色光在白色背景上呈现的颜色。②明度颜色相对明暗的特性。③彩度（饱和度）颜色的纯洁性。色彩具有基本的三属性：色调（Hue）就是色彩的颜色，如红，橙，黄，绿，蓝，紫等各代表一种色相，而黑，白以及各种灰色则属于无色系；明度（Brightness）是指色彩的明暗程度;饱和度（Saturation）则是指色彩的纯度，又称为彩度。对比度是指不同颜色之间的差异。色彩的色相变化色彩的色调变化色相和色调的对比红、蓝二色的饱和度变化3）光源的色表光源的色表指光源的表观颜色