建筑物理光学---建筑光学基本知识

2020/2/26第七章建筑光学基本知识1河北工程大学建筑学院孙凤明2020/2/26第七章建筑光学基本知识2第二篇建筑光学•建筑光学基本知识•天然采光•建筑照明2020/2/26第七章建筑光学基本知识3序言人类的生活时时刻刻离不开光。光辐射引起人的视觉，人才能看清他周围的环境；人从外界获得的信息约有80%来自光和视觉。所以，无论是白天还是晚间，舒适的光环境对任何人都是至关重要的。2020/2/26第七章建筑光学基本知识4一、光环境光环境（Luminousenvironment）的内涵很广，它指的是由光（照度水平和分布，照明的形式和颜色）与颜色（色调，色饱和度，室内颜色分布，颜色显现）在室内建立的同房间形状有关的生理和心理环境。2020/2/26第七章建筑光学基本知识5二、光环境设计运用学科光环境设计要运用很多学科的基础理论，例如建筑学、物理学（包括光学、光度学、色度学）、生理学、心理学、人类工效学、美学等等。2020/2/26第七章建筑光学基本知识6三、本课重点本课程将着重讲解有关的概念和理论，以期同学们对光环境的设计原理有正确的理解。此外，对照明设备、控光材料、照明形式、计算方法、测光技术等实用的知识和资料也将作较全面的介绍，并通过实例分析，力求使大家掌握光环境设计的方法和技巧。考虑到建筑学专业的特点，复杂的数学分析将略去。2020/2/26第七章建筑光学基本知识7第七章建筑光学基本知识第一节眼睛与视觉第二节基本光度单位及应用第三节材料的光学性质第四节视度及其影响因素第五节颜色2020/2/26第七章建筑光学基本知识8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至780nm的这部分辐射才能引起光视觉，称为可见光（简称光），见图7－0所示。波长短于380nm的是紫外线、x射线、γ射线、宇宙线；长于780nm的有红外线、无线电波等等。2020/2/26第七章建筑光学基本知识9图7－0太阳辐射的电磁波2020/2/26第七章建筑光学基本知识10第一节眼睛与视觉眼睛视觉视野颜色感觉光谱光效率2020/2/26第七章建筑光学基本知识11一、眼睛人们的视觉感觉是通过眼睛来完成的，所以我们应对眼睛的视看过程有一粗略的了解。眼睛好似一个很精密的光学仪器，它在很多方面都与照相机相似。图7－1是人的右眼剖面图。2020/2/26第七章建筑光学基本知识12（3）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。视网膜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－－锥状和杆状感光细胞。光线射到它们上面就产生神经冲动，传输至视神经，再传至大脑产生视觉感觉。图7－1右眼剖面图从图中可看到眼睛的主要组成部分，其功能如下：（1）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，以控制进入眼睛的光能数量。起照相机中光圈的作用。（2）水晶体为一扁球形的弹性透明体，它受睫状肌收缩或放松的控制，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成清晰的影像。它起照相机的透镜的作用，不过水晶体具有自动聚焦功能。（4）感光细胞它们处在视网膜最外层上，接受光刺激，并转换为神经冲动。两种感光细胞在视网膜上的分布是不均匀的：锥状细胞主要集中在视网膜的中央部位，称为“黄斑”的黄色区域。黄斑区的中心有一小凹，称“中央窝”；在这里锥状细胞密度达到最大；在黄斑区以外,锥状细胞的密度急剧下降。与此相反，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20附近密度达到最大，然后又逐渐减少。感光细胞在视网膜上的分布情况见图7－2。2020/2/26第七章建筑光学基本知识13图7－2二中感光细胞在视网膜上的分布情况2020/2/26第七章建筑光学基本知识14杆状细胞对于光非常敏感，但是不能分辨颜色。在眼睛能够感光的亮度阈限（约为10－6cd／m2）到0.03cd/m2左右的亮度水平，主要是杆作细胞起作用，称为暗视觉。在暗视觉条件下，景物看起来总是模糊不清、灰茫茫一片。2020/2/26第七章建筑光学基本知识15锥状细胞对于光不甚敏感，在亮度高于3cd/m2的水平时，锥状细胞才充分发挥作用，这时称为明视觉。锥状细胞有辨认细节和分辨颜色的能力，这种能力随亮度增高而达到最大。所有的室内照明，都是按明视觉条件设计的。当适应亮度处在0.03～3cd/m2之间时，眼睛处于明视觉和暗视觉的中间状态，称为中间视觉。一般道路照明的亮度水平，相当于中间视觉的条件。2020/2/26第七章建筑光学基本知识16二、视觉视觉形成的过程可分解为四个阶段；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；2020/2/26第七章建筑光学基本知识173．二次光源发出不同强度、颜色的光信号进入人眼瞳孔，借助眼球调视，在视网膜上成象；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。2020/2/26第七章建筑光学基本知识18三、视野当头和眼睛不动时，人眼能察觉到的空间范围叫视野（图7－3）。单眼的综合视野（单眼视野），在垂直方向的角度约130°，水平方向约180°。2020/2/26第七章建筑光学基本知识19图7-3视野范围2020/2/26第七章建筑光学基本知识20两眼同时能看到的视野（双眼视野）较小一些，约占总视野中120°的范围。视线周围1～1.5°内的物体能在视网膜中心凹成象，清晰度最高，这部分叫中心视野；目标偏离中心视野以外观看时，叫周围视野。视线周围30°的视觉环境，清晰度也比较好。2020/2/26第七章建筑光学基本知识21四、颜色感觉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。见下表。2020/2/26第七章建筑光学基本知识22光谱颜色中心波长及范围颜色感觉中心频率(nm)范围(nm)红700640～750橙620600～640黄580550～600绿510480～550蓝470450～480紫420400～4502020/2/26第七章建筑光学基本知识232020/2/26第七章建筑光学基本知识24单色光与复色光单一波长的光呈现一种颜色，称为单色光。日光和灯光都是由不同波长的光混合而成的复色光，它们呈白色或其他颜色。2020/2/26第七章建筑光学基本知识25将复色光中各种波长辐射的相对功率量值按对应波长排列联结起来，就形成该复色光的光谱功率分布曲线，它是光源的一个重要物理参数。光源的光谱组成不但影响光源的表观颜色，而且决定被照物体的显色效果。2020/2/26第七章建筑光学基本知识26五、光谱光效率人眼对不同波长单色光的视亮度感受性也不一样，这是光在视觉上反映的另一特征。在光亮的环境中（适应亮度3cd/m2），辐射功率相等的单色光看起来以波长555nm的黄绿光最明亮，并且明亮程度向波长短的紫光和长波的红光方向递减。2020/2/26第七章建筑光学基本知识27国际照明委员会(CIE）根据大量的实验结果，将视亮度感觉相等的波长为m和两个辐通量之比，定义为波长的单色光的光谱光视效率（也称视见函数），以V（）表示。m选在最大比值等于1处,即＝555时，V（）＝l，其他波长V（）均小于1（见图7－5）。这就是明视觉光谱光视效率。在较暗的环境中（适应亮度＜0.03cd/m2时），人的视亮度感受性发生变化，以＝507nm的蓝绿光最为敏感。按照这种特定光环境条件确定的V（）函数称为暗视觉光谱光视效率（图7－5）．2020/2/26第七章建筑光学基本知识28图7－5光谱光视效率实线一明视觉；虚线一暗视觉2020/2/26第七章建筑光学基本知识29第二节基本光度单位及应用•光通量•发光强度•照度•发光强度和照度的关系•亮度•照度和亮度的关系2020/2/26第七章建筑光学基本知识30一、光通量(luminousflux)(orF)光通量是按照国际约定的人眼视觉特性评价的辐射能通量（辐射功率）。根据这一定义，光通量可以由辐射通量及V()函数导出：=Km∫e，V()dlm2020/2/26第七章建筑光学基本知识31式中：V()——CIE标准光度观测者明视觉光谱光视效率；——光通量，lm；e，——波长为的单色辐射能通量，W；Km——最大光谱光视效能，lm/W。2020/2/26第七章建筑光学基本知识32光视效能K是描述光和辐射之间关系的量，它是与单位辐射通量相当的光通量（K＝Φv/Φe）。但是，K值是随光的波长而变化的，K（)的最大值在Km＝555nm处。根据一些国家权威实验室的测量结果，1977年国际计量委员会决定采用Km＝683lm／W。2020/2/26第七章建筑光学基本知识33光通量的单位是流明，符号为lm。在国际单位制和我国规定的计量单位中，它是一个导出单位。l流明是发光强度为1坎德拉的均匀点光源在1球面度立体角内发出的光通量。2020/2/26第七章建筑光学基本知识34在照明工程中，常用光通量表示一光源发出光能的多少，它是光源的一个基本参数。例如，一只40W白炽灯发出350lm的光通量；一只40W荧光灯发出2200lm的光通量，比白炽灯多5倍多。2020/2/26第七章建筑光学基本知识35【例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,试计算它发出的光通量。【解】从光谱光效率曲线明视觉（实线）中可查出，对应于波长589nm的V（）＝0.78，则该单色光源发出的光通量为：589＝683×10.3×0.78＝5487lm2020/2/26第七章建筑光学基本知识36【例2】已知500W汞灯的各单色辐射通量值见下表，试计算其光通量。【解】500W汞灯发出的各波长的波长值列于下表中第一栏，相应的单色辐射通量列于表中第二栏。从光谱光效率曲线V()图中查出其相对光谱光效率值,分别列于表中第三栏的各行。将二、三栏数值代入计算，即得各单色光通量值，列于第四栏。最后将其总和，得光通量为15611lm。2020/2/26第七章建筑光学基本知识37【例2】的计算表波长λ（nm）单色辐射通量Φeλ(W)相对光谱光效率V(λ)Φλ(lm)3652.24064.00.00071.94368.40.0180103.354611.50.98407728.857812.80.88907772.06910.90.00764.7总计39.815610.72020/2/26第七章建筑光学基本知识38二、发光强度(luminousintensity)点光源在给定方向的发光强度，是光源在这一方向上立体角元内发射的光通量与该立体角元之商。符号为I。I＝d/dcd2020/2/26第七章建筑光学基本知识39如果在有限立体角对内传播的光通量是均匀分布的，上式可写成:I＝/cd式中的为立体角。其概念在图7－6中说明。2020/2/26第七章建筑光学基本知识40以任一锥体顶点O为球心，任意长度r为半径作一球面，被锥体截取的一部分球面面积为S，则此锥体限定的立体角为：＝S/r2立体角的单位是球面度（符号Sr）。当S＝r2，＝1Sr。因为球的表面积为4r2，所以立体角的最大数值为4球面度。图7－6立体角定义2020/2/26第七章建筑光学基本知识41发光强度的单位是坎德拉(Candela），符号cd。在数量上1坎德拉等于1流明每球面度（1cd=1lm／Sr)。坎德拉是我国法定单位制与国际SI制的基本单位之一，其他光度量单位都是由坎德拉导出的，坎德拉定义如下：“一个光源发出频率为540×1012Hz的单色辐射，若在一定方向上的辐射强度为1/683W／Sr，则光源在该方向上的发光强度为lcd”。图7－7发光强度的概念2020/2/26第七章建筑光学基本知识42发光强度常用于说明光源和照明灯具发出的光通量在空间各方向或在选定方向上的分布密度。例如，一只40瓦白炽灯泡发出350流明光通量，它的平均光强为3