第一章 建筑光學(xué) 基本知識(shí)

第一章建筑光學(xué)基本知識(shí)第1頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月第1章

建筑光學(xué)基本知識(shí)第2頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月光環(huán)境設(shè)計(jì)光環(huán)境設(shè)計(jì)要運(yùn)用很多學(xué)科的基礎(chǔ)理論，如建筑學(xué)、物理學(xué)、美學(xué)、生理學(xué)、心理學(xué)、人工工效等等，它既是科學(xué)，又是藝術(shù)，同時(shí)又受經(jīng)濟(jì)和能源的制約。光環(huán)境設(shè)計(jì)主要包括：（1）天然光環(huán)境設(shè)計(jì)，太陽是生命之源，它以無盡的光和熱哺育大地，充分利用晝光照明和渲染氣氛，不僅可以獲得較高的視覺功效，節(jié)約能源和費(fèi)用，也是人們?cè)谏砗托睦砩细械绞娣M意的關(guān)鍵因素。第3頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）人工光環(huán)境設(shè)計(jì)，自從1879年愛迪生發(fā)明電燈以來，人類結(jié)束了借火光照明的漫長(zhǎng)歲月，步入了人工照明的新時(shí)代。建筑物內(nèi)不僅在夜間采用人工照明，有些場(chǎng)所，白天也要用人工照明，為了使建筑物在白天和夜晚都能同樣的使用和美觀，掌握一些人工光環(huán)境的設(shè)計(jì)方法和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)尤為重要。優(yōu)良人工光環(huán)境的設(shè)計(jì)要靠建筑師、室內(nèi)設(shè)計(jì)師、電氣工程師和設(shè)備工程師密切合作，但建筑設(shè)計(jì)師應(yīng)發(fā)揮主導(dǎo)作用。第4頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月光環(huán)境概述光環(huán)境（Luminousenvironment）的內(nèi)涵很廣，是由光與顏色在室內(nèi)建立的同房間形狀有關(guān)的生理和心理環(huán)境。人們依靠不同的感覺器官從外界獲得各種信息，其中約有80%來自光和視覺，在生產(chǎn)、工作、學(xué)習(xí)場(chǎng)所，良好的光環(huán)境可以振奮人的精神，提高工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量，保障人身安全和視力健康。在娛樂、休息、公共活動(dòng)場(chǎng)所，光環(huán)境的首要作用，在于創(chuàng)造舒適優(yōu)雅、活潑生動(dòng)，或莊重嚴(yán)肅的環(huán)境氣氛，對(duì)人的情緒狀態(tài)、心理感受產(chǎn)生積極的影響。建筑師的任務(wù)之一，就是要為人們創(chuàng)造優(yōu)良的光環(huán)境。第5頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月90年代末上海市公共建筑的一次能源消耗比例第6頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月北京大型公共建筑能耗比例第7頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月光的性質(zhì)：可見光：波長(zhǎng)在380~780nm之間的電磁波輻射。不同波長(zhǎng)的光在視覺上形成不同的顏色。多色光：一般光源發(fā)出的光往往是由不同波長(zhǎng)的電磁波組成，這樣的光，稱為多色光。單色光：波長(zhǎng)單一的光，稱為單色光。第8頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月在帶有多種光譜成分的光源中，如果某一部分占比例較大，就呈現(xiàn)出那個(gè)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的顏色。較短的波長(zhǎng)為主較長(zhǎng)波長(zhǎng)為主第9頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月眼睛的構(gòu)造與視覺過程

人的視覺感覺只能通過眼睛來完成。眼睛的構(gòu)造和照相機(jī)相似，圖是人的右眼剖面圖，其主要的組成部分和功能有：第10頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1瞳孔瞳孔為虹膜中央的圓形孔，它可根據(jù)環(huán)境的明暗程度，自動(dòng)調(diào)節(jié)其孔徑，以控制進(jìn)入眼球的光能數(shù)量。相當(dāng)于起到了照相機(jī)中光圈的作用。3.2水晶體水晶體為一扁球形的彈性透明體，它受睫狀肌收縮或放松而改變形狀和屈光度，使遠(yuǎn)近不同的外界景物都能在視網(wǎng)膜上形成清晰的影像。它起照相機(jī)的透鏡作用。3.3視網(wǎng)膜視網(wǎng)膜光線經(jīng)過瞳孔、水晶體在視網(wǎng)膜上聚焦成清晰的影像。它是眼睛的視覺感受部分，相當(dāng)于照相機(jī)中的膠卷。視網(wǎng)膜上布滿了感光細(xì)胞，接受光的光刺激，并把光信息傳輸至視神經(jīng)，再傳到大腦。第11頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4感光細(xì)胞感光細(xì)胞分為錐體細(xì)胞和桿體細(xì)胞兩種，它們處在視網(wǎng)膜最外層上，接受光刺激。但它們?cè)谝暰W(wǎng)膜上的分布是不均勻的。如圖所示：第12頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月兩種感光細(xì)胞的功能特征不同：錐體細(xì)胞在明亮環(huán)境下對(duì)色覺和視覺敏銳度起決定作用，它能分辨出物體的細(xì)部和顏色，并對(duì)環(huán)境的明暗變化作出迅速的反應(yīng)；桿體細(xì)胞在黑暗環(huán)境中對(duì)明暗感覺起決定作用，它雖能看到物體，但不能分辨其細(xì)部和顏色，對(duì)明暗變化的反應(yīng)緩慢。第13頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月眼睛的視覺特點(diǎn)1視看范圍(視場(chǎng))受到感光細(xì)胞在視網(wǎng)膜上的分布狀態(tài)以及眼眉、臉頰的影響，人的頭部不動(dòng)時(shí)人眼的視看范圍為：水平面180度，垂直面130度，上方為60度，下方為70度。水平方向單眼視野180

雙眼視野180

第14頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月眼睛的視覺特點(diǎn)2明視覺、暗視覺因錐體、桿體細(xì)胞起作用的不同，形成了明暗視覺。明視覺是指在明亮環(huán)境中，能夠辨認(rèn)很小的細(xì)節(jié)、顏色，并能適應(yīng)亮度變化的；暗視覺是指在黑暗環(huán)境中，只有明暗感覺而無顏色感覺，也無法分辨物件的細(xì)節(jié)，對(duì)外部變化的適應(yīng)能力低。第15頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月3顏色感覺

在明視覺時(shí)，人們對(duì)于380nm—780nm范圍內(nèi)的電磁波引起不同的顏色感覺。不同顏色感覺的波長(zhǎng)范圍和中心波長(zhǎng)表1—1

光譜顏色中心波長(zhǎng)極范圍顏色感覺中心波長(zhǎng)/nm范圍/nm紅700640-750橙620600-640黃580550-600綠510480-550藍(lán)470450-480紫420400-450第16頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月光譜光視效率

人眼觀看同樣功率的輻射，在不同波長(zhǎng)時(shí)感覺到的明亮程度不一樣。人眼的這種特性常用光譜光視效率曲線來表示。如圖，它表示獲得相同視覺感覺時(shí)，波長(zhǎng)和波長(zhǎng)的單色光輻射通量的比。選在視感最大值處（明視覺時(shí)為，暗視覺時(shí)為），用公式表述如下：第17頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月單色光譜光視效率

不同波長(zhǎng)的相對(duì)光譜光效率第18頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月圖中的明視覺曲線的最大值在波長(zhǎng)555nm處，即在黃綠光部位最亮；虛線表示暗視覺時(shí)的光譜光視效率，整個(gè)曲線向短波方向推移，長(zhǎng)波端的能見范圍縮小，短波端的能見范圍略有擴(kuò)大。在不同光亮條件下人眼感受性不同的現(xiàn)象稱為“普爾欽效應(yīng)”。在設(shè)計(jì)室內(nèi)顏色裝飾時(shí)，根據(jù)裝飾物色彩所處環(huán)境的明暗可能變化程度，充分考慮到上述效應(yīng)。第19頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月二、基本光度單位及應(yīng)用1、光通量2、發(fā)光強(qiáng)度3、照度4、亮度第20頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月一、光通量：

物理意義：說明光源發(fā)光能力的基本量，能量單位。定義：輻射體單位時(shí)間內(nèi)以電磁輻射的形式向外輻射的能量稱輻射功率或輻射通量(W)。光源的輻射通量中被人眼感覺為光的能量(波長(zhǎng)380－780nm)稱為光通量。單位:流明(lumen，lm)。人眼在觀看同樣功率的輻射時(shí),在不同波長(zhǎng)時(shí)感覺到的亮度是不同的，人眼的這種特性用相對(duì)光譜光效率V(

)來表示。第21頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月光通量的計(jì)算公式：?jiǎn)挝粨Q算：

1光瓦等于輻射通量為1W，波長(zhǎng)的黃綠光所產(chǎn)生的光感覺量。光瓦單位太大，常用另一較小單位流明（）。1光瓦第22頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月已知鈉光燈發(fā)出波長(zhǎng)為589nm的單色光，設(shè)其輻射通量為10.3W，計(jì)算其發(fā)出的光通量？解：查表：實(shí)線明視覺V(589)=0.78

φ589

=683×0.78×10.3=5484lm第23頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月二、發(fā)光強(qiáng)度：發(fā)光強(qiáng)度：指光源所發(fā)出的光通量在空間的分布密度。不同光源發(fā)出的光通量在空間的分布往往不同。公式計(jì)算：當(dāng)點(diǎn)光源在某一方向上的無限小立體角內(nèi)發(fā)出的光通量為時(shí)，則該方向上的發(fā)光強(qiáng)度為第24頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)光強(qiáng)度的單位：坎德拉（Candela），符號(hào)。立體角的單位：球面度，符號(hào)。如圖13-2，在一半徑為的球心O處放一光源，它向球表面ABCD所包圍面積A上發(fā)出的光通量。面積A在球心形成的立體角為：則這一方向的發(fā)光強(qiáng)度為：第25頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月光通量

相同,發(fā)光強(qiáng)度I卻不同I小I大第26頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月三、照度：照度：表示被照面上的光通量密度。計(jì)算公式：設(shè)被照面無限小面積上所接受的光通量為，則該點(diǎn)處的照度為：當(dāng)光通量均勻分布在被照面A上時(shí)，則此時(shí)被照面的照度為：?jiǎn)挝唬豪湛怂?ml1m2第27頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月照度E性質(zhì)：可疊加性。幾個(gè)光源同時(shí)照射被照面時(shí)，實(shí)際照度為單個(gè)光源分別存在時(shí)形成照度的代數(shù)和。第28頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月第29頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月發(fā)光強(qiáng)度和照度的關(guān)系以一個(gè)點(diǎn)光源為例，尋找發(fā)光強(qiáng)度和照度的關(guān)系；右圖a所示，表面距點(diǎn)光源O分別為，具有相同的立體角，光通量相同，發(fā)光強(qiáng)度也就相同。而表面積之比，它們的照度隨著面積增大而減少。第30頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月第31頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月推廣到一般情況，與聯(lián)立求得，

——距離平方反比定律第32頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月圖b所示，，且，則上式)表明：某表面的照度與光源在這方向的發(fā)光強(qiáng)度成正比，與入射角的余弦成正比，與距光源的距離的平方成反比。第33頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月如圖所示，在距離桌面2米處掛一只40w白熾燈，設(shè)在白熾燈的發(fā)光強(qiáng)度I0~25°=30cd，I25~45°=25cd，求燈下桌面上1、2兩點(diǎn)處的照度?！窘狻浚河墒娇傻?、2兩點(diǎn)處的照度分別第34頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月四、亮度：物體在視線方向上的發(fā)光強(qiáng)度越大，投影面積越小，就感到它越亮，即亮度越大。亮度單位：熙提sb，亮度：發(fā)光體在視線方向單位投影面積發(fā)出的發(fā)光強(qiáng)度太陽亮度20萬sb，藍(lán)天0.2~2.0sb，白熾燈燈絲亮度300~500sb?？梢宰C明：發(fā)光(或反光)物體的亮度和發(fā)光體在視線方向的投影面積

成反比，與發(fā)光體朝視線方向的發(fā)光強(qiáng)度

成正比。。即

第35頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月第36頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月亮度反映了物體表面的物理特性；而人們主觀所感受到的物體明亮程度，除了與物體表面亮度有關(guān)外，還與所處環(huán)境的明暗程度有關(guān)。于是，將亮度分為兩種，前者稱為“物理亮度(或稱亮度)”，后者稱為“表現(xiàn)亮度(或稱明亮度)”。

第37頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月亮度和照度有何區(qū)別？照度相同吸光材料，亮度低反光材料，亮度高照了不一定亮！第38頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月照度和亮度的關(guān)系照度和亮度的關(guān)系，指的是光源亮度和它所形成的照度間的關(guān)系。如上圖所示：

第39頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月而

得

所以有

整個(gè)發(fā)光面在O

點(diǎn)形成的照度是:均勻亮度是有

這就是常用的立體角投影定律，它表示某一亮度為

的發(fā)光表面在被照面上形成的照度值的大小，等于這一發(fā)光表面的亮度

與該發(fā)光表面在被照點(diǎn)上形成的立體角

的投影

的乘積。第40頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月解：窗洞可看作發(fā)光平面，其亮度等于窗外藍(lán)天的亮度。

側(cè)窗：

Ew=10000×0.228×0.243=555lx天窗：

Em=10000×0.25×i=2500lx第41頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月13-3材料的光學(xué)性質(zhì)第42頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月光的反射、吸收和透射。如圖13-13。據(jù)能量守恒，有反射、吸收和透射光通量與入射光通量之比，分別稱為反光系數(shù)、吸收系數(shù)和透光系數(shù)，即第43頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月第44頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月

表13-1，13-2列出了常用建筑材料的反光系數(shù)和透射系數(shù)，供采光設(shè)計(jì)時(shí)參考使用。第45頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月為作好采光和照明設(shè)計(jì)，還需了解光通量經(jīng)介質(zhì)反射和透射后分布上的變化。根據(jù)光通量分布變化的角度不同，反光和透光材料均可分為兩類：一類是定向的；光線經(jīng)定向類材料的反射和透射后，光分布的立體角沒有變；一類是擴(kuò)散的,光線經(jīng)擴(kuò)散類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體角范圍。

第46頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月一、定向反射和透射定向反射：光照射到表面很光滑的不透明材料上，出現(xiàn)定向反射。人眼通過對(duì)光的感受由大腦中產(chǎn)生的感覺。特點(diǎn)：（如圖）入射角等于反射角；入射光線，反射光線以及反射表面的法線處于同一平面。利用這種特點(diǎn)將光滑表面放在合適位置，可將光線反射到所需位置，或避免光源在視線中出現(xiàn)。aaa第47頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月定向透射：光照射到透明材料上，出現(xiàn)定向透射。若透明材料兩表面彼此平行，則透過光線的方向和入射方向保持不變，只在材料內(nèi)產(chǎn)生微小的折射；若兩表面不平性，各處厚薄不均，因折射角不同透過的光線就不平行。第48頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月二、擴(kuò)散反射和透射半透明材料使入射光線發(fā)生擴(kuò)散透射；表面粗糙的不透明材料使入射光線發(fā)生擴(kuò)散反射。據(jù)對(duì)光的擴(kuò)散狀況，可將材料分為均勻擴(kuò)散和定向擴(kuò)散兩類。第49頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）均勻擴(kuò)散材料：均勻擴(kuò)散材料將入射光線均勻地向四面八方反射或透射，從各角度看，其亮度完全相同，看不見光源形象。這類材料的亮度和發(fā)光強(qiáng)度分布如圖13-15。反射材料透射材料發(fā)光強(qiáng)度第50頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）定向擴(kuò)散材料：某些材料同時(shí)具有定向和擴(kuò)散兩種性質(zhì)。在其定向反射（透射）方向上具有最大的亮度，而在其它方向也有一定亮度，如圖亮度和發(fā)光強(qiáng)度分布。這時(shí)在反射方向可看到光源的大致形象，但輪廓不似定向反射那樣清晰，而在其它方向又類似擴(kuò)散材料具有一定亮度，不象定向反射材料那樣沒有亮度。第51頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月四、視度及其影響因素人們看物體的清楚程度叫著視度。視度受以下因素的影響。

1.1.1

亮度當(dāng)物體發(fā)光或反光時(shí)，人們才能看見它。實(shí)驗(yàn)表明：人們能看見的最低亮度叫最低亮度閾，最低亮度閾。若亮度過大，超出眼睛的適應(yīng)范圍，眼睛的靈敏度反而會(huì)下降，當(dāng)物體亮度超過時(shí)，人們就感到刺眼。以感到“滿意”的人所占的百分?jǐn)?shù)為統(tǒng)計(jì)結(jié)果，符合正則分布。最大百分比在1500～30001x之間。第52頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月適當(dāng)?shù)恼斩人秸斩冗^大，被照物的亮度就越高。亮度到一定程度后，反而會(huì)超過眼睛的適應(yīng)范圍。當(dāng)物體亮度超過一定值時(shí)人眼會(huì)感到刺眼，不能工作。對(duì)于人眼視力而言，存在著最佳亮度。照度標(biāo)準(zhǔn)臥室75－150lx起居室100－300lx普通辦公室300lx高檔辦公室500lx手術(shù)室750lx人們感到滿意的照度值第53頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月物件尺寸物體尺寸以及眼睛至物件的距離均影響人們觀看物件的視度。物件尺寸d、眼睛至物件的距離l、形成視角，其關(guān)系如下：物件尺寸d是只需要辨別的尺寸，如圖3-13需看清開口方向時(shí)，物件尺寸d指開口尺寸。第54頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月亮度對(duì)比亮度對(duì)比是視野中目標(biāo)和背景的亮度差與背景亮度之比。符號(hào)為C。亮度差越大，視度也高。式中：——目標(biāo)亮度；——背景亮度。第55頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)比感受性對(duì)比敏感度亮度對(duì)比對(duì)人眼看物體的清晰程度的影響閾限對(duì)比，隨條件變化

第56頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)于均勻照明的無光澤的背景和目標(biāo)，亮度對(duì)比可用光反射比表示，即式中：——目標(biāo)光反射比；——背景光反射比。視功能實(shí)驗(yàn)表明：物體亮度、視角大小、亮度對(duì)比三個(gè)因素對(duì)視度的影響是相互有關(guān)的。圖所示辨別幾率為時(shí)，三個(gè)因素之間的關(guān)系。第57頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月條件：識(shí)別幾率95％視

覺

功

效

曲

線第58頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月曲線表明：①從同一根曲線來看，觀看對(duì)象在眼睛處形成的視角不變時(shí)，若亮度對(duì)比下降，則需要增加照度才能保持相同視度。②不同的曲線(表示在不同視角時(shí))，目標(biāo)愈小(視角愈小)，需要的照度愈高。③天然光(紅線)比人工光(藍(lán)線)更有利于視度的提高。但在觀看大的目標(biāo)時(shí)，這種差別不明顯。第59頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月識(shí)別時(shí)間眼睛觀看物體時(shí)，只有當(dāng)該物體發(fā)出足夠的光能，形成一定的刺激，才能產(chǎn)生視覺感覺。在一定條件下符合：亮度ⅹ時(shí)間=常數(shù)

(邦森—羅斯科定律)可見，物體愈亮，察覺它的時(shí)間就愈短。當(dāng)人們從明亮環(huán)境走到黑暗處(或相反)，就會(huì)由原來看得清，突然變成看不清，經(jīng)過一段時(shí)間才由看不清東西到逐漸又看得清的變化過程，這叫做“適應(yīng)”。從暗到明的適應(yīng)時(shí)間短，稱“明適應(yīng)”，在照明設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮人們流動(dòng)過程中可能出現(xiàn)的視適應(yīng)問題。當(dāng)出現(xiàn)環(huán)境亮度變化過大的情況，應(yīng)考慮在其間設(shè)置必要的過渡空間，使人眼有足夠的適應(yīng)時(shí)間。第60頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月視覺適應(yīng)眼睛的適應(yīng)過程第61頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月避免眩光眩光就是在視野中由于亮度的分布或范圍不適宜，或在空間或時(shí)間上存在著極端的亮度對(duì)比，以致引起不舒服和降低物體可見度的視覺條件。根據(jù)眩光對(duì)視覺的影響的程度可分為：失能眩光和不舒服眩光。對(duì)于室內(nèi)光環(huán)境來說，只要將不舒適眩光限制在允許的限度內(nèi)，失能眩光也就消失了。根據(jù)眩光的形成過程，眩光可分為直接眩光和反射眩光：直接眩光是由視野中的高亮度的或未曾充分遮蔽的光源所產(chǎn)生的。反射眩光是由視野中的光澤表面的反射所產(chǎn)生的，反射眩光往往難以避開。第62頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月眩光產(chǎn)生的原因不恰當(dāng)?shù)淖匀徊晒饪?，不合理的光亮度，不恰?dāng)?shù)膹?qiáng)光方向，都會(huì)在室內(nèi)造成眩光現(xiàn)象可能產(chǎn)生眩光的地方玻璃辦公桌面局部照明的展板不恰當(dāng)?shù)墓ぷ髅嬲彰鼽S種人眼睛的黑色素較白種人的多，對(duì)眩光的忍受力比白種人強(qiáng)。白種人比黃種人的耐暗程度強(qiáng)。第63頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月第64頁，課件共71頁，創(chuàng)作于2023年2月光污染玻璃幕墻的反射