建筑物理(wùlǐ)概論建工學院(xuéyuàn)建筑系欒蓉精品資料第三章、建筑光學的基本知識Toward概述1第一節眼睛與視覺2第二節基本光度單位及應用3第三節材料的光學性質4第四節可見度及其影響因素5精品資料概述

光——是能量(néngliàng)的一種形式，或說光是一種電磁輻射能。nm——納米1nm=10-9m780nm380nm精品資料

光的作用(zuòyòng)：1.影響工作效率；室內(shìnèi)光環境概述精品資料2.影響心理(xīnlǐ)舒適，身體健康；室內裝飾照明(zhàomíng)概述精品資料3.美化環境，表現(biǎoxiàn)建筑藝術；重慶市朝天門夜景(yèjǐnɡ)概述精品資料4.節能(jiénénɡ)，保護環境；以上海用電量為例：年用電量為1400億度(yìdù)電，其中照明用電量為392億度(yìdù)電（28%）。如果照明節能50%，則節約196億度(yìdù)電，減少二氧化碳56萬噸。概述精品資料第一節、眼睛(yǎnjing)與視覺一、人眼(rényǎn)的構造類似于精品資料第一節、眼睛(yǎnjing)與視覺一、人眼(rényǎn)的構造瞳孔——起照相機中的光圈作用——能控制進光量。水晶體——起照相機的透鏡作用，但它具有自動聚焦功能。視網膜——類似于照相機中的膠卷——能對光線產生反應。感光細胞——分為錐體（狀)感光細胞和桿體（狀)感光細胞；2002年發現了神經節感光細胞——第三種感光細胞——控制晝夜節律、強度和瞳孔大小等。錐體細胞和桿體細胞示意圖錐體細胞————————桿體細胞精品資料第一節、眼睛(yǎnjing)與視覺一、人眼(rényǎn)的構造錐體（狀)感光細胞——分布在眼中心部位，靈敏度差，但可感覺顏色（眼中有紅、綠、藍感光色素）。桿體（狀)感光細胞——分布在眼中心的四周，靈敏度高，無顏色感覺。人眼——一種可見光的接收器，人類在進化過程中人眼已經適應了太陽光。精品資料第一節、眼睛(yǎnjing)與視覺一、人眼(rényǎn)的構造太陽、大氣層、地球示意圖精品資料第一節、眼睛(yǎnjing)與視覺一、人眼(rényǎn)的構造太陽光——經過大氣層——射到地面；地面上光輻射強度在500nm附近最大，人眼最敏感的光的波長；明視覺——明亮的環境下，如白天，555nm（黃綠光）；暗視覺——暗環境下，如晚上不開燈，507nm（綠色光）。精品資料第一節、眼睛(yǎnjing)與視覺二、人眼的視覺(shìjué)特點視覺就是由進入人眼的輻射所產生的光感覺而獲得的對外界的認識。1）視看范圍（視野），見圖。精品資料第一節、眼睛(yǎnjing)與視覺二、人眼的視覺(shìjué)特點2）明、暗視覺

明視覺：在明亮的環境中，主要由視網膜的錐體細胞起作用的視覺（高于幾個cd/m2的亮度時的視覺）。

暗視覺：在暗環境中，主要由視網膜的桿體細胞起作用的視覺（低于百分之幾cd/m2的亮度時的視覺）。

中間視覺：視網膜的錐體感光細胞和桿體感光細胞同時起作用，而且它們隨著正常人眼的適應水平變化而發揮的作用大小不同（介于明視覺和暗視覺之間的視覺）。

注：本處僅介紹明視覺情況。精品資料第一節、眼睛(yǎnjing)與視覺二、人眼(rényǎn)的視覺特點3）光譜光視效率在明視覺條件下：在國際上，把人眼對555nm感覺量定為1。通過實驗確定其他波長在視感覺相同時需要輻射通量多大才與555nm相同。精品資料第一節、眼睛(yǎnjing)與視覺二、人眼(rényǎn)的視覺特點3）光譜光視效率光譜光視效率V（λ）曲線表示在特定光度條件下產生相同視覺感覺時，在視亮度匹配實驗里，波長λm和波長λ的單色光輻射通量的比：V(λ）=Φeλm/Φeλ精品資料眼睛(yǎnjing)與視覺課后復習思考題復習：1、明視覺概念2、光譜(guāngpǔ)光視效率V(λ)

思考題：1、從人眼的構造上看，人眼的功能在哪些方面與照相機類似？Back精品資料第二節、基本光度(guāngdù)單位及應用一、光通量設有2個燈均發出單色光，且輻射出波長(bōcháng)為555nm和620nm，輻射通量均為1W，這時對人的感覺是否一樣？結果顯然是不一樣的。光源——表面能輻射光和反射光的物體（太陽、各種燈……)。精品資料第二節、基本(jīběn)光度單位及應用一、光通量對于(duìyú)明視覺：

為了比較任意兩個燈發出的可見光多少時，由于光譜光視效率隨波長分布不同，那么不能直接用輻射通量（瓦）多少比較，只能化成相當于多少555nm標準光通量進行比較。因為

V(λ)=eλm/eλ

，所以eλm=

eλ×V(λ),把eλm稱為光通量，簡寫成λ。

光通量——在單位時間內人眼感覺光輻射能量的大小。精品資料第二節、基本光度(guāngdù)單位及應用一、光通量在計算時,光通量常采用下式算得：式中：Km——最大光譜光視效能，在明視覺時為683lm／W；e,λ——波長為λ的輻射通量,瓦（W）。光通量表示光源在單位時間內發出光能的多少，類似(lèisì)于單位時間內水龍頭噴水量的大小。精品資料第二節、基本光度單位(dānwèi)及應用一、光通量【例3-1】已知低壓鈉燈發出波長(bōcháng)為589nm的單色光，設其輻射通量為10.3W，試計算其發出的光通量。【解】根據明視覺（實線）光譜光視效率曲線中或從附錄4的V（λ）中可查出，對應于波長(bōcháng)589nm的V（λ）＝0.769，則該單色光源發出的光通量為：589=683×10.3×0.769≈5410lm由于光通量單位：光瓦太大了，如40瓦白熾燈約發出0.5光瓦。故常用流明，lm。在國際上：明視覺時，1光瓦=683lm；暗視覺時，1光瓦=1700lm。例：40瓦熒光燈可發出約2000lm(約2.93光瓦)，100瓦白熾燈可發出約1250lm(約1.83光瓦）。精品資料第二節、基本(jīběn)光度單位及應用二、發光強度加了燈罩后，光通量的空間分布就不同了，燈罩下方可增大約2倍，為了描述這種現象，采用(cǎiyòng)發光強度概念。精品資料第二節、基本光度(guāngdù)單位及應用二、發光強度光源(guāngyuán)在給定方向上的發光強度是該光源(guāngyuán)在該方向的立體角元dΩ內傳輸的光通量dФ除以該立體角之商

發光強度的符號為I，單位為坎德拉，cd，1cd表示光源在1球面度立體角內均勻發射出1lm的光通量，即：當光通量分布均勻時：即：1坎德拉=1流明/1球面度精品資料第二節、基本(jīběn)光度單位及應用二、發光強度立體角——任意一個封閉圓錐面內所包含的空間(kōngjiān)。公式為：式中：——立體角軸與被研究面法線之間的夾角。因為球半徑R垂直于球表面，所以等于0°，故cos等于1。因此，對于球表面和球心來說：=A/R2

立體角的單位：球面度，記為sr。

1sr=面積等于R2的球表面對球心所張開的立體角。【例3-2

】一光源在0.5sr立體角內均勻發射出100lm的光通量，求該方向上的發光強度I。【解】I=/=100lm/0.5sr=200cd=200坎德拉精品資料第二節、基本(jīběn)光度單位及應用三、照度(zhàodù)

對于被照面而言，常用在其單位面積上的光通量多少來衡量它被照射的程度，這就是常用的照度，符號為E,它表示被照面上的光通量密度：均勻時：精品資料第二節、基本光度單位(dānwèi)及應用三、照度(zhàodù)

照度的常用單位為勒克斯，符號為lx，1lx等于1流明的光通量均勻分布在1平方米的被照面上。照度的英制單位為英尺燭光（fc），由于

1平方米＝10.76平方英尺所以

1fc＝l0.76lx。精品資料第二節、基本光度(guāngdù)單位及應用三、照度(zhàodù)【例3-3】直徑為100cm的圓面上均勻落下100lm的光通量，求

這圓面上的各點照度。【解】

E=/A=/R2=100/(×0.52)=127lx【例】燈正下方1米：

40W白熾燈

40W熒光燈

晴天中午

月夜

30lx

200lx

8~12萬lx

0.2lx精品資料第二節、基本光度(guāngdù)單位及應用四、發光強度與照度(zhàodù)的關系

發光強度光通量空間密度

照度光通量被照面密度余弦定律精品資料第二節、基本光度(guāngdù)單位及應用四、發光強度與照度(zhàodù)的關系

當光垂直入射時，即i=0°時，某表面的照度E與點光源在這方向的發光強度Iα成正比，還與光源的距離R的平方成反比。這就是計算點光源產生照度的基本公式，稱為距離平方反比定律：

余弦定律距離平方反比定律精品資料第二節、基本光度(guāngdù)單位及應用四、發光強度與照度(zhàodù)的關系【例3-3】如右圖所示，在桌子上方2m處掛一40W白熾燈，求燈下桌面上點1處照度E1，及點2處照度E2值（設輻射角α在0°～45°內該白熾燈的發光強度均為30cd）。

【解】因為I0～45=30cd，所以

精品資料第二節、基本光度單位(dānwèi)及應用五、亮度(liàngdù)精品資料第二節、基本光度(guāngdù)單位及應用五、亮度(liàngdù)

亮度——在給定方向上發光面微元的發光強度和垂直于給定視線方向的微元的投影面積之比。亮度的符號為L，其計算公式為：

精品資料第二節、基本光度(guāngdù)單位及應用五、亮度(liàngdù)

當角α方向上光束截面A的發光強度Iα均相等時，角α方向的亮度為：

由于物體表面亮度在各個方向不一定相同，因此常在亮度符號的右下角注明角度，它表示與表面法線成α角方向上的亮度。亮度的常用單位為坎德拉每平方米（cd／m2），它等于1平米表面上，沿法線方向（α＝0o）發出1坎德拉的發光強度，即：精品資料第二節、基本(jīběn)光度單位及應用五、亮度(liàngdù)

有時用另一較大單位熙提（符號為sb），它表示1cm2面積上發出1cd時的亮度單位。很明顯

1

sb(熙提）=104cd／m2；

1asb(阿熙提）=1/cd／m2；

常見的一些物體亮度值如下：白熾燈燈絲

300～500sb熒光燈管表面

0.8～0.9sb太陽

200,000sb無云藍天（視距太陽位置的角

距離不同，其亮度也不同）

0.2～2.0sb精品資料第二節、基本光度(guāngdù)單位及應用五、亮度(liàngdù)表觀亮度與物理亮度區別與聯系精品資料第二節、基本光度(guāngdù)單位及應用五、亮度(liàngdù)【例3-4】有一個乳白色玻璃球形光源，直徑為6cm,其軸向光強為55cd，求軸向亮度。【解】L0=Iα/（Acosα）=

≈19452cd/m2

注意：1.亮度對光源本身的（照度是指被照面）；

2.—輻射角，是光源法線與視線夾角；

i—被照面法線與視線夾角；

3.單位：面積常取平方米。

在陰天時，天空暗，室內照度小，需開燈；晴天時，天空亮度大，室內照度大。由此看來，被照面上照度大小與光源本身亮度大小有關。精品資料第二節、基本(jīběn)光度單位及應用六、照度(zhàodù)與亮度的關系

所謂照度和亮度的關系，指的是光源亮度和它所形成的照度之間的關系。如右圖所示，設A1為各方向亮度都相同的發光面，A2為被照面；在A1上取一微元面積dA1。照度和亮度的關系精品資料第二節、基本光度(guāngdù)單位及應用六、照度(zhàodù)與亮度的關系均勻立體角投影定律精品資料第二節、基本光度(guāngdù)單位及應用六、照度與亮度(liàngdù)的關系

這就是常用的立體角投影定律，它表示某一亮度為Lα的發光表面在被照面上形成的照度值的大小，并且等于這一發光表面的亮度Lα與該發光表面在被照點上形成的立體角Ω的投影（Ωcosi）的乘積。這一定律表明：某一發光表面在被照面上形成的照度僅和發光表面的亮度及其在被照面上形成的立體角投影有關。注意：立體角投影定律適用于光源尺寸相對于它和被照點距離較大時，即面光源時。立體角投影定律精品資料第二節、基本光度(guāngdù)單位及應用六、照度(zhàodù)與亮度的關系【例3-5】在側墻和屋頂上各有一個1m2的窗洞，它們與室內桌子的相對位置見下圖，設通過窗洞看見的天空亮度均為1sb，試分別求出各個窗洞在桌面上形成的照度（桌面與側窗窗臺等高）。【解】側窗時：天窗時：精品資料基本光度(guāngdù)單位及應用復習思考題復習：1、四個基本光學物理量：光通量單位：流明，lm發光強度單位：坎德拉，cd照度單位：勒克斯，lx亮度單位：熙提，sb2、兩個定律：距離平方(píngfāng)反比定律立體角投影定律思考題：1、請說出光通量、發光強度、照度、亮度的定義、符號、單位及相互關系。Back精品資料第三節、材料的光學(guāngxué)性質一、從能量(néngliàng)角度看

根據能量守恒定律：

Φr+Φα+Φτ=Φ

因為Φ不等于0，所以：

Φr/Φ+Φα/Φ+Φτ/Φ=1

r+α+τ=1

式中：r——光反射比；

α——光吸收比；

τ——光透射比。

在光的傳播過程中，遇到介質（如玻璃、空氣、墻…)時，入射光通量（Φ）中的一部分被反射（Φr），一部分被吸收（Φα），一部分透過介質進入另一側的空間（Φτ）。精品資料第三節、材料(cáiliào)的光學性質二、從光分布(fēnbù)角度看

如果光經過材料反射或透射后，光分布立體角未變，則稱為規則反射和規則透射。如果光經過材料反射或透射后，立體角變大，則稱為擴散反射和擴散透射。光經過介質的反射和透射后，它的分布變化取決于材料表面的光滑程度和材料內部分子結構。

精品資料第三節、材料的光學(guāngxué)性質二、從光分布(fēnbù)角度看

1、規則反射和透射

1）規則反射

光線射到表面很光滑的不透明材料上，就出現規則反射現象，這時光分布的立體角沒有改變，如鏡子等。鏡子精品資料第三節、材料的光學(guāngxué)性質二、從光分布(fēnbù)角度看

1、規則反射和透射

1）規則反射

規則反射（又稱為鏡面反射）就是在無漫射的情形下，按照幾何光學的定律進行的反射。

它的特點：a.光線入射角等于反射角；

b.入射光線、反射光線以及反射表面的法線處于同一平面規則反射和透射避免受規則反射的辦法精品資料第三節、材料的光學(guāngxué)性質二、從光分布(fēnbù)角度看

1、規則反射和透射

2）規則透射

光線射到透明材料上則產生規則透射。規則反射（又稱為直接透射）就是在無漫射的情形下，按照幾何光學的定律進行的透射。如透明玻璃透明玻璃的采光效果

精品資料第三節、材料的光學(guāngxué)性質二、從光分布(fēnbù)角度看

1、規則反射和透射

3）光學性質

材料反射（或透射）后的光源亮度和發光強度，因材料的吸收和反射，而比光源原有亮度和發光強度有所降低，其值為：

a.亮度

b.發光強度或或精品資料第三節、材料(cáiliào)的光學性質二、從光分布(fēnbù)角度看

2、擴散反射和透射

除了規則反射和透射材料外，另一類為擴散的，這類材料使入射光程度不同地分散在更大的立體角范圍內擴散反射和透射，如粉刷墻面和磨砂玻璃就屬于這一類。墻面磨砂玻璃和壓花玻璃精品資料第三節、材料的光學(guāngxué)性質二、從光分布(fēnbù)角度看

2、擴散反射和透射

擴散反射和透射又可分為：漫反射與漫透射、混合反射與透射兩種情況。

1）漫射材料

①定義

漫射材料又稱為均勻擴散材料。這類材料將入射光線均勻地向四面八方反射或透射，從各個角度看，其亮度完全相同，看不見光源形象。漫射材料可分為漫反射和漫透射兩種材料：

漫反射就是在宏觀上不存在規則反射時，由反射造成的漫射，如粉刷墻面等。

漫透射就是宏觀上不存在規則透射時，由透射造成的漫射，如乳白玻璃等。精品資料第三節、材料的光學(guāngxué)性質二、從光分布(fēnbù)角度看

2、擴散反射和透射

擴散反射和透射又可分為：漫反射與漫透射、混合反射與透射兩種情況。

1）漫射材料

②光學性質

a.亮度和照度關系

漫射材料表面的亮度可用下列公式計算：

對于漫反射材料

對于漫透射材料精品資料第三節、材料的光學(guāngxué)性質二、從光分布(fēnbù)角度看

2、擴散反射和透射

擴散反射和透射又可分為：漫反射與漫透射、混合反射與透射兩種情況。

1）漫射材料

②光學性質

b.

朗伯余弦定律

漫射材料的最大發光強度在表面的法線方向，其他方向的發光強度和法線方向的值有如下關系：

式中：i——表面法線和某一方向間的夾角.

這一關系式稱為“朗伯余弦定律”。

精品資料第三節、材料(cáiliào)的光學性質二、從光分布(fēnbù)角度看

2、擴散反射和透射

2）混合反射與漫射材料

①定義

多數材料同時具有規則和漫射兩種性質。所謂混合反射就是規則反射和漫反射兼有的反射（如油漆表面等）。而混合透射就是規則透射和漫透射兼有的透射，如磨砂玻璃等。油漆桌面材料的光效果磨砂玻璃的采光效果

精品資料第三節、材料的光學(guāngxué)性質二、從光分布(fēnbù)角度看

2、擴散反射和透射

2）混合反射與漫射材料

②光學性質

它們在規則反射（透射）方向，具有最大的亮度，而在其他方向也有一定亮度。這種材料的亮度分布見右圖。精品資料材料的光學(guāngxué)性質課后復習思考題復習：1、1個定律朗伯余弦定律2、材料的光學性質規則(guīzé)反射和透射的特點；漫反射和透射的特點。

思考題：1、在什么情況下采用透明玻璃或磨砂玻璃作為側窗玻璃較為適宜？2、說出在漫反射條件下的亮度與照度之間的關系式。Back精品資料第四節、可見度及其影響(yǐngxiǎng)因素可見度就是人眼辨認(biànrèn)物體存在或形狀的難易程度。在室內應用時，以標準觀察條件下恰可感知的標準視標的對比或大小定義。在室外應用時，以人眼恰可看到標準目標的距離定義，故常稱為能見度。可見度概念是用來定量表示人眼看物體的清楚程度（故以前又把它稱為視度）。一個物體之所以能夠被看見，它要有一定的亮度、大小和亮度對比，并且識別時間和眩光也會影響這種看清楚程度。影響可見度的重要因素有五個：1、亮度2、視角3、亮度對比4、識別時間5、避免眩光精品資料第四節、可見度及其影響(yǐngxiǎng)因素一、亮度實驗表明，人們能看見的最低亮度（稱“最低亮度閾”），僅10-5asb。隨著亮度的增大，我們看得愈清楚，即可見度增大。從上圖中可以看出：隨著照度的增加，感到(gǎndào)“滿意”的人數比例也增加，最大百分比約在1500～3000lx之間。照度超過此數值，對照明“滿意”的人反而愈高愈少，這說明照度（亮度）要適量。人們感到滿意的照度值精品資料第四節、可見度及其影響(yǐngxiǎng)因素二、視角視角就是識別對象對人眼所形成的張角，通常以弧度(húdù)單位來度量。視角越大看得越清楚，反之則可見度下降。識別對象尺寸d、眼睛至物件的距離及形成視角，其關系如下：在下圖中需要指明開口方向時，識別對象尺寸就是開口尺寸。視角的定義精品資料第四節、可見度及其影響(yǐngxiǎng)因素三、亮度對比亮度對比即觀看(guānkàn)對象和其背景之間的亮度差異，差異愈大，可見度愈高。常用C來表示亮度對比，它等于視野中目標和背景的亮度差與背景亮度之比：式中：Lt——目標亮度；Lb——背景亮度； ΔL——目標與背景的亮度差。亮度對比和可見度的關系精品資料第四節、可見度及其影響(yǐngxiǎng)因素三、亮度對比對于均勻照明的無光澤的背景和目標，亮度對比可用光反射比表示(biǎoshì)：式中：rt——目標光反射比；rb——背景光反射比。視覺功效實驗表明：物體亮度（與照度成正比）、視角大小和亮度對比三個因素對可見度的影響是相互有關的。下圖所示為辨別幾率為95%（即正確辨別視看對象的次數為總辨別次數的95%）時，三個因素之間的關系。精品資料第四節、可見度及其影響(yǐngxiǎng)因素視覺功效曲線(qūxiàn)精品資料第四節、可見度及其影響(yǐngxiǎng)因素三、亮度對比由上圖中的曲線可看出：1）從同一根曲線來看，它表明觀看對象在眼睛處形成的視角不變時，如對比下降，則需要增加照度才能保持相同可見度。也就是說，對比的不足，可用增加照度來彌補;反之，也可用增加對比來補償照度的不足。2）比較不同(bùtónɡ)的曲線（表示在不同(bùtónɡ)視角時）后看出：目標愈小（視角愈小），需要的照度愈高。3）天然光（實線）比人工光（虛線）更有利于可見度的提高。但在視看大的目標時，這種差別不明顯。精品資料第四節、可見度及其影響(yǐngxiǎng)因素四、識別時間眼睛觀看物體時，只有當該物體發出足夠的光能，形成一定刺激，才能產生視覺感覺。在一定條件下，亮度×時間=常數（邦森一羅斯科定律），也就是說，呈現時間越少，越需要更高的亮度才能引起視感覺。下圖表明了它們的關系(guānxì)。物體愈亮，察覺它的時間就愈短。識別時間和背景亮度的關系精品資料第四節、可見度及其影響(yǐngxiǎng)因素四、識別時間當人們從明亮環境走到黑暗處（或相反）時，會產生一個從看得清到突然變成看不清、經過一段時間才由看不清到逐漸又看得清的變化過程，這叫作“適應(shìyìng)