建筑物理光学建筑光学基本知识

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第七章 建筑光学基本知识,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第七章 建筑光学基本知识,*,河北工程大学建筑学院,孙凤明,9/24/2024,1,第二篇 建筑光学,建筑光学基本知识,天然采光,建筑照明,9/24/2024,2,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。,9/24/2024,3,一、光环境,光环境（Luminous environment）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。,9/24/2024,4,二、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。,9/24/2024,5,三、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。,9/24/2024,6,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,9/24/2024,7,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70所示。,波长短于380nm的是紫外线、x射线、射线、宇宙线；长于780nm的有红外线、无线电波等等。,9/24/2024,8,图70 太阳辐射的电磁波,9/24/2024,9,第一节 眼睛与视觉,眼睛,视觉,视野,颜色感觉,光谱光效率,9/24/2024,10,一、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71是人的右眼剖面图。,9/24/2024,11,（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71 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72。,9/24/2024,12,图72 二中感光细胞在视网膜上的分布情况,9/24/2024,13,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10,6,cdm,2,）到,2,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。,9/24/2024,14,锥状细胞对于光不甚敏感，在亮度高于3cd/m,2,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3cd/m,2,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。,9/24/2024,15,二、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；,9/24/2024,16,3二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。,9/24/2024,17,三、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73）。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。,9/24/2024,18,图7-3 视野范围,9/24/2024,19,两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11.5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。,9/24/2024,20,四、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。,9/24/2024,21,光谱颜色中心波长及范围,9/24/2024,22,9/24/2024,23,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。,9/24/2024,24,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。,9/24/2024,25,五、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/m,2,），辐射功率相等的单色光看起来以波长555 nm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。,9/24/2024,26,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75）。,这就是明视觉光谱光视效率,。在较暗的环境中（适应亮度,2,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75）,9/24/2024,27,图75 光谱光视效率,实线一明视觉；虚线一暗视觉,9/24/2024,28,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,9/24/2024,29,一、光通量,(luminous flux)(,or F),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：,=K,m,e，,V() d lm,9/24/2024,30,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；,K,m,最大光谱光视效能，lm/W。,9/24/2024,31,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,v,/ ,e,）。但是，K值是随光的波长而变化的，K（,),的最大值在K,m,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K,m,683 lmW。,9/24/2024,32,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。,9/24/2024,33,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。,9/24/2024,34,【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（,），,则该单色光源发出的光通量为：,589,5487 lm,9/24/2024,35,【,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15611 lm。,9/24/2024,36,【例2】的计算表,波长（,nm,）,单色辐射通量,e,(W),相对光谱光效率,V( ),(lm),365,2.2,406,4.0,0.0007,1.9,436,8.4,0.0180,103.3,546,11.5,0.9840,7728.8,578,12.8,0.8890,7772.0,691,0.9,0.0076,4.7,总计,39.8,15610.7,9/24/2024,37,二、发光强度(luminous intensity),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。,Id,/d cd,9/24/2024,38,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76中说明。,9/24/2024,39,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/r,2,立体角的单位是球面度（符号Sr）。当Sr,2,，,1Sr。因为球的表面积为4,r,2,，所以立体角的最大数值为4,球面度。,图76 立体角定义,9/24/2024,40,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=1lmSr)。,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 10,12,Hz的单色辐射，若在一定方向上的辐射强度为1/683WSr，则光源在该方向上的发光强度为lcd”。,图77 发光强度的概念,9/24/2024,41,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350/4,=,28cd。在裸灯泡上面装一盏白色搪瓷平盘灯罩，灯的正下方发光强度能提高到7080cd。在后一种情况下，灯泡发出的光通量并没有变化，只是光通量在空间的分布更为集中了。,9/24/2024,42,三、照度(illuminance),照度是受照平面上接受的光通量的面密度，符号为E。若照射到表面一点面元上的光通量为d,，该面元的面积为dA，则,Ed,/,dA,当光通量均匀分别在被照表面A上时，则此被照面的照度为：,E,/A,9/24/2024,43,照度的单位是勒克斯，符号lx。1勒克斯等于1流明的光通量均匀分布在1平方米表面上所产生的照度，即,1lx1lmm,2,勒克斯是一个较小的单位，例如：夏季中午日光下，地平面上照度可达10,5,lx；在装有40瓦白炽灯的书写台灯下看书，桌面照度平均为200300 lx；月光下的照度只有几个1x。,9/24/2024,44,照度可以直接相加如果房间里有4盏灯，它们对桌面上A点的照度分别为E,l,、E,2,、E,3,、E,4,则A点总照度等于各个照度值之和，写成通用的表达式就是,E=,E,i,lx（13）,9/24/2024,45,四、发光强度和照度的关系,一个点光源在被照面上形成的照度，可以从发光强度和照度这两个基本量之间的关系求出。,图78表示表面A,1,、A,2,、 A,3,距点光源O的距离分别为r、2r、3r，它们在点光源处形成的立体角相同，则表面A,1,、A,2,、 A,3,的面积比为它们距光源的距离平方比，即1：4：9。,9/24/2024,46,r 2r 3r,O,A,1,A,2,A,3,图78 点光源形成照度的概念,9/24/2024,47,设光源O在这三个表面方向的发光强度不变，即单位立体角的光通量不变，则落在这三个表面的光通量相同，由于它们的面积不同，故落在其上的光通量密度也不同，即照度是随它们的面积而变，由此可推出发光强度和照度的一般关系。由于,表面的照度为,E,/A 。,而,I,(其中A/r,2,),将其代入，则得：,EI/r,2,9/24/2024,48,上式表明，某表面的照度与点光源在这方向的发光强度成正比，与它至光源距离的平方成反比。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,。,以上所讲的是指光线垂直入射到被照表面，即入射角为0的情况。当入射角不等于0，如图79示的情况。这时，表面A,1,的法线与入射光线成,角，而表面A,2,的法线与光线重合，这样表面A,1,和表面A,2,间的夹角为。,则,9/24/2024,49,A,1,A,2,图79 不同平面上形成的照度,9/24/2024,50,A,1,A,2,/ cos,而A,1,和A,2,所接受的光通量相同，它们在点光源处形成的立体角相同，则可改写为：,EI,cos,/r,2,这就是表述点光源在任何表面上形成的照度普遍公式。,9/24/2024,51,【例3】如图所示，在绘图桌上方悬挂了一个40W的白炽灯，求灯下桌面点1和点2处照度。,图710 点光源在绘图 桌上的照度,9/24/2024,52,【解】设该白炽灯下方的发光强度为30cd（视为点光源时3504），,按式,EI,cos,/r,2,E,1,I,cos,/r,1,2,30cos30,o,/2,2,6.5 lx,E,2,I,cos0,o,/r,2,2,301/(r,1,cos30,o,),2,10 lx,同样的方法计算书上的例题73。,9/24/2024,53,五、亮度(luminance),光源或受照物体反射的光线进入眼睛，在视网膜上成象，使我们能够识别它的形状和阴暗。视觉上的明暗知觉取决于进入眼睛的光通量在视网膜物象上的密度物象的照度。这说明，确定物体的阴暗要考虑两个因素：,9/24/2024,54,物体（光源或受照体）在指定方向上的投影面积这决定物象的大小；,物体在该方向上的发光强度这决定物象上的光通量密度。,根据这两个条件，我们可以建立一个新的光度量,亮度,。,9/24/2024,55,应当注意，光亮度常常是各方向不同，所以在谈到一点或一个有限表面的光亮度时需要指明方向。,光亮度是一单元表面在某一方向上的光强密度。它等于该方向上的发光强度与此面元在这个方向上的投影面积之商，以符号L表示。,cd/m,2,9/24/2024,56,图711 亮度概念,9/24/2024,57,上面定义的光亮度是一个物理量，它与视觉上对明暗的直观感受还有一定的区别。,例如在白天和夜间看同一盏交通信号灯时，感觉夜晚灯的亮度高得多。这是因为眼睛适应了晚间相当低的环境亮度的缘故。实际上，信号灯的光亮度并没有变化。由于眼睛适应环境亮度，物体明暗在视觉上的直观感受就可能比它的物理光亮度高一些或低一些。,9/24/2024,58,我们把直观看去一个物体表面发光的属性称为“,表观亮度,”（Brightness或 Luminosity），这是一个心理量，没有量纲。它与“光亮度”这一物理量有一定的相关关系。下图是通过大量主观评价获得的实验数据整理出来的亮度感觉曲线。,9/24/2024,59,图712 物理亮度与表观亮度的关系,9/24/2024,60,光亮度简称亮度。它的法定单位是坎德拉每平方米（cd/m,2,）。在照明工程应用中，亮度的单位繁多，常用单位与lcd/m,2,的换算关系如下：,l尼特（nt）lcd/m,2,l阿熙提（asb)1/,cd/m,2,1熙提（sb）10,4,cd/m,2,l朗伯（ L）10,4,/,cd/m,2,l英尺朗伯（fL）3426 cd/m,2,太阳的亮度达210,9,cd/m,2,，白炽灯丝的亮度约为(300500)10,4,cd/m,2,，而普通荧光灯的亮度只有0.2)10,4,cd/m,2,。,9/24/2024,61,【例4】已知40W荧光灯管的长度为，,灯管直径为32mm，它发出2200lm的光通量，求灯管的表面亮度。,【解】设灯管的表面亮度是均匀的，根据灯管的尺寸求出其表面积为：,ADL,由于：I=/2200/4=175(cd),代入公式得：,9/24/2024,62,【例5】已知200W白炽灯发出2920lm的光通量，如外加一个直径为250mm的乳白玻璃球形灯罩，设乳白玻璃的透光系数为,，,求灯罩的表面亮度。,【解】设灯罩的表面亮度是均匀的，根据灯罩的尺寸求出其表面积为：,AD,2,2,0.19635(m,2,),由于：,I=/29200.6/4=139.4(cd),代入公式得：,9/24/2024,63,【例6】如图713，一长条形嵌入式灯具的发光面积为,2,，在45,o,方向上的发光强度I,45,o,600cd，求该方向上的亮度。,【解】根据亮度的定义,0.25m,45,o,I,45,o,图713 例题6图,代入公式,9/24/2024,64,即该灯具按45,o,方向上的亮度为273cd/m,2,。,9/24/2024,65,六、照度和亮度的关系,照度和亮度的关系是指光源亮度和它所形成的照度间的关系。,9/24/2024,66,如图所示，设A为各方向亮度都相同的发光面，在它表面上取一微元面积dA。,由于dA的尺寸和它距离被照面间的距离r相比，显得很小，故可视为点光源。这样，它在被照面上的P点处形成的照度为：,dEI,cos/r,2,(a),图714 照度和亮度的关系,A,dA,r,I,cos,A,2,P,Acos,9/24/2024,67,由亮度和发光强度的关系可得出：,I,L,dA cos (b),将式(b)代入式(a)得出：,dEL,(dA cos cos)/r,2,(c),式中（ dAcos）/r,2,是以P为顶点，由dA所张的立体角d,，故式（c）可写成：,dEL,d,cos,9/24/2024,68,整个发光面A在P点形成的照度为：,EL,d,cos,因光源在各方向的亮度相同，则：,EL,cos,这就是常用的,立体角投影定律,。它表示某一亮度为L,的发光表面在被照面上形成的照度，是这一发光表面的亮度L,与该发光面在被照点上形成的立体角,在被照面的投影(,cos,)的乘积。,9/24/2024,69,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有关，而和该发光表面面积的绝对值无关。,在图中A和Acos,的面积不同，但由于它们在被照面上形成的立体角的投影线条，只要它们在被照面方向的亮度相同，那么，它们在被照面上形成的照度就是一样的。立体角投影定律适用于光源尺寸相对于它与被照点距离较大时。,9/24/2024,70,【例7】在侧墙和屋顶上各有一个1m,2,的窗洞，它们与室内桌子的相对位置见图，设通过窗洞看见的天空亮度为1sb，,试分别求出各窗洞在桌面上计算点P形成的照度（设桌面与窗台等高）。,例7图 窗洞和计算点位置及尺寸,9/24/2024,71,【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为1sb，即10,4,cd/m,2,。,按立体角投影定律：,EL,cos,按侧窗和天窗分别计算出它们在计算点P上的照度,侧窗时：,1,cos/r,2,9/24/2024,72,天窗时：,9/24/2024,73,【例8】 已知某客厅的面积为,2,，该厅天花高为，正中装有面积为,2,、亮度为110,3,cd/m,2,的槽灯，试求槽灯的正下方及四个墙角处的照度。,【解】：根据题意，本题只需求出客厅地面正中以及任意一墙角处的照度即可，其尺寸如图所示。,9/24/2024,74,例8 图,9/24/2024,75,按立体角投影定律分别计算如下：,（1）计算客厅正中点B的照度，该点离发光面中心点为,m，,又由于它正对着发光面，因此0，0，所以：,9/24/2024,76,(2)计算客厅墙角处点C的照度，如图所示，该点到发光面中心的距离为：,由于被照面与发光面互相平行，所以（,如图所示），下面计算cos值：,9/24/2024,77,将各值代入立体角投影定律得墙角处的照度,E,c,为：,9/24/2024,78,本例计算结果表明，地面正中点的照度与墙角的照度相差7倍多，就造成正中点的照度很高（222lx）,而墙角的照度又很低（27lx），这是很不合理的。这里说明照明设计中的一个很重要的问题，就是进行大房间的工作照明设计时必须合理增加灯数，从而使房间各处的照度保持均匀否则就是一个不好的工作照明设计。,9/24/2024,79,【例9】,已知某房间的面积为,2,，该厅天花高为，,在左墙正中上方装有面积为1m,2,、亮度为0.1210,4,cd/m,2,的发光平面（如图所示），又知该房间的工作面离地面。,如不考虑天花板及其它各墙面的反射，试求房间正中处在工作面上的一点B的照度。,9/24/2024,80,例9 图,9/24/2024,81,【解】如图所示，本题发光面的中心点A到地面的距离为，B点离地面高，A、B两点的高度差为。,按立体角投影定律分别计算如下：,9/24/2024,82,将各值代入公式得房间正中处在工作面（水平面）上的一点B的照度：,9/24/2024,83,第三节 材料的光学性质,借助于材料表面反射的光或材料本身透过的光，人眼才能看见周围环境中的人和物。也可以说，光环境就是由各种反射与透射光的材料构成的。,光在均匀介质中沿直线传播，它在空气中的传播速度接近310,8,米/秒（30万公里/秒）。,9/24/2024,84,表1-2光速与折射指数,介质种类 光速 m/s 折射指数,真空 2.99792,10,8,1.00000,空气 2.99704,10,8,1.00293,水 2.24900,10,8,1.33300,玻璃 1.98210,10,8,1.51250,9/24/2024,85,光在介质中的传播,光在传播过程中遇到新的介质时，会发生反射、透射与吸收现象。一部分光通量被介质表面反射,，一部分透过介质,。余下的一部分则被介质吸收,，根据能量守恒定律，入射光通量（,i,）应等于上述三部分光通量之和：,i,lm（ 78）,9/24/2024,86,图715 光的反射、透射和吸收,9/24/2024,87,反射系数 透射系数 吸收系数,将反射光通量与入射光通量之商，定义为反射比（反射系数），以,表示：, ,/ ,i,透射光通量与入射光通量之商，定义为透射比（透射系数），以,表示：,/,i,被吸收的光通量与入射光通量之商，定义为吸收比（吸收系数），以,表示：,/ ,i,1,9/24/2024,88,从照明角度来看，反射比或透射比高的材料才有使用价值。,P139表7-2、表7-3列有照明工程常用材料的,和,可供比较参考除了定量的分析以外，还要深入了解各种材料反射光或透射光的分布模式，以求在光环境设计中正确运用每种材料的不同控光性能，获得预期的照明效果。,9/24/2024,89,一、反射,辐射由一个表面返回，组成辐射的单色分量的频率没有变化，这种现象叫做反射。反射光的强弱与分布型式取决于材料表面的性质，也同光的入射方向有关。例如，垂直入射到透明玻璃板上的光线约有8%的反射比；加大入射角度，反射比也随之增大，最后会产生全反射。,反射光的分布型式有规则反射与扩散反射两大类。扩散反射又可细分为定向扩散反射、漫反射、混合反射等。,9/24/2024,90,1规则反射,2定向扩散反射,3漫反射,4、混合反射,9/24/2024,91,1规则反射,规则反射也叫镜面反射，其特征是光线经过反射之后仍按一定的方向传播，立体角没有变化。,规则反射的规律为：,入射光线与反射光线以及反射表面的法线同处于一个平面内；,入射光与反射光分居法线两侧，入射角等于反射角（图716)。,9/24/2024,92,2、定向扩散反射,扩散反射保留了规则反射的某些特性，即在产生规则反射的方向上，反射光最强，但是反射光束被“扩散”到较宽的范围（图7-16b），,9/24/2024,93,图716 反射光的分布型式a,规则反射； b定向扩散反射；c混合反射； d均匀漫反射,9/24/2024,94,3、漫反射,漫反射的特点是反射光的分布与入射光方向无关，在宏观上没有规则反射，反射光不规则地分布在所有方向上。（图716c）。,9/24/2024,95,若反射光的光强分布与入射光的方向无关，而且正好是切于入射光线与反射表面交点的一个圆球，这种漫反射称为均匀漫反射（图 717）。其反射光的最大发光强度在垂直于表面的法线方向，其余方向的光强同最大光强有以下关系：,I,I,o,cos,cd,9/24/2024,96,式中： I,-,反射光与表面法线夹角为,方向的光强， cd；,I,o,-反射光在反射表面法线方向的最大光强，cd。,9/24/2024,97,图717 均匀漫反射材料的光强,分布与亮度分布,9/24/2024,98,4、混合反射,多数的材料表面兼有规则反射和漫反射的特性，这称为混合反射。光亮的搪瓷表面呈现漫反射与镜面反射结合的特性。在漫反射表面涂一层薄的透明清漆，当光入射角很小时，近似没反射；入射角加大，约有515的入射光为镜面反射；入射角很大时，则完全是镜面反射,9/24/2024,99,光线通过介质，组成光线的单色分量频率不变，这种现象称为透射。玻璃、晶体、某些塑料、纺织品、水等都是透光材料，能透过大部分入射光。材料的透光性能不仅取决于它的分子结构，还同它的厚度有关。非常厚的玻璃或水将是不透明的，而一张极薄的金属膜或许是透光的，至少可以是半透光的。,二、透射,9/24/2024,100,材料透射光的分布型式也可分为规则透射、定向扩散透射、漫透射和混合透射四种（见图7-18）。,透明材料属于,规则透射,，在入射光的背侧，光源与物象清晰可见。,磨砂玻璃为典型的,定向扩散透射,，在背光的一侧仅能看见光源模糊的影象。,9/24/2024,101,乳白玻璃具有,均匀漫透射,的特性，整个透光面亮度均匀，完全看不见背侧的光源和物象，在透明玻璃上均匀地喷一层薄的白漆，其透光性能则近于,混合透射,。如将白炽灯放在这种玻璃的一侧，由另一侧看去，漫透射形成的表面亮度相当均匀，同时灯丝的象也历历在目。,9/24/2024,102,图718 透射光的分布,a规则透射； b定向扩散透射；,c漫透射； d均匀漫透射,9/24/2024,103,图719 均匀扩散反射和透射,图720定向扩散反射和透射,9/24/2024,104,三、折射,光在透明介质中传播，当从密度小的介质进入密度大的介质时，光速减慢；反之，光速加快。由于光速的变化而造成光线方向的改变，这就是折射。光的折射规律是：,入射线、折射线与分界面的法线同处于一个平面内，且分居于法线的两侧；,入射角正弦和折射角正弦的比值，对确定的两种介质来说，是一个常数。,9/24/2024,105,上式也可以写成n,1,sin in,2, sin,式中：n,1,第一种介质的折射率；,n,2,第二种介质的折射率；,i入射角；,折射角（见图721） 。,9/24/2024,106,图721 光的折射,a光通过平行表面的折射；,b光通过三角形棱镜的折射,9/24/2024,107,由上式可以看出，光线通过两种介质的界面时，在折射率大的一侧，光线与法线的夹角较小。利用折射能改变光线方向的原理制成的折光玻璃砖、各种棱镜灯罩，能精确地控制光的分布。,9/24/2024,108,此外，当一束白光通过折射棱镜时，由于组成白光的单色光频率不同，则因折射而分离成各种颜色，这称为色散。有金属镀膜的磨光棱镜玻璃灯饰部件。就是因为色散而呈现出五光十色，装饰效果华丽夺目。（图7-21b）,9/24/2024,109,第四节 视度及其影响因素,观看物体的清除程度称为视度，它受下列5个因素的影响：,1、亮度阈限,2、物体的相对尺寸,3、对比,4、识别时间,5、避免眩光,9/24/2024,110,对于在眼中长时间出现的大目标，视觉阈限亮度为10,-6,cdm,2,。在呈现时间少于秒，视角不超过1的条件下，其视觉阈限值遵守里科定律，即,亮度面积常数,。也遵守邦森罗斯科定律，即亮度时间常数这就是说，目标越小，或呈现时间越短，越需要更高的亮度才能引起视知觉。,一、亮度阈限,9/24/2024,111,视觉可以忍受的亮度上限约为10,6,cd/m,2,。超过这个数值，视网膜就会因辐射过强而受到损伤。实际上，我们日常看到的自然景物亮度差别一般是在1：1000以内。即使如此，人眼对光的适应范围也远比能够忍受的温度变化大的多。,9/24/2024,112,二、 物件的相对尺寸,人凭借视觉器官辨认目标或细节的敏锐程度，叫视觉敏脱度，医学上也叫视力。一个人能分辨的细节愈小，他的视觉敏锐度就愈高。在数量上，视觉敏锐度等于刚能分辨的视角的倒数，即:,V=1/,min,9/24/2024,113,物体大小（或其中某细节的大小）对眼睛形成的张角，叫做视角。在图24中，d代表目标大小。l是由眼睛角膜到该目标的距离，视角,用下式计算：,9/24/2024,114,图7-22视角的定义,L,d,9/24/2024,115,当,较小时，用近似公式：,=d/l (弧度),通常用“分”为单位表示视角大小，于是：,=180/60d/l=3440d/l （,分 or ）,眼睛分辨细节的能力主要是中心视野的功能，这一能力因人而异。医学上常用兰道尔环或“E”形视标检验人的视力。它们在横向与纵向都由5个细节单位构成（5d）。,9/24/2024,116,如一人在5m远的距离看视力表上的视标，当d时，视角恰好是1分。能分辨1分的视标缺口，视力等于1，说明此人的视力正常；如果仅能分分辨2分的缺口，则视力等于1/2，即。,视角视觉敏锐度随背景亮度、对比、细节呈现时间、眼睛的适应状况等因素而变化。在呈现时间不变的条件下，提高背景亮度或加强亮度对比，都能改善时间敏锐度，看清视角更小的物体或细节。,9/24/2024,117,图7-23检验视力用的视标,9/24/2024,118,三、对比,式中；L,o,目标亮度，一般面积较小的为目标，cd/m,2,；,L,b,背景亮度，面积较大的部位做背景，cd/m,2,。,1、亮度对比：是视野中目标和背景的亮度差与背景（或目标）亮度之比，符号为C，即,9/24/2024,119,对于均匀照明的无光泽的背景和目标（均匀漫反射材料），亮度对比可用反射比表示：,式中：,o,目标反射比；,b,背景反射比。,9/24/2024,120,四、识别时间,眼睛观看物体时，满足：,亮度时间常数,此外，从明处到暗处的适应时间称为“,暗适应,”，从暗到明的适应时间称为“,明适应,”，适应过程如下图。,设计时，当出现环境亮度变化过大的情况时，应考虑在其间设置必要的过渡空间。,在需要人眼变动注视方向的工作场所，环境亮度宜设置均匀。,9/24/2024,121,图724 眼睛的适应过程,9/24/2024,122,五、避免眩光,眩光在视野中由于不适宜亮度分布，或在空间或时间上存在着极端的亮度对比，以致引起视觉不舒适和降低物体可见度的视觉条件。,根据眩光对视觉的影响程度，可分为：,失能眩光：,降低视觉功效和可见度的眩光,眩光,不舒适眩光：,只有不舒适感觉的眩光,9/24/2024,123,从形成眩光的过程来分：,直接眩光：,由视野中的高亮度或未曾充分遮蔽的光源所产生。可避开,眩光,反射眩光：,由视野中的光泽表面的反射所产生。不可避开,9/24/2024,124,控制直接眩光的措施：,（1）限制光源亮度,当光源亮度超过16sb时，不管亮度对比如何，均会产生严重的眩光现象。在这种情况下，应考虑采用半透明材料(如乳白玻璃灯罩)或不透明材料将光源挡住，降低其亮度，减少眩光影响程度。,9/24/2024,125,(2)增加眩光源的背景亮度，减少二者之间的亮度对比。,当视野内出现明显的亮度对比就会产生眩光，其中最重要的是工作对象和它直接相邻的背景间的亮度对比，如书和桌面的亮度对比，深色的桌面(光反射比为0.07)与白纸(光反射比为左右)形成的亮度对比常大于10，这样就会形成一个不舒适的视觉环境。如将桌面漆成浅色，减小了桌面与白纸之间的亮度对比，就会有利于视觉工作，可减少视力疲劳。,9/24/2024,126,(3)减小形成眩光的光源视看面积，,即减小眩光源对观测者眼睛形成的立体角。如将灯具作成橄榄形(见图725)，减少直接眩光的影响。,图725 橄榄形灯具示意,9/24/2024,127,(4)尽可能增大眩光源的仰角。,当眩光源的仰角小于27时，眩光影响就很显著；而当眩光源的仰角大于45时，眩光影响就大大减少了(见图726)。通常可以提高灯的悬挂高度来增大仰角，但要受到房间层高的限制，而且把灯提得过高对工作面照明也不利，故有时用不透明材料将眩光源挡住更为有,利。,9/24/2024,128,图726 不同角度的眩光感觉,9/24/2024,129,控制反射眩光的措施：,(1)尽量使视觉作业的表面为无光泽表面，以减弱镜面反射而形成的反射眩光；,(2)应使视觉作业避开和远离照明光源同人眼形成的镜面反射区域；,(3)使用发光表面面积大、亮度低的光源；,(4)使引起镜面反射的光源形成的照度在总照度中所占比例减少，从而减少反射眩光,的影响。,9/24/2024,130,第五节 颜色,颜色同光一样，是构成光环境的要素。颜色设计需要运用物理学、心理学及美学等多方面的规律。本节主要讨论颜色的基本特性、表色系统及规定色表与显色性能的方法。这些是颜色科学的基础。,9/24/2024,131,一、颜色的基本特,性,二、颜色的定量,三、光源颜色,9/24/2024,132,一、颜色的基本特性,l、颜色的形成,颜色来源于光。可见光包含的不同波长的单色辐射在视觉上反映出不同的颜色。表14是各种颜色的波长和光谱的范围。在两个相邻颜色范围的过渡区，人眼还能看到各种中间颜色。人眼这种具有感知颜色的能力，称为色觉。,9/24/2024,133,光谱颜色中心波长及范围,9/24/2024,134,上述把颜色分为段是一种习惯的方法，但较粗略。实际上在整个可见光光谱范围内，光的颜色是连续过渡的。颜色的数量可以说是无穷的。,一个光源发出的光经常是由许多不同波长单色辐射组成的，每个波长的辐射功率也不一样。,9/24/2024,135,光源的各单色辐射功率，按波长的相关分布称作光源的,光谱功率分布,（或称光谱能量分布），它决定着光的色表和显色性能。图727是昼光、白炽灯和荧光灯三种光源的相对光谱功率分布曲线。,9/24/2024,136,图727 不同光源的光谱功率分布,1日光；2晴天天空光；,3白炽灯；4日光色荧光灯,9/24/2024,137,物体色是物体对光源的光谱辐射有选择地反射或透射对人眼所产生的感觉。例如，用白光照射某一表面，它吸收白光包含的绿光和蓝光，反射红光，这一表面就呈红色。若用蓝光照射同一表面，它将呈现黑色，因为光源中没有红光成分。反之，若用红光照射该表面，它将呈现出鲜艳的红色。,9/24/2024,138,上述例子说明，物体色决定于物体表面的光谱反射率，同时，光源的光谱组成对于显色也是至关重要的。,9/24/2024,139,2、颜色分类和属性,颜色：,有彩色 无彩色,任何一种有彩色的表观颜色，都可以按照三个独立的主观属性分类描述，这就是：,色调,（hue）（也称色相）,明度,（lightness）,彩度,（chroma）（也叫饱和度）。,9/24/2024,140,色调是各彩色彼此区分的特性。可见光谱不同波长的辐射，在视觉上表现为各种色调。,明度是指颜色相对明暗的特性。彩色光的亮度愈高，人眼愈感觉明亮，它的明度就愈高。,彩度指的是彩色的纯洁性。可见光谱的各种单色光彩度最高。,9/24/2024,141,无彩色指白色、黑色和中间深浅不同的灰色，它们只有明度的变化，没有色调和彩度的区别，如图728所示。它的一端是光反射比为1的理想的完全反射体纯白，另一端是光反射比为0的无反射体纯黑。,白 浅灰 中灰 深灰 黑,图728,白黑系列,9/24/2024,142,实际生活中，光反射比最高的氧化镁等只是接近纯白，约为98；光反射比最低的黑丝绒等只是接近纯黑，约为2。,当物体表面的光反射比都在8090以上时，该物体为白色；当物体表面的光反射比均在4以下时，该物体为黑色，如图728。,9/24/2024,143,3颜色混合,人眼能够感知和辨认的每一种颜色都能用红、绿、蓝三种颜色匹配出来。但是，这三种颜色中无论哪一种都不能由其它两种颜色混合产生。因此，在色度学中将红（700nm）、绿（546.1nm)、蓝（435.8nm)称为三原色。,9/24/2024,144,颜色混合可以是颜色光的混合，也可以是物体色（颜料）的混合，这两种混合所得结果不同。上面所说的是光的混合，这是一种相加混合。,9/24/2024,145,颜色相加混合规律,（1）凡两种颜色按适当比例混合能产生白色或灰色，这两种颜色称为互补色，如黄和篮、红和青、绿和品红等。,（2）非互补色的任何两种颜色混合，可以产生中间色。色相决定两种颜色的相对比例，偏向于比重大的颜色。,9/24/2024,146,（3）表观颜色相同的光，不管其光谱组成是否相同，在颜色相加混合中具有同样的效果。例如颜色A=颜色B，颜色C=颜色D，那么,颜色 A十颜色 C颜色B十颜色 D,（4）由几个颜色光组成的混合色的亮度，是各颜色光亮度的总和。,颜色的相加混合应用于不同类型光源的混光照明，舞台照明，彩色电视机的颜色合成等方面。,9/24/2024,147,彩色涂料的混合（相减混合）,不同颜色滤光片的组合，与上述相加混合不同，它们是相减混合。,9/24/2024,148,彩色涂料对于光的选择反射是颜色相减的过程。深红色的颜料吸收了自光中大量的蓝和绿，只反射红色，也就是它从入射光中减掉了篮和绿。同样的道理可以说明一块黄色的滤光片由于减掉了蓝色，透过红色和绿色，红光和绿光混合而是黄色（图729）。,9/24/2024,149,图7-29,颜料与彩色滤光片的减色原理,9/24/2024,150,颜色的三原色：青、品红和黄,在颜色减法混合中应用的三个减法原色，分别是加法三原色红、绿、蓝的补色，即青、品红和黄（图730）。,9/24/2024,151,青色吸收光谱中红色部分，透过或反射其他波长辐射，称为“减红”原色，是控制红色用的。”减红”原色印在白纸上用白光照射时是蓝绿色，即青色。,品红为“减绿”原色，是控制绿色的；印在白纸上为红紫色，称为品红。,黄为“减蓝”原色印在白纸上呈黄色，用来控制蓝色。,9/24/2024,152,图730 彩色的原色与中间色,a,相加混合（光）； b相减混合（物体色）,9/24/2024,153,当两种颜料混合或两个滤光片重合时，有重叠相减的效果，并且相减混合得到的颜色总要比原有的颜色暗一些。,例如，将黄色滤光片与青色滤光片重合，由于黄片减蓝，青片减红，重叠相减只透过绿色。同样，品红和黄色颜料混合，因品红减绿，黄色减蓝而呈红色。将品红、黄、青三种减法原色混在一起，所有彩色全被减掉而呈现黑色。,9/24/2024,154,二、颜色的定量,日常我们习惯用自然界的景物来描述颜色，如桃红、苹果绿、土黄、孔雀蓝等等。这种叫法不能正确地表达颜色特征和说明颜色之间的细微差别。随着科学的进步，色彩工程技术方面得到广泛应用。为了精确地规定颜色，不但要定性，而且要建立定量的表色系统。,9/24/2024,155,目前国际上使用较普遍的表色系统，有孟塞尔表色系统及CIE1931标准色度系统。它们不但用符号和数字规定了千、万个颜色品种，而且在不同程度上揭示了颜色形成和组合的科学规律。,9/24/2024,156,1CIE1931标准色度系统,这一系统的特点是用严格的数学方法来计算和规定颜色。使用这一系统，任何一种颜色都能用两个色坐标在色度图上表示出来。,9/24/2024,157,CIE 1931年推荐的“CIE标准色度系统”是以两个事实为根据:,第一，任何一种光的颜色都能用红、绿、蓝三原色的光匹配出来；,第二，大多数人具有非常相似的颜色视觉。,基于上述事实，CIE根据2视场观察条件下光谱色匹配的实验结果，规定了标准色度观测者的三条相对光谱灵敏度曲线（图731）。,9/24/2024,158,图731 CIE1931标准色度观察者三刺激值,1-24,9/24/2024,159,这3条曲线也叫“CIE1931标准色度观察者光谱三刺激值”，以符号x()、y()、z()表示。它们分别代表匹配各波长纯光谱色所需要的红、绿、蓝三原色的量。若想获得某一波长（）的光谱，可从曲线或数表中查得相应的x()、y()、z(),三刺激值，按x()、y()、z()数量的红、绿、蓝设想原色相加，便能得到该光谱色。,9/24/2024,160,根据CIE1931标准色度观察者三刺激值，我们可以进一步求出匹配任何一种光源色的颜色三刺激值，它们分别以X、Y、Z表示，有,X=k(,)x(),Y=k(,)y(),Z=k(,)z(),9/24/2024,161,X、Y、Z某光源色三刺激值,(,),波长间隔为,的光通量，,x()、y()、z(),CIE标准色度观察者光谱三刺激值。,k 调整因数，它是一个任意常数。,9/24/2024,162,在CIE1931标准色度系统中，颜色的色坐标分别是每一刺激值在三刺激值总和中所占的比例，以x、y、z表示。于是,9/24/2024,163,显然，xyz1,因此，通常只要给出两个坐标值就够了。,物体色也可以按照上过程序和公式求出色坐标，但计算时必须先选择一种光源或选一种标准照明体，因为在不同照明条件下，物体色会发生变化，色坐标也就有所不同。此外，还需要知道物体的光谱反射比，或光谱透射比（用于透光材料），或物体的辐亮度因数（用于光泽表面）。计算物体色三刺激值时，其(,)按下式计算：,9/24/2024,164,其中的s（,）是所选光源或照明体的相对光谱功率分布。,9/24/2024,165,如果每种颜色都能用两个坐标表示，那么，所有的颜色都可以体现在一张平面图上。,CIE1931色度图（或称色品图）就是这样一张直角坐标图（图732）。,9/24/2024,166,图732 CIE1931色度图,9/24/2024,167,x色坐标相当于红原色的比例，,y色坐标相当于绿原色的比例,图上的马蹄形曲线是单一波长的光谱色轨迹，标注了相应的波长。,连接400nm与700nm的由紫到红的直线是光谱上没有的颜色。,凡物理上能够实现的颜色，都在这个马蹄形内占有位置。,9/24/2024,168,色度图的中心E点是等能白光，由三原色各13组成，其色坐标为,x,e,= y,e,= z,e,在色度图上，一种颜色的坐标点距光谱轨迹愈近，距E点愈远，它的彩度愈高，颜色愈纯；反之，距E点愈近，彩度愈低，颜色愈淡。,9/24/2024,169,将颜色坐标点与E点连直线并延长至光谱轨迹上其交点即这种颜色的主波长，由主波长可以判断出它的色相此外，通过E点画任一直线与曲线得两支点，两点指示的颜色为互补色。,9/24/2024,170,可以看到，CIE1931标准色度系统比益塞尔表色系统的用途要广泛得多它不但能标定光源色，还能标定物体色，而且通过色度计算能预测两种颜色混合，或光源改变后物体呈现的颜色，这一系统还为颜色的物理测量奠定了基础。,9/24/2024,171,2、孟塞尔表色系统,孟塞尔（AHMunsell）,创立的表色系统按颜色的三个基本属性：色调（符号H），明度（V）和彩度（C）对颜色进行分类与标定它是目前国际通用的物体色表色系统。,9/24/2024,172,可以用一个颜色立体图来说明这一表色系统，见图733。中央轴代表无彩色（中性色）明度等级，理想白色为10，理想黑色为0，共有感觉上等距离的11个等级。颜色样品离开中央轴的水平距离，代表彩度的变化。中央轴上的彩度为0，离开中央轴愈远，彩度愈大。,9/24/2024,173,孟塞尔颜色立体图,图733 孟塞尔颜色立体图,9/24/2024,174,颜色的表示方法,孟塞尔表色系统对一种颜