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1、第七讲 建筑光学基本知识,设计空间就是设计光亮。“亮度空间”才是建筑设计作为一种空间视觉 艺术的真正目的，而实体形式的构筑只是一种准 备和前提。路易康,根据考古学者的说法，距今1万五千年，人类把火光单独作为照明加以利用，这一点可以从法国的拉斯科洞窟和西班牙的阿尔塔米拉洞窟中的壁画内容推测得出。这些壁画是在自然光完全照射不到的黑暗洞窟里，如果没有人工照明，壁画完全无法完成。,第一节 建筑光学基本知识,一.概述 1.光环境光是一种电磁辐射能，人类的生活离不开光，人们依靠不同的感觉器官从外界获得各种信息，其中约有来自视觉器官。在生产、工作、学习场所，良好的光环境可以振奋人的精神，提高工作效率和产品质
2、量，保障人身安全和视力健康；在娱乐、休息、公共活动场所，光环境的首要作用，在于创造舒适优雅、活泼生动，或庄重严肃的环境气氛，对人的情绪状态、心理感受产生积极的影响。建筑师的任务之一，就是要为人们创造优良的光环境。,光与空间的和谐统一 “明暗对比是最具表现力和最重要的构图方法之一。”,印象派绘画给光环境设计的启示,建筑设计就是要“截取无所不在的光”。,2.建筑光学主要内容：1.光环境与视觉 2.光与颜色的基本概念 3.空间光环境设计和光环境质量评价4.天然光环境（一）昼光光源与采光5.天然光环境（二）天然光环境设计6.人工光环境（一）电光源与照明装置7.人工光环境（二）人工光环境设计,二.眼睛与
3、视觉 （一）眼睛的构造和视看过程,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，以控制进入眼球的光能数量。2.水晶体 ：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。,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。 4.感光细胞 ：分为锥状细胞和杆状细胞两种，它们处在视网膜 最外层上，接受光刺激。锥状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；杆状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
4、变化的反应缓慢。,（二）人眼的视觉特点 1.颜色感觉在明视觉时，人们对于380nm780nm范围内的电磁波引起不同的颜色感觉。,光谱颜色中心波长及范围,2.光谱光视效率人眼观看同样功率的辐射，在不同波长时感觉到的明亮程度不一样。人眼的这种特性常用光谱光视效率曲线( )来表示。如图，它表示获得相同视觉感觉时，波长 和波长 的单色光辐射通量的比。,m选在视感最大值（明视觉：m=555nm，暗视觉：m=507nm）v()=m/v()光谱光视频率m和波长分别为m、的辐射通量（相同视觉感觉）,3.视野范围受到感光细胞在视网膜上的分布状态以及眼眉、脸颊的影响，人的头部不动时人眼的视看范围为：水平面1800
5、，垂直面1300，上方为600，下方为700。4.明、暗视觉因锥体、杆体细胞起作用的不同，形成了明暗视觉。 明视觉：在明亮环境中，能够辨认很小的细节、颜色，并能适 应亮度变化； 暗视觉：在黑暗环境中，只有明暗感觉而无颜色感觉，也无法分辨物件的细节，对外部变化的适应能力低。,三.基本光度单位和应用 （一）光通量 物理意义：说明光源发光能力的基本量，能量单位。 光通量：人眼对光能量中的有感觉的量。,40瓦荧光灯光通量=2200lm,例:已知钠灯发出波长为589nm的单色光，其辐射通量为10.3W，试计算其发出的光通量。,（二）发光强度 物理意义：表示光源光通量的空间密度 光源向四周辐射光能量，单位
6、立体角内的光通量叫发光强度。,光通量 相同, 发光强度I却不同,（三）照度对于被照面而言，单位面积上的光通量叫照度，用来衡量它被照射的程度。,照度 E,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。,照度,（四）发光强度和照度的关系,上式表明：某表面的照度与光源在这方向的发光强度Ia成正 比，与入射角的i余弦成正比，与距光源的距离r的平方成反比。,例：在距离桌面2.1米处挂一只40w白炽灯，设a在00 ， 450内白 炽灯的发光强度均为30cd，求灯下桌面上1、2两点处的照度。,(五)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
7、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) 1 nt =1 cd/m2，1 sb = 1 cd/cm2 = 104 nt 主观亮度：考虑背景亮度的作用 视网膜只可承受 16 sb以下的亮度！,亮度和照度有何区别？照了不一定亮！,(六)照度和亮度的关系照度和亮度的关系，指的是光源亮度和它所形成的照度 间的关系。,立体角投影定律：表示某一亮度为La的发光表面在被照面上形成的照度值的大小，等于这一发光表面的亮度La与该发光表面在被照点上形成的立体角的投影cosi的乘积。,例：在房间侧
8、墙和屋顶上各开一个1m2的窗洞，它们与室内桌子 的相对位置如图，设通过窗洞看见的天空亮度为104cd/m2，试分 别求出各个窗洞在桌面上形成的照度(桌面与侧窗窗台等高)。,解 ：窗洞可看作发光平面，其亮度等于窗外蓝天的亮度。 侧窗：,天窗：,四.材料的光学性质 (一)材料的反射、吸收、透射系数在光的传播过程中，遇到介质时，会产生反射、吸收、透射现象。,c, = + +c,光通量：p、a、r分别叫反射通量、吸收通量、透射通量。 由能量守恒：= p + a + r P=p/ a=a/ r=r/ 分别叫反光系数、吸收系数、透光系数，可见p+a+r=1,材料可分为两类：一类属于定向的，即光线经过反射和
9、透射、 后分布的立体角没有改变，如镜子和透明玻璃；另一类为扩散 的，这类材料使入射光不同程度地分散在更大的立体角范围内。,常用建筑材料的光反射比和光透射比见表：,（二）定向反射和透射1.定向反射 光线射到表面很光滑的不透明材料上，就出现定向反射现象。定向反射现象符合反射定理，即： 光线入射角等于反射角； 入射光线、反射光线以及反射表面的法线处于同一平面。,2.定向透射 光线射到透明材料上产生定向透射，定向透射经材料的两个表面时符合折射定理。入射线、折射线与分界面的法线同处于一个平面，且分处于法线的两侧；入射角正弦和折射角正弦的比值是一个常数。 即sini/sinr=n2/n1,（三）扩散反射和
10、透射 1.均匀扩散材料a.均匀扩散反射材料：大部分无光泽、粗糙的建筑材料b.均匀扩散透射材料:透过材料看不见光源形象或外界景物，只能看见材料的本色和亮度上的变化，常将它用于灯罩、发光顶棚，以降低光源的亮度。,2.定向扩散材料与入射角相同的反射角 方向上、与入射方向一致透射方向上有最大亮度，其它方向也有一定亮度。,五.视度及其影响因素人们看物体的清楚程度叫着视度。视度受以下因素的影响。,（一）亮度当物体发光或反光时，人们才能看见它。最低亮度阈：人们能看见的最低亮度，10-5cd/m2。若亮度过大，超出眼睛的适应范围，眼睛的灵敏度反而会下 降，当物体亮度超过16X104cd/m2（16sb）时，人
11、们就感到刺眼。,对于人眼视力而言，存在着最佳亮度（照度）。,人们感到满意的照度值,（二）物件尺寸物体尺寸以及眼睛至物件的距离均影响人们观看物件的视 度。物件尺寸d、眼睛至物件的距离l、形成视角a，其关系如下： a=3440d/l(单位:分),（三）亮度对比亮度对比：视野中目标和背景的亮度差与背景亮度之比。符 号为C。 亮度差越大，视度也高。,对于均匀照明的无光泽的背景和目标，亮度对比可用 光反射比表示，即 pt-pb/pb 式中：pt目标光反射比；pb背景光反射比,C=L/Lb=(Lt-Lb)/Lb 式中：Lt目标亮度；Lb背景亮度,条件：识别机率95,视觉功能曲线,曲线表明： 从同一根曲线来
12、看，观看对象在眼睛处形成的视角不变时，若亮度对比下降，则需要增加照度才能保持相同视度。 不同的曲线(表示在不同视角时)，目标愈小(视角愈小)，需要的照度愈高。 天然光(红线)比人工光(蓝线)更有利于视度的提高。但在观看大的目标时，这种差别不明显。,(四)识别时间 亮度时间=常数 (邦森罗斯科定律)明适应：从暗到明的适应时间短，称“明适应”。 暗适应：从明到暗的适应时间长，称“暗适应”。,（五）避免眩光 1.眩光：在视野中由于亮度的分布或范围不适宜，或在空间或 时间上存在着极端的亮度对比，以致引起不舒服和降低物体可 见度的视觉条件。2.眩光分类： 根据眩光对视觉的影响的程度可分为：失能眩光和不舒
13、服眩光。 根据眩光的形成过程，眩光可分为直接眩光和反射眩光： 直接眩光：由视野中高亮度的或未曾充分遮蔽的光源所产生的。 反射眩光：由视野中的光泽表面的反射所产生的，反射眩光往往难以避开。,3.消除或减轻直接眩光的措施：限制光源亮度（增大面积，降低亮度）如加灯罩等。 增加眩光源的背景亮度，减少二者之间的亮度对比。 减少形成眩光的光源的视看面积（即光源对观测者眼睛形成的立体角）。 尽可能增大眩光源的仰角。,4.减少反射眩光的方法：(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。（不可避免的眩光源可想法降低其照度、亮度，）,
