建筑光学的基本知识

dE L d cosi
第二节、基本光度单位及应用
六、照度与亮度的关系
锥体细胞————
————杆体细胞
锥体细胞和杆体细胞示意图
第一节、眼睛与视觉
一、人眼的构造

锥体（状)感光细胞——分布在眼中心部位，灵敏度差，但 可感觉颜色（眼中有红、绿、蓝感光色素）。 杆体（状)感光细胞——分布在眼中心的四周，灵敏度高， 无颜色感觉。
人眼——一种可见光的接收器，人类在进化过程中人眼已经 适应了太阳光。
方向的微元的投影面积 之比。 亮度的符号为L， 其计算公式为：
dI L dA cos
亮度概念
第二节、基本光度单位及应用
五、亮度 当角α方向上光束截面A的发光强度Iα均相等时，角α方向的 亮度为：
I L A cos
由于物体表面亮度在各个方向不一定相同，因此常在亮度符 号的右下角注明角度，它表示与表面法线成α角方向上的亮度。 亮度的常用单位为坎德拉每平方米（cd／m2），它等于1平米表 面上，沿法线方向（α＝0º ）发出 1 坎德拉的发光强度，即：
第二节、基本光度单位及应用
一、光通量
【例3-1】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 ，试计算其发出的光通量。 【解】 根据明视觉（实线）光谱光视效率曲线中或从附录4的V（λ）中可查出， 对应于波长589nm的V（λ）＝0.769，则该单色光源发出的光通量为： 589=683×10.3×0.769≈5410 lm 由于光通量单位：光瓦太大了，如40瓦白炽灯约发出0.5光瓦。故常用 流明，lm。 在国际上： 明视觉时，1光瓦= 683 lm； 暗视觉时，1光瓦= 1700 lm 。 例： 40瓦荧光灯可发出约2000 lm(约2.93光瓦)， 100瓦白炽灯可发出约1250 lm(约1.83光瓦）。
晴天中午 8~12万lx
月夜 0.2lx
第二节、基本光度单位及应用
四、发光强度与照度的关系 发光强度 光通量空间密度 照度 光通量被照面密度
d I d
d I d
d E dA
余弦定律
I cos i E 2 R
dA cos i d R2
I d E dA
第二节、基本光度单位及应用
1cd 1cd / m 2 1m
2
第二节、基本光度单位及应用
五、亮度 有时用另一较大单位熙提（符号为sb），它表示1cm2 面积上发出1cd时的亮度单位。很明显 1 sb(熙提）= 104cd／m2； 1 asb(阿熙提）= 1/ cd／m2； 常见的一些物体亮度值如下： 白炽灯灯丝 荧光灯管表面 太阳 无云蓝天（视距太阳位置的角 距离不同，其亮度也不同）
即：
1lm 1cd 1sr
当光通量分布均匀时：
1 坎德拉 = 1流明 / 1 球面度
I
第二节、基本光度单位及应用
二、发光强度
立体角——任意一个封闭圆锥面内所包含的空间。公式为： dA cos d R2
式中：——立体角轴与被研究面法线之间的夹角。
因为球半径R垂直于球表面，所以等于0°，故cos 等于1。因此， 对于球表面和球心来说： = A / R2
300 ～500 sb 0.8 ～0.9 sb 200,000 sb
0.2 ～2.0 sb
第二节、基本光度单位及应用
五、亮度
表观 亮度 与物 理亮 度区 别与 联系
上图中三角形1和2的物理亮度相同，但看上去三角形1比2亮。亮度反映了 物体表面的物理特性；而我们主观所感受到的物体明亮程度，除了与物体表 面亮度有关外，还与我们所处环境的明暗程度有关。 又例如：同一只路灯晚上开着比白天亮；但在一般情况下，路灯本身的 亮度不变，即物理亮度（反映了物体本身的表面物理特性）不变；但观看时 表观亮度（与环境明暗有关的亮度）却改变了。
建筑物理概论
建工学院建筑系 栾蓉
第三章、建筑光学的基本知识
Toward
1 2
概
述
第一节 眼睛与视觉 第二节 基本光度单位及应用
3
4 5
第三节 材料的光学性质
第四节 可见度及其影响因素
概
光——是能量 的一种形式， 或说光是一种 电磁辐射能。
述
780 nm
nm——纳米 1nm = 10-9 m
380 nm
一、光通量 为了比较任意两个灯发出的可见光多少时，由于光谱光视效 率随波长分布不同，那么不能直接用辐射通量（瓦）多少比较， 只能化成相当于多少555nm标准光通量进行比较。 因为 V(λ)=eλm/eλ ， 所以 eλm= eλ×V(λ), 把eλm称为光通量，简写成λ 。 光通量——在单位时间内人眼感觉光辐射能量的大小。
第一节、眼睛与视觉
一、人眼的构造
类似于
第一节、眼睛与视觉
一、人眼的构造
瞳孔——起照相机中的光圈作用——能控制进光量。 水晶体——起照相机的透镜作用，但它具有自动聚焦功能。 视网膜——类似于照相机中的胶卷——能对光线产生反应。 感光细胞——分为锥体（状)感光细胞和杆体（状)感光细胞； 2002年发现了神经节感光细胞——第三种感光细胞——控制昼 夜节律、强度和瞳孔大小等。
1lm 1lx 1m 2
照度的英制单位为英尺烛光 （fc），由于 1平方米＝10.76平方英尺 所以 1fc＝l0.76 lx。
照度单位
第二节、基本光度单位及应用
三、照度 【例3-3】直径为100cm的圆面上均匀落下100lm的光通量，求 这圆面上的各点照度。 【解】 E= /A= /R2=100/ (×0.52) =127 lx 【例】灯正下方1米： 40W白炽灯 40W荧光灯 30lx 200lx
点光源在桌面上形成的照度
第二节、基本光度单位及应用
五、亮度
黑色物体和白色物体的视觉感 （a）黑色物体 （b）白色物体
在上图中，虽然两张图片上的照度相同，但明暗的感觉不 同，故采用一个新的量——亮度来评价这一现象。
第二节、基本光度单位及应用
五、亮度 亮度——在给定方 向上发光面微元的发光
强度和垂直于给定视线
照度和亮度的关系
第二节、基本光度单位及应用
六、照度与亮度的关系
dI L dA cos
dI cos i dE 2 R
立体 角投 影定 律
dI L dA cos
dA cos d R2 dA cos dE L cos i 2 R
均匀
Fra Baidu bibliotek
E L cosi
四、发光强度与照度的关系
I cos i E 2 R
余弦定律
当光垂直入射时，即i=0°时，某表面的照度E与点光源在
这方向的发光强度Iα 成正比，还与光源的距离R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：
I E 2 R
距离平方反比定律
第二节、基本光度单位及应用
2 2
中间视觉：视网膜的锥体感光细胞和杆体感光细胞同时起作用，而且
它们随着正常人眼的适应水平变化而发挥的作用大小不同（介于明视 觉和暗视觉之间的视觉）。
注：本处仅介绍明视觉情况。
第一节、眼睛与视觉
二、人眼的视觉特点
3）光谱光视效率
在明视觉条件下： 在国际上，把人眼对
555nm感觉量定为1。
通过实验确定其他波 长在视感觉相同时需要


第一节、眼睛与视觉
一、人眼的构造

太阳、大气层、地球示意图
第一节、眼睛与视觉
一、人眼的构造 太阳光——经过大气层——射到地面； 地面上光辐射强度在500nm附近最大，人眼最敏感的 光的波长； 明视觉——明亮的环境下，如白天，555nm（黄绿光）； 暗视觉——暗环境下，如晚上不开灯， 507nm（绿色光）。
思考题：
1、从人眼的构造上看，人眼的功能在哪些方面与照相机类似？
第二节、基本光度单位及应用
一、光通量
光源——表面能辐射光和反射光的物体（太阳、各种灯……)。
设有2个灯均 发出单色光，且辐 射出波长为555nm 和620nm，辐射通 量均为1W，这时 对人的感觉是否一 样？ 结果显然是 不一样的。
第二节、基本光度单位及应用
概
光的作用：
述
1.影响工作效率；
室内光环境
概
述
2.影响心理舒适，身体健康；
室内装饰照明
概
述
3.美化环境，表现建筑艺术；
重庆市朝天门夜景
概
述
4.节能，保护环境； 以上海用电量为例： 年用电量为1400亿 度电，其中照明用电量 为392亿度电（28%）。 如果照明节能50%， 则节约196亿度电，减 少二氧化碳56万吨。
第二节、基本光度单位及应用
五、亮度 【例3-4】有一个乳白色玻璃球形光源，直径为6cm,其轴向光强为 55cd，求轴向亮度。 【解】L0=Iα
55 /（A cosα）= π 0.032
≈ 19452 cd /m2
注意：1.亮度对光源本身的（照度是指被照面）； 2. —辐射角，是光源法线与视线夹角；
三、照度
对于被照面而言，常用在其 单位面积上的光通量多少来衡量 它被照射的程度，这就是常用的 照度，符号为E,它表示被照面上 的光通量密度：
d E dA
均匀时： E

A
台灯下的书位置不同，明暗不同
第二节、基本光度单位及应用
三、照度
照度的常用单位为勒克斯
，符号为lx，1 lx等于1流明的光 通量均匀分布在1平方米的被照 面上。
第一节、眼睛与视觉
二、人眼的视觉特点
视觉就是由进入人眼的辐射所产生的光感觉 而获得的对外界的认识。
1）视看范围（视野），见图。
第一节、眼睛与视觉
二、人眼的视觉特点
2）明、暗视觉
明视觉：在明亮的环境中，主要由视网膜的锥体细胞起作用的视觉 （ 高于几个cd/m 的亮度时的视觉）。 暗视觉：在暗环境中，主要由视网膜的杆体细胞起作用的视觉（低于 百分之几cd/m 的亮度时的视觉）。
第二节、基本光度单位及应用
二、发光强度
加了灯罩后，光通量的空间分布就不同了，灯罩下方可增 大约2倍，为了描述这种现象，采用发光强度概念。
第二节、基本光度单位及应用
二、发光强度
光源在给定方向上的发光强度是 该光源在该方向的立体角元dΩ内传输 的光通量dФ除以该立体角之商
d I d
发光强度的符号为I，单位为坎 德拉，cd，1 cd表示光源在1球面度立 体角内均匀发射出1lm的光通量，即：
立体角的单位：球面度，记为 sr。
1sr=面积等于R2的球表面对球心所张开的立体角。 【例3-2 】一光源在0.5sr立体角内均匀发射出100lm的光通量，求该方向上 的发光强度I。 【解】 I= / = 100lm / 0.5sr= 200cd= 200 坎德拉
第二节、基本光度单位及应用
四、发光强度与照度的关系
【例3-3】 如右图所示，在桌子上方2m 处挂一40W白炽灯，求灯下桌面上点1 处照度E1，及点2处照度E2值（设辐射 角α 在0°～45°内该白炽灯的发光强 度均为30cd）。
【解】因为I0～45=30cd，所以
I 30 E1 2 cos i 2 cos 0o 7.5lx R 2 I 30 E2 2 cos i 2 2 cos 26 o34 ' 5.4lx R 2 1
辐射通量多大才与
555nm相同。
第一节、眼睛与视觉
二、人眼的视觉特点
3）光谱光视效率
光谱光视效率V（λ） 曲线表示在特定光度条件
下产生相同视觉感觉时，
在视亮度匹配实验里，波 长λm和波长λ的单色光辐
射通量的比：
V(λ）=Φe λm/ Φe λ
眼睛与视觉课后复习思考题
复习：
Back
1、明视觉概念
2、光谱光视效率V(λ)
i—被照面法线与视线夹角；
3.单位：面积常取平方米。 在阴天时，天空暗，室内照度小，需开灯；晴天时，天空亮 度大，室内照度大。由此看来，被照面上照度大小与光源本身亮 度大小有关。
第二节、基本光度单位及应用
六、照度与亮度的关系 所谓照度和亮度 的关系，指的是光源亮 度和它所形成的照度之 间的关系。 如右图所示，设 A1为各方向亮度都相同 的发光面，A2为被照面； 在A1上取一微元面积 dA1。
对于明视觉：
d e ( ) Km V ( )d d 0

第二节、基本光度单位及应用
一、光通量 在计算时,光通量常采用下式算得：
Km e, λV ()
式中： Km——最大光谱光视效能，在明视觉时为683 lm／W ；
e, λ——波长为λ的辐射通量,瓦（W）。
光通量表示光源在单位时间内发出光能的多少，类似于单 位时间内水龙头喷水量的大小。