建筑物理第一讲--光环境、视觉与光度量单位.ppt

*,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,*,全篇共分五讲：,第一讲：光环境、视觉与光度量单位,第二讲：颜色的 基本概念与光环境质量评价,第三讲：天然光环境(一)-昼光光源与采光设计,第四讲：人工光环境（一）-人工光源与采光,第五讲：人工光环境（二）-室内环境照明设计,1,第一讲：,光环境、视觉与光度量单位,光是一种电磁辐射能,人类的生活离不开光,2,主讲内容：,1.1、光环境概述,1.2、眼睛与视觉,1.3、视觉特性,1.4,、基本光度量单位及其应用,1.5、材料的光学性质,3,6,1.1.1.2 光环境设计,光环境设计要运用很多学科的基础理论，如建筑学、物理学、美学、生理学、心理学、人工工效等等，它既是科学，又是艺术，同时又受经济和能源的制约。,（1）天然光环境设计；,（2）人工光环境设计；,7,（1）天然光环境设计，太阳是生命之源，它以无尽的光和热哺育大地，充分利用昼光照明和渲染气氛，,不仅可以获得较高的视觉功效，节约能源和费用，也是人们在生理和心理上感到舒服满意的关键因素。,（2）人工光环境设计，自从1879年爱迪生发明电灯以来，人类结束了借火光照明的漫长岁月，步入了人工照明的新时代。建筑物内不仅在夜间采用人工照明，有些场所，白天也要用人工照明，为了使建筑物在白天和夜晚都能同样的使用和美观，掌握一些人工光环境的设计方法和实践经验尤为重要。,光环境设计的主要内容,8,光环境的三种设计理念,理念之一：设计空间就是设计光亮,理念之二：对主动光源和被动光源的理解,理念之三：光环境中光与影的应用,9,设计理念之一：,“设计空间就是设计光亮”“亮度空间”概念（一条视觉设计辅助线）,实在空间和亮度空间：,如果把由实际物体构成的空间称之为“实在空间”，那么由这些,实际物体的亮度,构成的视觉空间就称之为“亮度空间”。,“亮度空间”是“实在空间”的视觉转化器。,10,“设计空间就是设计光亮”,“亮度空间”概念（一条视觉设计辅助线）,实际物体的“实在空间”只有通过亮度转化为“亮度空间”,才能被视觉所感受,。,路易,康说：“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。,11,路易康,是,美国现代建筑师。,路易康,的作品:坚实厚重,，不表露结构功能，,他在设计中成功的运用了光线的变化，是建筑设计中光影运用的开拓者。,在有的设计中他将空间区分为“服务的”和“被服务的”，把不同用途的空间性质进行解析、组合、体现秩序，突破了学院派建筑设计从轴线、空间序列和透视效果入手的陈规，对建筑师的创作灵感是一种激励启迪。,路易康,的代表作品有宾西法尼亚大学理查德医学研究中心、耶鲁大学美术馆、爱塞特图书馆、孟加拉国达卡国民议会厅、等。,路易康,的著作有建筑是富于空间想像的创造、建筑寂静和光线、人与建筑的和谐等。,12,孟加拉国达卡国民议会厅,13,金贝尔美术馆-路易斯康,美术馆是一个将天然采光设计和空间造型相结合的经典范例！,14,空间与光亮的和谐统一,实在空间是亮度空间的准备和前提,15,16,宾馆前厅,会议室,“设计空间就是设计光亮”,17,设计理念之二：对主动光源和被动光源的理解,人们习惯上有这样一个认识，只有太阳、灯管、灯泡这些自身发光的才叫光源，而实际上被照亮的界面也是一种光源。,-,这是两种不同的光源，前者可称之为主动式光源，后者为被动式光源；,好的光学设计，应该,让光的表现有非常强的目的性，,每一种光都对应着一种实体，光照在物面上，,把点光源变成了面光源，形成了室内亮度和景色的互动。,18,好的光学设计，应该让光的表现有非常强的目的性，每一种光都对应着一种实体。,19,“,被照亮的界面也是一种光源”,被动式光源自身是一种适宜的亮度，是一个美丽的“光亮”,使光照与亮度统一起来,。,20,景物形成二次光源,照亮室内空间，给人一种舒适、雅致的视觉！,21,22,23,24,25,26,主动式光源表面亮度极高以至于成为眩光，在亮度空间中是一个“畸点”，,27,安藤忠雄曾指出：现代建筑消除了黑暗，创造了一个“过分透明的世界”,一个”泛光的世界”，导致了人们无法去感受场所的独特性,。“这种光晕般扩散的世界，就像绝对的黑暗一样，意味着空间的死亡”,安藤忠雄有指出：“在到处布满着匀质光线的今天，我仍然追求光明与黑暗之间相互渗透的关系。,设计理念之三：光环境中光与影的应用,28,空间与光亮的和谐统一,光明与黑暗之间相互渗透的,29,从摄影师的眼睛出发,黑、白、灰的关系 光 影之间的关系,30,安藤曾说道：我所感觉到的是一个真正存在的空间。当建筑以其简洁的几何排列，被从穹顶中央一个直径为9米的洞孔，所射进的光线照亮时，这个建筑的空间才真正地存在。在这种条件下的物体和光线，在大自然里是不会感觉到的，这种感觉只有通过建筑这个中介体才能获得，真正能打动我的，就是这种建筑的力量。,光的教堂,古罗马的万神庙,31,作品中呈现光、影渗透的魅力！,32,33,一个”泛光的世界”，导致了人们无法去感受场所的独特性！,“这种光晕般扩散的世界，就像绝对的黑暗一样，意味着空间的死亡”,34,1.2,眼睛与视觉,视觉的形成即依赖于眼睛的,生理机能,和大脑积累的,视觉经验,，又和,照明状况密切相关,。人的眼睛和视觉，就是长期在自然光照射下演变进化的。,光是一种能够在人的视觉系统上引起光感觉的电磁辐射，光的波长范围为380nm780nm。波长大于780nm的红外线、无线电波等，以及小于380nm的紫外线、X射线等，人眼均感觉不到。,右图：太阳辐射的电磁波,1nm=10,-9,m,35,人的肉眼只能对380780nm的可见光作出反应。,36,眼睛的主要组成部分和其功能：瞳孔、水晶体、视网膜、感光细胞,37,视网膜上布满了感光细胞,锥状细胞和杆状细胞,，经光线照射产生神经冲动，传输到视神经，再传至大脑，产生视觉。,感光细胞在视网膜上的分布是不均匀的：,锥体细胞主要集中在视网膜的中心部位，成为“黄斑”的黄色区域，黄斑区的中心有一小凹，叫“中心窝”。,黄斑区域以外锥体细胞的个数急剧下降，与此相反，在中心窝处几乎没有杆状细胞，自中心窝以外，其密度迅速增加。,视网膜的剖面图,38,锥体细胞：,在明亮环境下能分辨出物体的,细部和颜色,；,在环境的明暗发生变化时能迅速反应，以适应新的环境。,两种细胞的功能特征,杆状细胞：,在黑暗环境中对明暗感觉起决定作用，不能分辨物体细部和颜色，,对明暗的变化反应缓慢。,39,1.3 视觉特性,无论是对目标的察觉、辨认、识别，还是对光环境的一般反应来说，,视觉都是一个极其复杂的系统，,视觉系统有很大的自调能力，能对传递的信息自行调节到最佳清晰度,。,它具有以下特性：,1.3.1 亮度阈限,暗视觉,：指在黑暗环境里（,0.001cd/m,2,以下的亮度水平），杆状细胞起作用，暗视觉只有黑灰白三色。相当于晚上暗处。,明视觉,：指在明亮环境中（大于,3 cd/m,2,的亮度水平），视网膜锥体细胞起作用，分辨颜色和细部。,中间视觉,：在,3-0.001cd/m,2,之间，相当于道路照明和居住区照明的明暗。,人眼对光的适应范围远比人能够感受的温度变化大的多，其阈限为：,10,-6,cd/m,2,10,6,cd/m,2,视觉阈限值遵守两定律：里科定律 亮度,面积（目标）,=,常数,邦森,罗斯科定律 亮度,时间,=,常数,40,1.3.2,光亮效应韦勃定律（心理物理学的一个著名的定律）,对于外界光刺激的变化，人视觉的反应，韦勃通过心理物理试验得到：,能察觉到的光刺激变化,同刺激水平的比值是一常数关系。,/,=,（常数）,用仪器测得照明量,称为“刺激”，这是一客观物理量。,把人眼可以感知的光刺激变化,称为“感觉”，这是一个主观物理量。,例如：在,一,照度为,10lx,的房间里，增加,1lx,的照度刚刚能察觉出变化；在另一个照度水平为,100lx,的房间里，就需要增加,10lx,的照度才能刚刚察出有照度的变化。两者的比率均为,0.1,41,1.3.3,视野,当头和眼睛不动时，人眼能察觉到的空间范围叫视野，在垂直方向的角度约为,130,，水平方向约为,180,视野周围,12,内的物体能在视网膜中心窝成像，清晰度最高，这部分叫中心视野,42,1.3.4 光谱光视效率,不同波长的光在视觉上形成不同的颜色，如,700nm,的光呈红光，,580nm,呈黄光，,单一波长的光呈现一种颜色，称为单色光。,日光和灯光都是有不同波长的光混合而成的复合光，他们呈现白色或其他色。,将复合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,复合光的光谱功率分布曲线,。,在光亮环境中，辐射功率相等的单色光看起来,555nm,的黄绿光最明亮；在较暗的环境里，,510nm,的蓝绿光最为敏感。,43,光谱光视效率：,国际照明委员会（CIE）根据大量的实验结果，,人眼观看同样功率的辐射，不同波长的光，感到的明亮程度不一样。,人眼的这种特性常用光谱光视效率V(,)曲线来表示。,在人获得相同的视觉感受时，,波长,m,（视感觉最大值处-555和510nm）,和波长,的单色光辐射通量,（辐射源在单位时间内发出的能量，单位为瓦，W,）,的比。,V(,)=,e.,m,/,e,44,架设在物理量与视知觉之间的,桥,光谱光视效率,45,1.4 基本光度量单位及其应用,光环境的设计和评价离不开,定量的分析和说明，需要借助一些物理光度量来描述光源与光环境的特征。,常用的光度量有：,光通量、照度、发光强度和亮度,1.4.1 光通量描述光源的量,由于人眼对不同波长的光具有不同的灵敏度，所以不能直接用光源的辐射功率或辐射通量来衡量光能量，须采用以,人眼对光的感觉量,为基准的单位,光通量来衡量,。,46,光通量:,=K,m,e,V(,)单位：流明（Im）,光通量,e,波长为,的单色辐射能通量，,W,；,V(,)CIE标准光度观测者明视觉光谱光视效率；,Km 最大光谱光视能，lm/W（明视觉时683 lm/W）。,建筑光学中，常用光通量表示一光源发出的光能多少，是描述光源的量。如100w白炽灯发出1250Im的光通量，40w日光灯月发出2200Im的光通量。,47,1.4.2 发光强度描述光源的量,光通量是说明某一光源向四周空间发射出的总光能量，,不同光源发出的光通量在空间的分布是不同的。,不但要了解光源发出的光通量，还要了解,光通量的空间密度,即发光强度,。如悬吊在桌面上空一盏,100w,白炽灯，他发出,1250Im,的光通量，但加不加灯罩，投射到桌面上的光线就不一样。加上灯罩，灯罩将往上的光向下反射，使向下的光通量增加，桌面上就亮一些。,发光强度：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比,。,I=,d,/d,单位：坎德拉（,cd,）,如在有限立体角,内传播的光通量,是均匀分布的，则有：,I=,/,48,发光强度：,I=,/,立体角：,=S/r,2,S:锥体顶点为球心，任一长度r为半径作一球面，被锥体截取的一部分球面面积。,1.4.3 照度,描述被照面的量,照度：,被照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 E=d,/dA,单位为：勒克斯（Ix）,照度可以直接相加：,49,1.4.4 光亮度,指光源表面的光强密度,在房间内，放置黑与白的两个物体，虽然其照度相同，但,人眼对物体的视感觉不同,。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。,光亮度：是指某一单元表面 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比，以符号,L,表示。,确定物体的明暗要考虑两个因素,（,1),物体（光源或受照物体）在指定方向上的投影面积,决定物象的大小,；（,2,）物体在该方向上的发光强度,决定物象上的光通量密度,。,50,L,=dI,d,cos,亮度常常是各方向不同，,是,发光体在视线方向上单位面积发出的发光强度。,常在亮度符号的右下角注明角度。,注：由上式可得，表面积增大，发光体亮度变小，在设计方面可以把光源面积加大降低亮度，避免眩光：点光源加一饰罩,发光顶棚等,51,1.4.5 照度和发光强度的关系,照度和亮度的关系,1）：发光强度和照度的关系：-距离平方反比定律,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之间的关系上求出：,52,2）：照度和亮度的关系：,指的是光源亮度（发光体或反光体）和它所形成的照度间的关系：,光源在各个方向亮度相同，则：,-立体角投影定律,它表示：某一亮度为 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 与该发光表面在被照点上形成的立体角 的投影 的乘积。,立体角投影定律适用于光源尺寸相对于它和被照点距离较大时,53,四个光度量,有不同的应用领域，可以互相换算，可用专门的光度仪器进行测量。比较和记忆,54,1.5,材料的光学性质,在生活中，我们所看到的光，大多数是经过物体反射或透射的光。,“材料是消耗了的光”光与空间一体化设计。,在光的传播过程中，遇到介质时，会产生反射、吸收、透射现象。,其光通量：,+,+,反射系数：,=,/,吸收系数：=,/,透射系数：=,/,+=1,1.5.1:材料的反射、吸收、透射系数,55,1.5.2 反射,1）规则反射 也叫镜反射，符合反射规律。,光滑密实的表面，如玻璃面和磨光的金属表面形成规则反射。,在照明工程中，常利用规则反射进行精确的控光。,几乎所有的节能灯具都使用曲面的镜面反射罩，来获取需要的光强分布，其中有阳极氧化或抛光的铝板、不锈钢板、镀络铁板、镀银或镀铝的玻璃或塑料等。,2）定向扩散反射,定向扩散反射保留了规则反射的一些特征，即,在产生规则反射的方向上，反射光最强，但反射光束被“扩散”到较宽的范围。,如冲砂、酸洗或锤点处理的毛糙金属表面具有此特性。,56,3）漫反射,漫反射的特点是,反射光的分布与入射光的方向无关,，,反射光不规则的分布在所有方向上。无光泽的毛面材料或微细的晶粒、颜料颗粒构成的表面产生漫反射。,均匀漫反射：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面交点的一个圆球，这种漫反射成为均匀漫反射。,反射光的最大发光强度在垂直于表面的法线方向，其余方向的光强与最大光强的关系：,I,=I,o,.cos,此式称为朗伯余弦定律。符合该定律的材料叫朗伯体。,12,57,朗伯体这种材料无论入射光的方向如何，其表面各方向上的亮度都是相等的。,氧化美、硫酸钡、石膏等具有这种特性。建筑工程常用的大部分无光泽的饰面材料，如粉刷涂料、乳胶漆、无光塑料墙纸、陶板面砖等可近似看作均匀漫反射材料。,I,=I,o,.cos,均匀漫反射,两个重要的光学公式,：（,光环境设计中常用的平均亮度计算公式）,L=,E/,均匀漫反射材料表面亮度,L=,E/均匀漫透射材料表面亮度,E材料表面的照度,58,59,4）混合反射,多数的材料表面兼有规则反射和漫反射，称为混合反射。,1.5.3 透射,玻璃、晶体、某些塑料、纺织品、水都是透光材料，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，至少是半透光的。,材料透光的分布型式也可分为四种：,（1)规则透射：如透明材料，在入射光的背侧光源和物象清晰可见。,(2)定向扩散透射：如磨砂玻璃。,60,（3）漫透射：如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。,（4）混和透射：在透明玻璃上均匀的喷一层薄的白漆，其透光性近于混和透射。,61,1.5.4 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,，就是折射。,光的折射遵循折射规律,(1),如射线、折射线与分界面的法线同处于一个平面，且分居于法线的两侧；（,2,）入射角正弦和折射角正弦的比值是一个常数。,利用折射能改变光线方向的原理，制成折光玻璃、各种棱镜灯罩，能准确的控制光分布。,当一束白光通过,折射棱镜,时，因折射而分离成各种颜色,色散,。,有金属镀膜的磨光棱镜玻璃灯饰部件，因色散而呈现五光十色，装饰效果华丽夺目。,62,63,64,65,66,67,第八章作业：,P201:8-1,8-2,8-6,光环境第一讲补充作业：,1-11,题,68,瑞利散射使天空呈现蓝色，纯净的水面由于反射天空，也呈现蓝色。,瑞利散射（,Rayleigh scattering,）,由英国物理学家,瑞利,的名字命名。它是半径比,光,的,波长,小很多的微粒对入射光的散射。瑞利散射光的强度和入射光波长的4次方成反比.,也就是说，波长较短的蓝光比波长较长的红光更易散射。,69,蓝天与夕阳:,瑞利散射可以解释天空为什么是蓝色的。,白天，太阳在我们的头顶，当日光经过,大气层,时，与空气分子,(,其半径远小于可见光的波长,),发生瑞利散射，因为蓝光比红光波长短，瑞利散射发生的比较激烈，被散射的蓝光布满了整个天空，从而使天空呈现蓝色，但是太阳本身及其附近呈现白色或黄色，是因为此时你看到更多的是直射光而不是散射光。,当日落或日出时，太阳几乎在我们视线的正前方，此时太阳光在大气中要走相对很长的路程，你所看到的直射光中的蓝光大量都被散射了，只剩下红橙色的光，,这就是为什么日落时太阳附近呈现红色，,而天空的其它地方由于光线很弱，只能说是非常昏暗的蓝黑色。如果是在,月球,上，因为没有大气层，天空即使在白天也是黑的。,70,