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第六章 筑筑光学根基学问

发布日期: 2019-08-01

  建建物理 第一节 光的视觉性质 光是以电磁波形式的辐射能.电磁辐射的波长范畴很广, 只要波长正在380nm-760nm的这部门辐射才能惹起光视觉,称为可 见光(简称光)。波长短于380nm的是紫外线、 χ 射线、 γ 射线nm的有红外线、无线电波等等。它们取光的性 质是分歧的,人眼是看不见的。 分歧波长的光正在视觉上构成分歧的颜色,例如700nm的光呈红 色,580nm呈,470nm呈蓝色.单一波长的光呈现一种颜色, 称为单色光。日光和灯光那是由分歧波长的光夹杂而成的复合 光,它们呈白色或其他颜色。将复合光中各类波长辐射的相对 功率量值按对应波长陈列联合起来,就构成该复合光的光谱功 率分布曲线,它是光源的—个主要物理参数。光源的光谱构成 不单影响光源的表示颜色,并且决定被照物体的显色结果 湖北工业大学土建学院 Page 1 建建物理 (一)明暗视觉 光入射到人们的眼睛内阐扬刺激感化而发生视知 觉的分析。视知觉包罗看到光的明暗,物体的外形、 颜色、动态、远近、深浅的所有知觉。视知觉不只 依托光对神经系统的刺激,并且依托大脑对由光产 生的神经脉冲信号进行注释、阐发和判断,最初形 成视觉。如许,光刺激从眼睛到大脑变成神经脉冲 信号,便正在大脑中惹起了心理变化,并且做为步履 表示出来构成视觉系统。因而从惹起视觉的刺激来 看,光起着很主要的感化。无论正在境中或正在视 觉中都要考虑光取视觉的关系。 湖北工业大学土建学院 Page 2 建建物理 (二)眼睛 视网膜是通明的,厚度约为0.3mm,并且有多层结 构。此中的感光细胞位于视网膜的外侧。这感光细 胞分为锥体细胞和杆体细胞两种。锥体细胞分布于 视网膜的核心凹部附近。眼睛正在明视觉的形态下, 锥体细胞能对光刺激和色刺激的知觉阐扬感化。杆 体细胞分布于视网膜的周边部门。眼睛正在暗视觉的 形态下,杆体细胞只对弱光刺激的知觉阐扬感化, 几乎不克不及识别物体的颜色或外形的细部。 湖北工业大学土建学院 Page 3 建建物理 (三)顺应 视网膜的感光度变化的过程或现象称为顺应。 对于亮处或暗处的顺应都需要履历时间。由亮处到 暗处,视网膜的感光度达到最高时,需要10一35min, 称为暗顺应;由暗处到亮处,只需要1min,称为明 顺应。 眼睛按照暗顺应而起的感化,称为暗视觉。它从 如果杆体细胞起感化的视觉形态。眼睛按照明顺应 而起的感化,称为明视觉。它次要是锥体细胞起做 用的视觉形态。 正在境或视觉中会碰到多处的敞亮或区 段或部位,健康的眼睛是可以或许顺应的。 湖北工业大学土建学院 Page 4 建建物理 (四)目力 人们的眼睛辨认物体外形的细部的能力称为视觉敏 锐度,正在医学上称为目力,曾经通用。它存正在着小我 差别。按照国际眼科学会的,它用兰道尔环来测 量,正在5m的视距上可以或许辨认l’的启齿时为1.0。 物体大小对眼睛构成的张角称为视角,单元为分 (’)。目力等于方才可以或许分辩的视角的倒数。 物体由呈现到构成视知觉所需时间的倒数称为视 力速度。它跟着光照度的添加面提高很快,当达到一 定命值后,就不较着提高。 湖北工业大学土建学院 Page 5 建建物理 (五)视野 当头部和单眼或双眼不挪动时可察觉到的空 间范畴称为视野。因为脸部的其他部门的妨 碍,视野中的上下摆布部门不会均等。常常 是视野的下部看去过大,左部看去也过大。 正在视野中可以或许清晰地看到对象的部门是视角l -1.5度的范畴,这一范畴因为正在视网膜的中 心凹部,所以成像清析.称为核心视野。离 开核心视野,目力便会敏捷减小.这一部门 称为四周视野。 湖北工业大学土建学院 Page 6 建建物理 (六)光视效能 眼睛正在可见光的范畴内眼睛对每一波长的感触感染性也 不是均等的。眼睛对某一波长的光的度称为光视 效能。对波长为555nm的黄绿光,眼睛的感触感染性最高。 国际照明委员会(CIE)按照大量的尝试成果,将视亮 度感受相等的波长为λ m和λ 的两个辐射通量之比, 定义为波长λ 的单色光的光谱光视效率(也称视见函 数),以V(λ )暗示。 λ m选正在最大比值等于1处,即 λ =555nm处, V(λ ) =l,其他波长的V(λ )均小于 l。这就是明视觉光谱光视效率。正在较暗的中(适 应以λ =510nm的蓝绿光最为.按照这种特定光 前提确定的V(λ )函数称为暗视觉光谱光视效率。 湖北工业大学土建学院 Page 7 建建物理 湖北工业大学土建学院 Page 8 建建物理 (七)错视 眼睛不克不及知觉物体的准确外形的现象,称为错视。因而要为境提 供完美的前提.使眼睛不致呈现错视。 (八)闪灼 眼睛看活动物体时.物体正在视网膜上成像,一闪即失,接着进行下一 次成慷。如许频频进行,正在眼睛卜构成时亮时灭的不持续的光。这种现象 称为闪灼。用每秒亮灭的频次来暗示眼睛能分清闪灼的边界。 称为闪灼 临界值或闪灼融合频次。正在高亮度的环境下,视网膜四周部门的临界值比 核心部门的临界值要高。正在境中大都环境要避免闪灼。只要少数环境 如舞厅之类需要光的闪灼。 (九)眩光 若是视野内有亮度极高的物体或强烈的亮度对比,则可惹起不舒服或 视觉降低的现象,称为眩光。眩光是影响光质量的最主要的要素,对视觉 有风险性。正在境中,眩光一般是该当的, 只要个体环境除外。 湖北工业大学土建学院 Page 9 建建物理 前次课次要内容回首 ?光的视觉性质: ? 光的素质—以电磁波形式的辐射能,波长为 的 这部门辐射才能惹起光视觉,称为可见光(简称光) ? 分歧波长的光正在视觉上构成分歧的颜色,单一波长的光呈现 一种颜色,称为单色光。 ? 视觉—光入射到人们的眼睛内阐扬刺激感化而发生视知觉的 分析。 ? 光视效能——视亮度感受相等的波长为λ m和λ 的两个辐射 通量之比,定义为波长λ 的单色光的光谱光视效率以V(λ ) 暗示。 λ m选正在最大比值等于1处: 即明视觉λ = 湖北工业大学土建学院 处,对于暗视觉λ = 处 Page 10 建建物理 第二节 光怀抱 境的设想取评价离不开定量的阐发和申明,这就需要借帮于一系列 的物理怀抱来描述光源取境的特征。常用的光怀抱有光通量、照度、发 光强度和亮度。 一、光通量 Φ 光通量是按照国际商定的人眼视觉特征评价的辐射能通量(辐射功率)。按照 这—定义,光通量能够由辐射通量及V(λ )函数导出: ? ? K m ? ? e , ?V ( ? ) d ? 式中:Φ-光通量,lm Φe,λ-波长为λ的单色辐射通量,W V(λ)-CIE尺度光度不雅测者明视觉光谱光视效率。 Km-最大光谱光视效能,lm/W 湖北工业大学土建学院 (lm) Page 11 建建物理 光视效能K是描述光和辐射之间关系的量,它是取单元辐射 量相当的光通量。可是,K值是随光的波长而变化的, K (λ )的最大值K(m)正在λ =555nm处。按照一些国度权势巨子实 验室的丈量成果,l977年国际计量委员会决定采用Km=683 lm/W。 光通量的单元是流明,符号为lm。正在国际单元制和我 国的计量单元中,它是一个导出单元,l流明是发光强 度为l坎德拉的平均点光源正在1球面度立体角内发出的光通 量。 正在照明工程中,光通量是申明光源发光能力的根基量。 例如,一只40瓦白炽灯发射的光通最为350lm: 一只40瓦 荧光灯发射的光通量为21001m,比白炽灯多5倍多。 湖北工业大学土建学院 Page 12 建建物理 二、发光强度 I 点光源正在给定标的目的的发光强度,是光源正在这一标的目的上立体 角内发射的光通量取该立体角之商,符号为I,单元是坎德拉 d? (Candela)。 I ? d? (cd) ? 若是正在无限立体角内的光 I ? ? 通量是平均分布的,上式可写为: 式中的Ω 为立体角。以任一锥体极点0为球 心,肆意长度r为半径做一球面,被锥体截取 的一部门球面面积为S,则此锥体限制的立体 S 角值为: ? ? (sr) 2 r (cd) 立体角的单元是球面度(sr),当S=r2时,Ω=1 sr,由于球的 概况积为4πr2,所以立体角的最大数值为4π球面度。 湖北工业大学土建学院 Page 13 建建物理 三、照度 E 照度是受照平面上接管的光通量的密度,符号为E.若映照到 概况—点面元上的光通量为dΦ ,该面元的面积为dA,则: E ? d? dA (lx) 照度的单元是勒克斯(lx),1勒克斯等于1流明的光通量 平均分布正在1平方米概况上所发生的照度,即1lx=1lm/m2。 勒克斯是一个较小的单元,如夏日半夜日光下,地平面上 照度可达1000 lx,正在拆有40W白炽灯的书写台灯下看书,桌 面照度平均为200~300 lx。 湖北工业大学土建学院 Page 14 建建物理 四、亮度 Lθ 1、概念 : 正在不异的照度环境下,黑色物体和白色物体正在人眼 中惹起的视觉感受分歧,这表白物体概况的照度并不克不及间接表 明人眼对物体的视觉感受。而是由视网膜上物像的照度成反比。 视网膜上物像的照度和发光体正在视线标的目的的投影面积成反比, 取发光体朝视线标的目的的发光强度成反比。因而将发光体正在视线 标的目的上单元面积发出的发光强度定义为亮度。用符号Lθ暗示, 单元为cd/m2。 dI ? L? ? dS ? cos ? (cd/m2) 湖北工业大学土建学院 Page 15 建建物理 2、亮光度和视亮度 假设正在概况的一点处有面元dS (图中线AB),取dS的法线成θ 角标的目的的发光强度为dIθ , 则dS正在这标的目的的正投影面积为 dSCOSθ (图中线CD)。这时眼 睛看到的dS上的亮度L为 dI? L? dS cos? (cd/m2) 式中的亮度称为亮光度(物理亮度),它是一个客不雅物理量。我们所感触感染 到的物体敞亮程度除了取物体概况亮度相关外,还取我们所处的的明 暗程度相关,称为表不雅亮度。亮度的客不雅量,称为视亮度或客不雅亮度。它 是一个心理量,没有量纲。因而亮光度和视亮度是有区此外。 湖北工业大学土建学院 Page 16 建建物理 光度学中的4个根基量 名称 光通量 符号 Φ I 定义公式 Φ=683∫ Φe,λV(λ)dλ I= Φ / Ω 单元 Lm,1lm=1/683W cd,1cd=1lm/sr 发光强度 照度 E E= Φ / S lx, 1 lx =1lm/m2 亮度 Lθ E= Iθ / Scosθ Nt,1nt=1cd/m2 湖北工业大学土建学院 Page 17 建建物理 五、建建照明计较根本 (一)距离平方反比定律 点光源正在取映照标的目的垂曲的平面发生的照度取光源的光 强成反比,取光源至受照面的距离的平方成反比。这称为距 离平方反比定律,合用于点光源发生的点照度的计较。可由 下式计较: I? E ? n r2 湖北工业大学土建学院 Page 18 建建物理 以上公式也能够从发光强度和照度之间的关系求出: I ? ? ? A r2 ? ? E? ? A ? ? ?I ? ?r2 ? I r2 湖北工业大学土建学院 Page 19 建建物理 (二)照度余弦定律 点光源映照正在程度面上发生的照度取光源的光强成反比,也 取受照面法线和入射光的夹角的余弦成反比,但取光源至受照 面的距离的平方成反比。这称为照度余弦定律,由下式计较: Eh ? I? r 2 cos? 湖北工业大学土建学院 Page 20 建建物理 (三)立体角投影定律 如图所示,假设S1 (图中线AB)为各标的目的 的亮度均相等的发光 面,S2(图中线CD)为 受照面,正在S1上取一 细小面元dS1做为点光 源。 E ? L? ? cos? 湖北工业大学土建学院 Page 21 建建物理 则正在S2上的P点处的照度按余弦定律为: 按亮度取光强的关系式,设Iα 为S1 正在α 标的目的的光强,Lα 为S1正在α 标的目的 的亮度,则有: 进行换算后获得: I? E ? 2 cos ? r Iα =Lα dS1cosα E? L? dS1 cos? r 2 cos? dS1 cos? 为以P点为极点的dS1 所张的立体角 d ? r2 则S1正在P点处发生的照度为: 进行积分后获得: dE ? L? d? cos? E ? E ? L? ? cos? ? L? d? cos ? 表白发光面正在受照面上发生的照度,仅取发光面的亮度及其正在受照面上的 立体角投影相关,而取发光面的面积的绝对值无关。S1和S1COSα的面积 分歧,但因为它们对受照面构成的立体角投影不异,因而只需它们的亮度 也不异,它们对S2构成的照度就会分歧。 湖北工业大学土建学院 Page 22 建建物理 课后习题 教材P139:6-1、 教材P139:6-4、 教材P139:6-6 湖北工业大学土建学院 Page 23 建建物理 前次课次要内容回首 ?光度学根基道理 1、光通量、发光强度、照度、亮度的概念 2、建建照明计较定律 ? 照度余弦定律 ? 立体角投影定律 湖北工业大学土建学院 Page 24 建建物理 第三节 视度及其影响要素 视度:看物体的清晰程度。 影响视度的要素:亮度、布景亮度、物体的视角、识别时间、眩光 1、亮度 :对大大都人而言,能看见物体 的最低亮度为10-5 asb , 当亮度达到 104 asb时,人眼的活络度最大,视度最高,尔后 视度便跟着亮度的添加而降低,当亮度达到16sb时,人们便感 到刺目,反而看不清晰了。 2、物件尺寸:物件的尺寸,眼睛至物件的距离都影响人们不雅 看物件的视度。物件尺寸d,眼睛至物件的距离l构成视角α,其 关系为: ? ? d ? 3440 (分) l 湖北工业大学土建学院 Page 25 建建物理 3、亮度对比,是视野中方针和布景的亮度差取布景(或方针) L 亮度之比,用对比系数C暗示,对比越大,视度越高。C ? ? L b 4、识别时间:眼睛旁不雅物体时,只要当该物体发出脚够的光 能,构成必然刺激,才能发生视觉感受,正在必然前提下,亮 度*时间=,也就是说:呈现时间越少,越需要更高的亮 度才能惹起视感受。正在设想中招考虑人们流动过程中可能出 现的视顺应问题。 5、避免眩光:当视野内呈现高亮度或过大的亮度对比,就会 惹起视觉上的不舒服,烦末路或视觉委靡,这种亮度或亮度对 比称为眩光。 间接眩光和反射眩光 失能眩光和不舒服眩光 湖北工业大学土建学院 Page 26 建建物理 第四节 材料的光学性质 光正在过程中碰到新的介质时,会发生反射、透射取接收 现象.一部门光通量被介质概况反射(Φ ρ ), 部门透过介 质(Φ τ ),余下的一部门则被介质接收(Φ α ),按照能量守 恒定律,入射光通量(Φ i)应等于上述三部门光通量之和: Φρ + Φτ + Φα = Φi ρ = Φρ / Φi τ = Φ τ /Φ i α = Φ α /Φ i α + ρ +τ =1 湖北工业大学土建学院 Page 27 建建物理 一、反射:反射光的分布型式有法则反射取扩散反射两大 类.扩散反射又可细分为定向扩散反射、漫反射、夹杂反射 等. 1. 法则反射 法则反射也叫镜面反射,其特征是光线颠末反射之后仍按一· 定的标的目的传 播,立体角没有变化.法则反射的纪律为:①入射光线取反射光线以及反 射概况的法线同处于一个平面内;②入射光取反射光分家法线两侧,入射 角等于反射角。 滑腻密实的概况,如玻璃镜面和磨光的金属表 面构成法则反射。正在照明工程中常操纵法则反 射进行切确的控光,如制制各类曲面的镜面反 光罩获得需要的光强分布,提高灯具效率.几 乎所有的节能灯具都利用这类材料做的反光罩, 此中有阳极氧化或抛光的铝板、不锈钢板、镀 铬铁板.镀银或镀铝的玻璃和塑科等. 湖北工业大学土建学院 Page 28 建建物理 2. 定向扩散反射 扩散反射保留了法则反射的 某些特征,即正在发生法则反射的 标的目的上,反射光最强,可是反射 光束被“扩散’到较宽的范畴, 颠末冲砂.酸洗或锤点处置的毛 糙金属概况、概况滑腻的纸以及 油漆概况具有定向扩散反射的特 性. 其特点是正在某一反射标的目的上有最大亮度,而正在其他标的目的上也 有必然亮度,正在反射标的目的上能够看见光源的像,但轮廓不像 定向反射那样清晰。 湖北工业大学土建学院 Page 29 建建物理 3. 漫反射 漫反射的特点是反射光的分布取 入射光标的目的无关,正在宏不雅上没有法则 反射,反射光犯警则地分布正在所无方 向上,无光泽的毛面材料或由微细的 晶粒、颜料颗粒形成的概况发生漫反 射.能够把这些微粒看做是单个的镜 反射器,可是因为微粒的概况处正在不 同的标的目的,所以将光反射到很多角度 上. 若反射光的光强分布取入射光的标的目的无关, 并且正好是切于入射光线取反射概况交点 的一个圆球,这种漫反射称为平均漫反 射. 湖北工业大学土建学院 Page 30 建建物理 平均漫反射反射光的最大发光强 度正在垂曲于概况的法线标的目的,其 余标的目的的光强同最大光强有以下 关系; I0=Iθ COSθ Iθ ——反射光取概况法线夹角为θ 标的目的的光强.cd I0——反射光正在反射概况法线标的目的的最大光强,cd. 上式称为朗伯余弦定律.合适朗伯定律的材料叫朗伯体.这类 材料无论入射光的标的目的若何,其概况各标的目的上的亮度都是相等 的。氧化镁、硫酸钡、石膏等具有这种特征。建建工程常用的 大部门无光泽饰面材料,如粉刷涂料、乳胶漆、无光塑料墙纸、 陶瓷面砖等都能够近似地看做平均漫反射材料。 湖北工业大学土建学院 Page 31 建建物理 按照朗伯定律能够导出由照度计较平均漫反射材料概况亮度的 简洁公式如下;L= ρ *E/π (cd/m2) π 4. 夹杂反射 大都的材料概况兼有法则反射和漫反射的特征,这称为混 合反射.亮光的珐琅概况呈现漫反射取镜面反射连系的特 性.正在漫反射概况涂一层薄的通明清滚,当光入射角很小 时,近似漫反射;入射角加大,约有5—15%的入射光为镜 面反射;入射角很大时,则完满是镜面反射. 湖北工业大学土建学院 Page 32 建建物理 二、透射 光线通过介质,构成光线的单色分量频次不变,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, 能透过大部门入射光。材料的透光机能不只取决于它的结 构,还同它的厚度相关.很是厚的玻璃或水将是欠亨明的, 而—张极薄的金属膜大概是透光的,至多能够是半透光的. 材料透射光的分布型式也可分为法则透射、定向扩散透射、 漫透射和夹杂透射四种.。 湖北工业大学土建学院 Page 33 建建物理 湖北工业大学土建学院 Page 34 建建物理 通明材料属于法则透射,正在入射光的背侧,光源取物象清 晰可见。 磨砂玻璃为典型的定向扩散透射.正在背光的一侧仅能看见 光源恍惚的记忆。 乳白玻璃具有平均漫透射的特征,整个透光面亮度平均, 完全看不见背侧的光源和物像. 正在通明玻璃上平均地喷一层薄的白漆,其透光机能则近于 夹杂透射。如将白炽灯放正在这种玻璃的一侧,由另一侧看去, 漫透射构成的概况亮度相当平均,同时灯丝的像也历历正在目。 按照朗伯定律能够导出由照度计较平均漫透射材料概况亮度的 简洁公式如下;L= τ *E/π (cd/m2) 湖北工业大学土建学院 Page 35 建建物理 三、折射 光正在通明介质中,当从密度小的介质进入密度大的介质时,光速减慢; 反之,光速加速.因为光速的变化而形成光线标的目的的改变,这就是折 射.光的折射纪律是:①入射线。· 折射线取分界面的法线同处于一÷个平 面内,且分家于法线的两侧;②入射角正会窄折射角正弦的比值,对确定 的两种介质来说,是一个。 湖北工业大学土建学院 Page 36 建建物理 课后习题 教材P139:6-5、 教材P139:6-8、 湖北工业大学土建学院 Page 37