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环境光学

[拼音]:huanjing guangxue

[外文]:environmental optics

研究人的光环境的科学,是环境物理学的一个分支。环境光学的研究内容包括天然光环境和人工光环境;光环境对人的生理和心理的影响;光污染的危害和防治等。它是在光度学、色度学、生理光学、心理物理学、物理光学、建筑光学等学科的基础上发展起来的。环境光学的定量分析以光度学、色度学为基础;在研究光与视觉的关系上主要借助于生理光学及心理物理学的实验和评价方法。

天然光环境和人工光环境

天然光环境的光源是太阳。直射日光的光强度为2.838×1027坎德拉。在大气层外,日光法线平面上的平均照度为 125.4×103勒克斯。日光穿过大气层时被大气中的气体分子、云和尘埃扩散,使天空具有一定的亮度。地球上接受的天然光就是由直射日光和天空扩散光形成的。通常以地平面照度、天空亮度和天然光的色度值来定量描述天然光环境。地面照度取决于太阳高度角、天空亮度和大气透明度。晴天,大气透明度T=2.75时,直射日光在地面上产生的照度按下式计算:

ES=130sinνexp(-0.2/sinν)×103(lx) (1)式中ES为直射日光在地面上产生的照度;ν为太阳高度角(度);exp(-0.2/sinν)为T=2.75时采用的大气透过率函数。

晴天天空和全阴天空光在地面上形成的照度可分别用下式计算(T=2.75时):

晴天Ea=(1.1+15.5sin0.5ν)×103(lx) (2)

全阴天Ea=(0.3+21sinν)×103(lx)  (3)式中Ea为天空光在地面上产生的照度;ν为太阳高度角(度)。日光在可见光波长范围内,光谱能量分布比较平衡(图 1),所以彩色物体在天然光下的显色性能优良。日光的色度坐标x=0.3172,y=0.3263,相应色温为6275K。

在世界不同的地区,由于气象因素(日照率、云、雾等)和大气污染程度的差异,光环境特性也不相同。因此,须要对一个国家和地区的天然光环境进行常年连续的观测、统计和分析,取得区域性的天然光数据。这是研究天然光环境的一项首要工作。

为了利用天然光创造美好舒适的光环境,环境光学还要研究天然光的控制方法、光学材料和光学系统。这方面的成果已为建筑采光普遍应用。近年又发展了通过定日镜、反射镜和透镜系统,或是用光导纤维将日光远距离输送的设备,使建筑物的深处以至地下、水下都能得到天然光照明。

1879年T.A.爱迪生发明白炽灯。一个世纪以来,电光源迅速普及发展。现在不同规格的电光源已有数千种,世界年产量达百亿支以上。人工照明消费的电力占电力总产量的10~15%。下表列举了室内外环境照明常用电光源的特性。

人工光环境较天然光环境易于控制,能适合各种特殊需要,而且稳定可靠,不受地点、季节、时间和天气条件的限制。但是,电光源的能源利用效率很低,目前由电能转换成光能的平均效率约为10%,由初级能源转换成光能的效率则只有3%。因此,为了节约能源,不但要继续提高现有电光源的光效和质量,而且要研究控制灯光强度和分布的理论及光学器件,探索合理有效的照明方法。环境光学将在后一领域发挥重要作用。

光和视觉的关系

环境光学研究内容的第二个方面是关于光和视觉的关系。在人的各种感官和知觉中,眼睛和视觉至关重要。人靠眼睛获得75%以上的外界信息。图 2说明了形成视觉的过程。光源发出的光照射在物体上,被物体表面反射,因物体形状、质地、颜色的差异造成入射光在强弱、方向和光谱组成上的不同变化。这些光信号进入眼睛,在视网膜上形成图象。图象传至大脑,经过分析、识别、联想,最后形成视知觉。由此可见,没有光,就不存在视觉,人类也无法认识和改造环境。

人借助视觉器官完成一定视觉任务的能力叫做视觉功能。眼睛区分识别对象细节的能力和辨认对比的能力,是表述视觉功能的常用指标。两者都受照明量的影响而且彼此相关。研究视觉功能与照明条件之间的定量关系,为制订照明标准提供依据,是环境光学的重要任务。30年来,世界各国就视觉功能和照明对人的生理及心理影响等问题开展了大量研究工作。国际照明委员会 (CIE)总结各国的研究成果,先后发表《对照明在视觉功能方面进行评价的统一方法纲要》(1972)和《描述照明参量对视功能影响的分析模型》(1978)等文件,提出了根据视觉功能选择照明标准的统一方法。中国科学工作者近年也在实验室条件下,对青年工人的视觉功能进行了试验研究,获得图3的结果。图中的一组曲线说明了照度、视角和对比三者的相互关系。

视觉与触觉不同。触觉单独感知一个物体的存在,视觉感知的却是全部环境。因此,视觉功能不但与识别对象的照度有关,还与整个光环境的质量,包括光的表观颜色、环境亮度、光的方向、光源的显色性能、直射与反射眩光等有密切联系。优良的光环境能提高人的工作效率,保护人的健康,使人感到安全、舒适、美观,产生显著良好的心理效果。所以,研究光环境的质量评价指标,同样具有十分重要的意义。

光污染及其防治

环境光学研究内容的第三个方面是光污染及其防治方法。人类活动对光环境造成危害,使人的视觉和健康受到影响的现象称为光污染。例如,城市大气污染严重,空气混浊,云雾凝聚,造成天然光照度减低,能见度下降,致使航空、测量、交通等室外作业难以顺利进行。又如城市灯光不加控制,夜间天空亮度增加,影响天文观测;路灯控制不当,照进住宅,影响居民休息等等。另外,大功率光源造成的强烈眩光,某些气体放电灯发射过量的紫外线,以及像焊接一类生产作业发出的强光,对人体和视觉都有危害。为了防治光污染,需要弄清形成光污染的原因和条件,提出相应的防护措施和方法,并制订必要的法律和规定。

参考书目
  1. R.G.Hopkinson,et al.,Daylighting, Heinemann,London,1966.
  2. J.L.Nuckolls,Interior Lighting for Environmental Designers,John Wiley & Sons,New York,1976.

参考文章

  • 环境光学生态安全

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文章名称:《环境光学》
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