環境光學

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更新時間: 2013-09-04

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環境光學是研究人類的光環境的科學,是環境物理學的一個分支。環境光學的研究內容包括天然光環境和人工光環境;光環境對人的生理和心理的影響;光污染的危害和防治等。它是在光度學、色度學、生理光學、心理物理學、物理光學、建築光學等學科的基礎上發展起來的。環境光學的定量分析以光度學、色度學為基礎;在研究光與視覺的關係上主要藉助於生理光學及心理物理學的實驗和評價方法。

環境光學環境光學
環境光學是研究人類的光環境的科學,是環境物理學的一個分支。環境光學的研究內容包括天然光環境和人工光環境;光環境對人的生理和心理的影響;光污染的危害和防治等。它是在光度學、色度學、生理光學、心理物理學、物理光學、建築光學等學科的基礎上發展起來的。環境光學的定量分析以光度學、色度學為基礎;在研究光與視覺的關係上主要藉助於生理光學及心理物理學的實驗和評價方法。

環境光學 -學科起源

環境光學自然光
環境光學是在光度學、色度學、生理光學、心理物理學、物理光學、建築光學等學科的基礎上發展起來的。環境光學的定量分析以光度學、色度學為基礎;在研究光與視覺的關係上主要藉助於生理光學及心理物理學的實驗和評價方法。
天然光環境的光源是太陽,日光穿過大氣層時被大氣中的氣體分子、雲和塵埃擴散,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擴散光形成的。通常以地平面照度、天空亮度和天然光的色度值來定量描述天然光環境。地面照度取決於太陽高度角、天空亮度和大氣透明度。
在世界不同的地區,由於氣象因素(日照率、雲、霧等)和大氣污染程度的差異,光環境特性也不相同。因此須要對一個國家和地區的天然光環境進行常年連續的觀測、統計和分析,取得區域性的天然光數據。這是研究天然光環境的一項首要工作。
為了利用天然光創造美好舒適的光環境,環境光學還要研究天然光的控制方法、光學材料和光學系統。這方面的成果已為建築採光普遍應用。近年又發展了通過定日鏡、反射鏡和透鏡系統,或是用光導纖維將日光遠距離輸送的設備,使建築物的深處以至地下、水下都能得到天然光照明。

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環境光學 -發展歷史

環境光學自然光
1879年愛迪生髮明了白熾燈。一個世紀以來,電光源迅速普及發展。現在不同規格的電光源已有數千種世界年產量達百億支以上,人工照明消費的電力占電力總產量的10~15%。
人工光環境較天然光環境易於控制,能適合各種特殊需要,而且穩定可靠,不受地點、季節、時間和天氣條件的限制。但電光源的能源利用效率很低,目前由電能轉換成光能的平均效率約為10%,由初級能源轉換成光能的效率則只有3%。因此,為了節約能源,不但要繼續提高現有電光源的光效和質量,而且要研究控制燈光強度和分佈的理論及光學器件,探索合理有效的照明方法。環境光學將在後一領域發揮重要作用。環境光學研究內容的第二個方面是關於光和視覺的關係。在人的各種感官和知覺中,眼睛和視覺至關重要。人靠眼睛獲得75%以上的外界信息。圖 2說明了形成視覺的過程。光源發出的光照射在物體上,被物體表面反射,因物體形狀、質地、顏色的差異造成入射光在強弱、方向和光譜組成上的不同變化。這些光信號進入眼睛,在視網膜上形成圖象。圖象傳至大腦,經過分析、識別、聯想,最後形成視知覺。由此可見,沒有光,就不存在視覺,人類也無法認識和改造環境。

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環境光學 -研究範圍

環境光學光學雜誌
環境光學研究內容的第二個方面是關於光和視覺的關係。在人的各種感官和知覺中,眼睛和視覺至關重要,人靠眼睛獲得75%以上的外界信息。光源發出的光照射在物體上,被物體表面反射,因物體形狀、質地、顏色的差異造成入射光在強弱、方向和光譜組成上的不同變化。這些光信號進入眼睛,在視網膜上形成圖象。圖象傳至大腦,經過分析、識別、聯想,最後形成視知覺。由此可見,沒有光,就不存在視覺,人類也無法認識和改造環境。
人藉助視覺器官完成一定視覺任務的能力叫做視覺功能。眼睛區分識別對象細節的能力和辨認對比的能力,是表述視覺功能的常用指標。兩者都受照明量的影響而且彼此相關。研究視覺功能與照明條件之間的定量關係,為制訂照明標準提供依據,是環境光學的重要任務。
30年來,世界各國就視覺功能和照明對人的生理及心理影響等問題開展了大量研究工作。國際照明委員會總結各國的研究成果,先後發表《對照明在視覺功能方面進行評價的統一方法綱要》和《描述照明參量對視功能影響的分析模型》等文件,提出了根據視覺功能選擇照明標準的統一方法。中國科學工作者近年也在實驗室條件下,對青年工人的視覺功能進行了試驗研究,結果說明了照度、視角和對比三者的相互關係。
視覺與觸覺不同。觸覺單獨感知一個物體的存在,視覺感知的卻是全部環境。因此,視覺功能不但與識別對象的照度有關,還與整個光環境的質量,包括光的表觀顏色、環境亮度、光的方向、光源的顯色性能、直射與反射眩光等有密切聯繫。
優良的光環境能提高人的工作效率,保護人的健康,使人感到安全、舒適、美觀,產生顯著良好的心理效果。所以,研究光環境的質量評價指標,同樣具有十分重要的意義。

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環境光學 -學科作用

環境光學光學研究
環境光學研究內容的第三個方面是光污染及其防治方法。人類活動對光環境造成危害,使人的視覺和健康受到影響的現象稱為光污染。
例如,城市大氣污染嚴重,空氣混濁,雲霧凝聚,造成天然光照度減低,能見度下降,致使航空、測量、交通等室外作業難以順利進行。又如城市燈光不加控制,夜間天空亮度增加,影響天文觀測;路燈控制不當,照進住宅,影響居民休息等等。
另外,大功率光源造成的強烈眩光,某些氣體放電燈發射過量的紫外線,以及像焊接一類生產作業發出的強光,對人體和視覺都有危害。為了防治光污染,需要弄清形成光污染的原因和條件,提出相應的防護措施和方法,並制訂必要的法律和規定。人工光環境較天然光環境易於控制,能適合各種特殊需要,而且穩定可靠,不受地點、季節、時間和天氣條件的限制。但是,電光源的能源利用效率很低,目前由電能轉換成光能的平均效率約為10%,由初級能源轉換成光能的效率則只有3%。因此,為了節約能源,不但要繼續提高現有電光源的光效和質量,而且要研究控制燈光強度和分佈的理論及光學器件,探索合理有效的照明方法。環境光學將在後一領域發揮重要作用。

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環境光學 -光環境分類

環境光學教材
天然光環境和人工光環境  

天然光環境的光源是太陽。直射日光的光強度為2.838×1027坎德拉。在大氣層外,日光法線平面上的平均照度為 125.4×103勒克斯。日光穿過大氣層時被大氣中的氣體分子、雲和塵埃擴散,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擴散光形成的。通常以地平面照度、天空亮度和天然光的色度值來定量描述天然光環境。地面照度取決於太陽高度角、天空亮度和大氣透明度。晴天,大氣透明度T=2.75時,直射日光在地面上產生的照度按下式計算:
ES=130sinνexp(-0.2/sinν)×103(lx) 

式中ES為直射日光在地面上產生的照度;ν為太陽高度角(度);exp(-0.2/sinν)為T=2.75時採用的大氣透過率函數。
晴天天空和全陰天空光在地面上形成的照度可分別用下式計算(T=2.75時):
晴天Ea=(1.1+15.5sin0.5ν)×103(lx) 
全陰天Ea=(0.3+21sinν)×103(lx) 
式中Ea為天空光在地面上產生的照度;ν為太陽高度角(度)。日光在可見光波長範圍內,光譜能量分佈比較平衡,所以彩色物體在天然光下的顯色性能優良。日光的色度坐標x=0.3172,y=0.3263,相應色溫為6275K。

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在世界不同的地區,由於氣象因素(日照率、雲、霧等)和大氣污染程度的差異,光環境特性也不相同。因此,須要對一個國家和地區的天然光環境進行常年連續的觀測、統計和分析,取得區域性的天然光數據。這是研究天然光環境的一項首要工作。
為了利用天然光創造美好舒適的光環境,環境光學還要研究天然光的控制方法、光學材料和光學系統。這方面的成果已為建築採光普遍應用。近年又發展了通過定日鏡、反射鏡和透鏡系統,或是用光導纖維將日光遠距離輸送的設備,使建築物的深處以至地下、水下都能得到天然光照明。
1879年 T.A.愛迪生髮明白熾燈。一個世紀以來,電光源迅速普及發展。現在不同規格的電光源已有數千種,世界年產量達百億支以上。人工照明消費的電力占電力總產量的10~15%。下表列舉了室內外環境照明常用電光源的特性。
環境光學 -學科應用
環境光學自然光影像
光和視覺的關係 
 環境光學研究內容的第二個方面是關於光和視覺的關係。在人的各種感官和知覺中,眼睛和視覺至關重要。人靠眼睛獲得75%以上的外界信息。圖 2說明了形成視覺的過程。光源發出的光照射在物體上,被物體表面反射,因物體形狀、質地、顏色的差異造成入射光在強弱、方向和光譜組成上的不同變化。這些光信號進入眼睛,在視網膜上形成圖象。圖象傳至大腦,經過分析、識別、聯想,最後形成視知覺。由此可見,沒有光,就不存在視覺,人類也無法認識和改造環境。 人藉助視覺器官完成一定視覺任務的能力叫做視覺功能。眼睛區分識別對象細節的能力和辨認對比的能力,是表述視覺功能的常用指標。兩者都受照明量的影響而且彼此相關。研究視覺功能與照明條件之間的定量關係,為制訂照明標準提供依據,是環境光學的重要任務。30年來,世界各國就視覺功能和照明對人的生理及心理影響等問題開展了大量研究工作。國際照明委員會 (CIE)總結各國的研究成果,先後發表《對照明在視覺功能方面進行評價的統一方法綱要》(1972)和《描述照明參量對視功能影響的分析模型》(1978)等文件,提出了根據視覺功能選擇照明標準的統一方法。中國科學工作者近年也在實驗室條件下,對青年工人的視覺功能進行了試驗研究,獲得圖3的結果。圖中的一組曲線說明了照度、視角和對比三者的相互關係。

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視覺與觸覺不同。觸覺單獨感知一個物體的存在,視覺感知的卻是全部環境。因此,視覺功能不但與識別對象的照度有關,還與整個光環境的質量,包括光的表觀顏色、環境亮度、光的方向、光源的顯色性能、直射與反射眩光等有密切聯繫。優良的光環境能提高人的工作效率,保護人的健康,使人感到安全、舒適、美觀,產生顯著良好的心理效果。所以,研究光環境的質量評價指標,同樣具有十分重要的意義。
光污染及其防治  環境光學研究內容的第三個方面是光污染及其防治方法。人類活動對光環境造成危害,使人的視覺和健康受到影響的現象稱為光污染。例如,城市大氣污染嚴重,空氣混濁,雲霧凝聚,造成天然光照度減低,能見度下降,致使航空、測量、交通等室外作業難以順利進行。又如城市燈光不加控制,夜間天空亮度增加,影響天文觀測;路燈控制不當,照進住宅,影響居民休息等等。另外,大功率光源造成的強烈眩光,某些氣體放電燈發射過量的紫外線,以及像焊接一類生產作業發出的強光,對人體和視覺都有危害。為了防治光污染,需要弄清形成光污染的原因和條件,提出相應的防護措施和方法,並制訂必要的法律和規定。
環境光學 -參考資料
交通工程學環境力學
環境氣象學地名學
理財學反映論
放射學反映學
環境光學 -相關連接

[1] 萬方數據 http://cacp.ilib.cn/C-X122~1.html

[2] 環境學報 http://www.potu.com/202117-1/

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