光照图专题教学课件

光照图专题教学课件光照图简介光照图是用来描述空间中各点受光照强度分布的图示，是光学研究和应用中的重要工具这种图形化的表达方式直观地反映了光源与物体之间的空间分布关系，帮助我们理解光在不同环境中的传播规律光照图通常以等照度线（即相同光照强度的点连成的线）表示，类似于地图上的等高线通过这些线条的疏密程度和形状，我们可以快速判断不同区域的光照强弱变化在实际应用中，光照图广泛用于建筑照明设计、摄影布光、舞台灯光设计、城市规划等领域，是连接理论光学与实际工程的重要桥梁学习目标12掌握基本概念掌握绘制方法理解光照图的定义、表示方法及其物理意义，掌握光照图与光路图的学习点光源、线光源、面光源的光照图绘制技巧，能够运用光线追踪区别，能够识别不同类型的光照分布图法分析简单光学系统的光照分布34应用分析能力实验与测量能够读懂典型光照图，分析照明设计中的优缺点，应用光照图解决实掌握光照强度测量的基本方法，能够设计简单的光照分布测量实验，际问题，如优化室内照明、分析阴影形成等并对数据进行处理与分析内容结构理论基础光的基本性质、光线追踪法、光照强度与距离关系光照图分类点光源、线光源、面光源光照图及其特征复杂光照多光源、反射、阴影、畸变等因素影响实验与测量等照度测量、反射体验等典型实验实际应用建筑照明、道路照明、艺术照明等案例分析光的基本性质回顾光的传播特性•直线传播光在均匀介质中沿直线传播，是光照图分析的基础假设•反射光线遇到界面时改变方向，反射角等于入射角•折射光线通过不同介质界面时，传播方向发生偏折，遵循斯涅尔定律•衍射光绕过障碍物边缘传播的现象，对微小光源的光照分布有影响•干涉多束光叠加产生的光强分布变化，影响特定条件下的光照图光的组成白光是由不同波长（约380-760纳米）的可见光组成的复色光，不同波长的光对应不同的颜色感知在光照图分析中，有时需要考虑光谱分布对照明效果的影响光线追踪法基础光线追踪法概念光线追踪法是研究光在空间中传播路径的方法，基于以下物理原理•光以直线方式传播（忽略弯曲效应）•遇到界面时，根据反射定律和折射定律改变方向•光强随距离变化，遵循反比平方定律（点光源）•多条光线叠加遵循叠加原理光线追踪法是计算机图形学和光学设计的基础工具，通过追踪光线路径可以模拟复杂光学系统的成像和照明效果光路图与光照图的区别光路图表示光线传播的路径和方向，重点是光线轨迹光照图表示空间各点的照度分布，重点是光照强度关系光照图可通过光路图分析得出，是光路分析的结果光照图的分类点光源照明图线光源照明图面光源照明图点光源是理想化的无限小光源，向四周均匀发线光源可视为无数点光源组成的直线，如荧光灯面光源如发光面板、窗户透光等，可视为无数点光其光照图呈现为以光源为中心的同心圆（二管其光照图在垂直于光源的平面上呈现椭圆形光源组成的面其光照分布在近距离处较为均维平面）或同心球面（三维空间）光照强度随或平行线条分布光强随距离线性减弱（近似情匀，远距离时渐近于点光源特性在建筑采光、距离平方反比减弱，是最基础的光照分布模型况），在工业照明和长廊照明中常见摄影柔光等场合广泛应用光照强度与距离关系点光源反比平方定律点光源的照度E与距离r的关系遵循反比平方定律其中•E为照度，单位为勒克斯lux•I为光强，单位为坎德拉cd•r为光源到被照明点的距离•θ为光线与照射面法线的夹角这意味着距离增加一倍，照度减少四倍，这是点光源光照图呈现同心圆分布的根本原因线光源与面光源的特性线光源在靠近光源的区域，照度近似与距离的一次方成反比面光源当被照点非常接近且面积远小于光源时，照度近似恒定点光源光照图一维与二维示意一维空间在直线上的照度分布曲线为其中x是点到光源的距离，曲线呈双曲线形状二维空间在平面上的等照度线为一系列以光源为中心的同心圆，半径为r的圆上照度为当照射平面垂直于光源方向时θ=0，简化为典型等照度线分布点光源的等照度线在水平面上形成规则的同心圆，其特点是•圆心位于光源正下方（或投影点）线光源光照图日光灯管照明特性近场特性•等照度线呈现为与光源平行的椭圆形•光照强度随垂直距离近似线性衰减•光源正下方形成光带，照度相对均匀远场特性•当距离远大于光源长度时，渐近于点光源•等照度线逐渐变为同心圆形状•光照强度衰减逐渐接近反比平方关系场景对比分析线光源照明的优势•长条形空间（如走廊）照明均匀•减少硬阴影，提供更柔和的光线•工作面（如长桌）照度分布更一致与点光源对比线光源在近距离处照度衰减较慢，更适合需要均匀照明的场合，如办公室、教室、工厂流水线等面光源光照图面光源类型与特性窗户采光•自然光通过窗户形成大面积柔和照明•照度随室内深度增加而减弱•受天气、时间、朝向影响明显天空漫射光•阴天形成的均匀光照，几乎无明显阴影•光照分布相对平缓，方向性弱•适合拍摄柔和效果的照片发光面板•如LED面板灯、灯箱等人造面光源•近距离照度分布均匀，边缘衰减明显均匀分布与边界特性面光源的光照图特点•近距离处照度分布均匀，变化平缓•边界处形成光照梯度，照度急剧下降自然光与人造光源图示太阳直射光天空漫反射光室内人造光源太阳直射光特点漫反射光特点LED/白炽灯光场特点•平行光线，形成清晰硬阴影•多方向散射光，阴影柔和或几乎无阴影•点状光源形成径向光照分布•光照强度高，可达50,000-100,000勒克斯•光照强度适中，约5,000-20,000勒克斯•光照强度适中，居室通常300-500勒克斯•光照分布受太阳高度角影响•光照分布均匀，梯度变化小•白炽灯色温2700K（暖黄），LED可变（2700K-•色温约5500K，偏暖色调•色温约6500K，偏冷色调（阴天）6500K）•光照图呈现同心圆或椭圆分布直射光照图呈现为投射面上照度均匀的区域，边缘有漫反射光照图呈现为平缓渐变的照度分布，无明显边锐利的明暗分界线界灯具设计（灯罩、反射器）会显著改变光照分布形态光源数量对分布影响多点光源叠加原理根据光的叠加原理，多个光源照射同一区域时，总照度等于各光源单独照度的代数和这意味着•多光源照明可以增加总体照度•适当分布光源可减少阴影区域•可以通过光源布局控制照度均匀性多光源的等照度线会形成更复杂的形状，通常不再是简单的同心圆，而是多个光源照度叠加后的结果常见复杂照明场景教室照明通常采用网格排列的荧光灯或LED面板，形成均匀照度分布，减少桌面阴影光反射对照度分布影响镜面反射特点•反射角等于入射角，方向性强•形成清晰的虚像和反射光斑•反射后光照图呈现为原光源的镜像例如平面镜、金属表面、玻璃等光滑表面的反射会在特定区域形成高照度区域，甚至可能造成眩光漫反射特点•向各个方向均匀反射，无明显方向性•不形成清晰反射像，光能均匀扩散•反射后照度分布更加均匀例如墙面、纸张、织物等粗糙表面的反射可以软化光照，减少阴影对比度，创造更舒适的光环境光斑形成分析光斑形成的物理过程•当光束照射到反射面时，根据反射面性质决定反射方式•镜面反射形成集中的高亮度光斑，边界清晰•漫反射形成扩散的低亮度光区，边界模糊•混合反射（如磨砂表面）形成介于两者之间的效果亮斑与暗区分析实际环境中的光照分布•室内多表面反射造成光照的多次散射•墙面、天花板的反射率影响整体照度水平•反射和吸收共同决定了亮区与暗区的分布•优化反射表面可显著改善空间照明质量光的阴影与光照图半影与本影本影（完全阴影）•光线完全被遮挡的区域•光照图中表现为照度为0的区域•点光源产生的本影边缘清晰半影（部分阴影）•光线部分被遮挡的过渡区域•光照图中表现为照度逐渐变化的区域•由面光源或多光源产生，边缘模糊阴影形成原理当不透明物体阻挡光线传播时，在物体后方形成阴影区域，光照强度显著降低投影位置与光照强度变化投影位置计算阴影区光照强度变化•本影区理想情况下照度为0•半影区照度从本影边缘的接近0逐渐增加到无阴影区的正常值•半影区宽度与光源尺寸成正比，与物体到接收面距离成正比实际环境中，由于多次反射，阴影区通常仍有一定照度，形成阴影对比度畸变例不规则物体下的照度分布异形玻璃球的光照效应当光通过异形玻璃球时，会发生复杂的折射现象•球体表面的不同曲率导致光线聚焦或发散•可能形成多个聚焦点和光斑•光照图呈现不规则的高亮度区域玻璃球可作为简易透镜，根据形状不同产生放大、缩小或扭曲的光照效果应用实例艺术装置、装饰照明、光学仪器等家具与复杂物体的阴影畸变不规则物体产生的复杂阴影模式•桌椅等家具在室内形成多层次阴影•弯曲表面产生渐变的阴影过渡区•多光源环境下形成交叉重叠的多重阴影这些畸变现象虽然增加了光照分析的复杂性，但在艺术照明中常被有意利用，创造有趣的光影效果典型实验点光源等照度测量测量过程实验准备操作步骤所需仪器

1.开启光源，等待光源亮度稳定（约5分钟）•小型白炽灯或LED灯（近似点光源）

2.沿测量面上的径向方向，每隔10厘米测量一次照度•照度计（数字式勒克斯计）

3.从光源正下方开始，向外延伸至少1米距离•米尺或卷尺

4.每个位置测量3次取平均值•暗室或遮光环境

5.记录不同位置的照度值与距离关系•白色水平放置面实验设置在暗室中架设光源，确保周围无反射面干扰，光源高度固定，下方放置水平测量面误差分析数据处理可能的误差来源计算与分析•光源非理想点光源（有一定尺寸）

1.绘制照度E与距离r的关系曲线•光源的辐射分布不完全均匀

2.绘制照度E与1/r²的关系曲线（应为直线）•环境反射光的干扰

3.计算光源的光强I=E×r²•照度计精度限制

4.确定等照度线的位置和形状•测量位置的微小偏差

5.比较测量结果与理论预期的差异通过对这些误差的分析，可以改进实验方法，获得更准确的结果典型实验镜面反射体验平面镜光照追踪实验目的观察镜面反射对光照分布的影响所需器材•小型聚光灯（模拟点光源）•平面镜（尺寸约30×30厘米）•照度计•白色投影屏•支架和量角器实验步骤

1.在暗室中架设光源，使光束照射平面镜

2.调整镜子角度，使反射光照射到投影屏上

3.测量入射角和反射角，验证反射定律

4.在投影屏上测量反射光斑的照度分布

5.比较直接照射和反射照射的照度差异反射光斑变化演示观察重点•反射光斑的形状与光源和镜面角度的关系•反射光斑的亮度分布•镜面反射与漫反射的对比变量探究•改变镜面角度，观察反射光斑位置变化•使用不同平整度的反射面（平镜、波浪镜、磨砂镜）•改变光源类型（点光源、线光源、面光源）真实场景解析一教室自然采光光照图教室采光特性分析典型教室自然采光的光照分布特点•窗户一侧照度最高，可达1000-2000勒克斯•照度随离窗距离增加而递减，遵循近似指数衰减•窗户对面墙壁照度通常仅为窗边的10-20%•季节和时间对照度水平有显著影响•多窗教室的光照分布更加均匀教室照度标准课桌面不低于300勒克斯，黑板面不低于500勒克斯采光口与遮挡物影响采光口（窗户）因素•窗户朝向南向窗采光稳定，北向窗光线柔和•窗户面积采光系数（窗面积/地面积）理想值为1/5-1/6•窗户高度高窗可使光线深入室内•玻璃类型透光率不同，影响室内照度遮挡物影响•外部遮挡（如建筑、树木）形成阴影区，降低照度•内部遮挡（如家具、设备）产生复杂的光照死角•窗帘、百叶窗可调节光照强度和分布真实场景解析二夜间广场多灯照明光照图广场照明系统分析典型广场照明系统构成•高杆灯高度8-12米，覆盖大面积，主要提供基础照明•景观灯高度3-5米，装饰性和功能性兼具•地埋灯用于强调特定景观或建筑•投光灯聚焦照明，突出雕塑或特色建筑广场照明光照图特点多个圆形或椭圆形等照度区域重叠，形成复杂的光照分布模式光强峰值与均匀性评估照明质量指标•平均照度广场公共区域通常要求10-30勒克斯•最小照度安全要求通常不低于5勒克斯•均匀度最小照度与平均照度之比，理想值≥

0.4•眩光控制灯具选择和布置需避免直接眩光照明优化策略•灯具间距优化通常为灯具高度的3-4倍•光源选择色温、显色性、效率等软件工具应用照度分析插件DIALux ReluxCAD专业照明设计和模拟软件综合性照明和日光分析工具基于CAD平台的照明分析工具•支持室内外照明计算和三维可视化•可进行自然光和人工光混合计算•与主流CAD软件（如AutoCAD）集成•内置丰富的灯具制造商数据库•支持复杂几何形状和材质•便于在建筑设计过程中同步考虑照明•可生成等照度线图、伪彩色图•提供逼真的渲染和光照效果•支持平面光照图和立面光照图生成•提供详细的照明计算报告•包含节能分析和成本计算功能•可导入/导出照明计算数据•免费使用，广泛应用于建筑照明设计•专业版功能更强大，基础版免费•如AGi

32、ElumTools等产品简单模拟实操流程建模阶段创建或导入空间几何模型，定义材质和反射率灯具放置从数据库选择灯具，在模型中放置并调整参数计算设置定义计算面、网格密度、计算参数等运行计算软件自动计算各点照度值结果分析生成等照度线图、伪彩色图，分析均匀度、眩光等指标优化调整根据分析结果调整灯具布局、参数，重新计算直至满足要求数据可视化方法123等照度线图热力图三维分布图特点特点特点•类似地图等高线，连接相同照度值的点•使用颜色渐变表示照度值大小•在三维空间中展示照度分布•线条密集处表示照度梯度大•通常红色表示高照度，蓝色表示低照度•可表现复杂空间中的光照情况•适合展示照度分布趋势和变化•视觉效果直观，色彩对比明显•支持从多角度观察光照效果适用场景工程设计文档、照明标准检验、学术研究适用场景客户演示、非专业人士交流、快速问题识别适用场景复杂建筑空间、立体照明设计、虚拟现实展示不同读图需求对比需求类型推荐可视化方法优势精确数值分析等照度线图+数值标注数据精确，便于量化分析整体分布把握热力图直观展示亮暗区域分布空间照明效果三维渲染+伪彩色接近真实视觉体验均匀度评估等照度线图线距反映均匀程度眩光分析亮度图（cd/m²）直接显示可能造成眩光的区域数据可视化技术在不断发展，现代照明设计软件通常提供多种可视化方式的切换，以满足不同阶段、不同用户的需求选择合适的可视化方法对于有效传达光照分析结果至关重要工程应用案例一建筑节能照明设计建筑照明标准概览中国建筑照明设计标准（GB50034）规定了不同场所的照度要求场所类型标准照度勒克斯办公室（一般工作）300办公室（精细工作）500课堂（桌面）300图书馆阅览区500医院病房（一般）100医院手术室750-1000商场主通道200楼梯、走廊100标准同时规定了均匀度、眩光值、显色性等多项指标节能照明设计案例某办公楼照明改造项目原状况传统T8荧光灯，平均照度420勒克斯，能耗高改造方案LED面板灯+智能控制系统光照设计•工位区维持300-350勒克斯，均匀度

0.7•走道区降低至150-200勒克斯•加入自然光感应，窗边区域自动调光工程应用案例二道路照明光照图优化道路照明基本要求道路照明标准（CJJ45）主要指标平均照度快速路20-30勒克斯，主干道15-20勒克斯均匀度总均匀度≥

0.4，纵向均匀度≥

0.6眩光控制限制值≤10（防止驾驶员眩光）显色性Ra≥60（确保交通标志识别）道路照明的核心目标是保障交通安全，同时考虑能源效率和环境影响盲区与过渡带分析道路照明中的常见问题照明盲区路灯间距过大造成的低照度区域急剧过渡隧道入口、高架桥下等亮暗交界处不均匀性路灯布置不合理导致明暗交替优化案例某高速公路隧道入口照明改造•问题白天隧道入口100:1的亮度比导致黑洞效应•解决方案设计渐变式入口照明，光照图呈阶梯状递减•实施入口前100米分5个区域，照度逐级下降艺术与影视中的光照图舞台光设计动态照明经典画作布光分析舞台照明特点动态光照特性艺术作品中的光照处理•主光、辅光、轮廓光、背景光组合使用•光照参数随时间变化（强度、色温、方向）•伦勃朗的明暗对比法Chiaroscuro•光照图具有强烈的方向性和层次感•光照图序列形成连续变化的视觉体验•维米尔的精确窗光效果•通过光色、光强、光束形状创造氛围•可模拟自然光变化或创造戏剧效果•透纳的大气光散射表现•动态光照随情节发展变化•通过DMX/DALI等协议实现精确控制•印象派对自然光变化的捕捉舞台灯光设计师通过精心规划光照分布，引导观众视在演唱会、商场、景观照明中，动态光照已成为提升分析经典画作的光照分布，可以学习艺术家如何利用线，强化表演效果，塑造舞台空间感视觉体验的重要手段光影创造空间感、情绪和焦点高级主题动态光照与光照动画日照随季节、时间的变化自然日照变化特性日变化太阳高度角和方位角随时间变化季节变化夏至日与冬至日的光照路径差异地理位置影响不同纬度的日照时长和强度微气候因素云层、雾、污染等对光照的影响建筑设计中的动态日照分析应用•采光口位置和尺寸优化•遮阳系统设计（固定式或可调式）•内部空间布局规划•光伏系统布置优化时间序列照度曲线动态光照数据的表示方法照度变化曲线特定点位随时间的照度变化等照度线动画展示一天中等照度线的移动光照热图序列不同时间点的照度分布热图日照时数图表示每个区域全年接收阳光的累计时间典型分析软件功能•Ecotect/Ladybug年度日照分析•Velux DaylightVisualizer动态日光模拟常见问题与误区误解光强分布总是对称的1错误观点光源周围的光照分布总是呈现完美的圆形或椭圆形对称分布正确认识实际环境中的光照分布受多种因素影响，往往不是理想的对称形状•光源本身可能有方向性（如反射灯、PAR灯）•反射和散射表面造成局部光照增强•遮挡物产生的阴影破坏对称性•多光源叠加形成复杂的非对称分布实例墙角处的落地灯，由于两面墙的反射，形成的光照分布呈现四分之一圆形，而非完整圆形误解光衰减忽略表面吸收2错误观点光照强度仅随距离变化，与照射表面性质无关正确认识表面材质对光照分布有显著影响•不同材质的反射率差异巨大（白墙85%，深色地毯5%）•粗糙度影响反射方式（镜面反射vs漫反射）•半透明材质造成部分透射、部分反射•表面颜色影响特定波长光的吸收/反射实例同样的灯具在白色墙面前产生的有效照度可能是深色墙面的3-4倍，这在照明设计计算中必须考虑误解越亮越好3错误观点照度越高，视觉效果越好，照明质量越高正确认识适当的照度和良好的照度分布才是关键•过高照度造成眩光和视觉疲劳•照度对比过大导致适应困难•不同活动有不同的最佳照度范围•光照质量（如显色性、光谱分布）同样重要实例博物馆照明通常控制在50-200勒克斯，虽然照度不高，但通过精心的照明布局，可以创造出极佳的视觉体验误解忽视时间因素4错误观点光照分析只需考虑静态瞬时状态正确认识时间维度在光照分析中非常重要•自然光随时间持续变化•人的视觉需求在一天中有所不同•灯具光输出会随时间衰减（光衰）•季节变化影响光照需求和自然光可用性经典题型剖析典型选择题与实验题例题1点光源照明下，当测量点到光源距离增加为原来的3倍时，该点的照度变为原来的（）A.1/3B.1/6C.1/9D.1/27分析根据反比平方定律，E∝1/r²，距离增加3倍，照度变为原来的1/9，答案为C例题2在一个矩形教室内，窗户在南侧，以下哪种情况下教室内的光照分布最均匀？阅读光照图判定照明优劣A.晴天正午B.晴天上午C.阴天下午D.晴天黄昏光照图分析要点分析阴天天空光为漫射光，照度分布更均匀，答案为C照度水平是否达到标准要求的最低值均匀度等照度线分布是否均匀，是否有明显的暗区实验题示例设计一个实验，验证光照强度与距离的关系过渡性照度变化是否平缓，避免急剧变化评分要点实验装置设计合理性、变量控制、数据处理方法、误差分析等功能适应性重点区域是否有足够照度经济性是否存在过度照明，能源浪费例题根据图示教室光照分布图，分析存在的问题并提出改进措施分析要点•窗边照度过高（1000勒克斯），远端照度不足（200勒克斯）•前排与后排照度差异大，均匀度差•黑板区照度不足，不利于视觉识别拓展与前沿智能照明系统实时光照调节现代智能照明系统特点传感器网络多点光照、人体存在、活动类型感知自适应算法根据环境变化实时调整光照参数个性化控制满足不同用户对光环境的偏好场景预设一键切换不同活动的最佳光照模式节能优化在满足视觉需求的前提下最小化能耗智能照明系统通过持续监测和动态调整，可以实现光照分布的最优化，为用户提供始终如一的良好视觉体验在光照分布优化中的应用AI人工智能技术在照明领域的前沿应用机器学习预测根据历史数据预测光照需求变化计算机视觉识别空间布局和用户活动，调整光照深度学习优化通过海量模拟数据训练最优光照方案自然语言交互通过语音指令调整光照环境神经网络渲染实时预测光照方案的视觉效果例如，谷歌DeepMind团队开发的AI系统能够减少数据中心冷却能耗40%，类似技术应用于照明系统可以实现更高效的能源利用总结与课后任务分类体系了解点光源、线光源、面光源的光照分布特性，以及自然光与人造光的区别，建立完整的光照类基础理论型认知掌握光的基本传播规律、光照强度与距离关系、光线追踪法等基础知识，为后续学习奠定基础复杂光照理解多光源叠加、反射、阴影等因素对光照分布的影响，能分析现实环境中的复杂光照情况工具方法熟悉光照测量和模拟的基本方法，了解主流软件工具的应用，具备基本的光照分析能力实际应用掌握建筑照明、道路照明、艺术照明等领域的光照设计原则，能运用所学知识解决实际问题4课后任务光照图测绘小实验实验目标测绘教室/寝室/家庭某一区域的光照分布图所需工具•照度计（可使用手机APP代替，如Lux Meter）•米尺或卷尺•绘图纸和笔（或电子绘图工具）实验步骤

1.选择一个有代表性的区域（如书桌工作面、卧室地面等）

2.在选定区域划分网格（如30厘米×30厘米）

3.在每个网格交点测量照度值。