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建筑物理光学部分
建筑物理光学部分的知识梳理，整理了眼睛与视觉、基本光度单位和应用、材料的光学性质、可见度及其影响因素、颜色的内容，快来看看吧！
编辑于2023-03-04 11:01:29 四川省- 建筑物理
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建筑光学的基本知识
眼睛与视觉
眼睛的构造
瞳孔
水晶体
视网膜
感光细胞
位置分布
锥体细胞
在明亮环境下对色觉和视觉敏锐度起着决定作用
可以分辨物体的细部和颜色，对环境的明暗变化作出迅速反应
杆体细胞
在黑暗环境中对明暗感觉起决定性作用，虽然能看见物体，但是不能分辨细部和颜色，对于明暗变化的反应缓慢
人眼的视觉特点
视野
在双眼不动的情况下，水平面180°，垂直面-70°到60°一共130°
明暗视觉
明视觉即在明亮环境中，主要由视网膜的椎体细胞起作用的视觉，明视觉能够辨认很小的细节，同时具有颜色感觉，而且对于外界亮度的适应能力强
暗视觉指的是在暗环境中，主要由于视网膜杆体细胞起作用的视觉。暗视觉只有明暗感觉而无颜色感觉，也无法辨认物件的细节，对于外部变化的适应能力低
介于明视觉和暗视觉之间的视觉是中间视觉，在中间视觉时，视网膜的两种感光细胞同时起作用，而且他们随着正常人的适应水平变化而发挥的作用不同
光谱光视效率
【】光谱光视效率曲线
需要具体绘图
在不同光亮条件下人眼感受性不同的现象称为“普尓金耶效应”
利用上述效应，选择相应的明度和色彩对比，否则就可能在不同时候产生完全不同的效果，达不到预期的目的
基本光度单位和应用
光通量
【注】不能直接用光源辐射功率或辐射通量来衡量光能量，必须采用以标准光度观察者对于光的感觉量为基准的单位——光通量来衡量，即根据辐射对于标准光度观察者的作用导出的光通量。
注意Km为最大光谱视效能，取683lm/W
在建筑光学中，常常用光通量来表示一个光源发出光能的多少，它是光源的一个重要参数。
单位为lm，流明
发光强度
光源在给定方向上的发光强度是该光源在该光源在该方向上的立体角元dΩ内传输的光通量dφ除以该立体角之商
发光强度的单位为cd，坎德拉，表示光源在1球面立体角内均匀发射出1lm的光通量
照度
当光通量φ均匀分布在被照面A上的时候，被照面上各个点的照度均为E=φ/A
单位为lx，勒克斯。等于1流明的光通量均匀分布在1㎡的被照面上。
发光强度和照度的关系
对于点光源来说，表面法线与入射光呈i角处的照度，与他到点光源的距离的平方成反比，而与光源在i方向的发光强度和入射角i的余弦成正比。
亮度
视网膜上的物像的照度是发光体在视线方向的投影面积Acosα成反比，与发光体朝视方向的发光强度Iα成正比
由于物体表面年度在各个方向不一定相同，因此常常在亮度符号的右下角注明角度，它表示与表面法线形成α角上的亮度。
单位是cd/㎡，偶尔会用熙提来表示亮度sb，表示的是1平方厘米面积上发出以坎德拉的单位亮度，很明显，1sb=10*10^4cd/㎡。
照度和亮度的关系
照度和亮度的关系，指的是单位光源亮度和它形成照度之间的关系。
一系列推理之后可以得出结论：某一发光表面在被照面上形成额的照度，仅仅和发光表面的亮度以及其被照面上形成的立体角的投影有关、
材料的光学性质
光的反射、吸收和透射
光线经过反射和透射之后，光分布的立体角没有改变，如镜子和透明玻璃。另一部分为扩散的，这类材料使得入射光程度不同地分散在更大的立体角的范围内，粉刷墙面就属于这一类。
即镜面反射与漫反射
规则反射和透射
特点
光线入射角等于反射角
入射光线、反射光线以及反射表面的法线处于同一个平面
光学性质
材料反射后的光源强度和发光强度，因为材料的吸收和反射，而比光源原有的亮度和发光强度有所降低
扩散反射和透射
漫射材料
漫射材料又被称为均匀扩散材料，这类的材料将入射光线均匀向四面八方反射或透射，从各个角度来看，其亮度完全相同，看不见光源的形象。
漫反射
粉刷墙面
漫透射
乳白玻璃
光学性质
朗博余弦定律
漫射材料的最大发光强度在表面的法向方向，其他发光强度和法向方向的值有如下的关系
混合反射和透射材料
混合反射
规则反射和漫反射兼有的反射
如油漆表面
混合透射
规则透射和漫反射兼有的透射
如磨砂玻璃
可见度及其影响因素
可见度
可见度的定义
人眼辨认物体存在或形状的难易程度。在室内应用时，以标准观察条件下恰好可以感知的标准视标的对比或大小定义。在室外时，以人眼恰可以看到的标准目标的距离定义，常常称为能见度
亮度
人眼能看到的最低亮度0.00001asb
物件的相对尺寸
即视角，视角就是识别对象对人眼所形成的张角，通常以弧度为单位来度量。视角越大看的越清楚，反之可见度下降。
亮度对比
亮度对比即观看对象和其背景之间的亮度差异，差异越大，可见度就越高。常常有C来表示亮度对比
对于均匀照明的无光泽背景和目标，亮度和对比可以用光反射比表示
视觉功效曲线
对比的不足，可以用增加照度来弥补，反之，也可以用增加对比来补偿照度的不足
目标越小，需要的照度就越高
天然光比人工光更加有利于可见度的提高
识别时间
在一定条件下， 亮度*时间=常数，也就是说，呈现时间越少，越需要更高的亮度才能引起感觉。
明适应
暗适应
眩光
眩光就是在视野中由于亮度的分布或亮度的范围不适宜，或存在极端的对比，以至于引起不舒适感觉或降低观察细部或目标能力的视觉现象。
失能眩光
降低视觉对象可见度，但是不一定产生不舒适感觉的眩光称为失能眩光
不舒适眩光
产生不舒适感觉，但是并不一定降低视觉对象的可见度的眩光称为不舒适眩光
直接眩光
视野中直接看到的眩光，特别是视线方向存在的发光体产生的眩光
直接眩光的消除
限制光源亮度
增加眩光的背景亮度，减少二者的亮度对比
减少形成眩光的光源视看面积，即减小眩光对于观测者的立体角
尽可能增大眩光的仰角
反射眩光
视野中的反射所引起的眩光
反射眩光的消除
尽量使视觉作业的表面为无光泽表面，以减弱规则反射而形成的反射眩光
应使视觉作业避开和远离照明光源同人眼形成的规则反射区域
使用发光面积大，亮度低的光源
使引起规则反射的光源形成的照度在总照度分钟所占比例减少，从而减少发射眩光的影响。
颜色
颜色的基本特征
颜色分类
光源色
光源射出的光的颜色
物体色
光被物体反射或透射后的颜色
无彩色
从白到黑的一系列中性灰色
有彩色
除了黑白以外的各种颜色
颜色属性
色调
明度
饱和度
即HSV
白色与黑色的举例
光的混色原则
太阳光的颜色构成
颜色理论
光的三原色
补色
颜色定量
颜色系统
以光的等色实验结果为依据的，由进入人眼引起的有彩色或无彩色感觉的可见光辐射表示的体系
建立在对表面颜色的直接评价基础上，用构成等指标的颜色图册表示的体系。
光源的色温和显色性
色温
显色性
光源的显色性就是照明光源对于物体色表的影响，它表示了与参考标准光源相比较时，光源显现物体颜色的特性。
天然采光
光气候和采光系数
光气候
天然光的组成和影响因素
太阳直射光
它形成的照度大，并具有一定的方向，在被照射物体背后出现了明显的阴影
天空漫射光
使天空具有一定的亮度，它在地面上形成的照度比较小，没有一定的方向， 不能形成阴影。
地面反射光
太阳直射光和天空漫射光射到地球表面后产生反射光
光气候
定义
是由太阳直射光、天空漫射光和地面反射光形成的天然光平均状况
云量
表示天空中云的多少
划分0-10级，表示天空总面积分为10份，其中被云遮住的分数、即覆盖云彩的天空部分所张的立体角综合与整个天空立体角2π之比
晴天
0-3
特征1
在一天漫射照度与直射光照度的变化
特征2
晴天空亮度分布
晴天空亮度分布以太阳子午圈（过太阳和天顶的经线）对称
最亮处在太阳附近
离太阳越远，亮度越低，在太阳子午圈上，与太阳呈90°达最低
中间天空
介于晴天和阴天
阴天
8-10
特征1
看不见太阳，因此室外天然光全部为漫射光，物体后面没有阴影
特征2
地面照度取决于
太阳高度角
云状
地面反射能力
大气透明度
特征3
天空最亮在天顶处
天空亮度最小在地平线附近
CIE标准一般天空
【】分为晴天空、阴天空和中间天空三大类，其中每个大类天空各包含5小类不同的天空类型，它们涵盖了大多数实际天空
CIE标准天空的亮度计算公式
推演：阴天情况下的照度运算
作用是用来推算地面照度，同时因为亮度分布稳定，所以室内照度较低，朝向的影响较小，室内的照度分布因此变得相对稳定
我国的光气候概况
高度角
同一时刻、北方的太阳高度角小于南方
日照绿（太阳出现时数和可能出现的时数之比）
由北、西北往东南方向逐渐减少，以四川盆地一带为最低
云量
自北向南逐渐增加，新疆南部最少，华北、东北少，常见中下游较多，华南最多，四川盆地特别多
云状
南方以低云为主，向北方逐渐以高、中云为主、因此天然光构成：南方天空漫射光照度较大，北方和西北以太阳光直射光为主
光气候分区
标准
按照室外天然光年平均总照度值的大小将全国划定为I~V类光气候区，再根据光气候的特点，按照年平均总照度值确定分区系数，即光气候系数K
采光系数
【定义】在室内给定平面上的某一点，由全阴天天空漫射光所产生的照度与同一时间、同一地点，在室外无遮挡水平面上由全阴天天空漫射光所产生的照度的比值
作用
利用采光系数这一概念，可以根据室内要求的照度换算出需要的室外照度，或由室外照度值求出当时的室内照度，而不受照度变化的影响，以适应天然光多变的特点
窗洞口
侧窗
定义
是在房间侧墙上开的窗，是最常见的采光形式。侧窗的窗台高1m，窗台高2m以上被称为高侧窗。
优点
构造简单、布置方便、造价低廉，光线有明显的方向性，有利于形成阴影观看立体物体，通过侧窗可以看到外界景物，有利于通风，层数不限。
缺点
室内照度距离窗越远越小，采光均匀度不好
评价因素
采光量
采光面积和形式有关
在采光口面积相等且窗底标高相同时，采光量：正方形>竖长方形>横长方形
采光均匀性
进深方向采光均匀性
纵向照度变化剧烈，房间深处照度不足
窗位置高低影响进深方向均匀性，为了克服进深照度不足的缺点，可以提高窗位置等
横向采光均匀性
主要受到窗间墙的影响：窗间墙越宽，横向均匀性越差
天窗
矩形天窗
定义
实质上是安装在屋顶上的高侧窗
分类
纵向矩形天窗
窗方向垂直于屋架
特点
照度均匀
不易形成眩光
便于通风
采光效率低
适用范围
采光系数的平均值最高为5%
用于中度精密的车间，以及有通风要求的车间
采光系数曲线
天窗宽度的对于室内照度平均值以及均匀度都有影响，加大天窗宽度，平均照度值增加， 均匀性改善
梯形天窗
为了增加采光量，将矩形天窗的玻璃做成倾斜的，称为梯形天窗
特点
梯形天窗：室内采光量明显提高，但是均匀度会明显变差
不容易清理，需要慎重选择
采光系数曲线
横向天窗
将部分屋面板放在屋架下弦，利用露出的屋架安装窗扇采光
特点
省去了天窗架，建筑高度降低，结构简化，节省材料，造价降低
采光效果和矩形天窗类似
不适用于跨度较小的车间
上弦坡度较大的三角形屋架不适合作为横向天窗
井式天窗
利用屋架上、下弦之间的空间，将一些屋面板放在下弦杆件上形成井口，开口处不装玻璃扇
特点
主要用于热车间起通风作用，采光系数一般在1%以下
锯齿形天窗
锯齿形天窗属于单面顶部采光
特点
采光效率高，平均采光系数可以达到7%
能满足精密工作车间的采光要求
光线具有方向性，采光均匀性比较好
采光系数曲线
平天窗
在屋面直接开洞，铺上透光材料
特点
结构简单，施工方便，布置灵活，采光效率高，但是污染严重
形式
采光板
采光罩
采光带
采光顶棚
注意
眩光
过热
冷凝水
采光系数曲线
井壁
由于防水和安装采光罩的需，在平天窗开口周围都需要设置一定高度的肋，称之为井壁。井壁高度和井口面积的比例影响窗洞口的采光效率
可以通过倾斜井壁的方法来形成采光
天窗的采光面积比较
分散布置的平天窗所需要的面积最小，其次为梯形天窗和锯齿形天窗，最大为矩形天窗
从均匀度来说，集中在一处的平天窗最差，但是如果将平天窗分散布置，则均匀度得到改善
采光设计
采光标准
采光系数标准值
按照作业精确度（识别物件的最小尺寸）确定采光等级
按照采光方式，侧窗采光（最低值），顶部采光（平均值）确定天然光照度
其他光气候区，室外临界照度为5000lx除以光气候系数K值
采光质量
采光均匀度
工业建筑取距地面1m，民用建筑取距地面0.8m的假定水平面上，即在假定工作面上的采光系数的最低值与平均值之比。也可以认为是室内照度的最低值与室内照度的平均值之比，对于I`IV级的采光均匀度，不宜小于0.7
窗眩光
侧窗位置较低造成的不舒适眩光
作业区尽量减少或避免直射阳光照射
不宜以明亮的窗口作为视看背景，可以采用室内外遮挡设施降低窗亮度或减小对天空的试看立体角
适宜将窗结构的内表面或窗周五诶的内墙面做成浅色饰面
光反射比
为了使室内各表面亮度比较均匀，必须使室内各个表面具有适当的光反射比。室内各表面的光反射比宜符合规定
采光设计步骤
搜集资料
了解设计对象的采光要求
了解设计对象的其他要求
选择窗洞口形式
确定窗洞口位置以及可能开设窗口的面积
估算窗洞口尺寸
布置窗洞口
先定窗高，再定窗宽
定窗位置，画出平面与剖面图
验算实际开窗面积与估算出窗洞面积差别， 并修改采光设计方案
学校教室采光设计
教室光环境要求
教室采光设计
设计条件
教室采光设计中的几个重要问题
教室剖面形式
美术馆采光设计
采光要求
采光形式
采光计算
确定采光计算分钟所需数据
计算步骤以及方法
侧面的采光计算
建筑照明
电光源
【电光源的发展方向】
高光效
性能优良的灯具
绿色照明产品
热辐射光源
将物体加热到白炽状态而发可见光的光源
分类
白炽灯
反射形灯
异形装饰灯
卤钨灯
循环原理
填充其体内含有部分卤族元素或卤化物的充气白炽灯，通过卤素循环现象，提高光源品质
数值
寿命
2000h
发光效率
能耗
<20lm/W
可见光
10%可见光、20%填充气体损耗、60%红外辐射
显色性
95-100
色温低但是比较舒适
体积
白炽灯的1~10%
特点
显色性好
色温低但是较为舒适
寿命短
发光效率低
体积小
灯丝温度3000K、泡壳温度大约470-1200K
缺点
对于电压波动比较敏感，耐振性较差
应用
被广泛用于大面积照明与定向投影照明的场所，如建筑工地施工照明、展厅、广场、舞台、影视照明以及较大区域的泛光照明等
热辐射卤钨灯
将散发的红外线反射到灯丝上继续加热灯丝，提高了光效，但是降低了寿命
气体放电光源
利用气体和蒸气放电而发光的光源
低压气体放电
管内气压<=1000pa，灯丝工作电流1-3A，此时放电的气体加热可以忽略
高压气体放电
管内气压>16kPa，16kPa-950kPa，工作电流1-20A。会造成温度上升，金属元素逐渐气化和升压后，灯管电压上升，电弧收缩，形成稳定的高压放电
分类
荧光灯
低压状态下的汞蒸气放电激发出紫外线，激活管壁上的荧光粉涂层发出可见光
优点
发光效率高
90lm/W
寿命更长
光照品质好，显色性好
25%能量转化为光能
眩光影响小
应用范围广
办公、家庭、商业
缺点
有频闪效应， 不适宜频繁开
早期产品含汞、污染环境
荧光高压汞灯
汞灯利用汞放电时产生蒸汽获得可见光的电光源
特点
结构简单
寿命长
12000h
光效
50lm/W
色温
4000-7800K
显色性
≥40
启动时间
4-8min
类型
透明玻壳
大量紫外线
涂粉玻壳
改善光色和显色性
反射型
定向
自镇流
方便、改善光色
应用
工业照明、仓库照明、街道照明、泛光照明安全照明等
金属卤化物灯
是在高压汞灯的基础上添加各种金属卤化物制成的第三代光源
特点
显色性高，发光效率65-106lm/W
需要镇流器才能工作，启动典雅比较高，启动电流低，启动时间长
环境温度越低启动越困难
无玻璃罩时，悬挂高度不宜低于14m
金属卤化物的寿命与启动频繁程度关系密切，频繁启动将会显著缩短灯泡寿命
钠灯
钠灯利用钠蒸汽放电产生可见的电光源，分为低压钠灯和高压钠灯
低压
辐射出波长为589nm的接近于黄色的单色光，与人眼视觉最灵敏的辐射波长非常接近
放电时大部分辐射能量都集中在共振线上，所以光效极高，可以达到450lm/W
优点
低压钠灯具有发光效率高、视觉敏感度高、寿命长、耗电少、穿透云雾能力强的特点
应用
常常用于海岸、码头、公路、隧道以及广场、景观等场所的照明。同时低压钠灯也是一综合管理科学仪器光源
缺点
显色性差、几乎不能分辨颜色，应该水平方向安装
高压
特点
寿命长
20000h
光效最高
120-140lm/W
色温
2000K
显色性低
<60
启动时间
6-12min
类型
透明玻壳
发光效率高
涂粉玻壳
漫射光线、调整光色
高显色型
提高显色性、效率降低
应用场所
道路、机场码头、港口、车站、广场、无显色要求的场所等
优点
工作时发出金白色光，发光效率高、寿命长、透雾性能好
缺点
收电源电压影响较大
应用
被广泛应用于道路、机场、码头、车站、广场、体育场以及工矿企业场所的照明
高显色钠灯
钠蒸汽压强从5kPa升高到65kPa，或增加放电管内氙气压强
发光效率降低
固体发光光源
使用固态电子院子在电作用下发可见光
LED发光二极管
是一种半导体固体发光器件。以半导体芯片为发光材料，在半导体PN结合部通过正向电流从而发射出光子
灯具
灯具的定义以及作用
灯具是透光、分配和改变光源分布的器具
除了光源以外所有用于固定和保护光源的全部、零部件与电源连接所必须的线路附件
灯具的作用
控光
保护光源
安全
美化环境
灯具的分类
从作用上
装饰性灯具
造型美观、美化环境
功能性灯具
高光效、低眩光
灯具的光特性
光强体
把灯具各个方向的发光强度在三维空间用矢量表示出来，把矢量的终端连接起来，则构成一个封闭的光强体
配光曲线
光强体被通过光轴的平面切割以后，在平面上获得的一个封闭的交线。此交线以极坐标的形式绘制在平面图上，即为灯具的配光曲线
遮光角
定义
灯罩边和发光体边沿连线与水平面形成的夹角
规律
gamma增大，眩光减小，光通量在被照面上集中
当光源亮度太大， 可以使用半透明材料做灯罩，限制亮度
灯具效率
定义
在相同条件下，灯具发出的光通量和灯具内全部光源的额定光通量之比
灯具分类
直接型灯具
亮度分布不均，容易形成眩光；光线方向性强，阴影浓重
半直接型灯具
改善了灯具的亮度分布
漫射型灯具
整个房间的亮度分布均匀
半间接型灯具
光线柔和、灯具的效率低
间接型灯具
光线的扩散好，光线柔和而均匀，无眩光光通量的利用率很低
室内工作照明设计
照明方式
一般照明
照亮整个被照面而设置的照明方式，使得室内工作面照度均匀
分区一般照明
提高特定区域的一般照明
局部照明
满足某些部位的特殊而设置的照明
混合照明
一般照明与局部照明组成的照明
照明标准
确定照明方式后，即应根据识别对象的最小尺寸、识别对象与背景亮度对比等特征开考虑房间的照明的数量和质量问题，其依据就是国家制定的照明标准，是从照明数量和照明质量两方面来考虑的
照明数量
照明质量
眩光
同时限制反射眩光和光幕反射
光幕反射
是由于视觉对象的规则反射，使得视觉对象的对比降低，以致于部分或全部难以看清细部
光源颜色
3300以下：暖光
5300以上：冷光
在低照度下，采用低色温光源为最佳
随着照明水平的提高，光源的相关色温也应该相应提高
照明的均匀度
一般不宜小于0.7
工作场所内走道和非作业区一般照明的照度值，不宜小于作业区域一般照度的1/5
混合照明时，按照规定，一般照明的照度，为该级总照度的5%-15%
反射比
光源和灯具的选择
光源的选择
光效高
寿命长
显色性好
价格低
适合使用场所应用
灯具的选择
光分布适宜
经济
不但光源好，而且附件好
符合使用环境要求
灯具的布置
对于一般照明，采用适当的距高比才能使得照度均匀
为了保证房间四个墙面上照度适宜，应该使得灯具到墙的距离=0.2-0.3l
当采用半间接和间接灯具时，为了使得顶棚上亮度均匀，需要控制灯到顶棚的距离
还应该考虑结构、设备、维修等方面的要求
照明计算
浮动主题