Podstawowe pojęcia techniki świetlnej

Spis treści

 

     1. Wstęp

       Badaniem natury światła, a więc prawami opisującymi jego emisję, rozchodzenie się oraz oddziaływanie z materią, zajmuje się dział fizyki zwany optyką. W optyce falowej rozpatrywane są zjawiska optyczne, w których przejawia się falowa natura światła, a więc zjawiska interferencji, dyfrakcji, polaryzacji i dyspersji światła.
      Technika świetlna jest dziedziną obejmującą zagadnienia wytwarzania i rozsyłu światła w przestrzeni, mierzenia światła i barwy oraz stosowania światła w celu oświetlenia obiektów i ich otoczenia. Należy do specyficznych dziedzin, której głównym kryterium jest sposób reagowania człowieka na światło i barwę. Wynika stąd konieczność stosowania zasad oświetlania związanych z czynnikami decydującymi o jakości widzenia i o pożądanym oddziaływaniu psychologicznym światła. A zatem zachodzi potrzeba optymalizacji w doborze pożądanych wartości oświetlenia oraz dokładności spełnienia wymagań, obliczeń i pomiarów oświetleniowych.

       Do podstawowych działów techniki świetlnej zalicza się:
     a) fotometrię -  obejmującą pomiary światła, na podstawie których określa się wartości podstawowych wielkości i wielu
         wskaźników charakteryzujących źródła światła, oprawy oświetleniowe oraz cechy wytworzonego oświetlenia.
     b) kolorymetrię - określającą na podstawie pomiarów i obliczeń; barwy światła, cechy źródeł światła, a także cechy oświetlenia.
     c) technikę oświetlenia - wskazującą sposoby stosowania światła w celu oświetlenia. W zależności od miejsca stosowania
         światła oraz od rodzaju światła wyróżnia się:
         - oświetlenie wnętrz światłem naturalnym,
         - oświetlenie wnętrz światłem sztucznym (elektrycznym),
         - oświetlenie dróg i ulic światłem elektrycznym,
         - oświetlenie wynikające ze specyfiki wymagań i rozwiązań oświetlenia, np. oświetlenie mieszkań,
           pomieszczeń medycznych, teatrów, studiów TV itp.
     d) źródła światła - charakteryzujące się różnymi rozwiązaniami konstrukcyjnymi, technologicznymi oraz eksploatacyjnymi.
         Występują w postaci żarówek, lamp wyładowczych oraz sprzętu pomocniczego, uzupełniającego zapłon i świecenie źródeł;
     e) oprawy oświetleniowe - wyróżniające się wieloma rodzajami o różnych rozwiązaniach konstrukcyjnych i technologicznych,
         dotyczących rozsyłu światła w powietrzu oraz praktycznego przyłączania źródeł do sieci zasilającej.

▲ do góry

     2. Terminy i definicje

      Promieniowanie (radiacja) - jest zjawiskiem wysyłania lub przenoszenia energii za pomocą fal elektromagnetycznych.
      Pole zadania - pole pracy, w obrębie którego wykonywane jest zadanie wzrokowe. W miejscach, dla których wielkość
      i/lub położenie pola zadania jest nieznane, jako pole zadania należy uznać pole, gdzie zadanie może być wykonywane,
      Pole bezpośredniego otoczenia - pas o szerokości co najmniej 0,5 m otaczający pole pracy, występujący w polu widzenia.
      Obszar tła - obszar sąsiadujący z polem bezpośredniego otoczenia o szerokości co najmniej 3 m.
      Zadanie wzrokowe - polega na wykonaniu określonej czynności (pracy) w wyniku odpowiedniej jakości widzenia, która
      zależy w szczególności od takich czynników fizycznych jak: luminancja obiektu i jej rozkład w otoczeniu, kontrastu
      obiektu z tłem, kontrast obiektu z tłem, wymiar kątowy najmniejszego rozpoznawanego szczegółu, a także od czasu
      spostrzegania.
      Promiennik - substancja generująca promieniowanie optyczna (np. rozgrzany drut wolframowy, luminofor, wyładowanie.
      Źródło światła - urządzenie składające się promiennika lub promienników i elementów umożliwiających zgodne
      z przeznaczeniem działanie promienników i doprowadzające energię elektryczną, izolujące promienniki od środowiska
      - bańki szklane, kwarcowe lub ceramiczne, odbłyśniki.
      w gazach lub parach metali).
      Otoczenie świetlne - otoczenie świetlne przedmiotu obserwacji, obserwowane pod katem jego fizjologicznego
      i psychologicznego oddziaływania na obserwatora.
      Kąt ochronny - kat między płaszczyzną poziomą i pierwszą linia wzroku, przy której świecące części lamp w oprawie
      są bezpośrednio widoczne.
      Miejsce pracy - miejsce w budynkach przedsiębiorstwa i/lub zakładu przeznaczone do wykorzystania jako stanowiska
      pracy, łącznie z każdym miejscem na terenie przedsiębiorstwa i/lub zakładu, do którego pracownik ma dostęp w trakcie
      pracy.
      Stanowisko pracy - kombinacja i przestrzenna aranżacja sprzętu do pracy w środowisku pracy narzucona przez warunki
      wynikające z zadań w pracy.
      Kontrast - dla obserwatora oznacza ocenę różnic w wyglądzie dwóch części pola widzenia postrzeganych jednocześnie
      (kontrast jednoczesny) lub kolejno (kontrast następczy). Kontrast może dotyczyć: jaskrawości, jasności, barw.
      Olśnienie - stan procesu widzenia, w którym następuje odczucie niewygody lub zmniejszenia zdolności rozpoznawania
      szczegółów (lub oba skutki równolegle) w wyniku niewłaściwego rozkładu jaskrawości, zakresów jaskrawości lub kontrastów
      w polu widzenia.
      Olśnienie przykre - olśnienie związane ze stanem niewygody, lecz niekoniecznie z procesem pogorszenia rozpoznawania
       szczegółów.
      Olśnienie przeszkadzające - olśnienie związane z pogorszeniem zdolności rozpoznawania szczegółów, lecz niekoniecznie
       z odczuciem niewygody.
      Barwa światła (dostrzegana) - odczucie jakościowe będące wynikiem dostrzegania. (Dostrzega się wyłącznie barwę
      światła: generowanego przez źródło, odbitego od powierzchni nieprzeświecalnej, przepuszczanego przez materiał
      przeświecalny, nie dostrzega się światła, a więc również barwy światła transmitowanego (przechodzącego) przez środek
      przezroczysty (np. barwy światła w powierzchni).
      Temperatura barwowa - jest to taka temperatura ciała doskonale czarnego, którego promieniowanie ma taką
      samą barwę psychofizyczną, co rozważane źródło (dotyczy promieniowań temperatur nowych).
      Temperatura barwowa najbliższa - jest to taka temperatura ciała doskonale czarnego, przy której barwa
      postrzegana tego ciała jest najbardziej podobna do barwy rozważanego promieniowania przy tej samej jaskrawości
      i tych samych (określonych) warunkach widzenia. Hasło dotyczy promieniowań lamp wyładowczych.
      Barwa (psychofizyczna) - opis barwy promieniowania przez wartości fizyczne takie jak składowe trójchromatyczne,
      współrzędne trójchromatyczne, temperaturę barwową..................
      Oddawanie barw - zdolność rozważanego promieniowania (promieniowania rozważanego źródła) do tworzenia barwy
      oświetlonych przedmiotów zgodnej z barwą uznaną za normalną (odniesieniową)
      Wskaźnik oddawania barw Ra - miara stopnia zgodności psychofizycznego wrażenia barwy przedmiotu oświetlanego
      rozpatrywanym źródłem światła z wrażeniem barwy tego samego przedmiotu oświetlonego źródłem odniesienia.
      Migotanie (światła) - odczucie niestabilności wrażenia wzrokowego powodowanego przez światło, którego jaskrawości
      lub barwa zmieniają się w czasie.
      Eksploatacyjne natężenie oświetlenia (Ēm): wartość, od której nie może być mniejsza wartość średniego natężenia
      oświetlenia, na określonej powierzchni. Jest to średnie natężenie oświetlenia zalecane do utrzymywania podczas
      użytkowania oświetlenia,
      Kąt ochrony: kąt między poziomą płaszczyzną i pierwszą linią wzroku, przy której świecące części lamp w oprawie
      oświetleniowej są bezpośrednio widoczne,
      Urządzenie z monitorem ekranowym (DSE): alfanumeryczne lub graficzne monitory ekranowe, niezależnie
      od zastosowanego sposobu wyświetlania [90/270/EWG],
      Równomierność oświetlenia: stosunek minimalnego natężenia oświetlenia (w jednym punkcie pomiarowym) do średniego
      natężenia oświetlenia rozpatrywanej powierzchni (patrz lEC 60050-845 / ClE 17.4: 845-09-58)

▲ do góry

      3. Promieniowanie elektromagnetyczne

      Promieniowanie jest zjawiskiem wysyłania lub przenoszenia energii za pomocą fal elektromagnetycznych lub przez emisję cząstek ze źródła promieniotwórczego.
      Światło jest promieniowaniem widzialnym - promieniowaniem elektromagnetycznym, zdolnym do wywoływania u człowieka i zwierząt bezpośrednio wrażeń wzrokowych, z których wynika widzenie.
      Źródłem promieniowania (fali elektromagnetycznej) mogą być naturalne zjawiska zachodzące w przyrodzie (np. promieniowanie słoneczne) lub zjawiska sztuczne, wymuszone przez człowieka.
      Do źródeł światła sztucznego zalicza się przeważnie źródła elektryczne, natomiast wytwarzane przez nie światło jest w zasadzie wielkością nieelektryczną, wyrażaną wielkościami i prawami fotometrycznymi.
      Promieniowanie optyczne jest promieniowaniem obejmującym zarówno zakres widzialny jak i sąsiednie zakresy niewidzialne: promieniowanie nadfioletowe UV i promieniowanie podczerwone IR (Rys. 1).
      W widmie fal elektromagnetycznych promieniowanie widzialne zawiera przedział długości fal od 380 do 780 nm, wywołujące w oku człowieka wrażenie zwane światłem. Taki zakres odbiera oko człowieka, ale zwierzęta mogą rejestrować promieniowanie o innych długościach.


Rys. 1. Promieniowanie elektromagnetyczne widzialne i sąsiadujące zakresy

      W widmie światła widzialnego istnieją przedziały o różnych długościach fal, które oko ludzkie odbiera jako wrażenie różnych barw, np.:
      - przedział o długości fali od 380 nm do 436 nm - fiolet,
      - przedział o długości fali od 436 nm do 495 nm - niebieski,
      - przedział o długości fali od 495 nm do 566 nm - zielony,
      - przedział o długości fali od 566 nm do 589 nm - żółty,
      - przedział o długości fali od 589 nm do 627 nm - pomarańczowy,
      - przedział o długości fali od 627 nm do 780 nm - czerwony.
      Najlepsza widzialność występuje w środku zakresu promieniowania widzialnego a najgorzej na końcach zakresu.

      3.1. Czułość wzrokowa oka
      Światło w naszym oku odbierają receptory znajdujące się na siatkówce: 125 milionów pręcików i 6,5 miliona czopków. Dzięki czopkom człowiek rozróżnia barwy w jasnym pomieszczeniu oraz ostro widzi szczegóły. Czopki zawierają trzy typy barwników o maksimach czułości w obszarach błękitu, oranżu i czerwieni.
      W zależności od stopnia podrażnienia każdego z barwników mózg otrzymuje różne serie impulsów nerwowych i interpretuje je jako różne kolory. Czopki potrafią również rozróżniać natężenie światła, czyli jego intensywność.
      Gdy oświetlenie jest słabe, czopki przestają pracować i nie rozpoznajemy wtedy barw. Zaczynają wówczas odbierać pręciki, które pozwalają widzieć jednobarwne przedmioty przy słabym oświetleniu, rejestrując ich natężenie.

      3.2. Wywoływanie wrażeń świetlnych przez promieniowanie
      Promieniowanie elektromagnetyczne z zakresu 380 ÷ 780 nm wywołuje w oku człowieka wrażenie światła; oko dostrzega i rozróżnia obiekty napromieniowane falami tych długości. Ponieważ rozkład widmowy mocy promienistej jest w zakresie widmowym zmienny, to odbiór intensywności wrażeń wywołanych przez poszczególne długości fal jest też różny. Podobnie, gdy człowiek ocenia wrażenia wywołane przez poszczególne długości fali, tak zwanego promieniowania równoenergetycznego (Φe (λ) = const.) – wtedy również byłyby one odbierane z różną intensywnością. Jest to cecha charakterystyczna narządu wzroku, który z różną wrażliwością reaguje na działanie promieniowania o różnych długościach fali z zakresu widzialnego. A zatem skuteczność wywoływania wrażeń świetlnych przez promieniowanie nie jest stała.

      3.3. Względna skuteczność światła promieniowania monochromatycznego Vλ (dla długości fali λ) jest to stosunek mocy promienistej (Φe (λmax) na długości fali λmax do mocy promienistej (Φe (λ) na długości fali λ, które w określonych warunkach fotometrycznych wywołują wrażenia świetlne o tej samej intensywności.

      Względna skuteczność świetlna promieniowania zależy od stanu adaptacji wzroku. Inną skutecznością będzie oddziaływać na obserwatora promieniowanie o danej długości fali w jasnym otoczeniu - a inna w ciemności.
      Krzywą odpowiadającą adaptacji do warunków jasności Vλ nazywa się krzywa fotopową, a krzywą odpowiadającą adaptacji do warunków ciemności V'λ - czułością skotopową.
      Na rysunku 2. przedstawiono przebiegi obu względnych skuteczności świetlnych promieniowania monochromatycznego Vλ i V'λ.


Rys.2. Krzywe względnej skuteczności świetlnej promieniowania monochromatycznego
(czułości widmowej oka) przy widzeniu fotopowym (Vλ) i przy widzeniu skotopowym (V'λ)

      Naturalnymi źródłami światła są ciała ogrzane do temperatury ponad 700°C. Na skutek ruchów cieplnych następuje wtedy wzbudzenie elektronów wewnątrz substancji i, przy powrocie do niższych stanów energetycznych, następuje emisja światła. Taki proces zachodzi w zwykłych żarówkach.
      Innym sposobem jest pobudzanie do świecenia atomów substancji (najczęściej rtęci) przepływającym prądem w gazach. Są to lampy wyładowcze, np. świetlówki lub żarówki energooszczędne.

      3.4. Energia promienista Q
      Promieniowanie elektromagnetyczne o określonym zakres promieniowania dla każdej długości fali promieniowania niesie ze sobą pewną energię, związaną z pewną mocą źródła promieniowania.
      Energia promienista Qe[J] – to energia wytwarzana, przenoszona i odbierana w postaci promieniowania.
      Ilość energii promienistej Qe – to ilość energii, która może być w tym samym czasie wysyłana w różnych kierunkach przestrzeni przez źródło promieniowania elektromagnetycznego, w różnej ilości.
      Energia promienista wytwarzana, przenoszona i odbierana w postaci promieniowania - określa sumaryczną energię wysłaną na wszystkich długościach fali , na których dane źródło promieniuje.

      3.5. Gęstość widmowa energii Qλ [J/nm] (monochromatyczna gęstość energii promienistej) określa ilość energii wypromieniowanej przez dane źródło na długości fali λ

      3.6. Moc promienista Pe albo strumień energetyczny Φe [W] jest mocą wysyłaną, przenoszoną lub odbieraną przez promieniowanie. Moc promienistą można obliczyć jako sumę gęstości widmowych mocy Φe (𝜆) tworzących rozkład widmowy promieniowania:

      przy czym: Φe (𝜆) oznacza rozkład widmowy gęstości mocy promienistej.
      Moc promienistą można również przedstawić jako związek energii promienistej i czasu, czyli:

      Moc promienista jest przez źródło wypromieniowana, a moc źródła światła jest mocą przez to źródło pobierana.

      3.7. Sprawność źródła promieniowania można wyrazić jako iloraz mocy wypromieniowanej przez źródło i mocy pobranej przez to źródło.

      3.8. Gęstość widmowa mocy promienistej albo gęstość monochromatyczna mocy promienistej [W/nm] - jest ilorazem nieskończenie małej części mocy promienistej dPe przypadającej na nieskończenie mały przedział dλ widma, zawierający daną długość fali λ, przez szerokość tego przedziału.

      Wielkością fotometryczną jest gęstość widmowa (monochromatyczna) strumienia świetlnego [lm/m].

      3.9. Natężenie promieniowania Ie [W/sr]
      Natężenie promieniowania w określonym kierunku Ie [W/sr] jest wielkością, która charakteryzuje gęstość kątową strumienia energetycznego w określonym kierunku przestrzeni.
      Natężenie promieniowania można wyznaczyć z ilorazu mocy promienistej wysyłanej przez dane źródło w elementarnym kącie bryłowym, obejmującym dany kierunek, do wartości tego kąta, czyli gęstości przestrzennej mocy promienistej.

      gdzie dω oznacza elementarny kat bryłowy oznaczający kierunek, dla którego wyznacza się promieniowanie.
      Wielkością fotometryczną wektorową jest „Światłość” (Tablica 25).

      3.10. Natężenie napromieniowania odbiornika w danym punkcie Ee [W/m2] lub egzytancja promienista źródła w określonym kierunku - jest ilorazem mocy promienistej (emitowanej ze źródła lub padającej na odbiornik), przypadającej na elementarną powierzchnię otaczającą dany punkt, przez pole tej powierzchni.

      Wielkością fotometryczną wektorową jest „Natężenie oświetlenia” (Tablica 25).

      Relacje między wielkościami fizycznymi a wielkościami fotometrycznymi przedstawiono w tablicy 1.

Tablica 1 Relacje między wielkościami fizycznymi a wielkościami fotometrycznymi

▲ do góry

Menu serwisu