p_p_tech_osw.pdf

Edward Musiał

Oddział Gdański SEP

PODSTAWOWE POJĘCIA TECHNIKI OŚWIETLENIOWEJ

Wprawdzie niemal wszystkie źródła światła sztucznego są obecnie źródłami elektrycznymi,

ale wytworzone przez nie światło i pole świetlne jest medium nieelektrycznym. W zastosowaniach

światła do celów oświetleniowych rozpoznawanie i opisywanie zjawisk oraz zachodzących zależ-

ności wymaga posługiwania się wielkościami i prawami fotometrycznymi, które poza fizyczną na-

turą światła biorą pod uwagę fizjologię widzenia człowieka, a ściślej - umownego reprezentatyw-

nego obserwatora CIE. Dobra znajomość tych wielkości i praw jest niezbędna do rozumnego sto-

sowania norm i przepisów oświetleniowych, do projektowania i racjonalnej eksploatacji urządzeń

oświetleniowych, a zwłaszcza do dokonywania kompetentnej kontroli ich stanu i formułowania

wniosków bądź zaleceń pokontrolnych.

Przy korzystaniu z norm oświetleniowych dobrze wiedzieć, że większość z nich powstawała

jako dokumenty normatywne Międzynarodowej Komisji Oświetleniowej CIE ( Publication CIE ).

Skrót ten pochodzi od francuskiej nazwy Komisji: Commission Internationale de l’Éclairage i ła-

two go pomylić ze skrótem CEI francuskiej ( Commission Électrotechnique Internationale ) lub

skrótem IEC angielskiej (International Electrotechnical Commission ) nazwy Międzynarodowej

Komisji Elektrotechnicznej, która nie zajmuje się techniką oświetlania, lecz tylko sprzętem oświe-

tleniowym. Poza krajami anglojęzycznymi rzadko używa się skrótu ICI angielskiej nazwy Między-

narodowej Komisji Oświetleniowej: International Commission on Illumination . Międzynarodowa

Komisja Oświetleniowa CIE powstała w roku 1913 z Międzynarodowej Komisji Fotometrycznej,

istniejącej od roku 1900. Aktualnie skupia 37 krajów świata; Polskę reprezentuje działający przy

SEP Polski Komitet Oświetleniowy.

Bywa, że uznane zasady wiedzy dotyczące niektórych trudnych problemów oświetleniowych

długo pozostają w postaci dokumentów CIE i dopiero po latach są wprowadzane do norm regional-

nych, np. do Norm Europejskich.

1. Światło jako promieniowanie elektromagnetyczne

Światło, czyli promieniowanie widzialne, to promieniowanie elektromagnetyczne wywołują-

ce u ludzi i zwierząt wrażenia świetlne umożliwiające widzenie. W widmie fal elektromagnetycz-

nych promieniowaniem widzialnym dla człowieka jest bardzo wąski zakres o długości fali λ od 380

nm (skrajny fiolet) do 780 nm (skrajna czerwień). Wyróżnienie tego zakresu promieniowania wyni-

ka tylko z faktu percepcji wzrokowej, z fizjologii oka ludzkiego, i w żaden sposób nie jest uspra-

wiedliwione z fizycznego punktu widzenia.

W fizyce przez światło (promieniowanie optyczne) na ogół rozumie się zakres promieniowa-

nia obejmującego poza zakresem widzialnym również sąsiednie zakresy niewidzialne: promienio-

wanie nadfioletowe UV i promieniowanie podczerwone IR, których właściwości oraz metody wy-

twarzania i badania są podobne (rys. 1). Dowolne promieniowanie elektromagnetyczne można opi-

sać podając m.in. następujące parametry bądź charakterystyki fizyczne (tabl. 1), najzupełniej obiek-

tywne, niezwiązane z selektywnością odbioru promieniowania przez oko.

Moc promienista albo strumień energetyczny [W] – moc wysyłana, przenoszona lub odbie-

rana w postaci promieniowania, czyli ilość energii promienistej Q e [J] wysyłana, przenoszona lub

odbierana w jednostce czasu t [s].

e =

[W]

Rys. 1. Promieniowanie widzialne i sąsiadujące z nim zakresy promieniowania elektromagnetycznego

Gęstość widmowa mocy promienistej albo gęstość monochromatyczna mocy promie-

nistej [W/nm] – iloraz nieskończenie małej części mocy promienistej d F e przypadającej na nie-

skończenie mały przedział dλ widma, zawierający daną długość fali λ, przez szerokość tego prze-

działu.

F =

d e

⎡

⎤

eλ

⎣

⎦

Egzytancja promienista źródła lub natężenie napromienienia odbiornika w określonym

punkcie [W/m 2 ] – iloraz mocy promienistej (emitowanej ze źródła lub padającej na odbiornik)

przypadającej na elementarną powierzchnię otaczającą dany punkt, przez pole tej powierzchni.

E =

⎦

⎡

⎤

⎣

Za przykład mogą posłużyć dane odnoszące się do promieniowania słonecznego:

1360

– stała słoneczna (na granicy atmosfery ziemskiej),

w tym 7,0 % - promieniowanie nadfioletowe UV,

47,3 % - promieniowanie widzialne,

45,7 % - promieniowanie podczerwone IR,

1360 =

340

– średnie dobowe natężenie napromienienia na powierzchni Ziemi

(o promieniu R ) przy pominięciu wpływu atmosfery.

Tablica 1. Relacje między wielkościami fizycznymi charakteryzującymi dowolne promieniowanie elektro-

magnetyczne a wielkościami fotometrycznymi

Wielkość fizyczna X eλ

Wielkość fotometryczna

fot

∫

nazwa

jednostka

nazwa

jednostka

uwagi

Energia promienista (wy-

twarzana, przenoszona i od-

bierana w postaci promie-

niowania)

Ilość światła

lm·s

lm·h

Q e

Moc promienista ,

strumień energetyczny

Strumień świetlny

Φ o – całoprzestrzenny

Φ v – półprzestrzeni dolnej

Φ ^ – półprzestrzeni górnej

F e

Gęstość widmowa

mocy promienistej

Gęstość widmowa

(monochromatyczna)

strumienia świetlnego

F e

Natężenie promieniowania

Światłość (→)

I α – światłość kierunkowa

w kierunku wyznaczonym

przez kąt α względem pio-

I e

= cd

Natężenie napromienienia

(odbiornika promieniowania)

m 2

Natężenie oświetlenia

(→)

m 2

= lx

Egzytancja promienista

(źródła promieniowania)

m 2

Egzytancja świetlna

m 2

Gęstość widmowa

egzytancji promienistej

mnm

2 ⋅

eλ

λ d

Gęstość powierzchniowa

natężenia promieniowania

sr m

Luminancja (→)

m 2

= nt

⋅

cos

⋅

cos

ω cos

Napromienienie

m 2

Naświetlenie

Pojęcie stosowane

w fotografii

lx⋅s

∫ t

( → ) oznacza wielkość fotometryczną wektorową

Pogrubioną czcionką wyróżniono najważniejsze wielkości

Gęstość monochromatyczna egzytancji promienistej źródła lub gęstość monochroma-

tyczna natężenia napromienienia odbiornika [W/m 2 ⋅nm] – iloraz egzytancji promienistej lub na-

tężenia napromienienia przypadających na nieskończenie mały przedział widma, obejmujący daną

długość fali, przez ten przedział.

eλ

E =

⎡

⎤

⎣

⎦

eλ

⋅ nm

Widmo promieniowania – zależność gęstości monochromatycznej egzytancji promienistej

od długości fali. Widmo jest obrazem powstającym przez rozłożenie promieniowania złożonego na

składniki monochromatyczne (rys. 2).

Rys. 2. Przykłady reprezentacji graficznej widma promieniowania

Natężenie promieniowania w określonym kierunku [W/sr] – iloraz mocy promienistej wysy-

łanej przez źródło w elementarnym kącie bryłowym, obejmującym dany kierunek, do wartości tego

kąta, czyli gęstość przestrzenna mocy promienistej.

I = ⎦

⎣

⎤

2. Czułość widmowa oka

Ludzkie oko jest selektywnym odbiornikiem promieniowania elektromagnetycznego, wyka-

zuje czułość zależną od długości fali bądź częstotliwości bodźca. Czułość zależy ponadto od me-

chanizmu widzenia, który samoczynnie dostosowuje się do warunków oświetleniowych uaktywnia-

jąc właściwe fotoreceptory rozmieszczone na siatkówce oka. Zawierają one pigmenty, substancje

światłoczułe podlegające pod wpływem światła przemianom fotochemicznym powodującym zmia-

nę potencjału elektrycznego całej komórki (rys. 3, 4). Inicjuje to impuls, który może być przekazy-

wany do mózgu poprzez włókno nerwowe powiązane z fotoreceptorem. Po chwili pigment rekom-

binuje i fotoreceptor ponownie jest gotowy do detekcji fotonu.

Rys. 3. Budowa oka [4]

Przy widzeniu fotopowym (widzeniu dziennym, widzeniu czopkowym) aktywne są czopki

(rys. 4) zawierające jako barwnik jodopsynę (fiolet wzrokowy). Czopki są receptorami o małej czu-

łości, ale umożliwiają widzenie barwne, percepcję barw chromatycznych (barw kolorowych) dzięki

⎡

temu, że są trzy odmiany czopków o maksymalnej czułości odpowiednio dla promieniowania o

dużej, średniej i małej długości fali, co w uproszczeniu odpowiada barwom podstawowym RGB

(ang. red, green, blue ). Jedno oko zawiera ok. 7 mln czopków i są one skupione głównie w środku

siatkówki, wokół osi optycznej oka, gdzie znajduje się plamka żółta (rys. 3), miejsce najwyraźniej-

szego widzenia. Mechanizm fotopowy dominuje przy większych poziomach luminancji przedmio-

tów zadania wzrokowego (powyżej ok. 30 cd/m 2 ). Oko wykazuje wtedy największą czułość (rys. 5)

na promieniowanie monochromatyczne o długości fali 555 nm (światło o barwie żółtozielonej).

Rys. 4. Struktura siatkówki [4]

Przy widzeniu skotopowym (widzeniu zmierzchowym, widzeniu pręcikowym) aktywne są

pręciki (rys. 4) zawierające rodopsynę (purpurę wzrokową). Pręciki są receptorami o progu pobu-

dzenia tysiąc razy mniejszym niż czopki [3], ale są niewrażliwe na barwy chromatyczne. Umożli-

wiają dostrzeganie konturów i mogą oddawać różne stopnie szarości, tzn. barwy achromatyczne

(barwy niekolorowe). To dlatego w nocy wszystkie koty są szare . Mechanizm skotopowy dominuje

przy bardzo małych poziomach luminancji przedmiotów zadania wzrokowego (poniżej ok. 0,003

nt). Oko wykazuje wtedy największą czułość (rys. 5) na promieniowanie monochromatyczne o dłu-

gości fali około 510 nm (światło o barwie zielonej). Pojedyncze oko zawiera ok. 130 mln pręcików,

rozmieszczonych poza plamką żółtą. Obserwując nocą obiekty o małej jasności najlepiej patrzeć na

nie kątem oka, sytuować obraz na krawędzi pola widzenia o rozwarciu 10÷30°, bo wtedy tworzy się

on właśnie w rejonie największego skupienia pręcików. Taka technika obserwacji, nazywana zer-

kaniem, przydaje się przy obserwacjach nieba za pomocą teleskopu optycznego.

Rys. 5. zględna skuteczność świetlna pro-

mieniowania monochromatycznego:

V ( λ ) – przy widzeniu fotopowym

V '( λ ) – przy widzeniu skotopowym

C ( λ ) – cyrkadialna

W przekazywaniu sygnałów z komórek fotoreceptorowych do miliona włókien w każdym z

dwóch nerwów wzrokowych, a następnie do ośrodków wzrokowych mózgu, pośredniczą komórki

zwojowe siatkówki (rys. 4). W obrębie plamki żółtej każda komórka zwojowa jest związana

z jednym czopkiem, wobec czego jej pole recepcyjne jest małe, a zdolność rozdzielcza oka (ostrość

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: