Podstawy Techniki Åšwietlnej
" dr inż. Małgorzata Górczewska
" [e-mail]
" Zakład Techniki Świetlnej i Elektrotermii
" http://lumen.iee.put.poznan.pl/studenci
" www.swiatlo.tak.pl
Podstawowe zagadnienia Techniki Åšwietlnej
" Wpływ światła na funkcjonowanie człowieka
" Pomiary światła
" Wytwarzanie światła
" Kształtowanie rozsyłu światła
" Zastosowanie światła w celu uwidocznienia środowiska człowieka
Podstawowe dziedziny Techniki Åšwietlnej
" Psychofizjologia widzenia
" Fotometria i kolorymetria
" y
ródła światła
" Oprawy oświetleniowe
" Technika oświetlania
Psychofizjologia widzenia zajmuje siÄ™:
" - badaniem fizjologicznych i psychologicznych reakcji układu widzenia
człowieka na promieniowanie widzialne
" - związkami pomiędzy bodz
cami a wrażeniami
Fotometria i kolorymetria
" Fotometria  pomiary światła, na podstawie których określa się wartości
podstawowych wielkości i wskaz
ników charakteryzujących z
ródła światła, oprawy
oświetleniowe oraz oświetlane wnętrza lub przestrzenie zewnętrzne
" Kolorymetria  pomiary i obliczenia barwy światła, prowadzone w celu
charakteryzowania niektórych cech z
ródeł światła i efektów związanych z ich
zastosowaniem
y
ródła światła
" Konstrukcja i zasada działania
" Cechy z
ródeł światła  parametry ilościowe i jakościowe wytwarzanego światła
prawidłowe warunki działania
" Układy pracy lamp  elementy stabilizacyjno-zapłonowe
" Regulacja i sterowanie
" Eksploatacja
M.Górczewska 2014
Oprawy oświetleniowe
Urządzenia służące do:
" - zasilania lamp
" - kształtowania rozsyłu strumienia świetlnego
" - filtrowania lub przekształcania światła
" - ochrony lamp i układów stabilizacyjno- zapłonowych
" - mocowania
Technika oświetlania
" Zasady i sposoby stosowania światła w celu uwidocznienia obiektów i ich otoczenia
" oświetlenie wnętrz:
" - oświetlenie wnętrz światłem naturalnym
" - oświetlenie wnętrz światłem sztucznym
" oświetlenie zewnętrzne
" - oświetlenie dróg i ulic
" - oświetlenie placów, terenów otwartych
" - oświetlenie iluminacyjne
Psychofizjologia widzenia zajmuje siÄ™:
" - badaniem fizjologicznych i psychologicznych reakcji układu widzenia
człowieka na promieniowanie widzialne
" - związkami pomiędzy bodz
cami a wrażeniami
Oko jako kamera
Percepcja otoczenia
100%
50%
0%
wzrok słuch węch dotyk smak
83% 11% 3,5% 1,5% 1%
(Rys. Philips)
Krzywa czułości względnej oka
Budowa oka
dla widzenia dziennego (fotopowego)
Dla widzenia dziennego maksimum czułości dla 555nm
Dla widzenia nocnego maksimum czułości dla 507nm
Rozmieszczenie fotoreceptorów na siatkówce
" Pręciki - 120 mln
" - rozłożenie na całej siatkówce (poza dołkiem środkowym)
" - duża światłoczułość (500x czulsze od czopków)
" - niska zdolność rozdzielcza
" Czopki  6 mln
" - koncentracja w okolicach dołka środkowego
" (1 mln w doÅ‚ku Å›rodkowym o wymiarze kÄ…towym 1°)
" - duża rozdzielczość
" - rozróżnianie barw 
" - są trzy rodzaje czopków o różnej czułości widmowej
(Rys. Philips)
Czynności wzroku
" adaptacja
" akomodacja
" ruchy oczu
" widzenie barw
" pole widzenia
" Adaptacja - zmiana wrażliwości systemu wzrokowego na światło
" - oko ludzkie może przetwarzać informacje w szerokim zakresie luminancji
" 0,000001 cd/m2 do 100 000 cd/m2
M.Górczewska 2014
Czynności wzroku
" Akomodacja - zmiana stopnia załamywania promieni w wyniku zmian wypukłości i położenia
soczewki oka w celu otrzymania ostrego obrazu na siatkówce.
" - z wiekiem szybko maleje:
" punkt bliży akomodacji - 20lat - ok. 9 cm
" punkt bliży akomodacji - 50lat - ok. 50 cm
Czynności wzroku  ruchy oczu
Czynności wzroku
" Widzenie barw  zdolność rozpoznawania barw, będąca funkcją czopków - tj. fotoreceptorów
zgrupowanych w dołku środkowym oraz jego otoczeniu
" pole widzenia - jest to zbiór wszystkich punktów w przestrzeni postrzeganych jednocześnie z
punktem, na który patrzymy
" Jest ono zależne od anatomii obserwatora
(Rys. Philips)
Zdolność widzenia
" 1. Rozpoznawanie kontrastu  dokładność postrzegania wzrasta ze wzrostem kontrastu
" 2. Ostrość wzroku
" zdolność rozróżnienia obiektów znajdujących się bardzo blisko siebie
" ilościowo - odwrotność najmniejszej odległości kątowej (wyrażonej w minutach kątowych) pomiędzy
dwoma rozpoznawalnymi wzrokiem testowanymi obiektami (np. punktami lub liniami)
Pierścienie
Tablice
Landolta
Snellena
Prawo Webera (1831)
" Najmniejszy odczuwalny przyrost bodz
ca jest proporcjonalny do jego wartości
B
const
B
" Przy reakcji na światło przyrost ten wynosi 1% do 2%.
Prawo Webera-Fechnera
" Dużym przyrostom bodz
ca odpowiadają proporcjonalne, ale małe przyrosty reakcji
" Równe przyrosty wrażenia wynikają z równych logarytmicznych przyrostów bodz
ca
3
Przyrost
2
wrażenia
1
1 10 100 1000
Przyrost bodz
ca
M.Górczewska 2014
Podstawowe wielkości, jednostki, pomiary
Podzakresy widmowe promieniowania optycznego
Oznaczenia Zakres długości Nazwa
podzakresu fali
XUV (1 100) nm Nadfiolet ekstremalny
UV-C (100 280) nm Nadfiolet daleki
UV-B (280 315) nm Nadfiolet średni
UV-A (315 380) nm Nadfiolet bliski
VIS (380 780) nm Promieniowanie widzialne
IR-A (780 1400) nm Poczerwień bliska
IR-B (1,4 3) źm Poczerwień średnia
IR-C 3 źm 1 mm Poczerwień daleka
Podstawowe wielkości świetlne
1. strumień świetlny
2. światłość
3. natężenie oświetlenia
4. luminancja
STRUMIEC
ÅšWIETLNY -
W LUMENACH (lm)
ÅšWIATA
OŚĆ - I
W KANDELACH (cd)
LUMINANCJA - L
W KANDELACH/M2 (cd/m2)
NAT
ŻENIE OŚWIETLENIA - E
W LUKSACH (lx)
M.Górczewska 2014
Podstawowe wielkości świetlne
" Strumień świetlny Ś [lm] [lumen] - jest to wielkość wyprowadzona ze strumienia
energetycznego przez ocenę działania promieniowania na normalnego obserwatora fotometrycznego.
" Inaczej jest to ten zakres strumienia energetycznego, który wywołuje wrażenia wzrokowe u obserwatora
zaadaptowanego do jasności, o czułości wzroku przyjętej za reprezentatywną dla populacji.
" Dla widzenia fotopowego (dziennego):
V
Km V ( )d
e
Km V( )
 [nm]
e
780nm
380nm
555nm
Krzywa względnej widmowej
czułości oka
gdzie: Km - maksymalna wartość skuteczności świetlnej widmowej dla
widzenia fotopowego
Km = 683 lm/W dla m = 555 nm
Podstawowe wielkości świetlne
d
I
I
d
" Natężenie oświetlenia E [lx] [luks]
" - jest to stosunek strumienia świetlnego dŚ, padającego na elementarną
powierzchnię ds, do wartości tej elementarnej powierzchni
" - inaczej jest to gęstość powierzchniowa strumienia świetlnego
d
E
E
s
ds
" Luminancja L [cd/m2] [kandela/metr2] - powierzchni świecącej w danym kierunku
" - jest wyznaczana jako iloczyn światłości powierzchni w danym kierunku do jej
powierzchni pozornej, tj. rzutu powierzchni na płaszczyznę prostopadłą do kierunku
obserwacji
dI
I
L
L
ds cos
s cos
M.Górczewska 2014
Obliczanie podstawowych wielkości świetlnych
Obliczanie światłości kierunkowej
d
Åš
I
d
dÉ
Dla skończonych wartości średnie gęstości strumienia świetlnego:
Å‚ dÅš
"É
Iśr
"Åš
IÅ‚
Dla pełnego kąta przestrzennego średnia światłość kierunkowa:
0
0
Io
4
IÅ‚ = I0
Obliczanie światłości kierunkowej
d
d
E ds
I
ds
d
I
dÅš
ds
powierzchnia kuli S = 4 Ä„ r2
powierzchnia czaszy S = 2 Ä„ r h
dÉ
r
h 0
E ds I d Dla dostatecznie
dużej odległości r
ds ds
ds
ds2
d
d H"
r2
r2
I
I E r2
E
prawo odwrotności kwadratów:
r2
Zależność obowiązuje dla z
ródeł punktowych, tj., gdy odległość
r e" 5 x liniowy wymiar z
ródła światła
M.Górczewska 2014
Obliczanie strumienia świetlnego
Z definicji:
Km V d
e,
Ten wzór nie ma praktycznego zastosowania w fotometrii.
Wykorzystujemy zależność na obliczanie światłości kierunkowej:
Id
d I d
0
d 2 sin d
2 (1 cos )
2 I sin d
0
Obliczanie strumienia świetlnego  przykład  rozsył równomierny
IÅ‚ = Io
Å‚
Sfera jako bryła fotometryczna
Wykres światłości
punktowego z
ródła światła
punktowego z
ródła światła
o równomiernym w przestrzeni
rozsyle strumienia świetlnego
2 I sin d 2 I0 sin d 2 I0(1 cos )
0 0
4 I0
0
M.Górczewska 2014
Obliczanie strumienia świetlnego  przykład  rozsył lambertowski
Å‚ = Ä„/2
Å‚
IÅ‚
Im
Rys. W. Żagan
Światłość zmienia się
Wykres światłości powierzchni
Bryła fotometryczna ciała
Zgodnie z zależnością:
promieniujÄ…cej zgodnie
promieniujÄ…cego zgodnie
z prawem Lamberta
z prawem Lamberta)
I Im cos
2
2 I sin cos d Im sin
0
/ 2
Im
0
Obliczanie strumienia świetlnego  przykład  rozsył sinusoidalny
Im
Å‚
IÅ‚
Rys. W. Żagan
Światłość zmienia się
Toroidalna bryła
Zgodnie z zależnością:
fotometryczna
Wykres światłości
świetlówki liniowej
pionowej świetlówki
I Im sin
1
2
2 I sin d Im ( sin 2 )
2
0
2
Im
0
M.Górczewska 2014
Bryła fotometryczna
" Rozchodzenie siÄ™ strumienia
świetlnego w przestrzeni otaczającej
z
ródło światła jest charakteryzowane
przez światłość, której rozsył
przestrzenny można przedstawić w
postaci wektorów światłości,
wychodzących w różnych kierunkach
ze środka z
ródła światła.
Bryła fotometryczna żarówki
" Wektory tworzą bryłę otaczającą dane
z
ródło światła, zwaną bryłą
fotometrycznÄ….
Rys. W. Żagan
Bryła fotometryczna oprawy drogowej
Układ współrzędnych ł, C
Jeśli bryłę fotometryczną zorientujemy w przestrzeni  np. we
współrzędnych biegunowych ł, C, to na tej podstawie można
wyznaczyć strumień świetlny z
ródła światła.
Å‚ = 180
C = 90
C
0
C = 180 C = 0
Å‚ = 90
C = 270
Å‚
P
Å‚ = 0
M.Górczewska 2014
Układ współrzędnych C- ł do wyznaczania rozsyłu światłości opraw IłC
C75
C
C60
C45
C30
C15
Å‚
Å‚
= 90º
IÅ‚C
Å‚
= 0º
Orientacja układu współrzędnych C- ł do wyznaczania rozsyłu światłości opraw
Obliczanie strumienia świetlnego
Strumień świetlny można obliczyć na podstawie rozsyłu światłości. Metoda
sprowadza się do sumowania strumieni cząstkowych zawartych między
pobocznicami stożków o połówkowych kątach wierzchołkowych ł i (ł +"ł).
2 1
Iśr
( ) ( ) É2
( )
Å‚2
2 [cos cos( )]
Å‚1
É1
dla strumienia
całoprzestrzennego
:
Iśr
0 ( )
( )
M.Górczewska 2014
Obliczanie natężenia oświetlenia
z
ródło światła
E
S
IÅ‚ = I0
h
I
E = Eh
E
r2
I
E
dla z
ródła punktowego:
h2
Obliczanie natężenia oświetlenia
Na poziomej płaszczyz
nie oświetlanej interesuje nas
składowa pozioma natężenia oświetlenia Eh,
na płaszczyz
nie pionowej (np. ściana) składowa pionowa Ev.
I
h
Eh E cos cos
IÅ‚
r
r2
cos
Å‚
h r
I
Ev E sin sin
Ev
r2
Eh E
I
I
Eh cos3
Ev sin cos2
h2
h2
M.Górczewska 2014
Obliczanie luminancji
IÅ‚
I
Im
Åšp Åšo
L
S cos
Á
E S
O P
Obliczanie luminancji
Åšp
S
E S
O P
Im
Im N
O
Å‚
Åšo
E S
Im
IÅ‚
Á
LÅ‚
I
L
I Im cos
S cos
Im cos E S cos E
L k E
S cos S cos
Luminancja powierzchni rozpraszającej światło ( odbite, przepuszczane,
emitowane) ma jednakową luminancję niezależnie od kierunku obserwacji.
M.Górczewska 2014
Pomiary fotometryczne
WZORCE ÅšWIATA
OÅšCI - HISTORIA
Punktem wyjścia do określania wszystkich wielkości świetlnych jest światłość i jej wzorzec:
" 1800 - Francja - światłość lampki olejnej z knotem o średnicy 12 mm i spalającej 42g oczyszczonego
oleju rzepakowego na godzinÄ™
" 1909 - Francja,Anglia i USA przyjmują wzorzec żarowy (trzy jednakowe żarówki)
" 1979 - Generalna Konferencja Miar przyjmuje definicję kandeli, jest ona również jednostką
podstawową w układzie SI
" Podstawowy wzorzec fotometryczny jest punktem wyjścia  na nim opiera się podstawowa
jednostka fotometrii  kandela [cd]
1cd =
" Kandela jest światłością w danym kierunku z
ródła wysyłającego monochromatyczne
promieniowanie o długości 555,016 nm, którego natężenie promieniowania w tym kierunku wynosi
1/683 W/sr
W praktyce do pomiarów fotometrycznych wykorzystuje się wzorce:
" Wzorce pierwotne są to wzorce żarówkowe przygotowane przez porównanie z wzorcem
podstawowym. Są to zawsze wzorce światłości.
" Wzorce wtórne są to wzorce żarówkowe przygotowane przez porównanie z wzorcem pierwotnym  są
wykorzystywane do pomiarów fotometrycznych. Mogą to być wzorce światłości kierunkowej oraz wzorce
strumienia świetlnego.
" Wzorce robocze są przygotowane przez porównanie z wzorcem wtórnym i są używane w praktyce
laboratoryjnej.
Pomiary fotometryczne
W pomiarach wzrok ludzki zastÄ…piony jest przez fotoprzetworniki (np. fotoogniwa, fotodiody)
skorygowane do względnej widmowej czułości oka obserwatora normalnego
Ogniwo fotoelektryczne
Åš
warstwa ochronna
elektroda - pierścień metalowy
warstwa zaporowa
warstwa selenu 0,08 mm
stalowa płytka niklowana
źA
if
Zasada działania oparta jest na zjawiskach:
- wyzwalania w półprzewodnikach elektronów pod wpływem działania światła
-tworzenia się warstwy zaporowej na powierzchni styku przewodnika z półprzewodnikiem
Obecnie selen został zastąpiony przez krzem
M.Górczewska 2013
Pomiary fotometryczne
Ogniwo fotoelektryczne
szeregowo-bocznikowy
z galwanometrem
z konwerterem I/U
Względna czułość widmowa ogniwa
selenowego i krzemowego
Układ połączeń
Pomiary fotometryczne
- pomiar światłości kierunkowej
Obserwatora zastępuje ogniwo fotoelektryczne
Wariant I  pomiar na ławie fotometrycznej  przy zrównaniu natężeń oświetlenia
uzyskanych z wzorca Ew i z
ródła badanego Eb
ogniwo
fotoelektryczne
Iw Ib
rw rb
Iw
Ib
Ew Ew = Eb
Eb
2
rw
rb2
2
rb
Ib Iw
rw
M.Górczewska 2014
Pomiary fotometryczne
- pomiar światłości kierunkowej
Obserwatora zastępuje ogniwo fotoelektryczne
Wariant II  pomiar na ławie fotometrycznej  przy zrównaniu odległości z których kolejno
wzorzec i lampa badana oświetlają fotoprzetwornik.
ogniwo
fotoelektryczne
Iw Ib
rw rb
Iw
Ib
Ew rw = rb
Eb
2
rw
rb2
Eb
Ib Iw
Ew
Pomiar przestrzennego rozsyłu światła
Pomiar wykonywany jest np. na fotometrze ramiennym
(pomiar przy r = const)
C
E
I I I
E Å‚
Wyznaczone światłości przeliczane są
na umowną wartość strumienia świetlnego
wszystkich lamp w oprawie = 1000 lm
r
1000
Ogniwo
I I
fotoelektryczne
L
ÅšL - suma strumieni z
ródeł światła w oprawie
Światłości opraw podawane są w postaci tablic lub wykresów w wartościach światłości
przeliczonych na sumaryczny strumień z
ródeł światła wynoszący 1000 lm
M.Górczewska 2014
Pomiar strumienia świetlnego
Lumenomierz
P
y
ródło
OF pomocnicze
Eb Ewp
Eb
b w
b w
Ew Ebp
Ew
Pomiar z lampÄ… pomocniczÄ…
Pomiar strumienia świetlnego
" Pomiar strumienia świetlnego można wykonać w lumenomierzu kulistym, tj. w szczelnie
zamkniętej kuli, pomalowanej w środku jasną, aselektywnie odbijającą światło, idealnie
rozpraszajÄ…cÄ… farbÄ….
" y
ródło o nieznanym strumieniu światła Śb porównuje się ze z
ródłem wzorcowym o znanym
strumieniu Åšw.
" Bezpośrednie oświetlenie ogniwa fotoelektrycznego  OF jest wyeliminowane przez
przesłonę P.
" Natężenie oświetlenia na ogniwie E jest zatem proporcjonalne do strumienia świetlnego
z
ródła wzorcowego oraz następnie z
ródła badanego.
" W przypadku gdy z
ródło wzorcowe i badane różnią się wielkością i współczynnikami odbicia
wykonuje się dodatkowy pomiar z użyciem z
ródła pomocniczego.
" Kolejno przy nieświecącym z
ródle wzorcowym i nieświecącym z
ródle badanym wyznacza
się natężenie oświetlenia na oknie pomiarowym
" Stosunek pomierzonych natężeń Ewp/Ebp stanowi współczynnik korygujący wpływ z
ródeł
zestawu pomiarowego na obieg strumienia świetlnego w lumenomierzu
M.Górczewska 2014
Pomiar natężenia oświetlenia
" Pomiar natężenia oświetlenia wykonuje się przy użyciu miernika 
luksomierza.
" Miernik taki zwykle składa się z ogniwa fotoelektrycznego
połączonego z układem pomiarowym, bezpośrednio wyskalowanym
w luksach [lx].
" Wzorcowanie luksomierzy odbywa siÄ™ na Å‚awie fotometrycznej za
pomocą lamp wzorcowych o znanej światłości kierunkowej.
" Na dokładność pomiarów mają wpływ:
" - proporcjonalność wskazań miernika w zależności od natężenia oświetlenia,
" - kąt padania światła  przy dużych kątach luksomierz wskazuje niższe wartości od rzeczywistych,
Åš
" - rozkład widmowy światła (wzorcowani luksomierzy  dla lamp żarowych, współczynniki korekcyjne
dla innych z
ródeł światła np. lamp sodowych, rtęciowych, metalohalogenkowych).
" - temperatura otoczenia
" Ocenę parametrów oświetlenia wewnętrznego i zewnętrznego, związanych z natężeniem oświetlenia,
przeprowadzamy w oparciu pomiar, wykonany dla określonej siatki pomiarowej.
" W środku każdego pola mierzymy natężenie oświetlenia.
" Z pomiarów wyznaczamy wartość średnią oraz równomierności zgodnie z zależnościami:
Emin
Emin
En
Eśr 1
2
Eśr Emax
n
" Otrzymane wartości porównujemy z wymaganiami normatywnymi.
Pomiar luminancji
Pomiary luminancji wykonuje siÄ™ miernikiem luminancji
r
S I
OF
L
I I
L
I L S
S cos S
I L S S
if k E k k k L k L k' L
r2 r2 r2
" Wskazania miernika prÄ…du fotoelektrycznego sÄ… proporcjonalne do luminacji powierzchni bez
wzglÄ™du na odlegÅ‚ość pomiaru (É = const i jest to cecha danego miernika). Pole to może być
zmieniane przez obiektyw lub przesłony
M.Górczewska 2014