•

Wpływ światła na funkcjonowanie człowieka 

  

•

Pomiary światła 

  

•

Wytwarzanie światła  

  

•

Kształtowanie rozsyłu światła 

  

•

Zastosowanie światła w celu uwidocznienia środowiska człowieka 
 

Podstawy  Techniki Świetlnej 

•

dr inż. Małgorzata Górczewska 

•

luxel@hot.pl  

•

Zakład Techniki Świetlnej i Elektrotermii 

•

http://lumen.iee.put.poznan.pl/studenci

 

•

www.swiatlo.tak.pl

 

 

Podstawowe dziedziny Techniki Świetlnej  

 

•

Psychofizjologia widzenia 

•

Fotometria i kolorymetria  

•

Źródła światła 

•

Oprawy oświetleniowe 

•

Technika oświetlania   

Podstawowe zagadnienia Techniki Świetlnej  

 

Psychofizjologia widzenia zajmuje się: 

 

•

- 

badaniem  fizjologicznych i psychologicznych reakcji układu widzenia  

 

człowieka na promieniowanie widzialne 

 

•

- 

związkami pomiędzy bodźcami a wrażeniami 

Fotometria i kolorymetria 

•

Fotometria

 

– pomiary światła, na podstawie których określa się wartości 

podstawowych wielkości i wskaźników  charakteryzujących źródła światła, oprawy 

oświetleniowe oraz oświetlane wnętrza lub przestrzenie zewnętrzne 
 

•

Kolorymetria

 

– pomiary i obliczenia barwy światła, prowadzone w celu 

charakteryzowania niektórych cech źródeł światła i efektów związanych z ich 
zastosowaniem 
 

Źródła światła 

•

Konstrukcja i zasada działania 

  

•

Cechy źródeł 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  

Percepcja otoczenia 

0%

50%

100%

83%

11%

3,5%

1,5%

1%

wzrok

słuch węch dotyk smak

Psychofizjologia widzenia zajmuje się: 

 

•

- 

badaniem  fizjologicznych i psychologicznych reakcji układu widzenia  

 

człowieka na promieniowanie widzialne 

 

•

- 

związkami pomiędzy bodźcami a wrażeniami 

Oko jako kamera 

(Rys. Philips) 

Budowa oka 

 

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 dołku środkowym o wymiarze kątowym 1°) 

•

- 

duża rozdzielczość 

 

•

- 

rozróżnianie barw –  

•

- 

są trzy rodzaje czopków o różnej czułości widmowej 

Krzywa czułości względnej oka 

dla widzenia dziennego (fotopowego) 

(Rys. Philips) 

 
Dla widzenia dziennego  

maksimum czułości dla 555nm 

Dla widzenia nocnego     

maksimum czułości dla 507nm 

 
 

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/m

2

  do  100 000 cd/m

2 

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)  

Tablice 
Snellena 

Pierścienie 
 Landolta 

Prawo Webera (1831) 

•

Najmniejszy odczuwalny przyrost bodźca jest proporcjonalny do jego wartości 
 

 

 

•

Przy reakcji na światło przyrost ten wynosi 1% do 2%. 
 

const

B

B

Prawo Webera-Fechnera 

•

Dużym przyrostom bodźca odpowiadają proporcjonalne, ale małe przyrosty reakcji 

•

Równe przyrosty wrażenia wynikają z równych logarytmicznych przyrostów bodźca 

1 

2 

3 

1 

10 

100  1000 

Przyrost bodźca 

Przyrost  
wrażenia 

M.Górczewska 2014 

Podstawowe wielkości, jednostki, pomiary 

Podzakresy widmowe promieniowania optycznego

  

Oznaczenia  
podzakresu 

Zakres długości 

fali 

Nazwa 

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) μm 

Poczerwień średnia  

IR-C 

3 μm  1 mm 

Poczerwień daleka 

Podstawowe wielkości świetlne 

1. 

strumień świetlny 

2. 

światłość 

3. 

natężenie oświetlenia 

4. 

luminancja  

STRUMIEŃ ŚWIETLNY - 
W LUMENACH (lm) 

ŚWIATŁOŚĆ - I 
W KANDELACH (cd) 

NATĘŻENIE OŚWIETLENIA - E 
W LUKSACH (lx) 

LUMINANCJA  - L 
W KANDELACH/M

2

 (cd/m

2

) 

M.Górczewska 2014 

Podstawowe wielkości świetlne 

• Strumień świetlny Φ [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):

  

d

V

K

e

m

)

(

)

(

V

K

e

m

gdzie: K

m

 - 

maksymalna wartość skuteczności świetlnej widmowej dla 

 

      widzenia fotopowego  

 

 

              K

m

 = 683 lm/W dla 

λm = 555 nm 

555nm 

380nm 

V

λ 

λ [nm] 

780nm 

Krzywa względnej widmowej 

czułości oka 

Podstawowe wielkości świetlne 

d

d

I

I

•

Natężenie oświetlenia E [lx] 

[luks] 

•

- 

jest to stosunek strumienia świetlnego dΦ, padającego na elementarną 

powierzchnię ds, do wartości tej elementarnej powierzchni 

•

- 

inaczej jest to gęstość powierzchniowa strumienia świetlnego 

ds

d

E

s

E

•

Luminancja L

 

[cd/m

2

]

 [kandela/metr

2

] - 

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 

cos

ds

dI

L

cos

s

I

L

M.Górczewska 2014 

Obliczanie światłości kierunkowej

  

dΦ 

I

γ

 

dω 

Φ 

γ 

śr

I

∆ω 

∆Φ 

Dla skończonych wartości średnie gęstości strumienia świetlnego: 

Obliczanie podstawowych wielkości świetlnych 

d

d

I

Dla pełnego kąta przestrzennego średnia światłość kierunkowa: 
 

4

0

o

I

0

Iγ = I

0 

Obliczanie światłości kierunkowej 

r 

ds 

dω 

h → 0  

dΦ 

d

d

I

ds

d

E

d

I

ds

E

2

r

ds

d

prawo odwrotności kwadratów

: 

2

r

I

E

2

r

E

I

Zależność obowiązuje dla źródeł punktowych, tj., gdy odległość  

r ≥ 5 x liniowy wymiar źródła światła 

I 

ds’ 

ds’ 

→ ds 

Dla dostatecznie 
dużej odległości r 

powierzchnia kuli          S = 4 

π r

2 

 
powierzchnia czaszy     

S’ = 2 π r h 

′ 

2

r

ds

d

≈ 

M.Górczewska 2014 

Obliczanie strumienia świetlnego 

 

 

d

V

K

e

m

,

Ten wzór nie ma praktycznego zastosowania w fotometrii. 

d

I

d

0

Id

)

cos

1

(

2

d

d

sin

2

0

sin

2

d

I

Z definicji: 

Wykorzystujemy zależność na obliczanie światłości kierunkowej: 

Sfera jako bryła fotometryczna 

 

punktowego źródła światła  

o równomiernym w przestrzeni 

 

rozsyle strumienia świetlnego  

Wykres światłości  

punktowego źródła światła  

γ 

Iγ = Io 

0

0

0

0

)

cos

1

(

2

sin

2

sin

2

I

d

I

d

I

0

0

4 I

Obliczanie strumienia świetlnego – przykład – rozsył równomierny 

M.Górczewska 2014 

Bryła fotometryczna ciała  
promieniującego zgodnie  
z prawem Lamberta) 

Obliczanie strumienia świetlnego – przykład – rozsył lambertowski 

Wykres światłości powierzchni 
 

promieniującej zgodnie 

 z prawem Lamberta 

γ 

Iγ 

γ = 

π

/2 

Im 

2

/

cos

m

I

I

0

2

sin

cos

sin

2

m

I

d

I

m

I

0

Światłość zmienia się  
Zgodnie z zależnością:  

Rys. W. Żagan 

Toroidalna bryła 
 fotometryczna  
świetlówki liniowej  

Obliczanie strumienia świetlnego – przykład – rozsył sinusoidalny 

Wykres światłości 
pionowej świetlówki  

Im 

Światłość zmienia się  
Zgodnie z zależnością:  

sin

m

I

I

γ 

Iγ 

0

2

)

2

sin

2

1

(

sin

2

m

I

d

I

m

I

2

0

Rys. W. Żagan 

M.Górczewska 2014 

Bryła fotometryczna 

•

Rozchodzenie się strumienia 
świetlnego w przestrzeni otaczającej 
źródło światła jest charakteryzowane 
przez światłość, której rozsył 
przestrzenny można przedstawić w 
postaci wektorów światłości, 
wychodzących w różnych kierunkach 
ze środka źródła światła. 
 

 

•

Wektory tworzą bryłę otaczającą dane 
źródło światła, zwaną bryłą 
fotometryczną.  

Bryła fotometryczna żarówki 

Bryła fotometryczna oprawy drogowej 

Rys. W. Żagan 

Układ współrzędnych γ,

 

C  

γ  = 0  
 

C = 0  

C = 180  

C = 90  

C = 270  

γ  = 180  

γ  = 90  

P 

γ

  

 

0 

Jeśli bryłę fotometryczną zorientujemy w przestrzeni – np. we 
współrzędnych biegunowych γ, C, to na tej podstawie można 
wyznaczyć strumień świetlny źródła światła. 

C 

M.Górczewska 2014 

Układ współrzędnych 

C- γ

  

do wyznaczania rozsyłu światłości opraw 

IγC 

C

15 

C

30 

C

45 

C

75 

C

60 

γ 

I

γ

C 

C 

γ

= 90º 

γ

= 0º 

Orientacja układu współrzędnych 

C- γ

  

do wyznaczania rozsyłu światłości opraw  

Obliczanie strumienia świetlnego 

Strumie

ń świetlny można obliczyć na podstawie rozsyłu światłości. Metoda 

sprowadza się do sumowania strumieni cząstkowych zawartych między 
pobocznicami stożków o połówkowych kątach wierzchołkowych γ i (γ +Δγ). 

1

2

)

(

)

(

)

(

śr

I

)]

cos(

[cos

2

: 

)

(

0

)

(

śr

I

dla strumienia 
całoprzestrzennego 

ω

2

 

ω

1

 

γ

1

 

γ

2

 

M.Górczewska 2014 

Obliczanie natężenia oświetlenia 

S

E

dla źródła punktowego

: 

2

h

I

E

h 

Iγ = I

0 

E = E

h 

źródło światła 

2

r

I

E

Obliczanie natężenia oświetlenia 

h 

γ 

Iγ 

r 

Eh 

Ev 

E 

Na 

poziomej 

płaszczyźnie  oświetlanej  interesuje  nas 

składowa pozioma natężenia oświetlenia E

h

,  

na 

płaszczyźnie pionowej (np. ściana) składowa pionowa E

v

. 

cos

cos

2

r

I

E

E

h

sin

sin

2

r

I

E

E

v

cos

h

r

3

2

cos

h

I

E

h

2

2

cos

sin

h

I

E

v

M.Górczewska 2014 

Obliczanie luminancji 

 

 

 

cos

S

I

L

 

 

 

Φp 

Φo 

Im 

ρ 

Iγ 

S

E

P

O

Obliczanie luminancji 

m

O

I

S

E

I

m

cos

m

I

I

E

k

E

S

S

E

S

I

L

m

cos

cos

cos

cos

S

E

P

O

cos

S

I

L

Luminancja powierzchni rozpraszającej światło ( odbite, przepuszczane, 
emitowane) ma jednakową luminancję niezależnie od kierunku obserwacji. 

Φ

p 

N 

ρ 

γ 

S 

Im 

Iγ 

Lγ 

Φ

o 

M.Górczewska 2014 

WZORCE ŚWIATŁOŚCI - 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 

godzinę 

 

•

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 

Pomiary fotometryczne

  

•

Podstawowy wzorzec fotometryczny

 

jest punktem wyjścia – na nim opiera się podstawowa 

jednostka fotometrii 

– kandela [cd] 

 
 

•

Kandela

 

jest światłością w danym kierunku źródła wysyłającego monochromatyczne 

promieniowanie o długości 555,016 nm, którego natężenie promieniowania w tym kierunku wynosi 
1/683 W/sr 

1cd = 

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. 

 

Ogniwo fotoelektryczne 

Φ

 

Zasada działania oparta jest na zjawiskach:

 

i

f 

μA

 

elektroda - 

pierścień metalowy 

 

warstwa selenu 0,08 mm

 

warstwa zaporowa

 

stalowa płytka niklowana

 

warstwa ochronna

 

- 

wyzwalania w półprzewodnikach elektronów pod wpływem działania światła 

-

tworzenia się warstwy zaporowej na powierzchni styku przewodnika  z półprzewodnikiem 

 

Obecnie selen został zastąpiony przez krzem  

 

Pomiary fotometryczne

  

W pomiarach wzrok ludzki zastąpiony jest przez fotoprzetworniki (np. fotoogniwa, fotodiody) 

skorygowane do względnej widmowej czułości oka obserwatora normalnego 

M.Górczewska 2013 

Ogniwo fotoelektryczne 

Względna czułość widmowa ogniwa  

 selenowego i krzemowego  

szeregowo-bocznikowy 
 z galwanometrem  

z konwerterem I/U  

Układ połączeń  

Pomiary fotometryczne

  

E

w

 = E

b 

ogniwo 

fotoelektryczne 

r

w 

r

b 

I

w 

I

b 

2

w

b

w

b

r

r

I

I

2

w

w

w

r

I

E

Obserwatora zastępuje ogniwo fotoelektryczne 

2

b

b

b

r

I

E

Pomiary fotometryczne 

- 

pomiar światłości kierunkowej

  

Wariant I 

– pomiar na ławie fotometrycznej – przy zrównaniu natężeń oświetlenia  

uzyskanych z wzorca Ew i źródła badanego Eb 

M.Górczewska 2014 

r

w

 = r

b 

ogniwo 

fotoelektryczne 

r

w 

r

b 

I

w 

I

b 

w

b

w

b

E

E

I

I

2

w

w

w

r

I

E

2

b

b

b

r

I

E

Obserwatora zastępuje ogniwo fotoelektryczne 

Pomiary fotometryczne 

- 

pomiar światłości kierunkowej

  

Wariant II 

– pomiar na ławie fotometrycznej – przy zrównaniu odległości z których kolejno  

wzorzec i lampa badana oświetlają fotoprzetwornik. 

Pomiar przestrzennego rozsyłu światła 

Pomiar wykonywany jest np. na  fotometrze ramiennym  
(pomiar przy r = const) 

Ogniwo 
fotoelektryczne 

γ 

C 

I

E

E

I

I

Światłości opraw podawane są w postaci tablic lub wykresów w wartościach światłości 
przeliczonych na sumaryczny strumień źródeł światła wynoszący  1000 lm 

r 

L

I

I

1000

Φ

L 

 - 

suma strumieni źródeł światła w oprawie  

Wyznaczone światłości przeliczane są  

na umowną wartość strumienia świetlnego 

wszystkich lamp w oprawie = 1000 lm 

M.Górczewska 2014 

Pomiar strumienia świetlnego 

OF 

P 

Źródło 
pomocnicze 

w

b

w

b

E

E

bp

wp

w

b

w

b

E

E

E

E

Pomiar z lampą pomocniczą 

Lumenomierz 

Pomiar strumienia świetlnego 

•

Pomiar strumienia świetlnego można wykonać w lumenomierzu kulistym, tj. w szczelnie 

zamkniętej kuli, pomalowanej w środku jasną, aselektywnie odbijającą światło, idealnie 

rozpraszającą farbą. 
 

•

Źródło o nieznanym strumieniu światła Φ

b 

porównuje się  ze źródłem wzorcowym o znanym 

strumieniu Φ

w

. 

 

•

Bezpośrednie oświetlenie ogniwa fotoelektrycznego – OF  jest wyeliminowane przez 

przesłonę P. 
 

•

Natężenie oświetlenia na ogniwie E jest zatem proporcjonalne do strumienia świetlnego 

źródła wzorcowego oraz następnie źródła badanego. 
 

•

W przypadku gdy źródło wzorcowe i badane różnią się wielkością i współczynnikami odbicia 

wykonuje się dodatkowy pomiar z użyciem źródła  pomocniczego. 
 

•

Kolejno przy nieświecącym źródle wzorcowym i nieświecącym źródle badanym wyznacza 

się natężenie oświetlenia na oknie pomiarowym 
 

•

Stosunek pomierzonych natężeń Ewp/Ebp stanowi współczynnik korygujący wpływ źródeł 

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 się na ławie 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,  

 
 
 
 

•

- 

rozkład widmowy światła (wzorcowani luksomierzy – dla lamp żarowych, współczynniki korekcyjne 

dla innych źródeł światła np. lamp sodowych, rtęciowych, metalohalogenkowych).  

•

- temperatura otoczenia  

Φ 

•

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: 

 
 
 
 

•

Otrzymane wartości porównujemy z wymaganiami normatywnymi. 

n

E

E

n

śr

śr

E

E

min

1

max

min

2

E

E

Pomiar luminancji 

•

Wskazania miernika prądu fotoelektrycznego są proporcjonalne do luminacji powierzchni bez 
względu na odległość pomiaru (ω = const i jest to cecha danego miernika). Pole to może być 
zmieniane przez obiektyw lub przesłony 

r 

S 

OF 

I 

L 

S

I

S

I

L

cos

S

L

I

L

k

L

k

r

S

L

k

r

S

L

k

r

I

k

E

k

i

f

'

2

2

2

Pomiary luminancji wykonuje się miernikiem luminancji 
 

M.Górczewska 2014