•

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

•

[e-mail]

•

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