Światło widzialne. Oświetlenie.

dr hab. n. med. Barbara Nieradko-Iwanicka

Katedra i Zakład Higieny Uniwersytetu Medycznego w Lublinie

Światłem widzialnym nazywa się widzialną część promieniowania elektromagnetycznego (Ryc.1.), czyli promieniowanie widzialne odbierane przez siatkówkę oka ludzkiego. Za wartości graniczne przyjmuje się maksymalnie 380-780 nm, choć często podaje się mniejsze zakresy (szczególnie od strony fal najdłuższych) aż do zakresu 400-700 nm. Oko ludzkie jest najbardziej wrażliwe na długości fali 555 nm (barwa żółto-zielona)

Ryc 1. Światło widzialne jako część promieniowania elektromagnetycznego.

W przypadku rozczepienia białego światła widzialnego przy użyciu pryzmatu, można je rozszczepić na:

Światło filetowe o długości fali 380-450nm

Błękitne 450-495nm

Zielone 495-570nm

Żółte 570-590nm

Pomarańczowe 590-629nm

Czerwone 620-750nm.

Światło widzialne jest promieniowaniem elektromagnetycznym niejonizującym.

Promieniowanie elektromagnetyczne niejonizujące to:

1. promieniowanie radiowe,

2. mikrofale

3. podczerwień,

4. światło widzialne,

5. bliski ultrafiolet.

Oddziaływanie z materią:

1. dla promieniowania elektromagnetycznego niskich energii NIE ZACHODZĄ efekty charakterystyczne dla promieniowania X i γ, czyli efekt fotoelektryczny, efekt Comptona,

2. za mała energia do zjonizowania atomu/cząsteczki (w większości przypadków, ponieważ promieniowanie UV i VIS jest w stanie wywołać reakcje fotochemiczne, czy rodnikowe niektórych substancji),

3. zamiast tego energia fotonów jest tracona głównie na drodze rozpraszania - zmiany rotacji, drgań cząstek oraz zmiany konfiguracji elektronów walencyjnych, są to oddziaływania o efekcie termicznym,

4. przy wystarczająco dużym efekcie termicznym (bardzo duża ilość promieniowania niejonizującego) może zajść jonizacja.

Podstawowe pojęcia

Strumień świetlny. Strumień świetlny jest to wielkość określająca zdolność mocy promienistej do wywoływania wrażeń świetlnych. Jednostką strumienia świetlnego jest lumen. Lumen jest strumieniem świetlnym wysyłanym w kącie bryłowym jednego steradiana przez punktowe źródło światła o światłości jednej kandeli.

Światłość to stosunek strumienia świetlnego wysyłanego w kącie bryłowym do wielkości tego kąta. Podstawową jednostką fotometryczną w układzie SI jest kandela(cd). Jest to jednostka światłości, czyli kandela określona jest jako 1/683 wata na steradian1 natężenia promieniowania monochromatycznego o długości fali 555 nm.

Luminancja (jaskrawość blask) to stosunek światłości źródła światła w danym kierunku do jego powierzchni. Jednostka luminancji w układzie SI jest kandela na metr kwadratowy (cd/m2). Dawniej używano jednostki stilb. Stilb jest luminancja kandeli na centymetr kwadratowy (cd/cm2). Rzadziej w publikacjach

Luminancja jest ściśle określonym pojęciem fizycznym. Poprzednio utożsamiano ją z jaskrawością.

Obecnie terminu „jaskrawość” używa się do określenia subiektywnego wrażenia jasności powierzchni. Wrażenie to w pewnym zakresie jest proporcjonalne do luminancji.

Blask może być:

1. Bezpośredni-źródła światła (słońca, żarówki)

2. Pośredni-odbity (księżyca, lustra)

3. Kontrastowy-światło reflektorów samochodu nadjeżdżającego nocą.

Oświetlenie to padanie światła na dany obiekt. Oświetlenie jest jednym z czynników, które w wyjątkowo dużym stopniu wpływa na jakość i komfort pracy. Znając metody oceny oświetlenia często można niewielkim kosztem poprawić warunki pracy. Przy ocenie jakości oświetlenia konieczna jest znajomość najważniejszych jednostek fotometrycznych. Podstawowe wiadomości z fizjologii widzenia pozwolą na zrozumienie zasad normowania różnych parametrów charakteryzujących oświetlenie

Natężenie oświetlenia. Jest to najczęściej stosowana wielkość fotometryczna, a jej jednostką jest luks. Jest on równy jednemu lumenowi padającemu na powierzchnię 1 m².

.

Fizjologia widzenia

Organem odbierającym wrażenia wzrokowe jest oko, które w przybliżeniu można przyrównać do kamery fotograficznej. Promienie świetlne biegnące z zewnątrz przechodzą przez układ załamujący oka składający się z:

1. rogówki,

2. komory przedniej,

3. komory tylnej,

4. soczewki,

5. ciała szklistego.

W końcowej swej drodze promienie świetlne zostają zatrzymane na siatkówce. Przed soczewką oka usytuowana jest tęczówka. W jej części środkowej znajduje się otwór zwany źrenicą, przez który promienie świetlne dostają się do dalszej części aparatu załamującego oka. Tęczówka pełni rolę diafragmy, przesłony regulującej ilość światła wpadającego do oka. Soczewka poprzez zmianę swej krzywizny pozwala na regulację w pewnym zakresie zdolności skupiającej układu załamującego promienie świetlne. Promienie świetlne po przejściu przez układ załamujący skupiają się na siatkówce oka tworząc obraz oglądanego przedmiotu. W siatkówce oka usytuowane są właściwe receptory światła w postaci czopków i pręcików, których czułość zmienia się w bardzo szerokich granicach. Impulsy powstające w siatkówce wędrują poprzez nerw wzrokowy do kory mózgowej, gdzie ostatecznie powstają wrażenia światła, barwy, kształtu. Z punktu widzenia norm oświetleniowych ważną rolę spełnia tęczówka, soczewka, siatkówka oraz stan całego aparatu przeziernego oka. Źrenica w stanie adaptacji do przeciętnego widzenia dziennego posiada średnicę ok. 3-4 mm. Po adaptacji do ciemności źrenica zwiększa swoją średnicę do 8 mm, natomiast po adaptacji do jasności zmniejsza do 1 mm. Ilość przepuszczonego światła jest zależna od powierzchni źrenicy. Ponieważ powierzchnia proporcjonalna jest do kwadratu wymiarów liniowych, można obliczyć ilokrotnie zwiększy się lub zmniejszy ilość światła docierającego do siatkówki w pierwszej fazie adaptacji. Po adaptacji do ciemności źrenica zwiększa się z 3-4 do 8 mm, w związku z tym powierzchnia zwiększy się.

Jako światło widzialne oko odbiera fale elektromagnetyczne o długości od 380 (fiolet) do 760 nm (czerwień). Promienie te w różny sposób pochłaniane są przez układ przezierny oka. U ludzi młodych, w wieku do 30 lat przepuszczalność w zakresie 440-760 nm jest mniej więcej stała i wynosi ok. 75%. Dla fal krótszych, poniżej 440 nm przepuszczalność spada prawie liniowo do 10% przyc400 nm. U ludzi starszych, w wieku 70 lat, widmowa przepuszczalność promieniowania widzialnego spada liniowo od 70% przy 700 nm do 0% przy 420 nm. Można przyjąć, że u osób w wieku powyżej 30 roku życia następuje systematyczne zmniejszanie przepuszczalności dla fal coraz krótszych. Krótka część widma zawiera promieniowanie o barwie fioletowej i niebieskiej, dlatego też w starszym wieku promienie te w mniejszym stopniu docierają do siatkówki, co może prowadzić do pewnej różnicy w odbieraniu wrażeń barwnych w porównaniu z ludźmi młodymi. Niezależnie od tego mniejsza ilość światła docierająca do siatkówki jest jedną z przyczyn, dla której natężenie oświetlenia powinno być

większe, jeśli zatrudnionymi są osoby starsze. Częsta akomodacja, czyli przystosowanie oka do obserwacji przedmiotów w różnej odległości może się przyczynić do szybszego zmęczenia narządu wzroku. Wysiłek akomodacyjny w pewnym stopniu uzależniony jest od ilości światła

wpadającego do oka. Przy dobrym oświetleniu źrenica posiada średnicę małą, co podobnie jak w aparacie fotograficznym zwiększa głębię ostrości. Niedostateczne oświetlenie jest powodem zwiększenia średnicy źrenicy, co znacznie zmniejsza głębię ostrości i wymaga bardziej precyzyjnego działania akomodacji. Zbyt duża aberracja sferyczna, polegająca na tym, że promienie biegnące z obwodu soczewki spotykają się w innym miejscu niż promienie centralne zmniejsza ostrość wzroku. Odcięcie przez tęczówkę promieni obwodowych zmniejsza aberrację sferyczną.

Zdolność akomodacyjna słabnie z wiekiem. O ile w wieku 12 lat szerokość akomodacji wynosi 16 D (dioptrii), w następnych latach maleje liniowo i w wieku 30 lat wynosi 6,5 D, a w wieku ok. 50 lat ustala się na poziomie 1-1,5 D. Również z tego względu w wieku starszym pożądane są wyższe poziomy natężeń oświetlenia. Różnica w potrzebnej do wykonania tej samej pracy ilości światła jest wyraźnie zależna od wieku.

W siatkówce oka znajdują się właściwe światłoczułe receptory: czopki i pręciki, z których pobudzenia wędrując do kory mózgowej dają wrażenia świetlne. Czopki są stosunkowo mało czułe na światło, pozwalają jednak na odbiór wrażeń barwnych. Pręciki są aparatem wysokoczułym, około 10000 razy czulsze od czopków, dają jednak tylko wrażenia jasności bez możliwości różnicowania barwy. Czopki w liczbie ok. 7 milionów skupione są głównie w centralnej części siatkówki - plamce żółtej. W punkcie najostrzejszego widzenia w tzw. Dołeczku środkowym obejmującym kąt widzenia 1,8° znajdują się same czopki. W całej plamce żółtej, o kącie widzenia 5°, znaczną większość stanowią czopki. W takim też kącie widzenia możliwe jest prawidłowe rozpoznawanie barw. Pręcików, których liczbę ocenia się na 75-150 milionów, w plamce żółtej jest niewiele, ich gęstość rośnie w kierunku obwodu, zmniejsza się natomiast w tym kierunku liczba czopków. Przy adaptacji oka do jasności czynne są czopki. Widzenie czopkowe nazywamy inaczej widzeniem fotopowym lub dziennym. Z pełnym widzeniem czopkowym mamy do czynienia przy takim natężeniu oświetlenia, które daje luminancję oglądanych przedmiotów rzędu 30 cd/m2. W przybliżeniu taką luminancję będzie miała kartka papieru przy natężeniu oświetlenia 100 luksów. Jeśli oko jest zaadaptowane do ciemności, mówimy o widzeniu nocnym lub skotopowym, przy którym czynne są tylko pręciki. Występuje to przy natężeniu oświetlenia dającym luminancję powierzchni około 0,003 cd/m2, co odpowiada natężeniu oświetlenia rzędu 0,01 luksa na białej powierzchni. Jeśli luminancja zawiera się w granicach 0,003-30 cd/m2, pobudzone są oba rodzaje receptorów, co określa się mianem widzenia mezopowego - mieszanego. Pręciki i czopki posiadają różną czułość spektralną. Przy widzeniu fotopowym zakres czułości oka zawiera się w granicach od 380 do 780 nm przy maksimum czułości dla 555 nm. Dla widzenia skotopowego krzywa czułości względnej ma podobny kształt, lecz przesunięty w kierunku fal krótszych ze szczytem dla 507 nm. Związane jest z tym tzw. zjawisko Purkinjego, polegające

na tym, że przy zmniejszaniu natężenia oświetlenia zmienia się stosunek jaskrawości różnie zabarwionych przedmiotów. Dotyczy to głównie skrajnych barw widma. Przedmiot niebieski o takiej samej jaskrawości w świetle dziennym jak czerwony, o zmroku staje się wyraźnie jaśniejszy. Biorąc pod uwagę własności czopków i pręcików należy stwierdzić, że prawidłowe rozpoznawanie barw jest możliwe tylko przy natężeniach oświetlenia dających luminancję otoczenia powyżej 30 nitów. Zależnie od współczynników odbicia luminancję taką można osiągnąć w przeciętnych warunkach przy natężeniach oświetlenia rzędu 100-300 luksów. Przy natężeniach oświetlenia niższych ocena barwy może prowadzić do błędu.

W pomieszczeniach, gdzie pracuje człowiek powinno w miarę możliwości być zapewnione oświetlenie naturalne (słoneczne).

Na intensywność oświetlenia naturalnego wpływają:

1. pora roku,

2. pora dnia,

3. szerokość geograficzna,

4. stan atmosfery.

Oświetlenie pomieszczeń może być

1. górne,

2. boczne

3. lub mieszane.

Oświetlenie sztuczne pomieszczeń może być:

1. bezpośrednie (miejscowe -lampa skierowana w dół, oświetlająca bezpośrednio stanowiska pracy, zaleta- niski koszt oświetlenia, wada- ryzyko olśnienia przy spojrzeniu w górę),

2. pośrednie (ogólne)- lampa skierowana w górę, czyli na sufit; dopiero po odbiciu od sufitu i górnej części ścian światło pada na podłogę i powierzchnie robocze, zaleta- światło bezpieczne dla oczu, niewielkie ryzyko olśnienia, wada- duży koszt oświetlenia,

3. półpośrednie (rozproszone)- lampa w kształcie mlecznej kuli część strumienia świetlnego skierowana jest na powierzchnię miejsca pracy, reszta na sufit i górne części ścian- średni koszt, średnia jakość oświetlenia, średnie bezpieczeństwo dla oka.

4. indywidualne oświetlenie stanowisk pracy.

Źródła światła

1. termiczne - świecące w wyniku rozgrzania ciała:

• gwiazda

• świeca

• lampa naftowa

• lampa halogenowa zwana halogenem. Halogeny w tych promiennikach zapobiegają osiadaniu wyparowanego wolframu na bance szklanej i pozwalają na jego ponowne osadzenie się na żarniku.

• lampa łukowa

• płomień

• żarówka. Żarówki należą do temperaturowych źródeł światła, w których czynnikiem świecącym jest ciało rozgrzane do wysokiej temperatury.

2.wyładowczo-fluorescencyjne. Świetlówki należą do promienników wyładowczo-fluorescencyjnych, których światło jest emitowane przez warstwę luminoforu w wyniku działania promieni nadfioletowych. Lampy takie nazywane są także lampami indukcyjnymi - a powstające promieniowanie- światłem indukcyjnym. Wewnątrz lampy, podobnie jak w świetlówkach, powstające promieniowanie nadfioletowe pobudza luminofor do emisji światła widzialnego. Wydajność lamp indukcyjnych jest podobna do wydajności innych wyładowczych źródeł światła, ale ich trwałość jest znaczne większa i wynosi od 15.000 do 100.000 godzin.

Inaczej podział źródeł światła:

1. naturalne (słońce, gwiazdy, czynne wulkany, piorun lub błyskawica, zorza polarna, organizmy żywe: świetliki, ryby głębinowe)

2. sztuczne

1. nieelektryczne (świeca, lampa naftowa, gazowa, ognisko, kaganki, pochodnie)

2. elektryczne ( żarowe i jarzeniowe).

Detektory światła: większość detektorów opiera się na zjawisku fotoelektrycznym lub efekcie cieplnym:

• fotodioda

• fotokomórka

• fotopowielacz

• fototranzystor

• luksomierz

• bolometr

Najczęściej do pomiaru nateznie oświetlenia stosowany jest luksomierz. Luksomierz, stosowany w technice oświetlenia oraz (jako światłomierz) w fotografii i technice filmowej.

Ocena oświetlenia sztucznego

Przy ocenie oświetlenia sztucznego w pomieszczeniach bierze się pod uwagę następujące czynniki:

1. natężenie oświetlenia,

2. równomierność oświetlenia,

3. możliwość olśnienia i rozkład luminancji,

4. tętnienie światła i oddawanie barw,

5. cienistość oświetlenia.

Natężenie oświetlenia

Większość osób preferuje zakresy rzędu 1000 - 3000 luksów.

Natężenie oświetlenia (według polskich norm)

Szkoły-Sale lekcyjne 300 lx

Sale wykładowe 500 lx

Miejsce do czytania w bibliotece 500 lx

Opieka zdrowotna

Pokoje badan 500 lx

Pokoje zabiegowe 1000 lx

Laboratoria 500 - 1000 lx

Sale operacyjne 1000 lx

Średnie natężenie oświetlenia jest średnią arytmetyczną pomiarów natężenia oświetlenia wykonanych w ocenianym pomieszczeniu. Norma nie precyzuje sposobu jego pomiaru. W praktyce pomiary wykonuje się za pomocą fluksometrów posiadających fotokomórkę o względnej czułości widmowej zbliżonej do czułości ludzkiego oka. Pomiary należy wykonać na płaszczyźnie roboczej w równomiernie rozmieszczonych punktach. Pomieszczenie zwykle dzieli się na kwadraty o boku ok. 1 m, a pomiar wykonuje się w środku kwadratu na płaszczyźnie roboczej.

Olśnienie i rozkład luminancji

Zbyt duże różnice luminancji w polu widzenia mogą być przyczyną szkodliwego zjawiska zwanego olśnieniem, czyli zmniejszeniem zdolności rozpoznawania przedmiotów spowodowane nadmierną luminancją albo nadmiernym jej kontrastem przestrzennym lub czasowym.

Tętnienie i barwa światła

Tętnienie światła jest przyczyną powstania zjawiska stroboskowego. Występuje ono, gdy obserwujemy poruszający się przedmiot oświetlony pulsującym źródłem światła. Przedmiot oświetlany jest wówczas przerywanymi porcjami światła. Jeśli przedmiot przemieszcza się w linii prostej, mamy wrażenie przesuwania się skokami, gdyż część drogi przedmiot przebywa w ciemności. Widoczny jest on tylko w momencie wysyłania przez promiennik impulsu świetlnego. W przypadku, gdy częstotliwość błysków wynosi np. 100 Hz, a przedmiot w ciągu sekundy pokonuje drogę 1 m, to będzie on widoczny na swej drodze w odstępach jednocentymetrowych. Przy ruchu obrotowym może powstać wrażenie zatrzymania, zwolnienia lub obrotu w przeciwną stronę. Podobne zjawisko czasami można zaobserwować oglądając film, gdy w poruszającym się pojeździe widzimy nieruchome lub obracające się w odwrotną stronę koła, w klubach oraz dyskotekach i na koncertach. Zjawisko stroboskopowe

może być niebezpieczne, jeśli powstaje w czasie obsługi maszyn mających dostępne, będące w ruchu obrotowym części. Może tez wyzwalać patologiczną czynność mózgu (w EEG) i napady padaczkowe. Podczas zapisu EEG stosuje się próbę prowokacyjną z lampą stroboskopową. Ma to na celu wykrycie patologicznych fal mózgowych u osób diagnozowanych kierunku padaczki.

Współczynnik odbicia światła

Współczynnik odbicia określa zdolność powierzchni do odbijania światła. Jest to stosunek strumienia świetlnego odbitego przez dane ciało do strumienia, który na nie pada.

Współczynnik odbicia światła

• Dla barwy białej-80% (odbija 80% padającego światła, optycznie powiększa obiekty, nie nagrzewa się)

• Dla barwy czarnej-1%(odbija 1% padającego światła, resztę pochłania nagrzewając się, optycznie pomniejsza obiekty).

Ocena oświetlenia dziennego

Oceny oświetlenia dziennego możemy dokonać obliczając jeden lub oba niżej wymienione wskaźniki:

1. współczynnik świetlny,

2. współczynnik oświetlenia dziennego (naturalnego).

Współczynnik świetlny to stosunek powierzchni oszklonej okien w danym pomieszczeniu do powierzchni podłogi

• W mieszkaniu powinien on wynosić 1:8-1:10

• W szpitalu 1: 6-1:8

• W szkole 1:4-1:6

Współczynnik oświetlenia dziennego (WOD) (naturalnego WON) jest to stosunek natężenia oświetlenia w danym punkcie wewnątrz pomieszczenia do natężenia oświetlenia na otwartej przestrzeni, podany w procentach.

Współczynnik oświetlenia dziennego/naturalnego (WOD/WON)

WOD= oświetlenie wenątrz [Lx]

oświetlenie na zewnątrz [Lx] ) x 100%

Norma WOD/WON:

1. w sali szkolnej min 1,25%

2. w mieszkaniu min0,5%

3. w szpitalu 1,5-2%

Uzupełnianie oświetlenia dziennego oświetleniem elektrycznym

Jeśli obliczony współczynnik oświetlenia dziennego/naturalnego jest mniejszy niż podaje norma, to pomieszczenie takie należy doświetlić światłem elektrycznym. Najlepiej do tego celu nadają się świetlówki o świetle dziennym lub białym.

Ponadto oceniając oświetlenie pomieszczenia światłem naturalnym wyznaczać można kąt padania i kąt otwarcia.

Kąt padania

• Jest utworzony przez 2 linie proste przeprowadzone ze stanowiska roboczego: jedna przechodzi przez dolną krawędź okna, druga przez górną krawędź okna.

• Kąt padania nie powinien być mniejszy niż 27°.

Kąt otwarcia

• Jest utworzony przez 2 linie proste przeprowadzone ze stanowiska roboczego: jedna przechodzi przez górną krawędź okna, druga przez najwyższy punkt budynku, góry, drzewa znajdującego się za oknem.

• Kąt padania nie powinien być mniejszy niż 5°.

Zastosowanie światła widzialnego i jego symulacji w medycynie: Diagnostyka:

- tomografia fotoakustyczna,

- tomografia laserowa (SLO),

- diffuse optical tomography (DOI).

Leczenie:

- terapia fotodynamiczna (PDT) - polega na podaniu pacjentowi leku, fotouczulacza,

którego aktywowane światłem formy mają zdolność niszczenia komórek.

Dozymetria in vivo polega na punktowym wbiciu światłowodu o średnicy 200µm w ciało pacjenta. Światłowód zbudowany jest z rozpraszającego światło materiału, z odsłoniętą końcówką o budowie zbierającej światło z jak największego kąta bryłowego. Wystająca końcówka podłączona jest do fotodiody. Dokładność takich dozymetrów jestrzędu 5 - 10%. Zastosowanie:

- dostarczenie danych eksperymentalnych jako podstawy do symulacji,

- kontrola wrażliwych miejsc tkanki w trakcie naświetlania lub miejsc, w których symulacja zawodzi - warunki brzegowe.

Wady:

- możliwy tylko punktowy pomiar dawki,

- kalibracja dozymetrów jest bardzo skomplikowana ze względu na różną odpowiedź dozymetru w powietrzu i w tkance,

- krew z drobnych naczyń krwionośnych znacząco zaburza pomiar,

- światłowód sam robi „cień” i ogranicza dopływ światła do jego końcówki.

Piśmiennictwo:

1. Brzozowski J., Wawrzyszuk B., Zaborowska W., Kozak H., Zieminska M. Elementy pryzrodnicze w ochronie zdrowia człowieka. Lublin 1986.

2. Strączyński Ł, Manijak K. Zastosowanie światła widzialnego do celów medycznych oraz symulacja jego dystrybucji w tkankach. ww.agh.edu.pl. downloaded on Jul 2. 2014.

3. Zaborski L.( red.) Przewodnik do ćwiczeń z Higieny. Gdańsk 2005.

4. WWW.wikipedia.pl

Pytania

1. Co oznaczają pojęcia „strumień świetlny”, „światłość”, „blask”, „oświetlenie”, „natężenie oświetlenia”?

2. Wyjaśnij fozjologię widzenia światła i barw.

3. Na cztym polega oświetlenie nautalne i sztuczne pomieszczeń?

4. W jaki sposób ocenia się oświetleniae naturalne pomieszczeń?

5. Co oznaczają pojęcia: “współczynnik świetlny” i “współczynnik oświetlenia dziennego”?

6. Jak można wyznaczyć kąt padania i kąt otwarcia?

7. Jak ocenia sie oświetlenie sztuczne pomieszczeń?

---