Poradnik_Światło widzialne.doc

Promieniowanie widzialne (oświetlenie)

Światło jest promieniowaniem elektromagnetycznym (widzialnym) zdolnym do wywoływania bezpośrednio wrażeń wzrokowych, z których wynika widzenie. Przedział promieniowania widzialnego (widma) przyjęto umownie i zwykle zawiera się on, w zależności od źródła, w zakresie 380 ¸ 760 nm (rys. poniżej).

        Umowne podzakresy promieniowania widzialnego

Wielkości fizyczne określające promieniowanie (jak np. strumień energetyczny, gęstość monochromatyczna mocy promienistej) nie wystarczają do określenia skuteczności tego promieniowania w wywoływaniu wrażeń wzrokowych. Trzeba uwzględnić krzywą czułości oka ludzkiego, zależną od długości fal promieniowania widzialnego.

Wielkość wrażeń świetlnych zależy więc nie tylko od ilości energii bodźca (promieniowania widzialnego), lecz i od długości fali promieniowania.

Największa czułość względna oka przystosowanego do ciemności występuje przy długości fali l = 507 nm (zielona barwa światła) dla patrzenia w jasności i przy długości fali l = 555 nm przy patrzeniu w ciemności.

Podstawowe wielkości fotometryczne (świetlne)

Są to wielkości fizyczne oceniane na podstawie wywoływanych wrażeń świetlnych:

Strumień świetlny - F, -   jest to strumień energetyczny wysyłany równomiernie we wszystkich kierunkach przez źródło światła.

Strumień świetlny mierzy się w lumenach, [lm]

Światłość – I ,- jest to gęstość kątowa strumienia świetlnego w danym kierunku

Światłość mierzy się w kandelach, cd = lm/sr

Strumień światła o światłości 1 kandeli w przestrzeni kąta bryłowego równego jednemu steradianowi wynosi 1 lumen [lm].

gdzie: sr - steradian (1 sr - kąt bryłowy, który na powierzchni kuli o promieniu r, zakreślonej z  wierzchołka kąta bryłowego, ogranicza pole S = r2).

Światłość charakteryzuje rozsył strumienia świetlnego w przestrzeni (np. krzywe światłości opraw oświetleniowych).

Natężenie oświetlenia (średnie) – Eśr- średnie natężenie oświetlenia na danej powierzchni jest to gęstość powierzchniowa strumienia świetlnego padającego na daną powierzchnię.

Natężenie oświetlenia mierzy się w luksach, lx = lm/m2.

-  2  -

Luminancja – L, - to jasność powierzchni  lub źródła światła, zwana też jaskrawością.

Luminancję mierzy się w kandelach na metr kwadratowy, cd/m2.

Jeżeli pole o powierzchni 1 m 2 świeci w kierunku prostopadłym ze światłością 1 cd to wartość luminancji wynosi 1 [nit].

Luminancją powierzchni świecącej (S) w danym kierunku (a) nazywa się stosunek światłości tej powierzchni w danym kierunku (Ia) do pola pozornej powierzchni świecącej (S’), czyli do pola rzutu tej powierzchni na płaszczyznę prostopadłą do danego kierunku – rys. poniżej

    Graficzna ilustracja pozornej powierzchni świecącej

Luminancja wiąże się bezpośrednio z postrzeganą jaskrawością (jest fizyczną miarą jaskrawości).

W przypadku powierzchni odbijających światło zależy ona od:

·         natężenia oświetlenia na obserwowanym obiekcie,

·         właściwości odbiciowych powierzchni obiektu

·         od jego pola pozornej powierzchni świecącej.

Współczynnik odbicia - r, - jest to iloraz strumienia świetlnego odbitego do strumienia świetlnego padającego:

Wyróżnia się trzy podstawowe rodzaje odbicia światła od powierzchni:

- odbicie kierunkowe - odbicia odpowiadające prawom optycznym odbicia w zwierciadle, tzn. promień padający, odbity i normalna do powierzchni w punkcie odbicia leżą w jednej płaszczyźnie, a kąty padania i odbicia są sobie równe. Odbicia kierunkowe zachodzą na powierzchniach polerowanych metalowych oraz lustrzanych

- odbicie rozproszone - odbita wiązka świetlna rozchodzi się we wszystkich kierunkach w obrębie kąta bryłowego (równego lub mniejszego niż 2p sr). Szczególnym rodzajem odbić rozproszonych jest odbicie równomiernie rozproszone (odbicie doskonale rozproszone), które charakteryzuje się takim rozkładem przestrzennym światła odbitego, że luminancja jest stała we wszystkich kierunkach. Powierzchnie odbijające w sposób równomiernie rozproszony stanowią we wnętrzach tzw. wtórne źródła światła. Odbicia rozproszone zachodzą np. na papierze, matowej powierzchni szkła, matowych pokryciach farb klejowych

- odbicia kierunkowo-rozproszone - odbicia częściowo kierunkowe i częściowo rozproszone.

Kontrast luminancji C - oznacza subiektywne oszacowanie różnicy w wyglądzie dwu części pola widzenia, oglądanych równocześnie lub kolejno. Wyróżnia się dwa podstawowe kontrasty: luminancji i barwy.

Podstawowe prawa stosowane w technice świetlnej

1. Prawo odwrotności kwadratów odległości

-  3  -

Natężenie oświetlenia (E) w punkcie na powierzchni zmienia się wprost proporcjonalnie do światłości (I) źródła (oprawy) w danym kierunku, a odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości (d) pomiędzy źródłem światła i tym punktem (rys. poniżej).

Prawo odwrotności kwadratów odległości

Prawo kosinusów

Natężenie oświetlenia na powierzchni zmienia się z kosinusem kąta padania światła na tę powierzchnię. Kąt padania q jest kątem pomiędzy normalną do powierzchni a kierunkiem padania światła (rys. poniżej).

E2 = E1 cos q

Prawo kosinusów

Kombinacja prawa odwrotności kwadratów odległości oraz prawa kosinusów, gdy obliczane jest natężenie oświetlenia w punkcie na powierzchni, która nie jest prostopadła do kierunku padania światła ma postać:

  w lx

Często wygodną formą stosowania prawa kosinusów jest ta, że jeśli korzystając z własności trójkąta prostokątnego we wzorze powyższym zastąpimy odległość d przez zależność h/cos q (rys. poniżej), wówczas natężenie oświetlenia E w punkcie A na płaszczyźnie wyraża się wzorem:

E = I cos3q / h2  w lx

Przedstawione powyżej prawa znalazły praktyczne zastosowanie w obliczeniach natężenia oświetlenia wytworzonego przez strumień świetlny padający bezpośrednio ze źródła w punktach dowolnej powierzchni (najczęściej poziomej płaszczyzny roboczej). Metoda ta nosi nazwę metody punktowej.

-  4  -

    Przekształcone prawo kosinusów

Zasady oświetlania

Światło na stanowisku pracy i w jego otoczeniu wpływa bezpośrednio na szybkość i pewność widzenia oraz określa, w jaki sposób widziane są formy, sylwetki, barwy i właściwości (np. faktura) powierzchni przedmiotów znajdujących się na stanowisku pracy. Aby praca wzrokowa była optymalna, stanowisko pracy musi być oświetlone w sposób zapewniający wygodę widzenia.

Wygoda widzenia występuje wtedy, gdy zdolność rozróżniania szczegółów jest pełna a spostrzeganie nie prowadzi do odczucia pewnej przykrości, niewygody, nadmiernego zmęczenia, a przeciwnie jest połączone z pewną przyjemnością.

Wystąpienie wygody widzenia zależy (oprócz wrażliwości osobniczej), od czynników określających cechy ilościowe i jakościowe oświetlenia.

Zasady oświetlania dzielą się na trzy podstawowe grupy:

·         zasady fizjologiczne

·         zasady estetyczne

·         zasady ekonomiczne.

Najważniejszymi, z punktu widzenia narządu wzroku, są następujące zasady fizjologiczne:

·         dostatecznej luminancji (przedmiotu pracy wzrokowej)

·         dostatecznego kontrastu (przedmiot pracy wzrokowej - tło przedmiotu)

·         unikania zbyt małych rozmiarów kątowych szczegółów i czasów przeznaczonych na ich spostrzeganie

·         równomiernej luminancji otoczenia.

Zbytnie odstępstwa od wszystkich tych zasad prowadzą (przy długotrwałej pracy wzrokowej) do szybkiego zmęczenia oczu i chorób zawodowych oraz do obniżenia wydajności pracy.

Z analizy oddziaływania światła na psychikę człowieka można określić wskazania dotyczące oświetlenia, które nazwano zasadami estetycznymi. Zaliczają się do nich zasady:

·         wzmacniania atrakcyjności obrazu

·         tworzenia nastroju.

Trzecią grupą są zasady ekonomiczne, które dotyczą ograniczenia nadmiernych kosztów bądź wyboru takiego systemu oświetleniowego, który będzie miał najmniejszy koszt. Wiąże się to zarówno z wyborem między oprawami oświetleniowymi o zbliżonej charakterystyce, lecz znacznie różnych cenach i wyborem energooszczędnego źródła światła oraz układu stabilizująco-zapłonowego.

-  5  -

Zasady fizjologiczne mają decydujące znaczenie przy projektowaniu oświetlenia roboczego. Szczególnie muszą być respektowane w warunkach wykonywania czynności wymagających trudnej lub długotrwałej pracy wzrokowej. Z zasad estetycznych należy stosować wtedy te, które nie są sprzeczne z fizjologicznymi.

Zasady estetyczne mają decydujące znaczenie wtedy, gdy głównym celem oświetlenia jest wywołanie określonego wrażenia lub nastroju. Występuje to np. przy oświetleniu wystaw sklepowych, oświetleniu scenicznym. Wtedy z zasad fizjologicznych należy stosować tylko te, które nie są sprzeczne z estetycznymi.

Zasady ekonomiczne mają zastosowanie w ocenie i doborze urządzeń oświetleniowych. Z zasad tych wynikają zatem pomocnicze, dodatkowe wskazówki, lecz nie są to zalecenia podstawowe

Rodzaje oświetlenia

Ze względu na sposób rozmieszczania opraw oświetleniowych we wnętrzu wyróżnia się trzy podstawowe rodzaje oświetlenia i jedno kombinowane:

·         ogólne - oświetlenie przestrzeni bez uwzględnienia szczególnych wymagań dotyczących oświetlenia niektórych jej części (przeważnie rozmieszczone symetrycznie)

·         miejscowe - oświetlenie niektórych części przestrzeni, np. miejsc pracy, z uwzględnieniem szczególnych potrzeb oświetleniowych, w celu zwiększenia natężenia oświetlenia niektórych jej części

·         złożone - oświetlenie składające się z oświetlenia ogólnego i oświetlenia miejscowego.

·         ogólno-miejscowe

W pomieszczeniach pracy stosuje się w zasadzie dwa (z wyżej omówionych) rodzaje oświetlenia: ogólne i złożone, stosownie do przesłanek oświetleniowych i ekonomicznych. Wybór rodzaju oświetlenia powinien zależeć od wymaganego poziomu natężenia oświetlenia.

Stosowanie oświetlenia ogólnego jako wyłącznego rodzaju oświetlenia jest uzasadnione w sytuacji, gdy zamierza się jednakowo lub prawie jednakowo oświetlać daną przestrzeń. Występuje to wtedy, gdy nie jest znane rozmieszczenie miejsc pracy w danym pomieszczeniu oraz tam gdzie miejsca pracy rozmieszczone są równomiernie w całym pomieszczeniu, a wymagania oświetleniowe dla poszczególnych stanowisk pracy są jednakowe.

W pomieszczeniach, w których istnieją płaszczyzny robocze o różnych funkcjach oraz strefy komunikacyjne, gdzie wymaga się natężenia oświetlenia o różnych wartościach, należy stosować obok oświetlenia ogólnego, oświetlenie miejscowe - czyli oświetlenie złożone.

Jeśli nie ma uzasadnionych powodów aby postąpić inaczej, zaleca się stosowanie:

- oświetlenia ogólnego dla poziomów natężenia oświetlenia poniżej 200 lx

- oświetlenia ogólnego lub złożonego dla poziomów natężenia oświetlenia z zakresu 200 ¸ 750 lx

- oświetlenia złożonego dla poziomów natężenia oświetlenia powyżej 750 lx.

Przy stosowaniu oświetlenia złożonego wymaga się, aby co najmniej 20% poziomu natężenia oświetlenia stanowiło oświetlenie ogólne.

Oświetlenie ogólno-miejscowe jest to oświetlenie ogólne niesymetryczne przejmujące częściowo cechy oświetlenia miejscowego (stanowiskowego). Wprowadza mniejszą równomierność oświetlenia w porównaniu z oświetleniem ogólnym, ale też wydatnie zmniejsza cienie obiektu obserwacji               w porównaniu z oświetleniem miejscowym. Oprawy tego oświetlenia znajdują się ok. 1,5 do 2 m nad stanowiskami pracy (oświetlenie bywa stosowane na stanowiskach pracy np. we włókiennictwie). Niestety jest ono niedoceniane ze względu na wysokie koszty związane z instalacją (zwłaszcza przy przemieszczaniu stanowisk pracy w ramach reorganizacji).

Jakość oświetlenia, którą ma zapewnić dane urządzenie oświetleniowe, można opisać za pomocą poniższych podstawowych parametrów oświetleniowych:

-  6  -

·         poziomu natężenia oświetlenia

·         równomierności oświetlenia

·         rozkładu luminancji w polu pracy wzrokowej

·         ograniczenia olśnienia

·         barwy światła i oddawania barw

·         tętnienia światła.

W normach oświetleniowych stwierdza się wprost, że światło elektryczne uzupełnia lub zastępuje światło dzienne, gdy ono samo nie może zapewnić zadowalającego poziomu natężenia oświetlenia w miejscu pracy. Ta równoważność umożliwia dodawanie obu rodzajów natężeń oświetlenia w danym punkcie płaszczyzny roboczej.

Za minimalne kryterium odpowiedniego poziomu oświetlenia przyjęto dostrzeganie rysów ludzkiej twarzy. We wnętrzach nieprzeznaczonych do pracy, najważniejsze jest ogólne wrażenie stworzone przez oświetlenie. Aby móc spostrzegać rysy ludzkiej twarzy, jej luminancja powinna wynosić około 1 cd/m2, co można uzyskać w normalnych warunkach oświetleniowych przy natężeniu oświetlenia co najmniej 20 lx. Jest to więc wymagane minimum w tych pomieszczeniach.

Spostrzeganie rysów ludzkiej twarzy bez wysiłku następuje przy luminancji w przedziale 10 ¸ 20 cd/m2, pod warunkiem, że otaczające ją tło nie jest czarne. Oznacza to, że natężenie oświetlenia w płaszczyźnie pionowej – musi wynieść co najmniej 100 lx, a w płaszczyźnie poziomej – około dwukrotnie więcej.

Z powyższego względu natężenie oświetlenia na płaszczyźnie poziomej wynoszące 200 lx uważane jest za minimum, które można zaakceptować w pomieszczeniach, gdzie ludzie przebywają przez długi czas (niezależnie od tego, jakie zadanie wzrokowe jest wykonywane).

Poziom natężenia oświetlenia potrzebny do wykonywania określonej pracy wzrokowej dobiera się  w zależności od:
–   stopnia trudności pracy wzrokowej
–   wielkości pozornej szczegółu pracy wzrokowej.

O stopniu trudności pracy wzrokowej decyduje:

·         współczynnik odbicia przedmiotu pracy

·         wielkość kontrastu szczegółu przedmiotu z jego tłem.

Im mniejszy jest współczynnik odbicia i kontrast szczegółu z tłem, tym większy jest stopień trudności pracy wzrokowej

Stopnie trudności pracy wzrokowej: