У цій статті ми спробуємо провести детальний аналіз електромагнітного випромінювання та його впливу на якість освітлення, дослідимо, як світло впливає на якість освітлення та як вибрати оптимальне джерело світла.
Ми розглянемо різні види електромагнітного спектру, вивчаючи їх властивості та взаємодію з визначенням оптимального діапазону довжин хвиль для забезпечення ефективного освітлення. Детально вивчимо концепції світлового потоку, спектральної щільності світлового потоку та функції світлової ефективності, звертаючи увагу на їхній вплив на сприйняття світла людським оком. Розберемося, як різні характеристики випромінювання впливають на те, як ми бачимо світло. На завершення обговоримо, яке світло краще використовувати для досягнення максимальної ефективності освітлення в різних ситуаціях.
Зміст статті:
Пірнаємо в електромагнітні хвилі
Електромагнітне випромінювання
Електромагнітне випромінювання охоплює широкий спектр, включаючи радіохвилі, мікрохвилі, інфрачервоне, видиме світло, ультрафіолетове, рентгенівське та гамма-промені. Ці різні назви вказують на різні діапазони довжин хвиль у електромагнітному спектрі, але всі вони є формами електромагнітного випромінювання.
Найменшою одиницею електромагнітного випромінювання є фотон. Енергія фотона пропорційна частоті відповідної хвилі, тому високоенергетичні фотони відповідають високочастотним хвилям.
Спектр видимого світла
Для кращого розуміння кольору детальніше розглянемо випромінювання від лампочки розжарювання. Потік випромінювання (Фе) об’єкта вимірюється у Ватах і представляє собою загальну енергію, випромінювану за секунду. Наприклад, випромінювальний потік лампи розжарювання потужністю 100 Вт становить близько 80 Вт, а решта 20 Вт перетворюються на тепло.
Потужність випромінювання за довжиною хвилі
Для розуміння розподілу енергії по довжинах хвиль можна розглянути спектральний потік. Це потік випромінювання на одиницю довжини хвилі. Він вказує, скільки енергії надходить від кожної довжини хвилі. Графік спектрального потоку лампочки розжарювання може відображати розподіл енергії по довжинах хвиль.
Хоча лампи розжарювання є ефективними у перетворенні електроенергії на випромінювання, вони є неефективними для видимого світла. Це може стати причиною дискусій про їхню низьку ефективність в конкретному контексті.
Як ми сприймаємо світло
Видиме світло
Світло, яке ми з вами бачимо знаходиться у діапазоні довжини хвилі від λ = 380 нм до λ = 750 нм.
Отже, енергія, випромінювана у видимому спектрі, становить 8,7 Вт що зрештою дає нам ККД (коефіцієнт корисної дії) усьго лише 8,7%. Такі цифри не виглядають не дуже надихаюче. Не переймайтесь, далі буде… гірше.
Щоб зрозуміти чому, давайте розглянемо, чому видиме світло є видимим.
Крива видимості ока
Крива видимості ока – спектральна характеристика ока, що визначає відносну яскравість еквівалентних потужності потоків електромагнітного випромінювання в стандартизованих умовах.
Відповідно до теорії Юнга-Гемгольца, відчуття будь-якого кольору можна отримати змішуванням спектрально чистих випромінювань червоного, зеленого та синього кольору.
Мінімальний потік випромінювання, який може бути сприйнятий приймачем, називається його порогом чутливості. Поріг чутливості ока дуже малий – близько 10(-9) ерг(х) сек(-1). Це відповідає приблизно 103 квант/сек. Для того щоб око досягло такої чутливості, людина повинна деякий час побути в темряві, адаптуватися.
Явище адаптації до темряви полягає в тому, що збільшується діаметр зіниці, відновлюється чутливість нічного зору і на сітчастій оболонці з’являється особлива світлочутлива речовина (зоровий пурпур). В результаті око стає чутливим до слабкого висвітлення. Здатність до адаптації дозволяє оку працювати в дуже широкому діапазоні освітленості (від дня до ночі освітленість може змінюватись у 108 разів).
Колір 3 в 1
Колір – це інтерпретація людиною електромагнітного випромінювання. Будь-який видимий людиною колір буде певним виваженим поєднанням монохроматичних кольорів (однакових довжин хвиль). Монохроматичні кольори також відомі як спектральні кольори.
Для будь-якого даного об’єкта можна виміряти спектр випромінювання (або відображення) і використовувати його для точного визначення кольору.
За наше сприйняття світла відповідають спеціалізовані клітини у сітківці ока, палички та колбочки. Палички важливі переважно в умовах низького освітлення і не відіграють великої ролі у сприйнятті кольору, тому ми зосередимося на колбочках. Давайте до прикладу подивимося, як вони оброблять світло, що відбивається від цього соковитого лимона.
Люди зазвичай мають три види колбочек. Кожен тип колбочки позначений довжинами світлових хвиль, на які він реагує. Стандартне позначення – S, M та L (короткі, середні, довгі хвилі).
Три криві показують, наскільки чутливі колби певного типу до кожної довжини хвилі. Найвища точка кожної кривої називається “піковою довжиною хвилі”, вказуючи довжину хвилі, до якої колбочка найбільш чутлива.
Обмежені кривими області показують, яка частина відбитого від лимона випромінювання збуджує кожен тип колб. В даному випадку нормалізовані збудження колб S, M і L складають 0,02, 0,12 і 0,16, відповідно.
Наші три набори колб зводять будь-яку криву спектральної щільності потоку Фе(λ) до триплету чисел (S, M, L), а кожен окремий триплет (S, M, L) буде окремим кольором.
Чим яскравіше, тим краще?
Відносна чутливість людини за довжиною хвилі
Так само, як лампочка розжарювання не випромінює однаково на всіх довжинах хвиль, так і наші очі реагують по-різному на випромінювання хвиль різної довжини. Чутливість людського ока до кожної довжини хвилі можна виміряти за допомогою стандартної функції світлової ефективності, що позначається як y(λ) і визначається наступним чином:
Межі цієї функції визначають видимий діапазон світла. Все, що виходить за ці межі, залишається невидимим, оскільки наше зорове сприйняття не реагує на ці довжини хвиль.
Зазначено, що наші очі найбільш чутливі до випромінювання при приблизно 550 нм. Енергія розподілена більш менш рівномірно в області хвиль довжиною від 450 до 650 нм і до кінців спектру, до фіолетових і червоних хвиль, кількість енергії різко падає. Зрозуміло, що око людини в процесі довгої еволюції пристосувалося до бачення світлових променів саме тих довжин хвиль, які є в розсіяному сонячному світлі і несуть багато енергії.
Порівнюючи криву видимості різних спектральних кольорів з розподілом енергії в розсіяному сонячному світлі, ми можемо відзначити, що максимум видимості кольорів оком припадає на зеленувато-жовтуваті промені, тобто знаходиться в зоні максимальної енергії сонячного спектру.
Сила світла за довжиною хвилі
Множення графіка спектрального потоку на функцію відносної спектральної світлової ефективності y(λ) дозволяє отримати функцію, яка відображає внесок кожної довжини хвилі у яскравість від джерела світла, яку здатне сприймати людське око.
Ця величина називається спектральною щільністю світлового потоку (Фv,λ). Для забезпечення зв’язку із сприйняттям людиною, а не об’єктивною потужністю, світловий потік вимірюється в люменах з коефіцієнтом перетворення 683,002 лм/вт, а не в ватах.
Світловий потік (Фv) від джерела світла представляє загальну силу світла, яку людина сприймає.
Аналогічно до розрахунку потоку випромінювання, обчисливши площу області, обмеженої кривою спектральної щільності світлового потоку, ми можемо знайти і сам світловий потік. Це визначається областю під кривою, перетвореною з ваттів у люмени для кращого відображення сприйняття світла.
Отже, світловий потік від нашої лампи розжарювання потужністю 100 Вт складає всього 2,4 Вт або 1600 люменів! Ефективність цієї лампочки становить лише 2,4%, що великою мірою відстає від 80% ефективності перетворення електроенергії на випромінювання.
Спектри випромінювання джерел світла з рівним потоком випромінювання
Можливо, якби у нас було світлове джерело, що концентрує своє випромінювання у видимому діапазоні, ми могли б отримати більш ефективне освітлення. Давайте порівняємо спектри ламп розжарювання, люмінесцентних та світлодіодних:
Справді, можна помітити, що у люмінесцентних або світлодіодних ламп випромінювання значно менше витрачається на довжини хвиль, які люди не сприймають. У той час, коли лампи розжарювання можуть мати ефективність 1-3%, люмінесцентні лампи можуть досягати ефективності приблизно 10%, а світлодіодні лампи можуть навіть досягати ефективності до 20%!
У підсумку, зазначимо важливість врахування діапазону довжин хвиль при виборі джерела світла, в нашому випадку – зенітного прожектора, для досягнення оптимального освітлення. Наш аналіз показав, що світлодіодні джерела вигідні завдяки їхній здатності концентрувати випромінювання у видимому діапазоні. Врахування спектральних характеристик та зосередження на ефективності випромінювання у видимому спектрі може допомогти забезпечити енергоефективне та оптимальне освітлення.
Оптимальні умови сприйняття будуть у тому випадку, якщо спостерігач розташовується попереду та трохи збоку від прожектора, ближче до супротивника. Не слід забувати, що неозброєним оком можна добре розрізняти невеликі предмети і людей, що висвітлюються прожектором, на відстані, що не перевищує 1 км. Біноклі, особливо нічні, з великою світлосилою та стереотруби полегшують розгляд деталей.