1. Общие положения об освещении

1.1. Основные понятия и соотношения

Всем телам свойственно лучеиспускание, и каждое из них непрерывно излучает и поглощает энергию, если температура его не равна 0°К. Лучистая энергия возникает за счет энергии других видов в результате сложных молекулярных и внутриатомных процессов (солнечный свет, свет от костра, от электрической лампы, от светодиода и др.). Природа всех лучей одинакова. Они представляют собой распространяющиеся в пространстве электромагнитные волны. Электромагнитное излучение имеет двойственную корпускулярно-волновую природу: с одной стороны, оно обладает волновыми свойствами, а с другой стороны представляет собой поток частиц – фотонов, обладающих нулевой массой покоя и движущийся со скоростью света в вакууме. При малых частотах излучения преобладающую роль играют волновые свойства, а при больших частотах - корпускулярные.

Фотон – элементарная частица, квант электромагнитного излучения. Это самая распространённая по численности частица во вселенной. На один нуклон приходится не менее 20 миллиардов фотонов. Термин квант был впервые введен Максом Планком в его классической работе 1900 года – первой работе по квантовой теории.

В вакууме энергия и импульс фотона зависят только от его частоты ν или от длины волны :

энергия фотона ; (1.1)

импульс фотона , (1.2)

где h – постоянная Планка, h = 6,626·10^-34, Джс;

c – скорость света.

Энергия любой системы при излучении или поглощении электромагнитного излучения может измениться только на величину, кратную энергии кванта (то есть дискретно).

К электромагнитному излучению относятся радиоволны (начиная со сверхдлинных), инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое, рентгеновское и жесткое (гамма-) излучение.

Электромагнитное излучение с длиной волны λ от 1 нм до 1 мм (между рентгеновским и радиоизлучениями) называют оптическим излучением.

Оптическая область спектра делится на ультрафиолетовую, видимую и инфракрасную части.

Ультрафиолетовое излучение образует загар на коже, убивает микробов, озонирует воздух, приводит к выцветанию красок. С помощью специальных веществ (люминофоров) ультрафиолетовое излучение может быть превращено в видимый свет – явление люминесценции.

Инфракрасное излучение воспринимается кожей человека как тепло. Это излучение используется для сушки лакокрасочных изделий, нагревания предметов, в медицинских целях. Инфракрасное излучение может быть превращено в видимый свет с помощью приборов ночного видения. Это излучение сканируется антенной приемника, а его индикаторные элементы создают термограмму – изображение предмета, различные цвета которого соответствуют различным температурам.

Светотехника – это наука о свойствах света, предметом которой являются исследование принципов и разработка способов генерирования, пространственного перераспределения и измерения характеристик оптического излучения. Светотехника имеет дело со всем спектром оптического излучения.

Освещение – это создание освещенности поверхностей предметов, обеспечивающее видимость этих предметов или возможность их регистрации светочувствительными веществами или устройствами. Освещение охватывает только видимую часть спектра оптического излучения.

Свет – это воспринимаемое глазом электромагнитное излучение с длинами волн от 380 до 780 нанометров (нм). Излучения с разной длиной волны воспринимаются глазом по-разному:

- 380 – 450 – фиолетовый цвет;

- 450 – 480 – синий;

- 480 – 510 – голубой;

- 510 – 550 – зеленый;

- 550 – 575 – желто-зеленый;

- 575 – 590 – желтый;

- 590 – 610 – оранжевый;

- более 610 – красный.

Белый цвет представляет собой совокупность всех этих цветов или нескольких цветов, взятых в определенной пропорции.

Человеческий глаз воспринимает разное излучение по-разному. В зависимости от длины волны, излучение одинаковой мощности вызывает различную реакцию. Например, излучение с длиной волны 300 нм мы вообще не увидим, а излучение той же мощности, но с длиной волны 555 нм будет видно лучше, чем любое другое. Международная комиссия по освещению (МКО) приняла единую стандартную чувствительность глаза к излучению разных цветов для дневного зрения.

На рис. 1.1 представлены стандартизованные зависимости от длины волны  относительной спектральной чувствительности V среднестатистического глаза. Зависимости показаны для глаза, адаптированного на дневное освещение (сплошная кривая) и на ночное освещение (пунктирная кривая). Обе кривые нормированы по максимумам в относительных единицах (о.е.).

Рис. 1.1. Чувствительность человеческого глаза к оптическому

излучению различных длин волн

Максимум кривой спектральной чувствительности глаза, адаптированного на дневное освещение, лежит в желто-зеленой области спектра и приходится на длину волны 555 нм. Если света мало (например, в сумерки), то кривая спектральной чувствительности смещается в сторону коротких волн, то есть в сторону синих цветов. Поэтому ночью все голубые и синие цвета кажутся значительно светлее, а красные цвета становятся практически черными.

Спектр излучения источника света характеризуется цветовой температурой. Цветовая температура Т_с – характеристика хода интенсивности излучения света как функции длины волны в оптическом диапазоне. Согласно формуле Планка цветовая температура определяется как температура абсолютно черного тела, при которой оно испускает излучение того же цветового тона, что и рассматриваемое излучение.

Цветовая температура указывается в градусах Кельвина, отсчитываемых от абсолютного нуля (-273 °С).

В спектре с низкой цветовой температурой преобладают красная и желтая составляющие. В спектре с высокой цветовой температурой преобладает синяя составляющая. К примеру, цветовой температуре Т_с=5500 °K соответствует неяркий естественный дневной свет в полдень. Лампы накаливания обычно имеют цветовую температуру Т_с =2700 °K.