fizikalne osnove svjetlosti

FIZIKALNE OSNOVE SVJETLOSTI

Prof.dr.sc. Slavko Krajcar

Aljoša Šribar, dipl.ing. OSRAM d.o.o.

Luka Lugarid, dipl.ing.

Električna rasvjeta, 2009/2010Električna rasvjeta, 2009/2010

Uvod • Čovjek prvenstveno skuplja informacije

vidom, bududi je njegova okolina vizualni svijet. Oko je najvažnije osjetilo i dobiva 80% svih informacija koje čovjek prima. Bez svjetla ovo ne bi bilo mogude – svjetlo je medij koji omoguduju vizualnu percepciju. Brzina prijenosa informacija vidom je gotovo 10 puta veda nego sluhom.

• Svjetlo ne omoguduje samo da vidimo, ved i utječe na raspoloženje i osjedaj dobrostanja. Rasvijetljenost i boja, utjecaj sjene i izmjena svjetla i tame utječu na trenutne osjedaje i određuju ritam života.

• Nedovoljno svjetla ili potpuni izostanak stvaraju osjedaj nesigurnosti – nedostatak informacija. Umjetno svjetlo zbog toga povedava osjedaj sigurnosti. Prosječan Europljanin provede 90% svog vremena u zatvorenom, pa je zbog toga važnost umjetne rasvjete nenadoknadiva.


Uvod• Sve što se želi vidjeti mora biti

osvijetljeno, bududi je sama svjetlost nevidljiva.

• Za sunčana dana rasvijetljenost je do 100.000 lx, u hladu drveta 10.000 lx, a pri mjesečini samo 0,2 lx. Ipak, prilagodljivost oka dozvoljava da vidimo u svim ovim uvjetima.

• Prije 400.000 godina čovjek je počeo koristiti vatru kao izvor svjetla i topline. Unatrag nekoliko desetaka godina je razvoj izvora svjetlosti i svjetiljaka izuzetno dinamičan, te uključuje najnovije tehnologije, nove optičke sustave, nove materijale i posebno u zadnje vrijeme –brigu prema okolišu.


žičano

bežično

induktivna toplina

kapacitivna toplina

IR zračenje

UV do IR

diatermija

fototerapija

X zrake

gama zrake

kozmičke zrake

frekvencija [Hz]

kozmičko zračenje

terapija

foto optika

grijanje i

sušenje

vijesti,

radio

vidljiva svjetlost

valna duljina

Spektar zračenja• Elektromagnetsko zračenje je oblik energije, a spektar takvog zračenja daje

informaciju o njegovom sastavu. Kompletan spektar elektromagnetskog zračenja obuhvada od X-zraka na visokoenergetskom, kratkovalnom području do radio valova na niskoenergetskom, dugovalnom području.

• Svjetlost je elektromagnetsko zračenje valnih duljina od 10-7 m do 10-3 m koje nadražuje mrežnicu u čovječjem oku i time u organizmu izaziva osjet vida. Taj dio zračenja nazivamo optičko zračenje.


Spektar zračenja

• Svjetlost se može protumačiti na dva načina, i to u: fizikalnom smislu (prijenos energije u obliku elektromagnetskih valova ili čestica) osjetilnom smislu (modeliranje djelovanja ljudskog oka)

• Od ukupnog toka energije što je zrači neki izvor svjetlosti, samo elektromagnetsko zračenje valnih duljina od 380 do 780 nm može izazvati vizualni osjet svjetline, i naziva se vidljivi dio spektra. Iznad i ispod tog dijela spektra nalazi se infracrveno (IR) i ultraljubičasto (UV) područje.

• IR područje obuhvada valne duljine od 780 nm do 1 mm. Ovo termičko zračenje sunca omoguduje život na zemlji.

• UV zračenje (100 do 380 nm) je zbog svog biološkog učinka nužno, ali i štetno u UV-C području (ozonska rupa!).

Zračenje Valna duljina

UV – C 100 – 280 nm

UV – B 315 – 380 nm

UV – A 315 – 380 nm

Vidljivo zračenje 380 – 780 nm

IR - A 780 nm – 1,4 m

IR – B 1,4 – 3 m

IR – C 3 m – 1 mm


Teorija zračenjaZa tumačenje fizikalnih svojstava svjetlosti koristimo se dualnom teorijom zračenja:

• Valnom teorijom: Svjetlost se širi prostorom kao elektromagnetski val. Brzina širenja je:

• c=f×, gdje je c brzina širenja (m/s), f frekvencija zračenja (Hz) i valna duljina (m).• Brzina širenja vala ovisi o osobinama (elastičnosti i gustodi) sredstva kroz koje val prolazi, a u

vakuumu iznosi 3×108 m/s. Kada val prelazi iz jednog sredstva u drugo ili se prostire kroz nehomogeno sredstvo, brzina i valna duljina mu se mijenjaju, a frekvencija ostaje ista.

• Kvantnom teorijom: Svako je zračenje sastavljeno od elementarnih energetskih čestica (fotona). Fotoni se u vakuumu šire brzinom svjetlosti i njihova je energija to veda što je frekvencija zračenja veda, odnosno što je valna duljina manja. Količina energije definira se kao:

W=h×f, gdje je h Planckova konstanta (6,6256×10-34 Js) i f frekvencija zračenja.


Teorija zračenja• Upravo ova pretpostavka da atom ne

može primiti ili emitirati bilo kakvu količinu energije, ved samo neke određeno količine (kvante) dalo je teoriji ime.

• Foton nema materijalne osnove, dakle ima energiju samo ako se krede. Kada neki foton naiđe na neki materijalni atom onda on nestaje i predaje mu svu energiju. Novo zračenje materije može tada imati istu ili manju energiju, te stoga ima vedu valnu duljinu. Ovo svojstvo koristi se kod izvora svjetlosti na izboj u plinu, fluorescentnih materijala i fotoelemenata.

• I valna i kvantna teorija zračenja koriste se za objašnjenje učinaka svjetlosti i njenog ponašanja prema zakonima prirode.


Spektar vidljivog zračenja• Vidljivi dio spektra obuhvada

zračenja valne duljine od380 - 780 nm.

• Čunjidi u oku dijele svjetlo u tri različita područja spektra, koje nazivamo crveni, zeleni i plavi (RGB), te pobuđuju mozak na aditivno miješanje boja. Zbog toga ljudsko oko nije jednako osjetljivo na sve dijelove vidljivog spektra. To znači da je za valne duljine na krajevima vidljivog spektra potrebna veda snaga zračenja da bi se dobio utisak iste sjajnosti.

• Odnos između snage zračenja pri 555 nm i snage zračenja za druge valne duljine naziva se relativna svjetlosna osjetljivost.

V() za RGB komponente

Valna duljina

Sp

ektr

aln

a o

sje

tljiv

ost


Spektar vidljivog zračenja

• Ovisno o nivou sjajnosti (luminancije), dva tipa očnih receptora - štapidi i čunjidi - su uključeni u proces viđenja:

štapidi su jako osjetljivi na sjajnost, a manje na boju, pa su aktivniji pri manjoj sjajnosti (nodno ili fotopsko viđenje) i njihova maksimalna osjetljivost se nalazi u plavo-zelenom području na 507 nm - V’()

čunjidi su osjetljiviji na boju, i preuzimaju ulogu u dnevnom (skotopskom) viđenju pri jačoj sjajnosti i njihova maksimalna osjetljivost se nalazi u žuto-zelenom području na 555 nm - V()

• Prema ovim krivuljama podešavaju se svjetlotehnički instrumenti.

valna duljina (nm)

rela

tivna s

pektr

aln

a o

sje

tljiv

ost V

()

Ljubičasta Plava Zelena Žuta Naranđ. Crvena

dnevno viđenjenoćno viđenje

Krivulje V() i V’() koriste se za

vrednovanje stupnja svjetlosnog

utiska energetsko jednakih

spektara.


Spektar vidljivog zračenja• Naša percepcija svjetla zasniva

se na njegovoj raspodjeli na spektralne komponente (frekventni sastav). Razlikujemo:

Monokromatsko zračenje - sastoji se od samo jedne valne duljine, odnosno vrlo uskog spektra koji se može tako prikazati (npr. širine 10 nm)

Složeno zračenje - sastoji se od više različitih valnih duljina. Dijelimo ga na:

• Kontinuirano zračenje - bez skokovitih promjena valnih duljina

• Diskretno zračenje - sa skokovitim promjenama valnih duljina

Dnevno svjetlo


Spektar vidljivog zračenja

Složeno zračenje -

diskretno

Složeno zračenje -

kontinuirano

Monokromatsko

zračenje

Vidljivo zračenje može se podijeliti na:

ljubičasto 380 - 436 nm

plavo 436 - 495 nm

zeleno 495 - 566 nm

žuto 566 - 589 nm

plavo 589 - 627 nm

zeleno 627 - 780 nm


Generiranje svjetlosti• Postoje dva načina generiranja umjetnog svjetla:

termičko zračenje i luminiscentno zračenje.

• Ova dva principa čine osnovu podjele izvora svjetlosti.

Izvori svjetla

Žarulje s krutinom Žarulje na izboj

Luminiscentno zračenje Termičko zračenje Tinjavi izboj Izboj s lukom

LED

Laser

Izotopna žarulja

Elektro luminiscencija

Foto luminiscencija

Radio luminiscencija

Kemo luminiscencija

Bio luminiscencija

Tribo luminiscencija

Standardne žaruljeHalogene žarulje Visokotlačne žarulje

na izboj

Niskotlačne žaruljena izboj

Halogene žarulje na mrežni napon

Živine žarulje Fluorescentne cijevi

Niskonaponske halogene žarulje

Metalhalogene žarulje Fluokompaktne žarulje

Visokotlačne natrijeve žarulje

Niskotlačne natrijeve žarulje


Generiranje svjetlosti• Sve žarulje sa žarnom niti koriste princip termičkog zračenja. Žarna nit se grije

prolaskom struje, i pri tome emitira spektar zračenja koje je slično zračenju crnog tijela.

• Sva tijela na temperaturi iznad 0 K emitiraju elektromagnetsko zračenje zbog termičkog gibanja atoma. Termičko zračenje ima kontinuirani spektar zračenja koji je definiran kao funkcija temperature i faktora emisije materijala. Količina infracrvenog zračenja smanjuje se s povedanjem temperature, i ako je temperatura dovoljno visoka generira se i vidljivo zračenje. Naime, maksimumi zračenja pomiču se prema kradim valnim duljinama kada temperatura raste (Wienov zakon pomicanja).

Takvo zračenje (zračenje crnog tijela) opisuje se

Stefan-Boltzmanovim zakonom koji za cijelo područje

valnih duljina glasi:

Me = × T4

gdje je:

Me – specifično isijavanje crnog tijela (W/m2)

- konstanta (5,67 × 10-8 Wm-2K-4)

T – termodinamička temperatura (K)

vidljivo područje


Generiranje svjetlosti

• Faktor emisije materijala je funkcija valne duljine i temperature, i određuje odnos između pojedinog materijala i idealnog crnog tijela.

• Koeficijent emisije tungstena (koji se koristi za žarnu nit kod standardnih i halogenih žarulja) je jako povoljan, te mu maksimum zračenja leži u vidljivom dijelu spektra.


Generiranje svjetlosti• Svjetlost sunca spada u grupu

termičkih isijavanja.

• Tijekom evolucije ljudsko oko se posebno prilagodilo spektru zračenja sunca, koje prolazi kroz atmosferu u dovoljnoj količini i jednoličnosti.

Sunčevo zračenje odgovara temperaturi crnog tijela od 5.800 K

Specifična energija zračenja iznosi izvan atmosfere 1.374 W/m2. Na morskoj površini energija je 60-70% ove vrijednosti.

Atmosfera propušta samo zračenje između 350 i 2.500 nm. Stoga u sunčevu zračenju nema UV-C i IR-C zračenja.

Dnevno svjetlo mješavina je izravnog i neizravnog zračenja, te ovisi o vremenskim uvjetima.

Izvan atmosfere

Na površini zemlje

Spektar sunčevog zračenja

Valna duljina [nm]


Generiranje svjetlosti• Svjetlosno zračenje koje se ne zasniva na termičkom zračenju naziva se

luminiscentno zračenje. Luminiscentno zračenje nastaje kada elektroni prelaze iz jedne energetske razine u drugu. Potrebnu energiju za luminiscenciju mogude je dovesti iz različitih izvora:

• Visokotlačne žarulje na izboj su prema tome izvori luminiscentnog zračenja gdje se potrebna izlazna energija dobiva tokom električne struje. Za razliku od njih, luminiscencija fluorescentnih žarulja dolazi od energije zračenja (UV zračenja).

Oznaka Energija Primjer

Elektro luminiscencija Električna energija Izboj u plinu, pn - prijelaz

Foto luminiscencija Elektromagnetsko zračenje UV konverzija s luminiscentnim materijalima

Kemo i bio luminiscencija Energija kemijske reakcije Gorenje, oksidacija, enzimske reakcije

Tribo luminiscencija Mehanička energija Svjetlosni efekti u kristalima

Termo luminiscencija Toplinska energija Svjetlosni efekti u kristalima

Radio luminiscencija Radioaktivnost Aurora Borealis


Generiranje svjetlosti• Atom plina ili metalne pare sastoji se od jezgre i nekoliko elektrona koji putuju po točno utvrđenim

stazama (energetske razine). Kada je atom plina pogođen sa slobodnim elektronom ili ionom tada dolazi do skakanja elektrona u atomu na višu energetsku razinu, na kojoj se kratko zadržava. Pri povratku na nižu energetsku razinu emitira se elektromagnetska energija u obliku svjetlosnog kvanta –fotona. Energija fotona jednaka je razlici energetskih razina.

• U luminiscentnom zračenju postoji samo zračenje određene energije i određene valne duljine, koje ovisi o kemijskom sastavu tvari. Luminiscentno zračenje ima diskretni spektar.

Fosfor Vidljiva svjetlost

Svjetlo

UV zračenje

K – Atomska jezgra

H – Elektron u nižoj orbiti

e- - Uzbudni elektron

A* – Uzbuđeni elektron u višoj orbiti

R – Emitirano zračenje pri prelasku A* u nižu orbitu


Generiranje svjetlosti• Metalhalogene žarulje spadaju u

grupu visokotlačnih žarulja na izboj. Pri visokom tlaku (~10 bar) plinsko punjenje emitira izravno vidljivo svjetlo pobuđeno elektronima. Dodavanjem elemenata rijetkih zemalja mogude je kontrolirati spektar zračenja.

• Niskotlačne natrijeve žarulje se razlikuju od niskotlačnih živinih žarulja. Tlak punjenja iznosi svega nekoliko milibara, ali ipak se emitira izravno vidljiva svjetlost, monokromatskog spektra zračenja (585 nm).


Generiranje svjetlosti• Kod niskotlačnih živinih žarulja (kao što su fluorescentne i

fluokompaktne žarulje), za razliku od gore navedenih izvora, atomi žive ne emitiraju vidljivu svjetlost kao rezultat sudara, ved emitiraju UV zračenje. Ovo UV zračenje pretvara se u vidljivu svjetlost zahvaljujudi fluorescentnom materijalu (fosforu) koji se nalazi na unutarnjoj stani cijevi. Ovaj proces naziva se foto luminiscencija, i kao energiju pobude koristi elektromagnetsko zračenje (UV zračenje).

• Primjenom različitih fluorescentnih materijala (različitih fosfora) mogude je dobiti različite spektre zračenja, koji su diskretni.

Fluorescentni materijal

Vidljivo svjetlo

Emisija UV zračenja


Trikromatski dijagram prema DIN 5033

Svjetlost i boja• Vidljivo zračenje čovječje oko ne opaža samo po jačini

svjetlosti ved i po bojama. Taj se osjedaj naziva podražaj boja. Pri tome je svejedno da li se radi o zračenju izvora (boja svjetlosti) ili osvijetljenom objektu (boja predmeta), jer je upravo svjetlost jedini izvor boje na svijetu. Svjetlost je uvijek obojena, a zastupljenost pojedinih boja može se odrediti analizom pojedinih valnih duljina. Svjetlost ne može proizvesti nikakvu boju koje nema u spektru te svjetlosti (primjetno kod monokromatskih izvora svjetlosti).

• Teorija tri boje (crvene, zelene i plave), koje nadražuju pojedine čepidaste receptore u oku, te superponiranjem svih podražaja stvaraju zapažanje boje, osnova je kolorimetrije.

• Kolorimetrija ili mjerenje boja je znanost koja se bavi kvantitativnim vrednovanjem boja.

• Na temelju teorije triju boja sve se boje mogu prikazati u dvodimenzionalnom koordinatnom sustavu, ako svaka točka sustava predstavlja određenu boju, na čemu se zasniva trikromatski dijagram.

• CIE je definirala standardni kolorimetrijski sustav 1931. godine, a standardiziran je prema DIN 5033.

• Uz pomod trikromatskog dijagrama mogude je precizno odrediti svaku boju izvora svjetlosti uz poznate udjele barem dviju osnovnih boja (x i y).

Definiraju se trikromatske komponente:

x - mjerilo za crvenu boju

y - mjerilo za zelenu boju

z - mjerilo za plavu boju

x + y + z = 1


Temperatura boje• Za označavanje boje nekog izvora svjetlosti uz trikromatski dijagram koristi se i pojam temperature

boje.

• Temperatura boje označuje boju izvora svjetlosti usporedbom s bojom svjetlosti koju zrači idealno crno tijelo. Temperatura idealnog crnog tijela u Kelvinima, pri kojoj ono emitira svjetlost kao mjereni izvor, naziva se temperatura boje tog izvora svjetlosti.

• Kada se trikromatske komponente crnog tijela za različite temperature unesu u dijagram boja, dobiva se linija koja se naziva Planckova krivulja.

• Bududi da izvori sa žarnom niti pripadaju grupi izvora s termičkim zračenjem, kao i idealno crno tijelo, njihove temperature boja leže na Planckovoj krivulji. Međutim, žarulje na izboj, kod kojih se svjetlo generira principom luminiscencije, imaju bitno drukčije spektralne karakteristike, te točke ne leže na Planckovoj krivulji nego u njenoj blizini, te se za takve izvore koristi pojam “slične temperature boje”. To je ona temperatura crnog tijela pri kojoj je njegova boja najsličnija boji izvora svjetlosti, što je određeno Judd linijama na Planckovoj krivulji.

Planckova krivulja s Judd linijama

Halogena

niskonaponsk

a žarulja

LUMILUX

PLUS toplo

bijela boja 31-

830

Zbog standardizacije, temperature boje izvora

svjetlosti podijeljene su u tri grupe:

dnevno svjetlo (>5.000 K)

neutralno bijelo (3.500 - 5.000 K)

toplo bijelo (<3.500 K)


Uzvrat boje• Ovisno o primjeni, umjetno svjetlo treba omoguditi da se boje vide kao da su

obasjane prirodnim svjetlom. Ova kvaliteta izvora svjetla naziva se uzvrat boje, i izražava se faktorom uzvrata boje (Ra faktorom). Uzvrat boje nije povezan s temperaturom boje, te se ne može na osnovu temperature boje izvoditi zaključak o kvaliteti svjetla.

• Faktor uzvrata boje je mjera podudaranja boje objekta osvijetljenog izvorom koji se mjeri i boje tog objekta pod referentnim izvorom svjetla (s Ra=100). Što je Ra faktor izvora niži, to je uzvrat boje tog izvora lošiji.

Uzvrat bojeKategorija

uzvrata boje

Faktor

uzvrata bojePrimjer izvora svjetla

Vrlo dobar 1 A 90 Halogene žarulje, LUMILUX® DE LUXE fluocijevi, ...

1 B 80 - 89LUMILUX® fluocijevi, metalhalogene žarulje boje

/NDL i /WDL

Dobar 2 A 70 - 79 Standardne fluocijevi boje /10 (6.000 K)

2 B 60 - 69 Standardne fluocijevi boje /20 (4.500 K)

Dovoljan 3 40 - 59 Živine žarulje HQL

Loš 4 39 Visokotlačne i niskotlačne natrijeve žarulje


Uzvrat boje

• Pri mjerenju uzvrata boje promatra se odstupanje boje kod 8 (ili 14) testnih boja standardiziranih prema DIN 6169, do kojeg dolazi pri osvjetljavanju s mjerenim izvorom svjetlosti u odnosu na referentni izvor svjetlosti.

• Zahtjeve na faktor uzvrata boje postavlja primjena rasvjetnog sustava.

Dobar uzvrat boje Loš uzvrat boje


Ljudsko oko• Naše oko je optički sustav za preslikavanje

objekata na mrežnicu. Može se vrlo fleksibilno prilagoditi različitim uvjetima rasvjete. Granica osjetljivosti jest bilijunti dio luxa (zvijezda na nodnom nebu).

• Mrežnica je, za shvadanje svjetla, odlučujudi dio oka. Sastoji se od dva receptora različito osjetljivih na svjetlo: čunjida, zaduženog za shvadanje boja i štapida koji je odgovoran za visoku osjetljivost na svjetlo.

• Viđenje ima tri aspekta: prizor koji se gleda, slika tog prizora na mrežnici i njegov konačni vidni doživljaj u mozgu. Poznati objekti prepoznaju se brže od novih objekata.

• Mrežnica predstavlja “projekciono platno” sa 130 milijuna receptorskih stanica, koje su uključene u proces viđenja ovisno o svjetlosnom nivou. 120 milijuna štapida osjetljivo je na svjetlo, i koristi se za rasvijetljenost manju od 1 lx, a 7 milijuna čunjida koristi se za prepoznavanje boja.

1. Roţnica

2. Šarenica

3. Leća

4. Zjenica

5. Voda u ćeliji

6. Optička os

7. Staklasto tijelo

8. Ţuta pjega

9. Mreţnica


Vid i percepcija• Mogudnost oka da se prilagođuje na više ili manje razine sjajnosti naziva se

adaptacija. Mogudnost adaptacije ljudskog oka krede se unutar omjera sjajnosti od 1: 10 milijardi. Trajanje procesa adaptacije ovisi sjajnosti na početku i kraju procesa. Adaptacija na manju sjajnost traje dulje od adaptacije na višu sjajnost. Proces adaptacije omoguduje složena mreža ganglija - živčanih stanica, koje prenose informacije do mozga.

• Oštrina vida je sposobnost razlikovanja finih detalja na nekom predmetu ili prizoru. Na nju utječe razina rasvijetljenosti, ali isto tako i starost promatrača.

dnevna svjetlost(5-10 mm2)

cestovna rasvjeta(10-30 mm2)

mjesečina(30-50 mm2)


Vid i percepcija• Akomodacija je sposobnost oka

da se prilagodi predmetu koji se nalazi na određenoj udaljenosti i da ga oštro vidi, što se postiže promjenom oblika očne lede.

• Da bi se objekt prepoznao, potrebna je razlika sjajnosti ili boje između objekta i neposredne okoline, što se naziva minimalni kontrast.

• Zadatak rasvjetnog sustava je da stvori dobre vizualne uvjete poznavajudi način rada oka -npr. postizanjem odgovarajude rasvijetljenosti i njene ravnomjerne raspoređenosti.

Razina rasvijetljenosti (lx)

Vid

na

pe

rfo

rma

nsa

(%

)


Vid i percepcija• Trodimenzionalno ili stereoskopsko viđenje mogude je zahvaljujudi činjenici da su naše oči međusobno

razmaknute. Kada se fokusira objekt, uzorci koji se stvaraju na mrežnici oka se neznatno razlikuju za svako oko zbog drukčije perspektive, a mozak koristi ove informacije da bi “izračunao” utiska prostora, što omoguduje stvaranje utiska udaljenosti.

• Kada se gleda u daljinu mozak razlikuje bliže i dalje objekte po plavoj komponenti njihovog svjetla. Bliži objekti imaju toplije i intenzivnije tonove, a dalji plavičasti i bljeđi izgled.

• Ljudski sustav percepcije koristi sljedede informacije:

• Na ljudsku percepciju bitno utječe izvor svjetlosti sa svojim karakteristikama boje svjetla i uzvrata boje!

Kontrast Svjetlina Boja

fizikalne osnove svjetlosti

Documents