Ugrás a tartalomhoz

Szolgáltatástechnika

dr. Barótfi István

Mezőgazda Kiadó

10. fejezet - 8. Világítástechnika

10. fejezet - 8. Világítástechnika

8.1. A fontosabb fénytechnikai alapfogalmak és összefüggések

A fény nem más, mint az elektromágneses hullámok vagy részecskék alakjában történő energiakibocsátás vagy energiaátvitel – a sugárzás – látható részének érzékelés szerinti megfelelője, és amelynek keltésével, mérésével, alkalmazásával és az emberre kifejtett hatásával a fénytechnika (optika) foglalkozik.

A fénykeltéssel kapcsolatos kutatások során két alapvető sajátosságot állapítottak meg: egyrészt a mikrorészecskék kettős – hullám és részecske – jellegét, másrészt a mikrofolyamatok törvényszerűségeinek statisztikus jellegét. Mivel a világítástechnikai kérdések tárgyalásakor tanulmányozott jelenségekre vonatkozóan a hullámelmélet teljesen kielégítő magyarázatot ad, a fényt csak elektromágneses hullámoknak tekintjük, amikor is a terjedési sebesség:

c = f · λ [m · s–1],

ahol: f – a frekvencia [s–1],

λ – a hullámhossz [m].

A fénytechnikai gyakorlatban jellemzésre elsősorban a hullámhossz használatos, és nm (10–9 m) mértékegységgel adjuk meg. A 8.1. ábra az elektromágneses hullámok résztartományait, a 8.1. táblázat az optikai sugárzás tartományait tünteti fel.

8.1. táblázat - Az optikai sugárzás tartományai

Alaptartomány

Résztartomány

Hullámhossz (nm)

Frekvencia

(THz)

neve (jele)

megnevezése

betűjele

Ultraviola (UV)

vákuum-UV

UV-C/VUV

100–200

3000–1500

 

távoli-UV

UV-C/FUV

200–280

1500–1070

 

közepes-UV

UV-B

280–315

1070–950

 

közeli-UV

UV-A

315–380

950–790

Látható (VIS)

380–780

790–385

Infravörös (IR)

közeli-IR

NIR

IR-A

780–1400

385–215

 

IR-B

1400–3000

215–100

 

közepes-IR

MIR

IR-C

3000–50 000

100–6

 

távoli-IR

FIR

50 000–106

6–0,3


Kísérletekkel igazolható, hogy a „fehérnek” feltételezett napfény a sugárzás terjedési sebességének frekvenciafüggősége miatt kis hullámhossz sávszélességű sugárzásokra bontható (8.1. ábra), vagyis összetett fény. A kapott összetevők azonban tovább már nem bonthatók, ezért ezeket egyszerű színeknek nevezzük. A kísérlet megfordításával és valamelyik egyszerű szín (pl. a vörös) kirekesztésével új, de összetett szín (a kékeszöld) keletkezik.

8.1. ábra - Az elektromágneses hullámok résztartományai és a színszórás

Az elektromágneses hullámok résztartományai és a színszórás


A színinger olyan sugárzás, amely a szembe behatolva színészleletet hoz létre:

kromatikus színinger esetén az érzékelőnek úgy tűnik, hogy a színészleletnek van színezete, vagyis azt észleli, hogy az adott felület leírható a kromatikus színek nevének valamelyikével, vagy más szavakkal: az adott felület hasonlít a barna, a kék, a piros, a sárga, a zöld stb. egyikéhez vagy közülük kettőnek a kombinációjához (ún. kromatikus színészlelet),

akromatikus színinger esetén az érzékelőnek úgy tűnik, hogy a színészleletnek nincs színezete, vagyis azt észleli, hogy az adott felület nem a kromatikus színek nevének egyikével írható le, hanem a fehér, a fekete vagy a szürke – esetleg a színtelen vagy a semleges – szavakkal (ún. akromatikus színészlelet).

Additív (összeadó) szín(inger)keverés esetén a szemet több szín(inger) úgy ingerli, hogy azokat az ember nem tudja külön-külön észlelni, hanem egységes egészként kezeli. Ez tehát az ember érzékrendszerének egy összetett pszichofiziológiai megnyilvánulása.

A komplementer szín(inger)eket két olyan szín(inger) képezi, amelyeknek additív keverésével elő lehet állítani egy meghatározott, akromatikus (azaz színezet nélküli) színt.

Szubtraktív (kivonó) szín(inger)keverés esetén a fényspektrumból egy vagy több, illetve kisebb vagy nagyobb spektrumrésznek elnyel(et)éssel (abszorpcióval) vagy (ki)szűréssel történő eltávolításával – tehát tisztán fizikai eljárással – keltenek új, az eddigitől eltérő fényérzetet.

További kísérletek igazolták, hogy három alkalmasan választott szín – az ún. alapszínek – megfelelő arányú additív összekeverésével a színkép összes többi színe, sőt a színképben nem található bíbor és lila színek árnyalatai is kikeverhetők: ezek a kevert színek. A kidolgozott és nemzetközileg elterjedt trikromatikus színmérő rendszer alapszínei, illetve színösszetevői a vörös (jele: R, illetve X), a kék (jele: B, illetve Y) és a zöld (jele: G, illetve Z). Célszerűen megválasztott arányszámokkal, az ún. színkoordinátákkal, mint a három összetartozó színösszetevő mindegyikének és ugyanazon színösszetevők összegének hányadosaival, vagyis az

és a

értékekkel – miközben x + y + z =1 – egyértelműen megadható bármelyik szín öszszetevőinek az aránya. A színkoordináták síkbeli – összegük alapján már csupán az x és az y színkoordinátákkal történő – ábrázolásával bármely színesség, mint a szín(inger) minőségi jellemzője, egy és csakis egy ponttal ábrázolható (8.2. ábra). Értelemszerű, hogy az x = y = 0,33 színkoordináták esetén az akromatikus fehéret (F) kapjuk. A gyakorlat számára a színek jellemzőinek vizuális meghatározására színmintaatlasz készül, ami meghatározott szabályok szerint rendezett és megjelölt színes minták gyűjteménye (lásd az MSZ 9618-1 szabványt).

8.2. ábra - A trikromatikus színmérőrendszer színkoordinátái

A trikromatikus színmérőrendszer színkoordinátái


A térszög () a gömb részfelületének és a gömbsugár négyzetének hányadosaként meghatározott mennyiség (8.3. ábra):

1 szteradián [sr] az a középponti szög, amely a gömbsugár négyzetével egyenlő területű gömbfelületrészhez tartozik. Bár a gömbfelületrész tetszőleges alakú lehet, legtöbbször a körkúp alakú térszög fordul elő, amelynek nagysága α félkúpszög esetén:

Ω = 2π · (1 – cos α) [sr].

A térszög legnagyobb értéke a teljes gömbfelülethez tartozik és számszerűen 4π ≈ 12,56 szteradiánnal egyenlő.

A fényáram (Φ) a sugárzás formájában kibocsátott teljesítményből (a fényteljesítményből) leszármaztatott olyan mennyiség, amely a sugárzást az érzékelőre kifejtett hatása alapján értékeli. Egysége az 1 lumen [lm], amely az egységnyi fényerősségű, egyenletes, pontszerű sugárzó, egységnyi térszögbe kisugárzott fényárama.

A fényerősség (I) a fényforrás adott irányt tartalmazó, elemi térszögbe kisugárzott fényáramának és a térszögnek a hányadosa (8.3. ábra):

Egysége az 1 candela [cd], amely a minden ráeső sugárzást teljesen elnyelő fekete sugárzó 1/600000 m2 felületének fényerőssége a felületre merőlegesen, a platina dermedési hőmérsékletén, 101 325 Pa nyomáson. Egy másik meghatározással: egy candela a fényerőssége annak a fényforrásnak, amelyik 555 nm hullámhosszúságú, 1/683 W/sr sugárerősségű monokromatikus sugárzást bocsát ki egy meghatározott irányban.

A megvilágítás (E) egy adott pontot tartalmazó felületelemre beeső fényáramnak és ennek az elemi felületnek a hányadosa (8.3. ábra):

8.3. ábra - A fontosabb fogalmak és törvények vázlata

A fontosabb fogalmak és törvények vázlata


A megvilágítás akkor 1 lux [lx], ha 1 lm fényáram egyenletesen oszlik el 1 m2 felületen.

Amennyiben a felületelem és a beeső fényáram a szöget zárnak be egymással, a megvilágítás (8.4. ábra):

Ez az összefüggés a fénytechnika koszinusztörvénye.

A szférikus megvilágítás (Eo) az adott pontot tartalmazó kicsiny gömb külső felületére beeső összes fényáram (Φ) és e gömb felülete (Ao) hányadosának négyszerese:

8.4. ábra - Vázlat a fénytechnika koszinusztörvényéhez

Vázlat a fénytechnika koszinusztörvényéhez


A sík felületre a szög alatt beeső fényáram esetén a felület egy adott pontján átmenő

– horizontális (vízszintes) síkon létrehozott megvilágítás (8.3. ábra):

Eh = E · cosα,

vertikális (függőleges) síkon létrehozott megvilágítás:

Ev = E · sinα.

Amennyiben a fénybeesés

– merőleges és centrális, és „mérőablakkal” ellátott érzékelőjű megvilágításmérővel történik a mérés, akkor merőleges megvilágításról beszélünk,

– félgömb-térben, minden irányból történik, akkor „koszinusz-előtéttel” ellátott érzékelőjű megvilágításmérővel kell mérni, amely a merőlegesen beeső fényáram által létesített E (α = 0) megvilágításhoz képest a következő függvény szerint súlyoz:

E(α) = E(α) · cosα.

Egy adott pontban a cilindrikus megvilágítás (Ez) az adott pontot tartalmazó végtelen kicsiny – eltérő előírás, illetve megállapodás hiányában függőleges tengelyű – henger teljes külső felülete (0 ≤ j ≤ 2p) vertikális megvilágítási értékeinek (Evi) számtani középértékeként meghatározott megvilágítás:

Esetenként lényeges lehet a félcilindrikus megvilágítás (Ezf) is, ami az adott pontot tartalmazó végtelen kicsiny – eltérő előírás, illetve megállapodás hiányában függőleges tengelyű – henger külső félfelülete (–π/2 ≤ φ ≤ +π/2) vertikális megvilágítási értékeinek (Evi) számtani középértékeként meghatározott megvilágítás:

Amikor az adott felületet több fényforrásból származó fény éri, akkor a tényleges megvilágítást a részmegvilágítások összege adja:

Az összefüggés a fénytechnika addíciótörvénye néven ismeretes.

A megvilágításra korábban felírt összefüggésben mind a számlálót, mind a nevezőt átalakítva:

Az átalakítással kapcsolatot teremtettünk egy adott pont megvilágítása, valamint a fényforrás és az adott pont távolsága között. Mivel a megvilágítást a távolság függvényeként írtuk fel, az összefüggés neve: a fénytechnika távolságtörvénye.

A fénysűrűség (L) az adott pontot tartalmazó felületelemet elhagyó vagy arra beeső vagy azon áthaladó és az adott irányt tartalmazó elemi térszögben terjedő fényáramnak, valamint ennek az elemi térszögnek és a felületelem adott irányra merőleges vetülete szorzatának a hányadosa (8.3. ábra):

ahol: ϑ – a felületelem normálisának és a térszög irányának a szöge.

Figyelembe véve a fényerősségnél felírt összefüggést, elsődleges fényforrás esetén (sugárzást kibocsátó felület vagy test esetén) annak adott pontjában, adott irányban a fénysűrűség:

A megvilágításnál felírt összefüggéssel pedig másodlagos fényforrás esetén (áteresztéssel vagy visszaveréssel továbbsugárzó felület vagy test esetén) számítható a fénysűrűség:

,

A mértékegység helyes megadásával tehát kifejezhetjük, hogy milyen felület fénysűrűségéről van szó. A mértékegységek közötti összefüggés: