Источники света

Влияние освещения на восприятие окружающего мира настолько важно, что дизайнерам, проектирующим окружающую среду и изделия, необходимо знание основ светотехники. Существует два вида источников света – это Солнце (естественное освещение) и искусственные источники, созданные человеком.

Психологическое и физиологическое воздействие на человека цветности излучения источников света в значительной степени связано с теми световыми условиями, к которым человечество приспособилось за время своего существования. Световой режим, к которому приспособились люди – это голубое небо, создающее в течение большей части светового дня высокие освещенности, а вечерами и ночами – желто-красный костер, а затем, пришедшие ему на смену, создающие низкие освещенности лампы, аналогичные по цветности. У человека наблюдается более работоспособное состояние днем при свете преимущественно холодных оттенков, а вечером, при теплом красноватом свете низкой освещенности, ему лучше отдыхать. Лампы накаливания дают теплый красновато-желтый цвет и способствуют успокоению и отдыху, люминесцентные лампы, наоборот, создают холодный белый свет, который возбуждает и настраивает на работу.

Рис. Освещение, к которому привык человеческий глаз в процессе эволюции

Таким образом, цветность является важной характеристикой светового излучения. Цветность света того или другого источника зависит от спектрального состава излучаемого им светового потока.

Примеры спектрального распределе­ния интенсив­ности излучения различных источников света показаны на рис..

(а) (б)

Рис. Примеры спектрального распределе­ния интенсив­ности излучения различных источников света: (а) свет от ясного голу­бого неба, среднеднев­ной усредненный солнечный свет, свет лампы накаливания, (б) излучение люминесцентной лампы

Излучение большинства самосветя­щихся источников подчиняется одним и тем же законам, однако для раз­ных тел, в зависимости от их химического состава и физических свойств, нагревание до заданной температуры дает несколько раз­личающиеся спектры излучения. В связи с этим, в качестве эта­лона цветовой температуры использу­ется гипотетическое абсолютно черное тело или излучатель Планка. Это источник, излучение которого зависит только от его температуры, а не от каких-либо других его свойств. Для характеристики цвета излучений было введено понятие цветовой температуры. В зависимости от температуры на­гревания, спектр излучения абсолютно чер­ного тела имеет разную цветность. Цветовая температу­ра –это та температура черного тела, при которой его излучение имеет ту же цветность, что и рассмат­риваемое излучение.

Рис. 3.2 Спектральное распределение излучения черного тела в видимом диапазоне в зависимости от температуры

Действительно, при нагревании черного тела его цвет изменяется от теплых оранжево-красных до холодных белых тонов. Цветовая температура измеряется в градусах Кельвина (К). Связь между градусами по шкале Цельсия и по шкале Кельвина следующая: К = С + 273.

Цветовая температура для реальных ис­точни­ков света составляет от 2000 до 10000 градусов. Чем ниже цветовая температура, тем цвет­ность источника света находится ближе к красной области спектра, чем выше – к синей.

Несмотря на существующие различия, все другие тела ведут себя при на­грева­нии подобно идеальному черному телу. Именно поэтому использование цветовой температуры в качестве характеристики цветности излучения само­светящихся ис­точников, как природных, так и искусственных, оправдано для боль­шого числа источников. Поскольку спек­тральное распределение излучения, и, соот­ветственно, цветность, реального тела в редких случаях точно совпадает со спек­тральным распределением и цветностью идеально черного тела при данной цвето­вой температуре, при ха­рактеристике излучения реально существующих тел исполь­зуют понятие кор­релированной цветовой температуры (рис. 3.3).

Рис. 3.3 Линия черного тела на графике цветностей xyМКО 1931 г. и семейство изотем­пературных линий, используемых для определения коррелированной цвето­вой темпера­туры источника по координатам цветности

Она соответствует цветовой темпера­туре, полученной путем определения на равноконтрастном цветовом гра­фике точки на линии черного тела, ближайшей к точке, представляющей собой цветность рассматриваемого источника света.

Цветопередача характеризует влияние спектрального состава источ­ника света на зрительное восприятие цветных объектов, сознательно или бессозна­тельно сравниваемое с восприятием тех же объектов, осве­щенных стандарт­ным источником. Цвет красного автобуса при освещении светом уличной натриевой лампы накаливания воспринимается как тускловато коричневый. Цвет лица при освещении светом ртутной лампы приобретает болезненный зеленоватый оттенок. Обе эти лампы легко узнать по их плохой цветопередаче. Искусственный свет должен обеспечивать возможность наиболее лучшего восприятия цвета.

Метод оценки* цветопередающих свойств источников света, рекомендо­ван­ный МКО, предназначен для оценки способности источника придавать предметам их ис­тинный цвет. Веден показатель – индекс цветопередачи, который отражает уровень соответствия естественного цвета тела с видимым цветом этого тела при освещении его эталонным источником света. Методика определения индекса цветопередачи­ заключается в вы­числе­нии цветовых координат u, v анализируемого цвето­вого образца при его осве­щении данным источником света, вычислении цве­товых координат u, v образца при его освещении принятым в качестве стан­дартного источника света и определе­нии ΔE – различия между ними в цветовом пространстве W*U*V*. По по­лученным данным определяется ча­стный индекс цветопередачи R_i:

(3.9).

Чем меньше отклонение цвета излучаемого тестируемой лампой света от эталонных цветов, тем лучше характеристики цветопередачи этой лампы. Источник света с показателем цветопередачи R_a = 100 излучает свет, оптимально отражающий все цвета, как свет эталонного источника света. Чем ниже значение R_a, тем хуже передаются цвета освещаемого объекта. Методика МКО 1974 г. рекомендует использовать для вычисления ин­декса цве­топередачи среднее арифметическое из частных индексов цветопе­редачи, опреде­ленных для 14 образцов цвета атласа Манселла по пока­зателю ΔE, рассчитан­ному по координатам цвета образца, освещенного исследуемым источником, и координатам цвета того же образца при выбранном контрольном ос­вещении. Полученная характеристика именуется общим индексом цветопередачи R_A :

(3.10).

Для источников с высокой цветовой температурой истинным считается цветпредмета при дневном освещении. В случае источников с низкой цве­товой тем­пературой истинным считается цвет предмета при освещении лампой накалива­ния. В методе МКО действует условие, что цветность стандартного излучения должна быть одинакова или почти одинакова цветности ис­следуемого излучения. Допуска­ется очень небольшое различие.

Для критической оценки окрашенных объектов потребитель должен вы­брать тот источник, который дает достаточно хорошее приближение к ис­тине. Обычно это означает, что источник должен иметь довольно высокий общий индекс цветопе­редачи МКО (95 и более). Из формул следует, что величина ΔE должна быть порядка одного порога. В некоторых особых слу­чаях для контроля может потре­боваться источник с более высоким индексом цветопередачи и более жесткие до­пуска на фактическое относительное спек­тральное распределение энергии излуче­ния. Такие особые случаи возникают при необходимости проведения критического сравнения метамерных цвето­вых стимулов предметов.

Искусственные источники света. Для искусственного освещения применяют электрические лампы двух типов - лампы накаливания (ЛН) и газоразрядные лампы (ГЛ).

Лампы накаливания относятся к источникам света теплового излучения. Видимое излучение (свет) в них получается в результате нагрева электрическим током вольфрамовой нити.

В газоразрядных лампах видимое излучение возникает в результате электрического разряда в атмосфере инертных газов или паров металлов, которыми заполняется колба лампы. Газоразрядные лампы называют люминесцентными, так как изнутри колбы (цилиндры) покрыты люминофором, который под действием ультрафиолетового излучения, излучаемого электрическим разрядом, светится, преобразуя тем самым невидимое ультрафиолетовое излучение в свет.

Люминесцентные лампы (ЛЛ) – разрядные лампы низкого давления – представляют собой цилиндрическую трубку с электродами, в которую закачаны пары ртути. Под действием электрического разряда пары ртути излучают ультрафиолетовые лучи, которые, в свою очередь, заставляют нанесенный на стенки трубки люминофор излучать видимый свет. Два различных типа ЛЛ являются классическим примером компромисса в технике. Лампы с трехполосным люминофором более экономичны (световая отдача до 104 Лм/Вт), но обладают худшей цветопередачей (Ra=80), с пятиполосным люминофором имеют отличную цветопередачу (Ra=9098) при меньшей световой отдаче (до 88 Лм/Вт). Одно из главных преимуществ ЛЛ – долговечность (срок службы до 20 000 часов). Благодаря экономичности и долговечности ЛЛ стали самыми распространенными источниками света в офисах предприятий. В странах с мягким климатом ЛЛ широко применяются в наружном освещении городов. В холодных районах их распространению мешает падение светового потока при низких температурах.

Принцип действия разрядных ламп высокого давления – свечение наполнителя в разрядной трубке под действием дуговых электрических разрядов. Дуговые разрядные лампы намного старше ламп накаливания – в прошлом году электрической дуге исполнилось 200 лет. Два основных разряда высокого давления, применяемых в лампах, – ртутный и натриевый. Оба дают достаточно узкополосное излучение: ртутный – в голубой области спектра, натрий – в желтой, поэтому цветопередача ртутных (Ra=40–60) и особенно натриевых ламп (Ra=20–40) оставляет желать лучшего.

Добавление внутрь разрядной трубки ртутной лампы галогенидов различных металлов позволило создать новый класс источников света – металлогалогенные лампы (МГЛ), отличающиеся очень широким спектром излучения и прекрасными параметрами: высокая световая отдача (до 100 Лм/Вт), хорошая и отличная цветопередача Ra=80–98, диапазон Tцв от 3000 К до 6000 К, средний срок службы около 15 000 часов.

Еще более широко применяются натриевые лампы. На сегодняшний день это один самых экономичных источников света (до 150 Лм/Вт). Огромное количество натриевых ламп используется для освещения автомобильных дорог. Чем более сплошной и равномерный спектр имеет лампа, тем более различимы цвета предметов в ее свете. Главный источник света – Солнце – имеет сплошной спектр излучения и наилучшую цветопередачу, при этом Тцв меняется от 6000 К в полдень до 1800 К в рассветные и закатные часы. Далеко не все лампы могут сравниться с Солнцем. Если искусственные источники теплового излучения – традиционные и галогенные лампы накаливания – благодаря сплошному спектру не имеют особых проблем с цветопередачей, разрядные лампы, имеющие в своем спектре полосы и линии, зачастую передают цвета предметов довольно своеобразно. Особенно значительные изменения происходят при замене привычного «белого» освещения на цветное.

Цветной свет сильнее действует на людей, чем окружающие их разноцветные стены или яркие вещи. Он изменяет окружающие цвета и заставляет иначе воспринимать интерьер в целом. Цветное освещение влияет на цвета предметов, изменяя их порой до неузнаваемости. Оно окрашивает ахроматические (бесцветные, белые, серо-белые) поверхности в свой оттенок, а остальные — в другой цвет, в зависимости от изначального цвета поверхности и освещающего ее света. Так, красные тона при красном освещении становятся насыщеннее, при зеленом — почти полностью «ахроматизируются», становятся грязно-серыми или почти черными.

Цветное освещение оказывает психологическое и психофизиологическое воздействие на организм человека. Так, освещение синим светом стало широко использоваться в Японии. Установка синих осветительных приборов полностью прекратила попытки самоубийства на железнодорожных станциях крупнейшей железнодорожной компании Keihin Electric Express Railway Co. При помощи синего света они борются с двумя главными проблемами – самоубийцами на перронах и лихими водителями на переездах. Экспансия синего света продолжается по всей Японии. Уже заменено освещение нескольких скоростных автомагистралях, в парках и пешеходных зонах городов. Дальше всех в вопросе создания спокойной обстановки на рельсах шагнула Западная Японская железнодорожная компания, которая установила вдоль всех своих трасс осветительные мачты голубого света.

Лампы накаливания наиболее широко распространены в быту из-за своей простоты, надежности и удобства эксплуатации. Находят они применение и на производстве, в организациях и учреждениях, но в значительно меньшей степени. Это связано с их низкой светоотдачей 20 лм/вт (светоотдача лампы - это отношение светового потока лампы к ее электрической мощности), небольшим сроком службы - до 2500 ч, преобладанием в спектре желтых и красных лучей, что сильно отличает спектральный состав света от солнечного света. В маркировке ламп накаливания буква В обозначает вакуумные лампы, Г - газонаполненные, К – лампы с криптоновым наполнением, Б - биспиральные лампы. Газоразрядные лампы получили наибольшее распространение на производстве, в организациях и учреждениях прежде всего из-за значительно большей светоотдачи (40...110 лм/Вт) и срока службы (8000...12000 ч). Газоразрядные лампы в основном применяются для освещения улиц, иллюминации, световой рекламы. Подбирая сочетание инертных газов, паров металла, заполняющих колбы ламп, и люминофора, можно получить свет практически любого спектрального диапазона – красный, зеленый, желтый и т. д. Для освещения в помещениях наибольшее распространение получили люминесцентные лампы дневного света, колба которых заполнена парами ртути.

Газоразрядные люминесцентные лампы бывают низкого давления, с разным распределением светового потока по спектру: лампы белого света (ЛБ); лампы холодно-белого света (ЛХБ); лампы с улучшенной цветопередачей (ЛДЦ); лампы теплого-белого света (ЛТБ); лампы, близкие по спектру к солнечному свету (ЛЕ); лампы холодно-белого света улучшенной цветопередачи (ЛХБЦ). Лампы ЛЕ, ЛДЦ применяются в случаях, когда предъявляются высокие требования к определению цвета, в остальных случаях – лампы ЛБ, как наиболее экономичные.

К газоразрядным лампам высокого давления относятся: дуговые ртутные лампы с исправленной цветностью (ДРЛ); ксеноновые (ДКсТ), основанные на излучении дугового разряда в тяжелых инертных газах; натриевые высокого давления (ДНаТ); металлогалогенные (ДРИ) с добавкой йодидов металлов. Лампы ДРЛ рекомендуются для производственных помещений, если работа не связана с различением цветов (в высоких цехах машиностроительных предприятий и т. п.), и наружного освещения. Лампы ДРИ имеют высокую световую отдачу и улучшенную цветность, применяются для освещения помещений большой высоты и площади.

Однако газоразрядные лампы наряду с преимуществами перед лампами накаливания обладают и существенными недостатками, которые пока ограничивают их распространение в быту. Основной недостаток – пульсация светового потока, которая искажает зрительное восприятие и отрицательно воздействует на зрение. При освещении газоразрядными лампами может возникнуть стробоскопический эффект, заключающийся в неправильном восприятии скорости движения предметов.

Современные светодиоды эффективнее ламп накаливания, а некоторые модели могут поспорить с лампами дневного света.

Светодиод – это полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток непосредственно в световое излучение. По-английски светодиод называется light emitting diode, или LED. Принцип работы светодиодных источников света основан на явлении электролюминесценции – холодного свечения полупроводников при протекании тока.

К преимуществам светодиодов относятся:

• Низкое энергопотребление;

• Высокая светоотдача;

• Долгий срок службы – до 100000 часов;

• Высокий ресурс прочности – ударная и вибрационная устойчивость;

• Простота в монтаже и эксплуатации (не требуют специальной аппаратуры для включения);

• Чистота и разнообразие цветов, направленность излучения;

• Низкое рабочее напряжение;

• Экологическая и пожарная безопасность (не сод. ртуть и почти не нагреваются).

Достигнутые характеристики светодиодов (для белых светодиодов световая отдача до 25 Лм/Вт при мощности прибора до 5 Вт, Ra=80–85, срок службы 100 000 часов) уже обеспечили лидерство в светосигнальной аппаратуре, автомобильной и авиационной технике, в светосигнальной технике (светофорах, дорожных знаках, вывесках и указателях).

Международное обозначение цвета ламп: из трех цифр, входящих в обозначение лампы, первая цифра обозначает степень цветопередачи, определяемую первой цифрой общего индекса цветопередачи:

9 = при 90 < R_A < 100

8 = при 80 < R_A < 89

7 = при 70 < R_A < 79

6 = при 60 < R_A < 69

5 = при 50 < R_A < 59

4 = при 40 < R_A < 49 и т.д.

Следующими двумя цифрами обо­значается цветность света. Это – первые две цифры его цветовой темпе­ратуры. В качестве примера указано название лампы, ее тип и в скобках соответствующая цветовая температура:

27 = LUMILUINTERNA (2 700 К)

30 = LUMILUX® тепло-белая (3 000 К)

40 = LUMILUX® холодно-белая (4 000 К)

54 = LUMILUX® дневного света (5 400 К)

65 = LUMILUX® дневного света (6 500 К)

65 = LUMILUX® BIOLUX® (6 500 К).

Цвет электрических ламп обычно делят на три группы, в зависимости от их цветовой температуры: теплый белый, температура которого ниже 3300 К, нейтральный белый – от 3300 до 5000 К и холодный дневной – выше 5000 К. Некоторые фирмы-производители электрических ламп иногда делают это деление более детальным. Например, фирма PHILIPS для своих ламп ввела такие цвета: теплый белый – 3000 К, белый – 3500 К, холодный белый – 4000 К, холодный дневной свет – 5000 К, естественный дневной свет – 6500 К и выше. Стандартные же индексы цветопередачи имеют такое наименование: выше 90 (deLuxe) – отличная цветопередача, 80-89 (Super 80) – хорошая, 60-79 (Standard) – стандартная умеренная, 40-59 (Standard) – стандартная плохая.

Таблица 3.5

Характеристики отдельных ламп

Лампа	Cветовая эфективность Лм/Вт	Коррелированная цветовая температура, К	Индекс цвето- передачи
Лампа накаливания
Галогенная лампа
Натриевая лампа высокого давления
Ртутная лампа с фос­форесцирующими веще­ствами (MBTF)
Ксеноновая
Люминесцентные WWF (теплая белая)
CWF (холодная белая)
North light
Искусственный дневной свет
Трехполосная (TL 84)

Свет определяет восприятие цвета. Факторы световой среды и освещения, определяющие зрительный комфорт, душевное состояние или степень усталости зависят от освещения и цвета окружающих нас предметов.

Если обобщить ощущения во время пребывания под воздействием искусственного света с тем или иным сочетанием цвета и цветопередачи, то можно условно выделить четыре цветовых атмосферы: уютную теплую, теплую приятную, теплую нейтральную и холодную деловую.

Для того чтобы обеспечить условия, необходимые для зрительного комфорта и правильного восприятия дизайнерских проектов, в системе освещения должны быть реализованы следующие предварительные требования:

- равномерное освещение;

- оптимальная яркость;

- отсутствие бликов и ослепленности;

- соответствующий контраст;

- правильная цветовая гамма;

- отсутствие стробоскопического эффекта или пульсации cвета.

Недостаточное освещение вызывает зрительный дискомфорт, выражающийся в ощущении неудобства или напряжённости. Длительное пребывание в условиях зрительного дискомфорта приводит к отвлечению внимания, уменьшению сосредоточенности, зрительному и общему утомлению, неверному восприятию дизайнерских проектов.

Удачное взаимодействие света и цвета приводит к ощущению комфортности окружающей среды. Это явление известно как эффект Крюйтгоффа - явление восприятия, обусловливающее зону комфортных сочетаний уровней освещенности и цветности излучений. Дискомфортные усло­вия возникают, когда в осветительных установках приме­няются либо лампы "холод­ного" света, создающие низкие значения освещен­ности, вызывающие неприятное ощущение "сумеречности, пасмурности", либо лампы "теплого" света с очень высоким уровнем освещенности, приводящие к ощу­щению неестественной оживлен­ности и возбуждения.

Голландский ученый А. Крюйтгофф построил графики, характеризующие зону благоприятных сочетаний уровней освещенности - от 0,5 до 50000 лк и цветовой температуры – от 1800 до 10000 К.

Рис. 3.4 Зона комфорта источников света по Крюйтгоффу (1 – данные Крюйтгоффа, 2 – данные Лебедковой С.М.)

Из рис. 3.9 можно сделать вывод: если в двух одинаковых помещениях имеются одинаковые уровни освещенности, например 200 лк, и в одном из них освещение произ­водится лам­пами накаливания (Т_цв = 2854 К), а в другом –люминесцент­ными лампами днев­ного света (Т_цв = 6500 К), то в последнем не может быть создано ощущение ком­фортного освещения. Нижний дискомфортный уровень освещенности для ламп на­каливания не превышает 100 лк, в то время как для люминесцентных ламп ЛБ (Т_цв = 3500 К) и ЛЕ (Т_цв = 4000 К) он составляет 200 лк, а для ламп ЛДЦ (Т_цв = 6000 К) и ЛД (Т_цв = 6500 К) повышается до 500 лк.

Между цветностью излучения и уровнем освещенности существует сле­дующая зависимость: