Лекция 3 2012 ОСНОВЫ ФОТОМЕТРИИ И СВЕТОТЕХНИКИ. ИСТОЧНИКИ СВЕТА

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	14	2800	100
Галогенная лампа	21	3000	100
Натриевая лампа высокого давления	100	2000	25
Ртутная лампа с фос­форесцирующими веще­ствами (MBTF)	20	3800	45
Ксеноновая	25	5500	93
Люминесцентные WWF (теплая белая)	74	3000	54
CWF (холодная белая)	74	4200	63
North light	48	6500	93
Искусственный дневной свет	38	6500	94
Трехполосная (TL 84)	93	4006	85

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:

Цветность Уровень освещенности, лк

красноватая теплая относительно низкий (до 150)

тепло-белая средний (500-1000)

холодно-белая высокий (более 1000).

Отдельные рекомендации:

• При одинаковой освещенности теплый свет воспринимается светлее, чем хо­лодный.

• При слабом освещении все цвета различаются хуже и воспринимаются менее насыщенными («эффект сумеречного зрения»).

• При повышении уровней освещенности увеличивается число разли­чае­мых цветовых оттенков.

• При очень сильном освещении цвета воспринимаются менее насыщенными и «разбелёнными».

• При изменении спектрального состава освещения визуально воспринимаемые различия между одними цветами усиливаются, а между другими ослабевают. Например, при желтоватом освещении, создаваемом лампами накаливания, синие и зелёные цветовые тона различаются хуже, чем красные и оранжевые, а при синеватом освещении в пасмурную погоду, наоборот, хуже различаются красные и оранжевые цветовые тона.

• Цвета теплой тональности (желтые, коричневые, оранжевые, крас­ные) вы­игрывают при освещении лампами накаливания и разрядными лампами тепло-белого света.

Метамеризм. Существует явление, которое имеет большое значение при оценке соответствия двух образцов цвета при разных источниках освещения или двумя разными экспер­тами. Напри­мер, одному наблюда­телю два предмета могут показаться одинако­выми по цвету, а для другого они бу­дут различными даже при том же самом источ­нике освещения. Либо может не сохраня­ется ра­венство двух цветов для од­ного и того же наблюдателя при переходе к дру­гому ис­точнику освещения. Это явление метамеризма, при котором два цвета, так называемая метамерная пара, при данных условиях освещения и для данного на­блюдателя обнаруживают равенство или сильное сходство, но при изменении осве­щения или наблюдателя показывают различие в цвете (рис. 9.1)..

(а)

Рис. 9.1 При переходе от дневного света D65 (а) к свету лампы накаливания (источник A) равенство двух образцов голубого цвета нарушается (б)

Понятие метамеризма свя­зано с двумя и более образцами и их сравне­нием ме­жду собой. Многие ошибочно считают метамеризмом свойство од­ного об­разца ме­нять свой цвет при смене источника освещения. Однако это свойство называется цветовым непостоянством (color inconstancy). Цветовое непостоян­ство отражает за­висимость цвета од­ного образца от смены источ­ника освеще­ния, а метамеризм – из­менение сте­пени соответствия друг другу двух и более образцов при смене источ­ника ос­вещения (или наблюдателя).

Оба явления, метамеризм и цветовое не­постоянство, являются следст­вием того, что при визуальном наблюдении на цвет исследуемых объектов влияет цвет­ность источника освещения или различие в восприятии цвета на­блюдате­лей, а в расчете координат цвета принимает участие кривая спек­трального рас­пределения энергии источника освеще­ния и несколько разли­чающиеся функ­ции стандартных колори­метрических наблюдателей. Из этого следует, что при смене источника ос­вещения образец может изменить свои координаты цвета, а у метамерной пары рав­ные коор­ди­наты становятся не­равными. Одним из при­знаков возможного метамеризма при равных значе­ниях ко­ординат цвета при одном источнике освещения является различие в спектрах отражения. Очень часто спектральные кривые метамерных цветов пересека­ются, по крайней мере, в трех точках (рис. 9.2).

Рис. 9.2 Иллюстрация явления метамеризма – спектры метамерных образ­цов

Степень метамеризма показывает, насколько сильно будут различаться мета­мерные образцы при смене источника освещения. Количественным вы­ра­жением степени метамеризма является индекс метамеризма MI, опре­де­ляю­щий ожидаемое отклонение цвета испытуемого образца от стандарт­ного, которое насту­пит при изменении осве­щения или наблюда­теля. Он равен цветовому различию ΔЕ между ко­ординатами цвета метамерной пары при замене ис­точника освещения. Индекс цве­тового непо­стоянства – это раз­личие между координатами цвета одного образца при разных ис­точниках ос­вещения.

Индекс метаме­ризма относится к двум конкретным условиям наблюде­ния; обычно используют ус­ловия D65/10 (дневной свет/десятиградусный на­блюда­тель) и А/10 (лампа накаливания/десятиградусный наблюдатель): MI = ΔЕ (D65/10) + ΔЕ (А/10).

При работе с цветом колористам, технологам, дизайнерам следует обязательно пом­нить о возможности метаме­рного равенства цветов. В частности, при воспро­изведении цвета с использованием иных пигментов, нежели в эталоне, всегда существует веро­ятность встретиться с этим эффектом. Также при подборе разных материалов в одном изделии дизайнер всегда должен иметь ввиду возможность изменения цветового впечатления от смены источника освещения. Обычно основным ис­точником света, при котором следует проводить цветовую подгонку, является источник D65 (дневной рассеянный свет). В качестве источника света для оценки возможного метаме­ризма желательно использовать источник, наиболее близкий к условиям осве­щения готовых изделий. При отсутствии информации о таком освещении, оценку степени метамеризма проводят при стандартном источнике света А (свет лампы накаливания). Если и при нем равенство цветов сохраняется, оно не является метамерным. В отдельных случаях к этим двум источникам добавляют и лампу TL84 (стандартный источник F11) и проводят визуальное сравнение (или расчет цветовых различий по стандарту на измерение цвета) для всех трех источников.

 Часть пространства, ограниченная конической поверхностью, называется те­лесным углом. Телесный угол измеряется отношением , где S – площадь части поверх­ности сферы радиусом R, на которую опирается данный угол. Единицей из­мерения телесного угла служит стерадиан (ср). Стерадиан равен телесному углу с вершиной в центре сферы, вырезающему на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы. Полный пространственный угол ра­вен 4 p ср.

 Изучать метод после освоения основ колориметрии.

25