Правильно спроектированное и рационально выполненное освещение производственных помещений оказывает положительное психофизиологическое воздействие на работающих, способствует повышению эффективности и безопасности труда, снижает утомление и травматизм, сохраняет высокую работоспособность.

Ощущение зрения происходит под воздействием видимого излучения (света), которое представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны 0,38...0,76 мкм. Чувствительность зрения максимальна к электромагнитному излучению с длиной волны 0,555 мкм (желто-зеленый цвет) и уменьшается к границам видимого спектра.

Освещение характеризуется количественными и качественными показателями. К количественным показателям относятся:

• световой поток Ф - часть лучистого потока, воспринимаемая человеком как свет; характеризует мощность светового излучения, измеряется в люменах (лм);
• сила света J - пространственная плотность светового потока; определяется как отношение светового потока dФ, исходящего от источника и равномерно распространяющегося внутри элементарного телесного угла dΩ, к величине этого угла; J=dФ/dΩ ; измеряется в канделах (кд);
• освещенность Е-поверхностная плотность светового потока; определяется как отношение светового потока dФ, равномерно падающего на освещаемую поверхность dS (м 2), к ее площади: Е= dФ/dS , измеряется в люксах (лк);
• яркость L поверхности под углом α к Нормали - это отношение силы света dJ α , излучаемой, освещаемой или светящейся поверхностью в этом направлении, к площади dS проекции этой поверхности, на плоскость, перпендикулярную к этому направлению; L = dJ α /(dScosa), измеряется в кд · м 2 .

Для качественной оценки условий зрительной работы используют такие показатели как фон, контраст объекта с фоном, коэффициент пульсации освещенности, показатель освещенности, спектральный состав света.

• Фон - это поверхность, на которой происходит различение объекта. Фон характеризуется способностью поверхности отражать падающий на нее световой поток. Эта способность (коэффициент отражения р) определяется как отношение отраженного от поверхности светового потока Ф отр к падающему на нее световому потоку Ф пад; р = Ф от /Ф пм.
  В зависимости от цвета и фактуры поверхности значения коэффициента отражения находятся в пределах 0,02...0,95; при р > 0,4 фон считается светлым; при р = 0,2...0,4 - средним и при р
• Контраст объекта с фоном k - степень различения объекта и фона-характеризуется соотношением яркостей рассматриваемого объекта (точки, линии, знака, пятна, трещины, риски или других элементов) и фона; k = (L ор -L о)/L ор считается большим, если k > 0,5 (объект резко выделяется на фоне), средним при k = 0,2...0,5 (объект и фон заметно отличаются по яркости) и малым при k
• Коэффициент пульсации освещенности k E - это критерий глубины колебаний освещенности в результате изменения во времени светового потока

  k E = 100(Е max -Е min)/(2Е cp),

  где Е min , Е max , Е ср -минимальное, максимальное и среднее значения освещенности за период колебаний; для газоразрядных ламп K E = 25...65%, для обычных ламп накаливания k E = 7%, для галогенных ламп накаливания k E = 1%.

• Показатель ослепленности Р о - критерий оценки слепящего действия, создаваемого осветительной установкой,

  P o =1000(V 1 /V 2 -1),

  где V 1 И V 2 - видимость объекта различения соответственно при экранировании и наличии ярких источников света в поле зрения.

  Экранирование источников света осуществляется с помощью щитков, козырьков и т.п.

• Видимость V характеризует способность глаза воспринимать объект. Она зависит от освещенности, размера объекта, его яркости, контраста объекта с фоном, длительности экспозиции. Видимость определяется числом пороговых контрастов в контрасте объекта с фоном, т.е. V = k/k пор, где k пор -пороговый или наименьший различимый глазом контраст, при небольшом уменьшении которого объект становится неразличим на этом фоне.

Энергетические величины являются исчерпывающими с энергетической точки зрения, но они не позволяют количественно оценить визуальное восприятие излучения. Восприятие глазом излучения видимого диапазона определяется не только мощностью воспринимаемого излучения, но также зависит от его спектрального состава (так как глаз - селективный приемник излучения). Световые характеристики описывают, как энергию излучения воспринимает зрительная система глаза с учетом спектрального состава света.

2.2.1. Световые величины

Световые величины обозначаются аналогично энергетическим величинам, но без индекса.

У световых величин нет никакой спектральной плотности, так как глаз не может провести спектральный анализ.

Если в энергетических величинах исходная единица - это энергия, то в световых величинах исходная единица - это сила света (так сложилось исторически). Сила света определяется аналогично энергетической силе света:

Сила излучения эталона (эталонный излучатель или черное тело) при температуре затвердевания платины () площадью .

Рис.2.2.1. Абсолютно черное тело. Поток излучения:

Это поток, который излучается источником с силой света в телесном угле :
.

Освещенность такой поверхности, на каждый квадратный метр которой равномерно падает поток в .

За единицу светимости принимают светимость такой поверхности, которая излучает с световой поток, равный .

За единицу яркости принята яркость такой плоской поверхности, которая в перпендикулярном направлении излучает силу света с .

2.2.2. Связь световых и энергетических величин

Связь световых и энергетических величин связь устанавливается через зрительное восприятие, которое хорошо изучено экспериментально. Функция видности - это относительная спектральная кривая эффективности монохроматического излучения. Она показывает, как глаз воспринимает излучение различного спектрального состава. - величина, обратно пропорциональная монохроматическим мощностям, дающим одинаковое зрительное ощущение, причем воздействие потока излучения с длиной волны условно принимается за единицу. Функция видности глаза максимальна в области желто-зеленого цвета (550-570 нм) и спадает до нуля для красных и фиолетовых лучей (рис.2.2.2).

Определить некую световую величину (поток, сила света, яркость, и т.д.), по спектральной плотности соответствующей ей энергетической величины можно по общей формуле:

где - функция видности глаза, 680 - экспериментально установленный коэффициент (поток излучения мощностью с длиной волны соответствует светового потока).

Например, сила света:
(2.2.5)
яркость:
(2.2.6)

2.2.3. Практические световые величины и их примеры

Световая экспозиция

Световая экспозиция - это величина энергии, приходящейся на единицу площади за некоторое время (освещенность, накопленная за время от до ):

Если освещенность постоянна, то экспозиция определяется выражением:

Блеск

Для протяженного источника характеристика, воспринимаемая глазом - яркость. Для точечного источника характеристика, воспринимаемая глазом - блеск (чем больше блеск, тем больше кажется яркость). Блеск - это величина, применяемая при визуальном наблюдении точечного источника света.

Видимый блеск небесных тел оценивается в звездных величинах . Шкала звездных величин устанавливается следующим экспериментальным соотношением:

Чем меньше звездная величина, тем больше блеск. Например:
- освещенность рабочего места,
- освещенность от полной луны,
- порог блеска (примерно 8-ая звездная величина).

Свет, падающий на поверхность нашей планеты Земля от Солнца, является источником жизни для всех ее живых организмов. Солнечные лучи, распространяясь со скоростью 300000 км/ч., оказывают следующие воздействия на окружающую среду:

• участие в фотосинтезе;
• видимый свет;
• тепло;
• обеззараживание;
• облучение.

Исходя из этого естественный свет — это лучистая энергия в виде электромагнитных волн, обладающих разными свойствами в зависимости от их общего показателя, которым является длина. Длина излучений измеряется в нанометрах (0,000000001 м) и варьируется для инфракрасных волн от 700 до 10000 нм., видимых человеческому глазу 400-750 нм., ультрафиолетовых — 10-370 нм. и рентгеновских 0,00001-10 нм.

Для человеческого глаза наиболее оптимальной считается длина видимых электромагнитных колебаний от 500 до 600 нм., хуже воспринимаются красные и фиолетовые лучи, а инфракрасные и ультрафиолетовые ощущаются только по нагреву и загару кожного покрова.

С развитием науки и техники человечество научилось создавать искусственные источники всех разновидностей электромагнитных волн, используемых в разных отраслях промышленности и сельского хозяйства и других сферах деятельности. Рассмотрим основные светотехнические понятия, раскрывающие все характеристики источников света.

Что такое световой поток?

Световой поток — это мощность видимого излучения источника электромагнитных волн, которое ощущает человеческий глаз. Обозначается буквой Ф и измеряется в люменах (лм).

Поток лучей света, отдаляясь от источника, в пространстве распространяется неравномерно, теряя свою плотность. Эту пространственную лучистую плотность светового потока характеризует такое понятие как сила света I (измеряется в канделах – кд.), которое определяется из отношения светового потока Ф к телесному углу ω.

I =Ф/ω.

Чтобы разобраться, как эти величины взаимосвязаны друг с другом обратимся к рисунку.

Если взять точечный источник света 0, который будет светить в пространстве, то будет находиться внутри освещенного шара. Теперь представим, что световой поток Ф будет распространяться на выбранный участок сферы площадью S, в результате образуется конус, стороной которого будет являться радиус шара. Этот пространственный угол, являющийся вершиной конуса, и является телесным и определяется, как отношение площади S к квадрату радиуса сферы.

Единицей телесного угла является стерадиан (ср), который образует на поверхности светящегося шара площадь, равную по значению квадрату его радиуса.

Освещенность.

Освещенность характеризует то, как количественно изменяется плотность светового потока источника света в пространстве, лучи которого падают на любые поверхности, удаленные на разные расстояния от места излучения. Определяется отношением светового потока Ф к освещаемой поверхности S:

Снова обратимся к рисунку!

Итак, возьмем также точечный источник света А, сила света I α светового потока которого направлена на участок площадью S какой-либо поверхности. Расстояние между источником света А и площадью равно l. В итоге образуется конус с наклоном, с углом α между направлением силы света I α и стороной конуса и пространственным углом ω. Тогда:

ω=S*cosα/l 2 и вычисляем Ф= I α *S*cosα/l 2 .

Определяем освещенность элемента по следующему выражению:

Е= I α *cosα/l 2 .

Таким образом, освещенность определяется силой света расстоянием до освещаемой поверхности, т.е. чем дальше находится предмет от источника видимого излучения, тем меньше на него попадает света!

Единица освещенности называется люксом и обозначается как (лк).

Яркость.

При попадании светового потока на поверхность какого-либо предмета, то он частично поглощается, а другая его часть отражается, создавая зрительное восприятие этого предмета на расстоянии. Если два освещенных объекта темного и светлого цвета разместить на одном и том же расстоянии от человеческого глаза, то лучше будет виден светлый объект, то есть он лучше отражает световой поток источника света. Для сравнения, где будет светлее, в комнате со светло-зелеными или темно-коричневыми обоями при одинаковой освещенности? Конечно же, в комнате со светло-зеленым покрытием стен.

Таким образом, под яркостью освещаемой поверхности понимают то количество отраженной силы света относительно глаза наблюдателя, которое будет зависеть от окраски и отражающих свойств этой поверхности.

Яркость обозначается буквой L и равна отношению силы света к площади проекции освещаемой поверхности:

Как видно из формулы, яркость измеряется в кандела на один квадратный метр (кд/м2).

Данная формула справедлива в том случае, если глаз наблюдателя находится под углом 90 градусов к отражающей поверхности, так как тогда угол между падающим и отражающим углом составит 0 градусов, а cos0=1!

Если освещаемая поверхность будет рассматриваться человеческим глазом под некоторым углом а, то он увидит площадь проекции этой поверхности на плоскость, находящуюся под углом 90° по направлению к наблюдающему, тогда яркость будет равна:

Также термин яркость используется и для источников света, имеющих излучающие поверхности различных форм. Так, например, если взять лампу накаливания с колбой в форме шара, то проекция излучения в пространстве будет в виде круга с площадью πD2/4. Для цилиндрических ламп (газоразрядные) проекция представляет собой множество прямоугольников, которые вычисляются как произведение длины и ширины, а в данном случае умножения диаметра колбы на ее длину.