مفاهیم روشنایی

مفاهیم روشنایی به زبان ساده:

تعریف نور :

اسحاق نیوتن (Isaac Newton) در کتاب خود در رساله‌ای درباره نور نوشت پرتوهای نور ذرات کوچکی هستند که از یک جسم نورانی نشر می‌شوند. احتمالاً اسحاق نیوتن نور را به این دلیل بصورت ذره در نظر گرفت که در محیطهای همگن به نظر می‌رسد در امتداد خط مستقیم منتشر می‌شوند که این امر را قانون می‌نامند و یکی از مثالهای خوب برای توضیح آن بوجود آمدن سایه است.

مفاهیم مورد بحث در روشنایی را میتوان به صورت زیر نام برد:

1-شدت نور (Light Intensity)

در حالت ایده آل برای یک منبع نور نقطه ای ، نور ساطع شده ازمنبع در تمام جهات به صورت مساوی پخش می شود.اما در حالت واقعی ، چه به دلیل شکل خود منبع نور و چه به دلیل فرم چراغی که منبع نور در داخل آن قرار گرفته است میزان پخش نور در تمام جهات مساوی نیست.

برای اندازه گیری مقدار پخش نور در یک جهت خاص ازاین پارامتر استفاده می شود.میزان شار نوری ناشی از یک منبع روشنایی را در یک استرادیان (Ω) را شدت روشنایی می گویند.

( استرادیان یا زاویه فضایی، زاویه ای است که از مرکز یک کره دیده می شود و سطح آن را در بر می گیرد.

اندازه زاویه فضایی برابر است با نسبت اندازه سطح به مجذور شعاع کره).با نماد I نمایش می دهند و واحد آن لومن بر استرادیان(Ω lm/) است که به آن کندل (cd) می گویند .

میزان شار نوری خارج شده در واحد زاویه فضایی را شدت نور گفته آنرا با (I) نشان می‌دهند.میزان نور انتشار یافته در یك جهت خاص در فضا را شدت نور می‌گویند و واحد آن (cd) یا كاندلا یا شمع است.

با توجه به اینكه لامپ‌های رفلكتوری نور را در جهت خاصی از فضا منتشر می‌كنند (نظیر لامپ‌های هالوژن رفلكتوری) لذا برای ذكر میزان نور خارج شده از این لامپ‌ها از واحد كاندلا استفاده می‌شود.

بنابراین بدیهی است كه برای دو لامپ با مشخصات یكسان و كاملاً مشابه كه تنها زوایای رفلكتور آنها با یكدیگر متفاوت است.

آنكه زاویه رفلكتور آن كوچكتر است شدت بیشتری دارد چرا كه عملاً كل شار نوری منتشر شده از لامپ در زاویه محدودتری متمركز می‌شود و لذا شدت  بیشتر می‌شود.

برای لامپ‌های رفلكتوری یك منحنی قطبی به عنوان بخشی از مشخصات لامپ درج می‌شود كه نشانگر شدت نور در زوایای مختلف است و برای طراحی روشنایی باید از آن‌ها استفاده كرد.

2-منحنی توزیع شدت نور

منحنی‌ای است که برای مشخص‌کردن شدت نور منتشرشده توسط یک چراغ در زوایای مختلف به کار می‌رود. از آنجایی که بیشتر منابع نوری نقطه‌ای نیستند، بنابراین شدت نوری ثابتی در جهات مختلف ندارند. در محاسبات نوری دانستن نحوهٔ توزیع نور منبع اهمیت دارد به همین خاطر سازندگان لامپ‌های مختلف منحنی آن لامپ را با استفاده از اندازه‌گیری ارائه می‌کنند. یکی از معمول‌ترین روش‌ها برای نمایش منحنی  استفاده از منحنی قطبی است و با توجه به اینکه در بسیاری از چراغ‌ها پخش نور نسبت به محور عمود چراغ متقارن است و تنها یک منحنی در یکی از صفحات قائم برای مشخص‌شدن پخش نور کافیست.

منحنی‌های قطبی به شکل خطوطی بسته در پیرامون چراغ هستند که فاصلهٔ این خط تا چراغ، در هر زاویهٔ مشخص متفاوت است و بیانگر شدت نور در آن زاویه خواهد بود. منحنی‌های  قطبی دارای دو عیب عمده هستند، یکی اینکه شار نوری لامپ‌های مختلف در آن‌ها قابل مقایسه نیست، دیگر اینکه در زوایای دارای تغییرات شدید شدت نور، دقت منحنی پایین است. برای مشخص‌کردن پخش نور چراغ‌هایی که تقارن محوری نداشته باشند از دو یا چند منحنی استفاده می‌شود. اگر نور چراغ خیلی متمرکز باشد، برای دقت بیشتر، به جای منحنی قطبی از منحنی‌های مستطیلی استفاده می‌کنند که محور افقی آن زاویه، و محور عمودی شدت نور است.

بسیاری از لامپ‌ها با وجود داشتن شارهای نوری متفاوت، منحنی شدت پخش نور هم‌شکلی دارند (توزیع شدت نورشان مشابه است)؛ با توجه به این موضوع برای کلی این لامپ‌ها تنها یک منحنی پخش نور برای شار نوری ۱۰۰۰ لومن ترسیم می‌شود که برای یافتن توزیع واقعی هر لامپ باید مقادیر بدست آمده از منحنی را در ضریب مخصوص آن لامپ ضرب کرد—این ضریب برابر است با نسبت شار نوری لامپ به ۱۰۰۰ لومن.

نمودار پخش نور قطبی   

   نمودار پخش نور دکارتی

  نمودار پخش نور مخروطی

نور ممکن است به دو شکل مستقیم یا غیرمستقیم (بر اثر بازتاب از سطوح دیگر) به سطح کار برسد، بر این اساس نور چراغ‌ها را تقسیم‌بندی می‌کنند. اگر همهٔ نور چراغ از نیم‌کرهٔ پایینِ آن منتشر شود و مستقیماً به سطح کار برخورد کند، چراغ را «چراغ با نور مستقیم» می‌نامند. این تقسیم‌بندی‌ها، که توسط کمیتهٔ بین‌المللی روشنایی از سال ۱۹۳۵ انجام گرفته‌است، در جدول بیان شده‌اند

3- Lux شدت روشنایی

واحد اندازه گیری  Illuminance در دستگاه متریک است. و در واقع مقدار نور واقع در صفحه ای متر مربعی است که  به طور یک نواخت شار نوری یک لومن بر آن بتابد. در واقع  76/10  لوکس مساوی با یک Foot candle است.

E=Φ/A

که در آن، $$\Phi$$ شار نوری بر حسب لومن و $$A$$ مساحت سطح مورد نظر بر حسب متر مربع است. شدت روشنایی را با دستگاهی به نام لوکس متر اندازه‌گیری می‌کنند.

یک لوکس مساوی با 09/0 Foot candle است. و یک دلوکس مساوی ده لوکس است

1- 76/10 لوکس= 1 Foot candle
2- 1 لوکس= 09/0 Foot candle
3- 1 دلوکس= 10 لوکس

چگالی سطحی شار نوری تابیده به یک سطح را شدت روشنایی می نامند که بر حسب لوکس سنجیده می شود.این پیشنهادات بر اساس دقت پیچیدگی کارهایی که باید انجام شود، ارائه می گردد.
به عنوان مثال برای کارهای ساده ای مانند راه رفتن در راهرو شدت روشنایی مورد نیاز 120 لوکس و در مورد کارهایی مانند مونتاژ ماشین ها و ابزار بسیار ریز که میزان دید انسان اهمیت زیادی دارد، شدت روشنایی بالا در حدود 1000 لوکس مورد نیاز است.
لوکس : واحد شدت روشنائی را به لوکس نشان میدهند و یک لوکس واحد روشنائی تولید شده از فلوی نور یکنواخت یک شمع در سطح یک متر مربع است .

شدت روشنائی در بعضی از محلهای آشنا

سطح خیابان 30 لوکس
اتاق نشیمن 100 لوکس
اتاق کار 300 لوکس
سطح زمین در خورشید زمستان 10000 لوکس
سطح زمین در خورشید تابستان 100000 لوکس

بنابراین به زبان ساده‌تر شار نوری میزان نوری است كه از لامپ خارج می‌شود و شدت روشنایی، آن میزان از نور است كه پس از منتشر شدن توسط لامپ و بازتاب‌های مختلف در نهایت به سطح می‌رسد.

4-دمای رنگ نور

بر حسب کلوین بیان می شود.زمانی که به جسم سیاه (جسم سیاه عنصری است مانند پلاتین که هیچ نوری منعکس نمی کند و کل نوری که به آن تابیده شود را جذب می کند) حرارت داده می شود و دمای آن افزایش می یابد کم کم جسم شروع به تابش نور می کند.

 رنگ نور ساطع شده از سمت جسم سیاه از رنگهای گرم شروع می شود (نور متمایل به رنگهای قرمز)و هرچه دمای جسم افزایش پیدا کند رنگ نور ساطع شده به سمت نورهای سرد (نورمتمایل به رنگهای آبی) می رود.به این ترتیب متناسب با یک دما برحسب کلوین قرار می گیرد و دلیل بیان دمای رنگ نور بر حسب کلوین همین موضوع است.

به عنوان مثال وقتی بیان می شود که دمای  یک لامپ LED 3000 کلوین است این بدین معنا است که اگر جسم سیاه را تا ۳۰۰۰ کلوین گرم کنیم نور ساطع شده از آن به رنگ نور لامپ فلورسنت مورد نظر خواهد بود.برای ملموس تر شدن دمای رنگ نور، اصطلاحات خاصی برای بیان محدوه های آن به کار می رود.

در یک تقسیم بندی کلی می توان سه محدوده اصلی برای آن بیان نمود:

سفید گرم (Warm White) برای محدوده  کمتر از ۴۰۰۰ کلوین، سفید طبیعی (Natural White) برای  بین ۴۰۰۰ تا ۵۰۰۰ کلوین و سفید سرد (Cool White) برای شاخص نمود رنگ بالاتر از ۵۰۰۰ کلوین.

5-شار نوری (Luminous Flux) 

مشخص کننده کل توان نوری ساطع شده از یک منبع نور می باشد.

این مقدار در واحد زمان سنجیده می شود.

نماد این پارامتر Φ و واحد اندازه گیری آن لومن (Lumen) با نماد اختصاری lm می باشد. اما نکته اینجاست که این روش برای بیان تاثیر نور یک منبع نوری نامناسب یا ناکافی است زیرا تابش ساطع شده بدون در نظر گرفتن تمام طیف طول موج نور مریی و تاثیر متفاوت آن بر چشم (میزان حساسیت متفاوت چشم انسان به طول موج های مختلف نور مریی) توصیف می شود.

در واقع حساسیت طیفی چشم باید در مقدار نامی لومن گنجانده شود.به عنوان مثال ، تابش ساطع شده به ازای ۱ وات از انرژی در حالت ماکزیمم مقدار حساسیت چشم در نمودار طیف طول موج (فتوپیک،۵۵۵ نانومتر) معادل ۶۸۳ لومن است .

در مقابل مقدار تابش ساطع شده در سایر طول موج های نمودار طول موج مریی که چشم نسبت به آنها حساسیت کمتری دارد به همان نسبت دارای شار نوری کمتر است.

در نورسنجی، (نام علمی: Luminous flux)، توان نوری یا میزان نور،معیاری است برای سنجش توان دریافت شده از نور. شار نوری را نباید با شار تابشی که معیاری برای سنجش توان کل نور گسیل‌شده‌است اشتباه گرفت زیرا شار نوری به گونه‌ای تعریف شده تا بازتاب‌دهندهٔ حساسیت متغیر چشم انسان به طول موج‌های مختلف نور باشد.

نمونه چند لامپ مختلف در جدول زیر آورده شده است که محدوده توان و شار نوری مشخص شده

6-بهره نوری (Luminous Efficacy)

 Luminous efficacy  ، نسبت نور خروجی از لامپ به توان مصرفی آنست و با واحد  لومن بر وات (lm/W)بیان میشود.این عدد که در واقع نسبت شار نوری خارج شده از لامپ به توان مصرفی آن است.هرچه بهره نوری یک لامپ بیشتر باشد آن لامپ از نظر مصرف انرژی مقرون به صرفه تر است.

چشم انسان اشعه های مادون قرمز و ماوراء بنفش را نمی تواند ببیند.و بهره نوری نسبت انرژی قابل رؤیت به انرژی مصرفی لامپ را مشخص می کند.بنابراین بالاترین Luminous efficacy  وقتی بدست می آید که تمام اشعه خروجی لامپ در محدوده 400 تا 780 نانومتر باشد. حداكثر مقدار بهره وری برابر 680 لومن بر وات است. كه از یك لامپ فرضی كه هیچ گونه تلفات ندارد و همه تشعشع آن در طول موج 555/0 میكرون صورت می گیرد به دست می آید.  با (η)(اتا) نشان می‌دهند و واحد آن لومن بر وات است. 

بهره‌‌نوری برخی از لامپ‌های به طور تقریبی به شرح زیر است:

  یک لامپ ایده آل (که تمام انرزی مصرفی اش تبدیل به نور شود) ، برای نور سبز 555 نانومتر برابر 683 لومن بروات می باشد.

و برای نور سفید 5800 کلوین برابر 300 لومن بر وات گفته شده.

7-خیرگی نور (Glare)

خیرگی یک عامل مزاحم و آزار دهنده در روشنایی است که باعث محدود شدن حوزه دید و ایجاد خستگی برای افراد می شود و در نتیجه باید تا حد ممکن محدود شود. به طور کلی عوامل که باعث خیرگی می شوند عبارتند از:

 استفاده از چراغ نامناسب

 قرارگیری چراغ یا پنجره در موقعیت نا مناسب نسبت به ناظر

 ضریب انعکاس بالای سطوح مختلف

خیرگی به دو دسته اصلی  مستقیم و غیر مستقیم تقسیم می شود که در تصویر زیر قابل مشاهده هستند.

از آنجا که طبق استاندارد خیرگی باید کاهش یابد.

برای اندازه گیری و محدود کردن آن مثلا در فضاهای داخلی از روش UGR استفاده می شود.برای محدود کردن خیرگی در فضاهای خارجی نیز روش TI مورد استفاده قرار می گیرد.

یکنواختی روشنایی UGR

در محاسبات روشنایی فضاهای آموزشی و اداری باید به تمام عوامل برای طراحی یک سیستم روشنایی توجه نمود و فقط توجه به برخی از فاکتورها نمی تواند هدف کلی سیستم را برآورده سازد.  برای فضاهای اداری یک عامل مهم یکنواختی روشنایی است، که براساس استاندارد EN 12464 طبق فرمول مشخصی تعیین می گردد.

یکنواختی روشنایی در واقع میزان خیرگی که از سیستم روشنایی احساس می شود.

 و طبق فرمول از دو عامل  چراغ ها و RF دیوار و سقف محاسبه می گردد ( فرمول در تصویر فوق مشخص شده است) :

8-درخشندگی (Luminance)

پارامتر اساسی در نورپردازی است که توسط چشم انسان درک می‌شود و محسوس است. واحد درخشندگی (L)، کاندلا بر متر مربع (cd/m²) است که اصطلاحاً به آن نیت (Nit) نیز می‌گویند. از یک طرف، درخشندگی نشان دهنده میزان روشنایی یک منبع نوری و از طرف دیگر بیان‌گر میزان روشنایی یک سطح است. بنابراین، درخشندگی وابستگی زیادی به میزان انعکاس آن سطح دارد (هم رنگ و هم جنس سطح) و نشان می‌دهد که چه میزان توان نوری توسط چشم انسان از یک زاویه دید مشخص قابل تشخیص است.

شرکت روشنایی آرند