آشنایی با ماهیت نور

طبق نظریه پلانک چنانچه به الکترون های یک ماده که در حال دوران به دور هسته آن اتم هستند، انرژی داده شود، الکترون ها از تراز اصلی خود خارج شده و به تراز بالاتر انرژی منتقل می شوند. با توجه به اینکه تراز جدید تراز پایدار برای این الکترون ها نیست، با حذف منبع انرژی الکترون ها تمایل به بازگشت به تراز اصلی خود را دارند. بر طبق نظریه پلانک، انرژی ذخیره شده در طی این فرایند جابه جایی در حین بازگشت از تراز بالاتر به تراز پایینتر، به صورت نور و در قالب بسته های انرژی که آنها را فتون می نامند. منتشر می شود. طول موج نور منتشر شده، به صورت مستقیم با میزان انرژی آزاد شده متناسب است. این تناسب با کمک یک ضریب ثابت که آنرا ثابت پلانک می نامیم در قالب رابطه نشان داده شده است.       E=HƲ

در این رابطه h، ثابت پلانک، Ʋ طول موج نور منتشر شده و E انرژی است.

در حال حاضر دو نظریه برای انتشار نور وجود دارد: ۱- نظریه انتشار ذره ای و ۲- نظریه انتشار نور به صورت امواج الکترومغناطیس. در کاربردهای مربوط به روشنایی، نظریه انتشار نور به صورت امواج الکترومغناطیسی، طرفداران بیشتری دارد و ما نیز در ادامه بحثها بر اساس فرضیه الکترومغناطیسی پیش خواهیم رفت.

براساس این نظریه، امواج الکترومغناطیس، با طول موج ۷۸۰-۳۸۰ نانومتر که توسط چشم قابل رویت هستند را نور مریی می نامند در دو سر طیف آن امواج مادون قرمز و اشعه ماوراء بنفش قرار دارند. نورهای مربوط به طول موج های مختلف است. طیف امواج الکترومغناطیس و طیف رنگ نورهای مختلف را نشان می دهد.

برای اینکه اشیای مختلف، به خوبی توسط چشم رویت شوند، چهار اصل اساسی باید برقرار باشد که عبارتند از:

۱- تامین حداقل روشنایی: برای اینکه اشیا به خوبی رویت شوند، باید مقدار کافی نور در محیط وجود داشته باشد. اشیایی که در نور روز به خوبی دیده می شوند در تاریکی به سختی تشخیص داده می شوند.

۲- وجود کنتراست (تباین) کافی: بین درخشندگی جسمی که می¬خواهیم آن را ببینیم و درخشندگی محیط اطراف آن باید اختلاف کافی وجود داشته باشد تا به خوبی و به صورت مناسب رویت شود. در اغلب موارد لازم است که هم بین رنگ جسم  و محیط اطاق آن و هم بین میزان درخشندگی شیء و محیط اطراف آن اختلاف قابل توجهی وجود داشته باشد تا بتوان آن را براحتی رویت نمود.

۳- داشتن سایز کافی: اشیا برای اینکه دیده شوند، باید به اندازه کافی بزرگ باشند تا توسط چشم قابل دیده شدن باشند

۴- زمان کافی: برای اینکه چشم بتواند یک شی را رویت کند، آن شی باید به مدت زمان کافی در برابر دید چشم قرار بگیرد.

سلول های استوانه ای و سلول های مخروطی چشم

سلول‌های استوانه‌ای(Scotopic):

نوعی از سلول‌های گیرندهٔ نور هستند که در انتهای چشم و در شبکیه قرار دارند. این سلول‌ها همراه با سلول‌های مخروطی جریان الکترومغناطیسی نور خورشید را به پیام عصبی تبدیل کرده و از طریق عصب بینایی به لب پس‌سری مغز منتقل می‌کنند.
سلول‌های استوانه‌ای بیش‌تر در نور ضعیف تحریک می‌شوند و به مغز توانایی دیدن در تاریکی را می‌دهند. این سلول‌ها به رنگ‌ها حساسیت نشان نمی‌دهند؛ به همین دلیل بینایی در تاریکی به رنگ سیاه، سفید و طیفی از خاکستری است. سلول‌های استوانه‌ای همچنین در تشخیص حرکات توسط مغز نقش دارند.

سلول‌های مخروطی (Photopic) :

سلول‌های مخروطی نوعی از سلول‌های گیرندهٔ نور هستند که در انتهای چشم و در شبکیه قرار دارند. سلول‌های مخروطی، برخلاف سلول‌های استوانه‌ای، در نور قوی بیش‌تر تحریک می‌شوند. این سلول‌ها انرژی نورانی را به پیام عصبی تبدیل کرده و به مغز توانایی دیدن رنگ‌ها و جزئیات ظریف اشیا را می‌دهند.

دمای رنگ

دمای رنگ عددی است که بر حسب کلوین بیان می شود و به نوعی بیان کننده رنگ نور خروجی می باشد. هر چه این عدد  بالاتر باشد رنگ نور بیشتری به محدوده رنگهای سرد و سفید نزدیکتر است و هر چه این عدد کوچکتر باشد رنگ نور به محدوده رنگهای گرم (نظیر رنگ نور ناشی از لامپهای التهابی) نزدیکتر است. به عنوان مثال وقتی گفته می شود دمای رنگ یک لامپ فلورسنت ۴۰۰۰ کلوین است به این معنی است که اگر جسم سیاه را تا ۴۰۰۰ کلوین گرم کنیم، نوری به رنگ لامپ فلورسنت فوق منتشر می کند جسم سیاه عنصری (نظیر پلاتین) است که هیچ نوری منعکس نمی کند و کل نوری که به آن تابیده می شود را جذب می نماید. مفهوم حرارت دادن به جسم  سیاه و تولید رنگ نورهای مختلف  نشان داده شده است. با حرارت دادن به جسم سیاه ابتدا نوری متمایل به رنگ های قرمز منتشر شده و با افزایش دما رنگ نور به محدوده رنگ سفید و سپس آبی نزدیک می شود.

درصد بازتاب رنگ 

چنانچه نمود اشیا را زیر نور خورشید به عنوان مبنا مدنظر قرار دهیم، این شاخص نشان می دهد که اشیا زیر نور منتشر شده توسط لامپ تا چه اندازه به رنگ واقعی نمایش داده میشوند  CRI در مورد لامپها عددی ۱۰۰-۲۰ است و هر چه این عدد بالاتر باشد نمود رنگ واقعیتر است. عامل اصلی نمود رنگ مطلوب توسط نور یک لامپ، کامل بودن طیف نور آن است. به عنوان مثال زمانی که در طیف نور منتشر شده از یک لامپ، رنگ قرمز، موجود نباشد، کلیه اشیای قرمز رنگ (یا دارای قسمتهای قرمز)، با رنگ صحیح خود نشان داده نخواهد شد.

بنابراین برای جاهایی  که نمایش واقعی رنگ اهمیت زیادی دارد نظیر صنایع نساجی، اتاق رنگ صنایع خودروسازی، اتاق گریم و آرایش و.. استفاده از لامپهایی با درصد بازتاب رنگ بالا توصیه می شود درصد بازتاب رنگ برای چند گروه از لامپهای مختلف عبارت است از:
لامپهای فلور سنت: ۸۰%-۵۰%
لامپهای بخار سدیم: ۴۰%-۲۰ و
لامپهای متال هالید: ۹۰%-۸۰

مشخصه مواد

وقتي نور بر ماده اي مانند شیشه ی يک پنجره بتابد، سه رويداد مختلف رخ مي دهد؛ بخشي از نور منعكس مي شود، بخشي جذب مي شود (جذب ماده مي شود) و بقیه عبور مي کند. اين شار نوري به سه بخش «شار نور انعكاسي»، «شار نور جذبي» و «شار نور عبوري» تقسیم مي شود. با داشتن اين مقادير، کمیت هايي را تعريف مي کنیم که از تقسیم اين مقادير بر کل شار نوري تابیده شده به دست مي آيند؛ اين مقادير به عنوان ضريب انعكاس، ضريب جذب و ضريب عبور نام گذاري مي شوند. اين ضرايب توصیف مي کنند که سهم هر کدام از نورها نسبت به کل نور تابیده شده چقدر است. براي مثال يک  صفحه شیشه اي ساده با ضخامت ۴ میلی متر ۸ درصد از نور تابیده شده را منعكس می کند، ۹۰ درصد را عبور می دهد و بقیه را جذب مي کند.

شار نوری (جریان نور)

کل نور خارج شده از یک منبع نوری در واحد زمان در تمام جهات  در فضا را شار نوری می گویند که با (Ø) نشان می دهند واحد شار نوری (لومن) می باشد و با lm نشان داده می شود. شار نوری جزو مشخصات هر لامپ است و توسط شرکتهای سازنده لامپ در کاتالوگ محصولات درج میشود. بدیهی است هر چه شار نوری یک لامپ بیشتر باشد لامپ پر نورتر است.

Luminous Flux (Φv)  is energy per unit time (dQ/dt) that is radiated from a source over visible wavelengths. More specifically, it is energy radiated over wavelengths sensitive to the human eye, from about 330 nm to 780 nm. Thus, luminous flux is a weighted average of the Radiant Flux in the visible spectrum.

شدت نور (Luminous Intensity)

چنانچه نور منتشر شده از لامپ تحت زاویه معینی هدایت شود، شاخص دیگری به نام شدت نور مورد استفاده قرار میگیرد. شدت نور را با   (I) نشان می دهند و واحد آن “کندل” یا “شمع” است که با (cd) نشان می دهند شکل زیر مفهوم شدت نور و انتشار نور را در یک زاویه خاص، به واسطه حضور رفلکتور نمایش می دهد.

 

luminous intensity is a measure of the wavelength-weighted power emitted by a light source in a particular direction per unit solid angle, based on the luminosity function, a standardized model of the sensitivity of the human eye. The SI unit of luminous intensity is the candela (cd), an SI base unit

بهره نوری (Luminous efficacy)

این عدد که در واقع نسبت شار نوری خارج شده از لامپ به توان مصرفی آن است، نشان دهنده کارایی و بهره وری لامپ است، هر چه این عدد بالاتر باشد به این معنی است که لامپ با مصرف انرژی کمتر، شار نوری بیشتر تولید می کند و به عبارت دیگر هر چه بهره نوری یک لامپ بیشتر باشد، آن لامپ از نظر مصرف انرژی مقرون به صرفه تر است. بهره نوری را با (η) نشان می دهند و واحد آن لومن بر وات است.

Luminous efficacy is a measure of how well a light source produces visible light. It is the ratio of luminous flux to power. Depending on context, the power can be either the radiant flux of the source’s output, or it can be the total power (electric power, chemical energy, or others) consumed by the source

شدت روشنایی Illuminance)

مقدار شار نوری که به واحد سطح می رسد را شدت روشنایی می گویند و با E نشان می دهند بنابراین تعریف، در حالت دقیق، برای یک سطح، شدت روشنایی (E) را میتوان طبق رابطه E=dØ/dA تعریف کرد .

واحد شدت روشنایی برابر لوکس است چنانچه فرض کنیم منبع نور و سطح هیچ یک نسبت به هم از نظر ابعاد برابر بینهایت نیستند، می توان مقدار شدت روشنایی متوسط را طبق رابطه Em=Ø/A تعریف می کنیم.

که در رابطه فوق، Em ، شدت روشنایی بر حسب لوکس (Lux)، Ø  شارنوری برحسب لومن (lm) و A مساحت سطح بر حسب متر مربع (m2) است.

Illuminance is the total luminous flux incident on a surface, per unit area. It is a measure of how much the incident light illuminates the surface, wavelength-weighted by the luminosity function to correlate with human brightness perception

درخشندگی (Luminance)

درخشندگی، در واقع اثر فیزیولوژیکی روشنایی بر روی چشم ما است و در محاسبات روشنایی، به ویژه روشنایی بیرونی و روشنایی خیابان ها اهمیت زیادی دارد پارامتر درخشندگی، هم برای منابع نور و هم برای سطوح درخشنده که نور را منعکس می کنند تعریف می شود.

Luminance is a photometric measure of the luminous intensity per unit area of light travelling in a given direction. It describes the amount of light that passes through, is emitted or reflected from a particular area, and falls within a given solid angle. The SI unit for luminance is candela per square metre

 

خیرگی (Glare)

خیرگی یکی از عوامل آزار دهنده در روشنایی است که باعث محدود شدن حوزه دید و ایجاد خستگی برای افراد می شود که باید تا آنجا که ممکن است محدود شود.

عواملی که می توانند باعث ایجاد خیرگی شوند عبارتند از:

۱- استفاده از چراغ نا مناسب ۲-  قرارگیری چراغ یا پنجره در موقعیت نامناسب ۳- انعکاس بالای سطوح مختلف.

در مورد روشنایی خیابانی، خیرگی می تواند باعث کاهش قدرت دید رانندگان شده و در نتیجه خطرات جانی به دنبال داشته باشد.
خیرگی را می توان به دو دسته خیرگی مستقیم(Direct Glare) و خیرگی غیر مستقیم (Indirect Glare) تقسیم بندی کرد. عوامل ایجاد کننده خیرگی مستقیم عبارتند از: شکل نا مناسب منبع نور و قراردادن منبع روشنایی در محل نام مناسب.

 

هند بوک مبانی نور روشنایی

جداول استاندارد روشنایی

نورپردازی , روشنایی , توزیع برق , سلول خورشیدی , ساختمان هوشمند