ELICOM d.o.o. – ZAGREB Nova ves 5, 10000 ZAGREB,

elicom@elicom.hr, http://www.elicom.hr

Parametri svjetla u kontekstu javne rasvjete

Ranko Skansi, dipl.ing.

Zagreb, srpanj 2003.

2 od 37

Kazalo: 1. UVOD........................................................................................................................3 2. FIZIKALNE OSNOVE SVJETLA I BOJA..........................................................4

2.1. Svjetlo i zračenje ...............................................................................................4 2.1.1. Teorija zračenja .........................................................................................5

2.1.1.1. Valna teorija svjetla .............................................................................5 2.1.1.2. Kvantna teorija svjetla .........................................................................5

2.1.2. Optičko zračenje ........................................................................................6 2.1.2.1. Vidljivo zračenje...................................................................................7 2.1.2.2. Ultraljubičasto zračenje .......................................................................7 2.1.2.3. Infracrveno zračenje ............................................................................8

2.1.3. Spektar vidljivog zračenja ........................................................................8 2.1.3.1. Vrste spektra.........................................................................................9 2.1.3.2. Vrednovanje spektra vidljivog zračenja ............................................10

2.1.4. Proizvodnja vidljivog zračenja ...............................................................11 2.1.4.1. Termičko zračenje ..............................................................................11 2.1.4.2. Luminiscentno zračenje.....................................................................13

2.2. Svjetlo i boje ....................................................................................................14 2.2.1. Kolorimetrijski sustav CIE .....................................................................14 2.2.2. Temperatura boje ....................................................................................17

2.2.2.1. Temperatura svjetla............................................................................18 2.2.3. Reprodukcija boje....................................................................................19

2.2.3.1. Spektralni sustav izvora svjetla..........................................................19 3. ELEMENTI VIZUALNE PERCEPCIJE............................................................21

3.1. Oko i viđenje....................................................................................................21 3.1.1. Skotopsko viđenje ....................................................................................23 3.1.2. Fotopsko viđenje ......................................................................................23 3.1.3. Mezopsko viđenje.....................................................................................23

3.2. Elementarne funkcije vida .............................................................................24 3.2.1. Adaptacija.................................................................................................24 3.2.2. Akomodacija.............................................................................................24 3.2.3. Kontrast ....................................................................................................24 3.2.4. Kontrastna osjetljivost.............................................................................25 3.2.5. Oštrina vida ..............................................................................................25 3.2.6. Brzina zapažanja......................................................................................25 3.2.7. Dubinsko viđenje......................................................................................25 3.2.8. Aberacija...................................................................................................26

3.3. Utjecaj svjetla na čovjeka...............................................................................26 3.3.1. Potrebna količina svjetla .........................................................................27 3.3.2. Svjetlo i osjećaj ugode..............................................................................27 3.3.3. Svjetlo i aktivnost.....................................................................................27 3.3.4. Svjetlo i produktivnost ............................................................................29

4. SVJETLOTEHNIČKE VELIČINE I JEDINICE .............................................30 4.1. Osnovne svjetlotehničke veličine ...................................................................30

4.1.1. Svjetlosni tok ............................................................................................33 4.1.2. Jakost svjetla ............................................................................................33 4.1.3. Rasvijetljenost ..........................................................................................34 4.1.4. Sjajnost......................................................................................................35

5. ZAKLJUČAK ........................................................................................................36 LITERATURA...........................................................................................................37

3 od 37

1. UVOD Svjetlost, kao izuzetno važna komponenta ljudskog okružja, definitivno je od presudne važnosti za osjećaj ugode i sigurnosti u svakodnevnom životu. Osim ambijentalne rasvjete okružja našeg doma, zasigurno i rasvjeta gradskih površina, također ima veliku ulogu u tom kontekstu. Ovdje će biti riječi o nekim osnovnim parametrima rasvjete, posebno onih koja se tiču javnih gradskih površina i prometnica. Budući je pojam svjetla direktno vezan uz sposobnost vida i vizualne percepcije, osnove koncepcije javne rasvjete, svakako leže u fizikalnim veličinama vezanim uz svjetlo i vid. Javna rasvjeta svakog grada, projektira se u kontekstu nekoliko parametara. Na prvom mjestu je svakako količina i trajanje prirodnog dnevnog svjetla. Slijede estetsko funkcionalni parametri. Uz to, ne manje važna, je pasivna sigurnost građana te posebno sigurnost u prometu. Slijede ekonomsko tehnički parametri, koji određuju predviđene tehnologije za izvedbu sustava, te diktiraju racionalnost i maksimalne moguće uštede. Krucijalno mjesto među parametrima ima svakako i zaštita okoliša, odnosno sprečavanje bilo koje vrste onečišćenja i zagađenja. Iz prethodnih navoda, jasno je da se radi o izuzetno složenom sustavu, ma koliko se na prvi pogled činio jednostavnim. Posebno u kontekstu ispravnog projektiranja javne rasvjete, koja se dijeli na cestovnu i gradsku, od presudne je važnosti uzimanje u obzir svih čimbenika.

Slika 1.1.: Efektni primjer dekorativne rasvjete

4 od 37

2. FIZIKALNE OSNOVE SVJETLA I BOJA

Izrazom "svjetlo" označava se svako zračenje, koje uzrokuje neposredno vidljivo opažanje. Svjetlo je u osnovi zračena ili reflektirana energija, koja stigne u ljudsko oko i koja se u organu vida (oko, vidni živac, deo mozga) pretvori u čulno opažanje i osjećaj svjetlosti (utisak o jačem ili slabijem zračenju) i boje. Svjetlo se može promatrati na dva načina, i to u

- fizikalnom smislu, - čulnom smislu.

2.1. Svjetlo i zračenje Zračenje je u fizikalnom smislu definirano kao emisija ili prijenos energije u obliku elektromagnetskih valova ili čestica. Spektar elektromagnetskog zračenja je širok i rasprostire se od kozmičkih zračenja do tehničkih izmjeničnih struja. Pregled spektra zračenja prikazan je na sl. 2.1. Pojedina zračenja se dakle medusobno razlikuju samo po različitim valnim duljinama odnosno po frekvencijama.

Slika 2.1.: Elektromagnetski spektar U kontekstu rasvjete koristi se vrlo usko područje spektra elektromagnetskog zračenja (područje valnih duljina između 10-7 i 10-3 m), koje se naziva "optičko zračenje". Ljudsko oko registrira područje spektra između 380 nm i 780 nm (u svjetlotehnici se za označivanje valnih duljina zračenja upotrebljava jedinica nanometar: 1 nm = 10-9 m); taj interval elektromagnetskog zračenja se naziva vidljivo zračenje (svjetlo).

5 od 37

2.1.1. Teorija zračenja Moderna fizika pripisuje svakom zračenju dvojnu (dualističku) karakteristiku: pri interakciji s čvrstom tvari, zračenje se manifestira kao čestice (fotoni), dok se pri širenju prostorom, manifestira kao elektromagnetsko valno širenje energije. U tom smislu, fizika tretira emisiju svjetlosnog zračenja iz dva aspekta, aspekta kvantne teorije (čestica) i aspekta valne teorije (energija). 2.1.1.1. Valna teorija svjetla Valna teorija tumači emisiju svejtlosnog zračenja kao elektromagnetsko valno širenje energije prostorom, pri čemu se to širenje odvija pravocrtno po prostoru, i to u obliku transverzalnih valova (njihanje je pravokutno na smjer širenja valova). Brzina širenja zračenja je konstantna, a definira se slijedećom jednadžbom:

c = f * λ [m/s]

gdje su: c - brzina širenja zračenja (m/s), f - frekvencija zračenja (Hz = s-1), λ - valna duljina zračenja (m). U vakuumu je brzina širenja elektromagnetskog zračenja prirodna konstanta čija vrijednost iznosi:

c0 = (2,99776 ± 0,00004) * 108 ≈ 3 * 108 [m/s] Ova brzina se naziva "brzina svjetla". U plinovima, tekućinama i krutinama, koje su propusne za zračenje, brzina širenja zračenja (c) je uvijek manja od brzine u vakuumu (c0) i u relaciji je s parametrom loma svjetla za medij, kroz koji prolazi. Pri tome se frekvencija zračenja ne mijenja, nego se proporcionalno smanjuje samo brzina c i valna duljina λ, što znači da relacija c/λ = f ostaje uvijek konstantna. S tim u svezi treba naglasiti kako se brzina širenja vidljivog zračenja (područje valnih duljina izmedu 380 i 780 nm) prolazom kroz zrak skoro uopće ne mijenja, te je samo za 0,03% manja od brzine širenja u vakuumu (3 * 108 m/s). Na osnovi valne teorije može se objasniti većina fizikalnih pojava koje su vezane za valnu prirodu svjetla, i to: odraz (refleksija), propusnost (transmisija), lom svjetla, otklon (ogib), interferencija, polarizacija i slično. 2.1.1.2. Kvantna teorija svjetla Kvantna teorija zračenja temelji se na premisi prema kojoj je svako zračenje sastavljeno iz elementarnih energetskih čestica, koje se nazivaju "kvanti". Po toj teoriji zračenje se definira kao emisija, upijanje (apsorbiranje) i prijenos energije u obliku kvanta. Na osnovi kvantne teorije može se fizikalno objasniti svjetlosna emisija. Prema Einsteinovoj hipotezi kvantnost je osobina koja je značajna baš za samo svjetlo.

6 od 37

Svjetlosno zračenje je dakle skup svjetlosnih kvanta koji se nazivaju "fotoni" (fos = [grč.] - svjetlo). Fotoni se u vakuumu šire brzinom svjetla i njihova je energija utoliko veća, koliko je frekvencija zračenja (f) veća, odnosno koliko je valna duljina zračenja (λ) manja. Količina energije fotona se definira jednadžbom:

W= h * f [J] gdje su: h - Planckova konstanta (Js), f - frekvencija zračenja (Hz=s-1) Planckova konstanta je prirodna konstanta čija vrijednost iznosi:

h = 6,6256 * 10-34 [Js] Fotoni su elementarne energetske čestice, koje nemaju "materijalne osnove", pa prema tome nemaju niti mirujuću masu. Postoje samo tako dugo, dok se kreću brzinom širenja zračenja; potpuno pak nestaju, kada se zaustave. Ako, dakle, neki "tvarlni atom" upije svjetlosni kvant, ovaj ne leži u atomu kao foton, nego potpuno nestaje, pri čemu sva energija fotona prelazi na atom. Za fotone je, dakle, značajno nekakvo "potencijalno postojanje" u cijelom spektru zračenja. To znači da se foton može pojaviti svugdje gdje postoji elektromagnetsko zračenje; kada se foton umiri, prestaje njegovo potencijalno postojanje. Istraživanje međusobnog utjecaja zračenja i tvari pokazalo je: Ako neka tvar apsorbira određeno zračenje, a emisija zračenja iz te tvari se nastavi, "novo zračenje" može imati istu energiju i istu valnu duljinu; obično je novo zračenje energetski oslabljeno i stoga ima veću valnu duljnu. Ova osobina fotona naročito se manifestira kod luminiscentnih tvari, kod izvora svjetla na izboj i kod fotoelemenata. Na osnovi kvantne teorije mogu se fizikalno protumačiti fotoelektrična i fotobiološka djelovanja različitih zračenja. Posebno je kvantna teorija značajna za fizikalnu percepciju svjetlosnog zračenja zagrijanih tijela, te se samo na osnovu te teorije mogu protumačiti eksperimentalno utvrđeni zakoni zračenja zagrijanih tijela. 2.1.2. Optičko zračenje Izraz "optičko zračenje" označava područje spektra etektromagnetskog zračenja, koje se koristi u kontekstu svjetlotehničkih relacija. U sklopu cjelokupnog spektra elektromagnetskih zračenja, koji se rasprostiru od kozmičkih zračenja do tehničkih izmjeničnih struja, samo relativno usko područje valnih duljina 102 do 108 nm zauzima optičko zračenje (Slika 2.1.). Spektar optičkog zračenja dijeli se na 3 područja:

- ultraljubičasto zračenje, - vidljivo zračenje (svjetlo), - infracrveno zračenje (toplina).

Ljudsko oko registrira samo vidljivi dio spektra, dok ultraljubičasto i infracrveno zračenje ne primjećuje. Ultraljubičasto zračenje graniči s vidljivim zračenjem u zoni kraćih valnih duljina, dok je infracrveno zračenje u zoni većih valnih duljina optičkog zračenja.

7 od 37

Detaljnija podjela optičkog zračenja dana je tablicom 2.1.

Tablica 2.1.: Kategorije optičkog zračenja Kategorija zračenja Područje zračenja [nm]

ULTRALJUBIČASTO ZRAČENJE (UV) 100-400 UV-C zračenje 100-280 UV-B zračenje 280-315 UV-A zračenje 315-400 VIDLJIVO ZRAČENJE (SVJETLO) 380-780 Boja svjetla: ljubičasta 380-436 plava 436-495 zelena 495-566 žuta 566-589 narančasta 589-627 crvena 627-780 INFRACRVENO ZRAČENJE (IR) 780-106 IR-A zračenje 780-1400 IR-B zračenje 1400-3000 IR-C zračenje 3000-106

1 nanometar [nm] = 10-9 [m]

1 nanometar [nm] = 10-6 [mm] 1 milimetar [mm] = 106 [nm]

Sve navedene tri vrste zračenja ponašaju se podjednako: ona se na isti način mogu proizvoditi izvorima zračenja, mogu se optičkim sredstvima upravljati i skretati, mogu biti registrirana i mjerena.

2.1.2.1. Vidljivo zračenje Vidljivo zračenje ljudsko oko percipira kao svjetlo i u stanju ga je razlikovati po boji i svjetlini. Kraćim valnim duljinama odgovara ljubičasti kraj, a dužim, crveni kraj. Vidljivo zračenje (svjetlo) koje sadrži sve valne duljine, ljudsko oko percipira kao svjetlost bijele boje (beta svjetlost).

2.1.2.2. Ultraljubičasto zračenje Granice spektra ultraljubičastog zračenja nisu precizno definirane; prihvaćeno je da se dio spektra između 100 do 400 nm odnosi na ultraljubičasto zračenje. Iz praktičnih razloga UV-zračenje se dijeli na 3 uža područja: UV-A zračenje (315-400 nm), UV-B zračenje (280-315 nm) i UV-C zračenje (100-280 nm). UV-A zračenje pobuđuje luminiscentne, fotobiološke i fotokemijske procese i zbog toga se primenjuje u industriji, medicini i sl. Ovo zračenje potamnjuje ljudsku kožu, odnosno pobuđuje pigmente u ljudskoj kože na promjenu boje, ali ne uzrokuje njene upale. UV-B zračenje prouzrokuje crvenjenje kože (erythem) kao i pigmentiranje kože (tamnjenje kože). Isto tako, ovo zračenje utječe na stvaranje tzv. antirahitičnog vitamina D2 u ljudskom organizmu. Stoga se ovo područje UV-zračenja upotrebljava uglavnom u medicini za terapeutske svrhe (npr.: "umjetno sunce").

8 od 37

UV-C zračenje pocrvenjuje i potamnjuje ljudsku kožu i može biti štetno za oči jer uzrokuje upalu (conjunctivitis actinica). Ovo područje je od naročite važnosti kod nekih izvora svjetla koji djeluju na principu pražnjenja i gdje se UV-C zračenje pomoću fluorescentnog praha, posebnog sastava, pretvara (transformira) u vidljivo svjetlo. Za područje valnih duljina između 250 i 265 nm značajno je vrlo jako baktericidno (uništavanje bakterija) djelovanje; zračenja valnih duljina ispod 200 nm stvaraju ozon.

2.1.2.3. Infracrveno zračenje Granice spektra infracrvenog zračenja, također, nisu precizno definirane; općenito se može reći kako je područje od 780 nm do 1 mm (106 nm), područje infracrvenog zračenja. Iz praktičnih razloga IR-zračenje podijeljeno je na 3 uža područja: IR-A zračenje (780-1400 nm), IR-B zračenje (1,4-3 µm), i IR-C zračenje (3 µm-1 mm). Infracrveno zračenje za ljudsko oko nije vidljivo, dok ga naša koža osjeti kao toplinu. Ovo zračenje prodire kroz vakuum ili kroz čisti zrak skoro bez primjetnih gubitaka energije. U slučaju da zračenje pogodi neki predmet (objekt), energija zračenja se apsorbira i pri tome pretvara u toplinu. Od svih gore navedenih područja IR-A zračenje ima najjače toplinsko djelovanje. Zato se ova vrsta zračenja primjenjuje kod "termičkih izvora", koji se koriste u industriji (za zagrijavanje i žarenje, za pečenje emajlnih lakova, te za isparavanje i sušenje). 2.1.3. Spektar vidljivog zračenja Elektromagnetska zračenja se međusobno razlikuju po valnim duljinama odnosno po frekvencijama, iz kojih su sastavljena. Pritom neko zračenje može biti sastavljeno samo iz 1 valne duljine (frekvencije) ili pak iz većeg broja valnih duljina (frekvencija). Tako razlikujemo:

- monokromatska zračenja, - sastavljena (kompleksna) zračenja.

Monokromatska zračenja imaju samo jednu valnu duljinu. U proširenom smislu to je zračenje vrlo uskog dijela spektra, npr. samo 10 nm, koje se može označiti samo jednom srednjom valnom duljinom. Sastavljena zračenja sadrže komponente nejednakih valnih duljina. Kod te vrste zračenja razlikujemo: kontinuirana i nekontinuirana zračenja. Kontinuirana zračenja su sastavljena zračenja većeg područja u kojem učinak zračenja nigdje ne pokazuje skokove. Ako skokovi postoje, govorimo o nekontinuiranom zračenju. Spektar je pojam, koji se upotrebljava kada se želi prikazati udjele valnih duljina od kojih je neko zračenje sastavljeno. Spektar vidljivog zračenja (svejtla) najprikladnije se prikazuje pomoću loma svjetlosnih zraka na nekom mediju (prizma, leća, vodena kap i sl.); pritom se kratkovalno zračenje lomi jače nego dugovalno. Najpoznatiji primjer optičkog prikaza vidljivog spektra je dûga.

9 od 37

2.1.3.1. Vrste spektra S obzirom na sastav zračenja razlikuju se dvije osnovne vrste spektra, kontinuirani spektar i linijski spektar. Φ eλ [%]

λ[nm] Slika 2.2.: Kontinuirani spektar

Φ eλ [%]

λ[nm]

Slika 2.3.: Linijski spektar Kontinuirani spektri imaju blage prijelaze između pojedinih spektralnih područja (npr. kao kod duge). Grafički se to prikazuje jednom krivuljom bez skokova (Slika: 2.2.). Tijek zračenja nekog područja valnih duljina je tada proporcionalan površini ispod krivulje između graničnih vrijednosti tog područja zračenja.

10 od 37

Linijski spektri prikazuju se jednom spektralnom linijom ili s više međusobno ograničenih spektralnih linija koje ponekad potječu od nekog određenog monokromatskog zračenja. Takve spektralne linije prikazuju se grafički u obliku uskih pravokutnika (vertikalnih), kod kojih je veličina površine proporcionalna tijeku odgovarajućih zračenja (Slika: 2.3.). Širina takvog pravokutnika najčešće odgovara jednom intervalu valne duljine od 10 nm. Vrlo često se umjesto vrijednosti fluksa (tijeka) zračenja, spektar zračenja prikazuje pomoću relativne spektralne raspodjele energije zračenja. Pritom se najčešće uzima 555 nm kao 100 % neke vrijednosti ili kao 1, a sve ostale vrijednosti prikazuju se relativno njoj. Na taj način se istovrsna zračenja, koja se razlikuju samo po intenzitetu, prikazuju istim krivuljama. 2.1.3.2. Vrednovanje spektra vidljivog zračenja Svjetlosni utisak o određenom izvoru svjetla ne ovisi samo o fluksu zračenja tog izvora, nego prije svega o raspodjeli fluksa zračenja. U relaciji s valnom duljinom, različiti monokromatski svjetlosni nadražaji uzrokuju različite svjetlosne utiske. Tako npr. ljudsko oko osjeća, za istu snagu izvora svjetla, monokromatski svjetlosni podražaj kod valne duljine λ = 555 nm kao znatno svjetliji, no što je to slučaj kod monokromatskog podražaja kod valne duljine 400 ili 700 nm. Zračenja izvan područja vidljivog spektra (380-780 nm) uopće ne izazivaju svjetlosni utisak, iako mogu biti čak i škodljiva za ljudsko oko. Za vrednovanje stupnja svjetlosnog utiska energetski jednakih spektara, uveden je pojam "relativna svjetlosna osetljivost monokromatskog zračenja valne duljine" (u nastavku: relativna svjetlosna osjetljivost). Ta je veličina definirana kao odnos fluksa zračenja kod valne duljine λ prema fluksu zračenja kod valne duljine λm; pri tome je λm ona valna duljina, kod koje je vrijednost tog odnosa najveća (relativna svjetlosna osetljivost), a jednaka je 1. Međunarodna komisija za rasvjetu (Commission Internationale de I'Eclairage - u nastavku: ClE) je za fotometrijski normalnog promatrača (normalno ljudsko oko) definirala 2 vrste relativne svjetlosne osjetljivosti: relativnu svjetlosnu osjetljivost kod fotopskog (dnevnog) viđenja - V(λ) i relativnu svjetlosnu osjetljivost kod skotopskog (noćnog) videnja - V'(λ). Relativna svjetlosna osjetljivost prikazuje se obično dijagramom, funkcijom valnih duljina (λ) u području vidljivog zračenja. Taj dijagram nazivamo "krivulja relativne svjetlosne osjetljivosti", a vrlo često se označava i kao "krivulja spektralne osjetljivosti ljudskog oka". ClE je u međunarodnom riječniku za rasvjetu (Publication No. 17-1970, str. 51) u tabelarnom obliku definirala 2 krivulje, i to:

- krivulju spektralne osjetljivosti ljudskog oka kod fotopskog viđenja - V(λ)-krivulja,

- krivulju spektralne osjetljivosti ljudskog oka kod skotopskog viđenja - V'(λ)-krivulja.

Ove krivulje su u obliku dijagrama prikazane na slici 2.4. V(λ)-krivulja se odnosi na oko prilagođeno svjetlu i vrijedi za uvjete fotopskog (dnevnog) viđenja. Krivulja postiže svoj maksimum V(λ) =1 kod valne duljine λm = 555 nm (Slika 2.4.). V'(λ)-krivulja se odnosi na oko prilagođeno na mrak, a vrijedi za uvjete skotopskog (noćnog) viđenja. Krivulja postiže svoj maksimum V'(λ) = 1 kod valne duljine λm =

11 od 37

507 nm (Slika 2.4.). Krivulja relativne svjetlosne osjetljivosti za uvjete mezopskog viđenja (viđenje u sumraku) nije definirana.. Treba upozoriti, da su svi fotometrički instrumenti, a posebno luksmetri, baždareni na temelju V(λ)-krivulje. Isto vrijedi i za svjetlotehničke parametre u poglavlju 3. 2.1.4. Proizvodnja vidljivog zračenja Kao i svako elektromagnetsko zračenje tako je i vidljivo zračenje (svjetlo) povezano s emitiranjem energije tijela, koje zrači. Prema zakonu o održavanju energije, svako emitiranje energije mora se nadomjestiti dovodom energije. To znači da svakom izvoru svjetla, koji zrači, treba privoditi energiju; kod svjetlosnih izvora, koji se koriste u svjetlotehnici, to je isključivo električna energija. Kod umjetnih izvora svjetla vidljivo zračenje proizvodi se načelno na 2 načina, i to na principu:

- termičkog zračenja, - luminiscentnog zračenja.

2.1.4.1. Termičko zračenje Sva čvrsta tijela, plinovi i tekućine poradi svoje topline emitiraju energiju, i to u obliku elektromagnetskog zračenja. Ono je tim jače što je veća temperatura tijela, plina ili tekućine. Svako zračenje koje nastane na ovaj način naziva se termičko zračenje. Ono je s fizikalnog gledišta definirano kao elektromagnetsko zračenje, kojeg uzrokuje termičko gibanje čestica (atoma, molekula, iona i sl.). V (λ) V' (λ)

λ [nm] Slika 2.4.: Krivulje spektralnih osjetljivosti

Izvori termičkog zračenja kod nižih temperatura zrače samo toplinu (infracrveno zračenje), dok kod viših temperatura zrače i valne duljine vidljivog spektra (svjetlo). Termičko se zračenje fizikalno tumači na osnovi kvantne teorije zračenja pri čemu se zakoni zračenja odnose na tzv. "crni izvor" (ponekad se koriste nazivi Planckov izvor ili potpuni izvor). To je termički zvor, koji upija (apsorbira) sva pristigla zračenja, bez

ljubičasta plava zelena žuta narančasta crvena

12 od 37

obzira na valnu duljinu i smjer. Osobine zračenja crnog izvora su definirana "Planckovim zakonom". To je zakon koji definira relaciju između zračenja, valne duljine i temperature crnog izvora, a opisuje ga slijedeći izraz:

Me,λ(λ,T) = c1 * λ-5 * ( e c2/λT – 1) Konstante c1 i c2 definirane su na slijedeći način:

c1 = 2Π * h * c02 = (3,74150 ± 0,0003) * 10-16 [W m2]

c2 = h * c0 / k = (1,43879 f 0,00019) * 10-2 [m K] Značenja faktora u prethodnim izrazima su: Me,λ(λ,T) - spektralna gustoća specifičnog isijavanja crnog izvora (W/m2); λ - valna duljina (m); T - termodinamička temperatura (K); h - Planckova konstanta; k - Boltzmanova konstanta; c0 - brzina svjetla u vakuumu (~ 3 * 108 m/s). Integracijom jednadžbe Planckovog zakona preko cijelog područja valnih duljina dobiva se jednadžba koja opisuje "Stefan-Boltzmanov zakon":

gdje su: Me - specifično isijavanje crnog izvora - definirano kao umnožak fluksa zračenja, koji

napušta element površine, i veličine tog elementa - (W * m-2); σ - konstanta; σ = (5,6697 ± 0,0029) * 10-8 (W * m-2 * K-4), T - termodinamička temperatura izvora (K). Iz Stefan-Boltzmanovog zakona proizlazi da ukupni fluks zračenja crnog izvora raste s četvrtom potencijom temperature izvora. Povećanjem temperature ne raste samo fluks zračenja, nego se istovremeno pomiče točka najvećeg spektralnog fluksa zračenja prema kraćim valnim duljinama. Tako na prijmer prije temperature T=2500K maksimum leži u infracrvenom dijelu spektra (kod λ ≈ 1200nm), prije temperature T=6000K u vidljivom dijelu spektra (kod λ ≈ 500nm), a prije T=10000K već u ultraljubičastom dijelu spektra (kod λ ≈ 300nm). Slijedeća bitna karakteristika termičkog zračenja je kontinuirani spektar. Među tehničke izvore svjetla, koji djeluju na principu termičkog zračenja, ubrajamo žarulje (izvori sa žarnom niti); crni izvor služi samo kao etalon za usporedbu pri opisivanju svjetlosti raznih izvora.

∞

Me = ∫ Me,λ dλ = σ * T4

0

13 od 37

2.1.4.2. Luminiscentno zračenje Nazivom luminiscentno zračenje označavaju se sva ona zračenja koja nisu termička zračenja i koja se bitno razlikuju od načina emitiranja energije crnog izvora. U fizikalnom smislu luminiscentno zračenje definirano je kao pojava pri kojoj neka tvar emitira elektromagnetsko zračenje, kojega je jakost za određene valne duljine ili za mala spektralna područja veća od termičkog zračenja pri istoj temperaturi te tvari. Poznato je više oblika luminiscentnog zračenja, kao npr.: fotoluminiscencija, elektroluminiscencija, kemiluminiscencija, triboluminiscencija i sl. Kod proizvodnje svjetla najznačajniji je onaj oblik luminiscentnog zračenja koji nastaje pri izboju u plinovima, metalnim parama ili smjesi plinova i para. Postanak luminiscentnog zračenja kod izboja u plinovima ili metalnim parama može se protumačiti na slijedeći način: Svaki atom plina ili metalne pare je prema "Bohrovom atomskom modelu" složen od atomske jezgre i plašta elektrona. Elektronski plašt se sastoji od tzv. ljuski; svaka ljuska se može zamisliti kao putanja po kojoj kruže elektroni oko atomske jezgre. Ipak elektroni ne mogu oko jezgre kružiti po proizvoljnoj putanji, već samo po tzv. stacionarnim ili "kvantnim" putanjama, koje su specifična značajka atomskog sastava svakog plina ili metalne pare. Dok elektroni kruže po tim putanjama, oni ne zrače energiju. Uz atome u svakom plinu ili metalnoj pari postoje također tzv. "slobodni elektroni" ili pozitivno nabijene električne čestice (ioni) koji isto tako ne emitiraju energiju. Pod utjecajem električnog polja počinju se slobodni elektroni i ioni pomicati i na svom putu pogađaju atome plina ili pare; posljedica tih sudara je "uzbuđivanje" atoma. To je pojava kod koje elektron u atomu plina uslijed sudara skoči iz kvantne (unutrašnje) putanje na vanjsku putanju čija je energetska razina veća. Ipak izbijeni elektron ne ostaje na toj putanji, nego se vrlo brzo opet vraća na prvobitnu putanju (s nižom energetskom razinom). Kod tog skoka se oslobađa elektromagnetska energija, koju atom emitira (isijava) u obliku svjetlosnog kvanta - fotona. Energija fotona je jednaka razlici energije koja pripada objema putanjama. Budući su kod svakog plina ili metalne pare, te putanje i njima pripadajuće energetske razine precizno definirane, (značajne za plin ili paru), kod pražnjenja nastaju samo fotoni određene energije i određene valne duljine. To znači da u spektru zračenja svakom tako nastalom fotonu načelno odgovara samo jedna spektralna crta (linija); iz toga proizlazi da je za pojavu izbijanja u plinovima ili metalnim parama značajan linijski spektar. Spektralne linije, koje pritom nastaju, mogu se znatno razlikovati i u osnovi su u relaciji s kemijskim sastavom plina ili pare, a ne dovedenom električnom energijom. Za neke plinove i uparene metale je značajno da kod pražnjenja emitiraju veći dio zračene energije u ultraljubičastom (nevidljivom) dijelu spektra. To se zračenje zatim transformira u vidljivo zračenje uporabom tzv. "luminiscentne tvari" (ponekad se nazivaju "fluorescentne tvari"). Ove tvari imaju osobinu transformacije kratkovalnog zračenja u dugovalno (npr.: u zračenje u vidljivom području spektra). Opisana pojava naziva se fotoluminiscencija i iskorištava se naročito kod fluorescentnih cijevi, ali i kod drugih izvora na izboj.

14 od 37

2.2. Svjetlo i boje Vidljivo zračenje (svjetlo) ljudsko oko ne percipira samo prema svjetloći (sjajnosti) nego i prema bojama. Svako fizikalno definirano vidljivo zračenje (određene jakosti i spektralnog sastava) pobudi u vidnom organu fiziološki osjećaj boje, koje se naziva "podražaj boja". Pri tome je u principu svejedno da li se radi o zračenju svjetlosnog izvora (boja svjetla) ili pak o zračenju osvetljenog objekta (boja tijela). Ako se, naime, osvjetljava neki obojeni objekt (predmet), on će dio svjetla propustiti ili odraziti (reflektirati); to propušteno ili reflektirano "modulirajuće zračenje" prouzročiti će u organu vida osjećaj boja. Znači, boja objekta može nastati samo pri svjetlu (umjetnom ili prirodnom) i ona je u osnovi ovisna o spektralnom sastavu svjetla koje predmet osvjetljava. Iz toga proizlazi da neki objekt može poprimiti različite boje kada se osvjetljava svjetlom različitih boja. Pojam "boja" treba razmatrati u čulnom (subjektivnom) smislu ili pak u fizikalno-matematičkom smislu. U nastavku će boje biti razmatrane samo s fizikalnog stanovišta; s time u svezi će biti opisani:

- kolorimetrijski sustav CIE, - temperatura boje, - reprodukcija boje.

2.2.1. Kolorimetrijski sustav CIE Kvantitativnim vrednovanjem boja bavi se znanost koja se naziva kolorimetrija (mjerenje boja). Kolorimetrija rabi za označavanje boja poseban trikromatski sustav, koji omogućava ostvarenje svake boje aditivnim mješanjem triju prikladno izabranih podražaja boja (primarnih valencija boja). Trikromatski sustav, koji je međunarodno prihvaćen, naziva se "standarni kolorimetrijski sustav ClE". CIE je usvojila dva kolorimetrijska sustava koje je nazvala:

- standardni kolorimetrijski sustav CIE-1931, - dopunski standardni kolorimetrijski sustav CIE-1964.

Prvi sustav (1931) vrijedi za vidno polje 2°, a koristi se pri veličini vidnog polja između 1° i 4°; drugi sustav (1964) vrijedi za vidno polje 10°, a koristi se kod veličina vidnog polja, većih od 4°. Oba sustava omogućavaju vrednovanje proizvoljne spektralne raspodjele energije na temelju tri "funkcije standardnih spektralnih vrijednosti". Prema standardnom kolorimetrijskom sustavu CIE-1931 te su funkcije označene kao: x(λ), y(λ) i z(λ), dok su prema dopunskom standardnom kolorimetrijskom sustavu CIE-1964 te funkcije označene sa x10(λ), y10(λ) i z10(λ). Te funkcije prikazuju ovisnost standardnih spektralnih vrijednosti od valne duljine i dane su u tabličnom obliku (Publication CIE No. 17-1970 str.76 i 77). Grafički prikaz funkcija x(λ), y(λ) i z(λ), koje vrijede za standardni kolorimetrijski sustav CIE-1931 dan je slikom 2.5.

15 od 37

Slika 2.5.: CIE-1931 Funkcije standardnih spektralnih vrijednosti od osnovnog su značaja u kontekstu kvantitativnog vrednovanja boja, koje se temelji na određivanju vrijednosti tzv. trikromatskih komponenti. One se označavaju na slijedeći način:

- u kolorimetrijskom sustavu CIE-1931: X, Y, Z, - u kolorimetrijskom sustavu CIE-1964: X10, Y10, Z10.

Simboli pritom znače:

- X ili X10: mjera za crvenu boju, - Y ili Y10: mjera za zelenu boju, - Z ili Z10: mjera za plavu boju.

Vrijednost trikromatskih komponenata određuje se prema izmjerenoj spektralnoj raspodjeli zračenja izvora i pomoću 3 funkcije standardnih spektralnih vrijednosti; govoreći o boji tijela treba dodatno uzeti u obzir i spektralne osobine samoga tijela. Izrazi za računanje vrijednosti trikromatskih komponenti kolorimetrijskog sustava CIE objavljene su u Publication CIE, No. 17 (str. 57). Za označavanje karakteristike boje nekog zračenja, koristi se pojam "obojenost". Obojenost se vrednuje tzv. trikromatskim koordinatama. Kada se te koordinate odnose na standardni kolorimetrijski sustav CIE-1931, onda su označene sa simbolima x, y, z i definirane su na slijedeći način:

16 od 37

Ako se trikromatske koordinate odnose na dopunski kolorimetrijski sustav CIE-1964, onda su označene simbolima x10, y10 i z10, a definirane su relacijama:

Iz ovih relacija proizlazi slijedeće:

x + y + z = 1 odnosno

x10 + y10 + z10 = 1

Zaključno, boja nekog zračenja se može odrediti i u slučaju ako su poznate samo 2 triktomatske koordinate, i to: x i y odnosno x10 i y10. Na tom principu je definiran tzv. dijagram boja (trokut boja) kojeg je objavila ClE 1931 godine, a prikazan je na sl. 2.6. To je dijagram koji prikazuje rezultat aditivnog miješanja dvaju trikromatskih komponenata; pri čemu su na x-osi dijagrama udjeli crvene boje, a na y-osi, udjeli zelene boje. Pomoću dijagrama boja moguće je dakle točno odrediti svaku boju svjetla (izvora) i svaku boju tijela, ako su poznate vrijednosti trikromatskih koordinata x i y. Svakoj boji odgovara samo jedna točka na dijagramu, koju određuju koordinate x i y.

Slika 2.6.: Dijagram boja prema CIE

Dijagramom boja na sl. 2.6. nije moguće jednostavno odrediti promjene boja (razlike). Zato je CIE 1960. godine objavila tzv. "UCS (uniform-chromaticity-scale) dijagram ClE-1960", koji je prikazan na sl. 2.7.

X Y Z x = --------------- y = ---------------- z = ---------------- X + Y + Z X + Y + Z X + Y + Z

X10 Y10 Z10 x10 = ------------------ y10 = ------------------- z10 = -------------------- X10 + Y10 + Z10 X10 + Y10 + Z10 X10 + Y10 + Z10

17 od 37

Koordinate toga dijagrama su definirane na slijedeći način:

Slika 2.7.: "UCS" dijagram boja prema CIE

2.2.2. Temperatura boje Za označavanje boje svjetla nekog izvora koristi se uz kolorimetrijski sustav CIE, pojam koji se naziva temperatura boje. Taj se pojam koristi kada se boju svjetla nekog izvora opisuje usporedbom s bojom crnog izvora. Temperatura boje je određena kao ona temperatura crnog izvora u stupnjevima kelvina (K), pri kojoj je zračenje crnog izvora, prema obojenosti (položaj trikromatskih koordinata u dijagramu boja), potpuno identično, obojenosti zračenja ispitivanog izvora svjetla. Ako se trikromatske koordinate crnog izvora, koje on ima pri različitim temperaturama (K), unesu u dijagram boja (sl. 2.6.), nastaje linija koja se naziva "Planckova crta". Ta crta označava položaje temperatura boje crnog izvora. Budući su spektralne osobine tehničkih termičkih izvora vrlo slične osobinama crnog izvora, može se Planckovu crtu smatrati kao crtu koja prikazuje temperature boje žarulja. Spektralne osobine izvora na pražnjenje prilično se razlikuju od osobina crnog izvora. Radi toga položaji temperatura boje tih izvora ne leže na Planckovoj crti, nego u njenoj blizini. Stoga se takve izvore svjetla opisuje tzv. "sličnom temperaturom boje". Ona je određena kao temperatura crnog izvora pri kojoj je boja crnog izvora vrlo slična (najsličnija) boji izvora svjetla. Položaje sličnih temperatura boje označavaju u dijagramu boja, kose crte (tzv. "Judd-ove crte"), koje sijeku Planckovu crtu, (sl. 2.8.) Na istoj slici su prikazani i položaji točaka boje izvora svjetla na pražnjenje koji se koriste u svjetlotehnici.

4x 6y u = ----------------- v = ------------------ -2x + 12y +3 -2x + 12y +3

18 od 37

Metal-halogena žarulja

Živina žarulja (bez fluorescentnog sloja)

Živina žarulja (s fluorescentnim slojem)

Živina žarulja miješanog svjetla

Visokotlačna natrijeva žarulja

Niskotlačna natrijeva žarulja

Slika 2.8.: Dijagram sličnih boja 2.2.2.1. Temperatura svjetla

2000 K 2700 – 3000 K 4000 K zlatno žuta toplo bijela hladno bijela

Slika 2.9.: Primjer istog objekta osvijetljenog izvorima različitih temperatura boje svjetla

19 od 37

2.2.3. Reprodukcija boje Obojeni izgled rasvijetljenog predmeta (boja tijela) zavisi o spektralnoj raspodjeli zračenja izvora svjetla koje obasjava predmet. Dakle spektralna raspodjela zračenja je osnovni razlog različitog dojma obojenosti rasvijetljenih predmeta (objekata). Za označavanje učinka neke vrste svjetla na obojenost predmeta, koje je tim svjetlom obasjano, koristi se izraz "reprodukcija boje". U kontekstu izvora svjetla, reprodukcija boje se definira kao učinak zračenja (nekog izvora svjetla) na dojam obojenosti predmeta, kojega izvor obasjava, u usporedbi s izgledom obojenosti istih predmeta, obasjanih s usporednom vrstom svjetla. Općenito, reprodukcija boje označava vezu između reproducirane i originalne (prirodne) boje. Za označavanje i vrednovanje karakteristika reprodukcija boje izvora svjetla ClE je 1965. godine, uvela postupak pod nazivom "postupak testiranih boja". Tim postupkom se utvrđuje srednja vrijednost promjena boja, koje nastaju, kada se grupu boja za testiranje (8 Munsell-ovih boja za testiranje, srednje zasićenosti) najprije osvjetli s ispitivanim izvorom svjetla a zatim s referentnim (usporednim) izvorom. Pri tome se za referentni izvor uzima:

- kod ispitivanih izvora s temperaturom boje do 5000 K: crni izvor koji ima jednaku temperaturu boje kao ispitivani izvor svjetla;

- kod ispitivanih izvora iznad 5000 K: izvor svjetla sa spektralnom raspodjelom dnevnog svjetla.

Svrha postupka testiranih boja je utvrditi vrijednost tzv. "općeg indeksa reprodukcija boje (Ra)". To je indeks, koji u kvantitativnom obliku daje karakteristike reprodukcije boje nekog izvora svjetla. Vrijednost indeksa Ra ovisi o:

- spektralnim refleksnim osobinama boja za testiranje, - spektralnoj raspodjeli zračenja ispitivanog izvora svjetla, - spektralnoj raspodjeli zračenja referentnog izvora svjetla, - adaptaciji ljudskog oka.

Najveća vrijednost koju indeks Ra može imati je 100, što znači da su spektralne raspodjele zračenja ispitivanog i referentnog izvora svjetla identične. Kada obje spektralne raspodjele zračenja nisu jednake, vrijednost indeksa Ra je uvijek manja, što je slučaj kod većine izvora svjetla koji se rabe u svjetlotehnici. Proizvodači izvora svjetla obično daju podatak o indeksu Ra, što za svjetlotehničku praksu potpuno zadovoljava, ako se izvor označi samo odgovarajućim "stupnjem reprodukcije boje". 2.2.3.1. Spektralni sustav izvora svjetla Spektralni sustav izvora svjetla osjetno utječe na:

- oštrinu viđenja (pri monokromatskoj svjetlosti oko oštrije fokusira predmete) - subjektivnu ocjenu kvalitete sjajnosti (luminacije) površine kolnika - subjektivnu ocjenu snošljivosti psihološkog blještanja - brzinu zapažanja - vrijeme regeneracije oka nakon zablještenja

20 od 37

- visokotlačna živina žarulja zahtijeva 50% višu razinu srednje sjajnosti (luminacije) površine kolnika

- stvarna (izmjerena) vrijednost sjajnosti (luminacije) površine kolnika kod visokotlačne Hg žarulje je približno za 35% viša od one s niskotlačnom Na žaruljom, za istu subjektivnu ocjenu kvalitete cestovne rasvjete.

- za istu subjektivnu ocjenu snošljivosti psihološkog blještanja dopuštena jakost svjetiljke za upadni kut γ=80º (I80), u instalacijama sa niskotlačnom Na cijevi približno je za 40% veća

- za istu luminaciju površine kolnika, brzina zapažanja u instalacijama s niskotlačnim Na žaruljama, je za oko 40% veća

- Općenito se može zaključiti da su izvori svjetla na temelju natrijevih para oko

30 posto učinkovitiji od živinih visokotlačnih izvora. Pri tome su nešto lošiji rezultati za natrijeve visokotlačne žarulje od onih niskotlačnih natrijevih cijevi.

21 od 37

3. ELEMENTI VIZUALNE PERCEPCIJE

3.1. Oko i viđenje Ljudski organ vida je najvažniji organ za prikupljanje informacija o našoj okolini. Definiran je kao grupa organa koja se sastoji od oka, vidnog živca i dijelova mozga koji pretvaraju svjetlosne nadražaje u kompleksnu pobudu živaca čiji subjektivni korelati odgovaraju vidnoj percepciji. Vidni organ igra svoju značajnu ulogu samo u slučaju kada su uvjeti okoline optimalno prilagođeni fiziološko-optičkim zakonitostima viđenja.

Slika 3.1.: Elementi percepcije vida (prema M.D.Levine) Izrazom "viđenje" označava se prepoznavanje (opažanje i osjećanje) razlika u okolnom prostoru, čulnim utiscima, koje pobuđuje u oko dospjelo svjetlo. Oko je početni dio vidnog organa u kojemu nastaje optička slika vanjskog svijeta, a koja se pretvara u vidne nadražaje. Anatomska struktura ljudskog oka kao i funkcionalnost pojedinih dijelova oka, uči nas činjenicama na koje ne smijemo zaboraviti kod projektiranja bilo kojeg tipa svjetla i sustava rasvjete:

Slika 3.2.: Presjek ljudskog oka Ovdje se susrećemo s vrlo sofisticiranim organom sa sposobnošću pretvaranja svjetlosnih signala u energiju, koja putem živaca dolazi do centra u mozgu, gdje se obrađuju pristigli impulsi i pretvarju u logičku dimenziju slike ili svjetlosnog podražaja.

22 od 37

Oko je kuglasti parni organ promjera oko 20 mm. Rožnicom se naziva zaštitni prednji (vanjski) dio oka, koji prvenstveno služi protekciji oka. Žilnica je unutarnja membrana u oku sa vrlo razgranatim kapilarnim sustavom, koji hrani oko krvlju. Uslijed povećanog udjela melanina, crne je boje, čime se ostvaruje smanjenje količine raspršenih zraka svjetla unutar oka. Zjenica je "prolaz" u unutrašnji dio oka. Ona služi za regulaciju količine svjetla koje ulazi u oko, a time i za dubinsku oštrinu. Cilijarni mišić je precizni minijaturni mišićni mehanizam koji mijenja geometriju leće oka, a time i dioptriju. Osnovni dio stražnjeg dijela oka svakako je mrežnica, koja sadrži fotoosjetljive

receptore, tzv. štapiće i ćunjiće. Mrežnica oka je od leće udaljena prosječno 17 mm. Čunjića postoji prosječno oko 6-7 milijuna, a fizički se nalaze na centralnom dijelu mrežnice, u prostoru poznatom pod nazivom „žuta pjega“ ili "fovea centralis", a prema nekim autorima i makula. Fovea je promjera oko 1.5 mm. Ovi receptori su osjetljivi na boju, a svaki od njih je povezan na vlastiti živac. Oni omogućavaju oštru i detaljnu sliku na jakom svjetlu (engl. Photoptic ili bright-light vision). Štapići su receptori kojih ima znatno više (75 – 150 milijuna). Oni su raspršeni perfierno od žute pjege. Nekoliko štapića povezano je na jedan živac, čime je umanjena apsolutna funkcionalnost oka u kontekstu oštrog vida nastalog podražajem štapića. Oni u principu daju generalnu, široku sliku scene. Štapići nisu osjetljivi na boju i služe uglavnom pri slabom svjetlu (engl. Scotopic ili dim-light vision), međutim su vrlo osjetljivi za percepciju kretanja objekata u vidnom polju kao i za registriranje pojave treperenja. Iz tog razloga se pri slabom svjetlu slabo raspoznaju boje. Što se tiče svoje trajnosti, s godinama se broj štapića koji su u punoj funkciji smanjuje, te se stoga smanjuje oštrina vida pri standardnom osvjetljenju u poznijim godinama. Hijaloidni kanal omogućava prokrvljivanje cijelog oka. Periferiju mrežnice (oko 97.25% površine mrežnice), odnosno dio izvan "žute pjege" pokrivaju u najvećem broju štapići. Čunjići su u oku raspoređeni heksagonalno, a štapići pokrivaju prostor između čunjića. Gustoća čunjića je najveća na prostoru "žute pjege" dok prema periferiji opada. Nastajanje slike na mrežnici oka se odvija prema principu "camera obscura", poznatom iz početaka razvoja fotografije. Prema tom principu, slika objekta koja pada na mrežnicu je vertikalno zrcalna, kako to pokazuje slijedeća slika.

Slika 3.3.: Uvećani detalj stražnjeg dijela oka

23 od 37

Slika 3.4.: Nastajanje slike na mrežnici ljudskog oka Gore je rečeno. da s obzirom na ulogu koju imaju čunjići i štapići pri viđenju, razlikujemo 3 osnovne vrste viđenja, i to:

- skotopsko viđenje, - fotopsko viđenje, - mezopsko viđenje.

3.1.1. Skotopsko viđenje Viđenje ljudskog oka koje je adaptirano na sjajnosti ispod 0,05 cd/m2 naziva se skotopsko videnje ili noćni vid. Budući su pritom štapići najvažniji aktivni elementi, periferno zapažanje je bolje nego fovealno. Kod skotopskog viđenja se ne pojavljuje osjećaj boja pa se stoga boje ne raspoznaju (svi objekti izgledaju sivi). 3.1.2. Fotopsko viđenje Ako je oko adaptirano na sjajnosti veće od 3 cd/m2, riječ je o fotopskom viđenju ili dnevnom vidu. Pri takvim sjajnostima čunjići su najvažniji aktivni elementi i oni glede velike gustoće, rasporeda i osjetljivosti na boje omogućuju oštre slike u boji. 3.1.3. Mezopsko viđenje Viđenje pri sjajnostima koje su izmedu skotopske i fotopske granične razine, naziva se mezopsko viđenje ili viđenje u sumraku. Sposobnost za raspoznavanje boja opada smanjenjem rasvjetljenosti. Glede pomaka krivulje relativne svjetlosne osjetljivosti, oko postaje osjetljivije za boje u plavom dijelu spektra.

24 od 37

3.2. Elementarne funkcije vida 3.2.1. Adaptacija Adaptacija je prilagodba oka na sjajnosti u vidnom polju i ostvaruje se promjenom otvora šarenice (zjenice) u relaciji s fotokemijskim promjenama na mrežnici. Na taj način oko je u stanju u širokim granicama prilagoditi svoje funkcije različitim rasvjetljenostima. Za označavanje promatrača, čije su oči podešene u potpunosti za fotopsko ili skotopsko videnje, rabe se pojmovi: adaptiran na svjetlo ili adaptiran na mrak. Potpuna adaptacija na mrak nakon zadržavanja u prostoriji s visokim sjajnostima traje obično vrlo dugo (oko 60 minuta), dok se potpuna adaptacija na svjetlo, nakon zadržavanja u tamnoj prostoriji, zbiva vrlo brzo (pola do dvije minute). 3.2.2. Akomodacija

Akomodacija je sposobnost oka za izoštravanjem slike objekta na kojega je promatrač usmjerio pažnju. Za vrijeme akomodacije cilijarni mišiči, koji okružuju leću, podese zakrivljenost leće a time i fokusnu udaljenost objekta na potrebnu vrijednost. Starenjem, opada sposobnost akomodacije leće poradi stvrdnjavanja jezgre leće. Stoga naočale služe za korekciju fokusne udaljenosti ako je popustila sposobnost akomodacije ili ako oko pokazuje neke druge anomalije. 3.2.3. Kontrast

Razlika sjajnosti ili boje između promatranog objekta i njegove okoline presudna je za raspoznavanje objekta. U subjektivnom smislu, kontrast je ocjena razlike izgleda

dvaju područja vidnog polja koji su promatrani istovremeno ili uzastopno (prividni kontrast). Objektivno gledano kontrast sjajnosti (fotometrijski kontrast) defi-niran je kako slijedi:

gdje su L1 - sjajnost pozadine, L2 - sjajnost objekta.

Kontrast boja može se opisati oznakom boja prema ne-kom pogodnom sustavu boja (npr. Munsell-sustav). Slika 3.5.: Primjer različitih kontrasta

L2 – L1 L2 – L1 LC = ----------- LC = ------------------ L1 0.5 (L2 + L1)

25 od 37

3.2.4. Kontrastna osjetljivost Kontrastna osetljivost (C) jednaka je recipročnoj vrijednosti kontrasta sjajnosti (LC): Što je manja razlika sjajnosti objekta i pozadine, to je veća kontrastna osetljivost. U laboratorijskim uvjetima izmjerena kontrastna osjetljivost je samo funkcija sjajnosti pozadine. U praksi na kontrastnu osetljivost utječu još okolina, adaptacija oka i drugi sekundarni faktori, kao i izvori blještanja u vidnom polju. 3.2.5. Oštrina vida Oštrina vida je najvažnija elementarna vidna funkcija i ona pretstavlja sposobnost odvojenog zapažanja vrlo bliskih susjednih linija; mjerilo za oštrinu vida je recipročna vrijednost vidnog kuta (u lučnim minutama) određenog razmakom dviju susjednih linija. Maksimalna oštrina vida leži u fovei, tj. u smjeru gledanja. Za objekte, koji leže izvan smjera gledanja (sa strane), oštrina vida se smanjuje u relaciji s kutom izbočenosti; npr. ako objekt leži samo 10° sa strane, oštrina vida iznosi samo četvrtinu fovealne maksimalne vrijednosti (oštrine u smjeru gledanja). 3.2.6. Brzina zapažanja

Brzina zapažanja je recipročna vrijednost vremenskog intervala između pojave nekog objekta u vidnom polju i raspoznavanja njegovog oblika. To je funkcija razine sjajnosti. Isto tako je i brzina zapažanja kontrasta

recipročna vrijednost vremenskog intervala između trenutka stvarne pojave kontrasta i trenutaka kada je on zapažen. 3.2.7. Dubinsko viđenje Dubinsko videnje je sposobnost razlikovanja razmaka između dva objekta, koji se nalaze na različitim udaljenostima. Kod gledanja s oba oka, osjetljivost na razlike udaljenosti je vrlo velika. Tako je na udaljenosti od 1m moguće razlikovati međusobni razmak od 0,4mm, na 10m - 4cm, na 100m - 3,7m, a na 1000m - 275m. Tek kod udaljenosti od preko 1300m ne postoji više dubinsko razlikovanje u odnosu na beskonačnu udaljenost. Navedene vrijednosti vrijede za oči s potpuno normalnim vidom u povoljnim uvjetima. Pogreške vida i razlike između oba oka imaju znatni uticaj na dubinsko viđenje.

1 L1 C = ------ = ---------- LC L2 – L1

26 od 37

3.2.8. Aberacija Optički sustav oka nije izveden vrlo egzaktno. Naime zrake svjetla, koje upadaju sa strane, ne koncentriraju se u istoj ravnini kao one koji upadaju centralno. Nastala neoštrina slike na mrežnici, naziva se sferna aberacija. Ona utječe na oštrinu vida i dubinsku oštrinu; najveća je pri sasvim otvorenoj šarenici (najveća zjenica). Leća oka različito lomi svjetlosne zrake različitih valnih duljina. Ova se sposobnost oka naziva kromatska aberacija. Kratkovalno, plavo svjetlo, lomi se jače nego dugovalno crveno svjetlo. Zrake plavog svjetla koncentriraju se u ravnini ispred mrežnice, pa je oko za to vrstu svjetla kratkovidno. Crvene zrake koncentriraju se u ravnini iza mrežnice; oko je za crveno svjetlo dalekovidno. Pri dovoljnoj širini akomodacije postiže se oštro ocrtavanje na mrežnici, kada se leća oka jače zakrivi. Čak i kod smanjene udaljenosti između oka i objekta, promatraču se često čini da se crveni predmet ili površina nalazi bliže nego plavi predmet na istoj udaljenosti. Kod jednobojnog svjetla, srednje valne duljine ne pojavljuje se kromatska aberacija; stoga je kod žutog svjetla niskotlačne natrijeve žarulje, oštrina vida još nešto veća nego kod bijelog svjetla. 3.3. Utjecaj svjetla na čovjeka Većina osjetnih utisaka su optičke prirode pa im je svjetlo neophodno potrebno kao

prenositelj informacija. To ukazuje na izvanredno značenje svjetla za čovjeka. Svjetlo, posredstvom oka, ne dobavlja vidnom centru mozga samo informacije, nego ono još utječe i na regulacione organe vegetativnog nervnog sustava, koji upravljaju cjelokupnom izmenom tvari u ljudskom organizmu i njegovim tjelesnim funkcijama. Stoga se može reći kako kvalitetno svjetlo ne olakšava samo gledanje i percepciju, već podiže volju za radom, ostvaruje osjećaj ugode u prostoriji, te podstiče sposobnost koncentracije i sprečava prijevremeni umor.

Slika 3.6.: Utjecaj svjetla na čovjeka

27 od 37

3.3.1. Potrebna količina svjetla Većina elementarnih vidnih funkcija kao npr.: oštrina vida, adaptacija, akomodacija, kontrastna osjetljivost, brzina zapažanja i dubinsko viđenje, ukazuju na zakonitost ovisnosti o intenzitetu rasvjete (sl. 3.6.). Spomenute vidne funkcije postižu kod čovjeka maksimalnu vrijednost tek pri rasvjeti od oko 10.000 luxa. Neke vidne smetnje (npr. slabiji vid uslijed starosti) mogu se kompenzovati jakom rasvjetom. Naime, za izvršenje istog vidnog zadatka jednako brzo i jednako dobro, starije osobe trebaju više svjetla nego mlade. Drugim riječima, visoka razina rasvijetljenosti može za radne ljude različite starosti značiti ostvarenje podjednakih radnih učinaka (sl. 3.7.). 3.3.2. Svjetlo i osjećaj ugode Općenito, rasvjeta djeluje ugodno onda, kada ona u pogledu širenja svjetla odgovara dnevnim svjetlosnim odnosima, tj. kada svjetlo dolazi pretežno odozgo, a sastavljena je od difuzne i usmjerene komponente. Međutim na atmosferu prostorije i na izgled ljudi (boje kože) u znatnoj mjeri utječe i boja svjetla. Zato boja svjetla mora biti usklađena s bojom prostorije i važnih predmeta. 3.3.3. Svjetlo i aktivnost Svjetlo ne deluje samo na vidni centar u mozgu, već i na onaj odgovara stupnju budnosti i aktivnosti. Dokazano je, kvalitetna rasvjeta poboljšava sposobnost zapažanja, logičko razmišljanje, izdržljivost, sigurnost i brzinu pri računanju (sl. 3.8.).

Slika 3.7.: Zakonitost ovisnosti oštrine vida o intenzitetu rasvjete

28 od 37

Slika 3.8.: Razlika u potrebnom intenzitetu rasvjete u relaciji sa starosti

Slika 3.9.: Povećanje radnog učinka pri povećanju rasvjete sa 90 na 500 lx

Dobro zapažanje Logičko razmišljanje Brzo i precizno računanje

29 od 37

3.3.4. Svjetlo i produktivnost Pravilna i dobra rasvjeta vodi nedvojbeno boljem radnom učinku. Razlozi su, olakšano gledanje, povećanje osjećaja ugode i aktivnosti, te ujedno, smanjenje broja grešaka, otpada i nezgoda pri radu i kretanju. Stoga se dobra i pravilna rasvjeta radnih prostorija može smatrati jednim od djelotvornih faktora racionalizacije. Ukoliko se želi ustanoviti utjecaj poboljšane rasvjete na povišenje produktivnosti, potrebno je utvrditi pogonsku dobit ostvarenu povećanjem radnog učinka uslijed poboljšanja rasvjete. Materijalna korist, uvjetovana poboljšanjem rasvjete, znanstveno je dokazana pa taj faktor racionalizacije bezuvjetno treba uvijek imati na umu (sl. 3.9.).

Slika 3.10.: Dijagram radnog učinka tvrtke u kontekstu poboljšanja rasvjete

30 od 37

4. SVJETLOTEHNIČKE VELIČINE I JEDINICE Svjetlo se može opisati na dva načina:

- fizikalnim veličinama, - svjetlotehničkim veličinama.

Među fizikalne veličine ubrajaju se sve one veličine, koje definiraju svjetlo uz pomoć energetskih jedinica. Svjetlo (vidljivo zračenje) je u fizikalnom smislu definirano kao emisija ili prijenos energije u obliku vala ili čestica. Svjetlotehničke (fotometričke) veličine razlikuju se od fizikalnih po tome, što vrednuju svjetlo na bazi ljudskog vidnog organa, oka. Ta se vrsta vrednovanja bazira na:

- relativnoj svjetlosnoj osjetljivosti pri fotopskom (dnevnom) viđenju, odnosno na V(λ)-krivulji;

- ograničenju područja fizikalnog zračenja od 380 do 780nm (područje vidljivog zračenja).

Neke svjetlotehničke veličine označavaju se istim simbolima kao i fizikalne veličine. Da ne bi došlo do zabune, fizikalne su veličine označene indeksom "e" (energetski) a svjetlotehničke veličine indeksom "v" (vizualno), kao npr.: Φe i Φv. Ukoliko se neka veličina (fizikalna ili svjetlotehnička) odnosi samo na određeni, mali interval valne duljine, upotrebljava se izraz "spektralna veličina" i nju se označava indeksom λ, (npr.: Φλ). Ako je neka veličina, funkcija valne duljine, označava se tako, da se valne duljine napišu u zagradi, npr.: V(λ), K(λ) i slično. Sve definicije svjetlotehničkih (fotometričkih) veličina, koje su u ovom navedene s oznakom "prema ClE", preuzete su iz 3. izdanja međunarodnog riječnika za rasvjetu (Publication CIE, No.17-1970). 4.1. Osnovne svjetlotehničke veličine Osnovne svjetlotehničke (fotometričke) veličine su one veličine, koje se najčešće koriste i koje navode važeći propisi. U to veličine se ubrajaju svjetlosni tok, jakost svjetla, rasvjetljenost i sjajnost.

Tablica 4.1.: Osnovne svjetlotehničke veličine Veličina Oznaka Formula Mjerna jedinica

Svjetlosni tok Φ Φ = I x Ω Lumen (lm) Jakost svjetla I I = Φ / Ω Candela (cd) Rasvijetljenost E E = Φ / A Lux (lx) Sjajnost (luminacija) L L = I / A Candela po kv. metru (cd/m2)

Ostali parametri u rasvjeti Efikasnost svjetla Φ / P Lumen / Wat Temperatura svjetla Kelvin Indeks odziva boje (Color rendering index) CRI

A - osvijetljena ili svjetleća površina [m2] Ω - prostorni kut [steradian, sr] P - snaga žarulje

31 od 37

Slika 4.1.: Međusobni odnos svjetlotehničkih veličina

Slika 4.2.: Međusobni odnos svjetlotehničkih veličina u realnom svijetu

Kada svjetlo obasjava neki materijal, kao npr. prozorsko staklo, događaju se tri različite pojave.

Φ I

E L

/ Ω

/ Ω

/ A/ A

32 od 37

Slika 4.3.: Transformacije svjetlosnog toka

Dio svjetla se reflektira, dio apsorbira a ostatak provodi (transmitira). Rezultantne komponente svjetlosnog toka nazivaju se: Φρ (reflektirani svjetlosni tok), Φα (apsorbirani svjetlosni tok) i Φτ (transmitirani svjetlosni tok).

Za kvantitativnu analizu definiraju se sljedeći koeficijenti: ρ = Φρ / Φ - koeficijent refleksije - karakteristika materijala da vraća svjetlosne zrake. Postoje različiti tipovi refleksije, kao što je zrcalna, mješana, potpuno difuzna i nejednoliko difuzna refleksija. U unutarnjoj rasvjeti koristi se gotovo isključivo difuzna refleksija. α = Φα/ Φ - koeficijent apsorpcije - karakteristika materijala da pretvara ulazni svjetlosni tok a različite oblike energije, najčešće toplinu. τ = Φτ/ Φ - koeficijent transmisije - karakteristika materijala da propušta svjetlosni tok bez ikakve promjene.

Svjetlosni tok koji se apsorbira u materijalu pretvara se u toplinu, čime se podiže temperatura materijala. Što je materijal tamniji, više svjetlosnog toka se apsorbira. Na staklu debljine 4mm reflektira se 8% ulaznog toka, 90% se propušta a 2% se apsorbira.

33 od 37

Tablica 4.2.: Tablica koeficijenata refleksije za neke materijale

Boja ρ Materijal ρ

Bijela 0,8 Gips 0,8 Svijetlo žuta 0,7 Svijetle ploče 0,7

Svijetlo siva 0,4 Cement 0,3

Svijetlo smeđa 0,3 Tamno drvo 0,2

Tamno crvena 0,1 Crvena cigla 0,2

Crna 0,1 Tamni materijal 0,1

4.1.1. Svjetlosni tok

Svjetlosni tok je veličina koja opisuje količinu svjetla, koje je emitirano iz izvora i prihvaćeno promatranom površinom objekta. Ova se veličina izražava u lumenima [lm]. Slika 4.4.: Svjetlosni tok

4.1.2. Jakost svjetla Jakost svjetla je mjera količine svjetlosnog toka koji je emitiran iz izvora kroz mali konični kut. Ova se veličina izražava u kandelama [cd]. Pravilo invertiranog kvadrata opisuje jakost svjetla (engl luminous intensity) kao rasvjetljenost podijeljenu s kvadratom udaljenosti.: Ako izvor u svakom smjeru emitira jednaki svjetlosni tok, tada je intenzitet svjetla u svakom smjeru jednak. Međutim ovo u praksi nije slučaj. Na slici je dan primjer malog izvora svjetla jakosti 1000 kandela, na visini 2 m od površine objekta, te proračun rasvijetljenosti (u luksima).

Slika 4.5.: Pravilo invertiranog kvadrata

E = l / d2 [lx]

34 od 37

4.1.3. Rasvijetljenost Rasvijetljenost je mjera za količinu svjetlosnog toka koja pada na određenu površinu. Jedinica za rasvijetljenost je lux (lx) i to je izvedena jedinica SI sustava. Lux je definiran kao rasvijetljenost 1 kvadratnog metra na koju pada ravnomjerno raspodijeljen svjetlosni tok od 1 lm. Radi se o isključivo računskoj veličini, koju naše oko ne primjećuje.

Tablica 4.3.: Primjeri različitih rasvijetljenosti: Primjer Rasvijetljenost [Ix]

Rasvjeta operacijskog stola 20.000 - 120.000 Sunčan ljetni dan 60.000 - 100.000 Oblačan ljetni dan 20.000 Oblačan zimski dan 3.000 Dobro rasvijetljeno radno mjesto 500 - 750 Pješačka zona 5 - 100 Noć s punim mjesecom 0,25 Noć s mladim mjesecom 0,01

Tablica 4.4.: Tablica rasvijetljenosti DDnneevvnnaa ssvvjjeettlloosstt CCeessttoovvnnaa rraassvvjjeettaa MMjjeesseeččeevv ssjjaajj

Izvor svjetla

Rasvijetljenost na tlu

Aktivni receptori u oku

Primjer u stvarnom svijetu

110000..000000 –– 55..000000llxx 5500 –– 33llxx 00,,11 –– 00,,0011llxx

rreecceeppttoorrii zzaa bboojjee rreecceeppttoorrii zzaa ssvvjjeettllooććuu

35 od 37

4.1.4. Sjajnost Sjajnost (engl. luminance) (L) je pojam koji u stvari opisuje sjajnost rasvijetljene ili svjetleće površine kako je vidi ljudsko oko. Mjeri se u candelama po površini (cd/m2), a za izvore svjetlosti često se koristi i prikladniji oblik (cd/cm2). Oko posebno dobro vidi razliku između sjajnosti. Sjajnost je jedina fotometrijska veličina koju ljudsko oko može direktno vidjeti.

Tablica 4.5.: Tablica sjajnosti za neke izvore svjetla Prosječna luminancija Izvor svjetla [cd/m2]

Sunce u podne 1,6 x109 Xenon kino žarulja 0,2 - 5x109 Bistra standardna žarulja 2 x 106 - 2 x 107 Fluorescentna cijev 1,2 x 104 Bijeli oblak 1 x 104 Svijeća 7.500 Vedro nebo 3.000 - 5.000 Mjesec 2.500 Ugodna unutarnja rasvjeta 50 - 500 Bijeli papir pri 500 lx 100 Bijeli papir pri 5 lx 1 Noćno nebo 0,001

Slika 4.6.: Primjer različitih izvora svjetlosti jednake jakosti svjetlosti, ali različite

luminancije, koju primjećuje ljudsko oko.

Mala promatrana površina

Velika promatrana površina

Visoka sjajnost

Niska sjajnost

36 od 37

5. ZAKLJUČAK Iz podataka navedenih u ovom materijalu, izvjesno je kako se pravilno projektiranje javne rasvjete, ne može izvoditi ukoliko se ne poznaju elementi vizualne percepcije (osnovni principi anatomije i funkcionalnosti ljudskog oka), fizikalnih i energetskih veličina vezanih uz samo svjetlo te uz njegov odnos sa okolinom u kojoj postoji. Iskustvo je dovelo do postavljanja deset naputaka za izvedbu kvalitetne rasvjete, koji se danas koriste gorovo u svakom projektnom uredu. Deset naputaka za kvalitetnu rasvjetu 1. ODGOVARAJUĆA RASVIJETLJENOST – Efikasnost ljudskog oka uveliko

zavisi o rasvijetljenosti u vidnom polju. Porastom rasvijetljenosti, i razlučivanje ljudskog oka raste, te se smanjuje mogućnost pogreške i zabune.

2. RAVNOMJERNA DISTRIBUCIJA SJAJNOSTI – Uravnotežena distribucija sjajnosti na različitim površinama, čini ambijent vizualno interesantnim. Neadekvatni ili pretjerani kontrast, otežava vid te unosi nemir.

3. RAVNOMJERNI UDIO BLJEŠTANJA – Blještanje samo po sebi nije opasno ali smanjuje optičku percepciju, budući unosi "smetnju" u vizualni podražaj, tzv. zaslonom vela, te stoga djeluje iritantno.

4. DOBAR ODZIV KONTRASTA – Kontrast je komponenta vizualne percepcije, koja omogućava razlikovanje objekta i okoline. Rasvjetni sustav s dobrim udjelom kontrasta sprečava pojavu blještanja čak i na glatkim plohama, odnosno blještanje ne umanjuje kvalitetu slike (npr. isti ovaj tekst na sjajnom papiru)

5. DOBAR UPADNI KUT SVJETLA – Ovaj kut je presudan u kontekstu odziva boje, budući je u relaciji s kutem pod kojim bilo koja refleksija od plohe može biti vidljiva. U isto vrijeme utječe na raspodjelu svjetla i sjene, što je ključ trodimenzionalne percepcije okoline odnosno objekta koji se promatra. U slučaju "preteških" sjena, vizualna informacija može biti izuzetno neugodna i iritirajuća.

6. UGODNI UDIO SJENE – Sjene pomažu pri trodimenzinalnoj percepciji prostora i objekata u prostoru. Dobar udio sjene je proizvod efikasne kombinacije difuznog i direktnog svjetla u ambijentu.

7. ODGOVARAJUĆA POJAVA BOJA – Tijekom dana mijenja se spektar boja koje percipiramo a proizlaze iz sunčevog spektra. Umjetno svjetlo se također proizvodi u smislu emisije različitih boja, čime se zadovoljavaju različiti zahtjevi za rasvjetu određenog ambijenta.

8. PRIRODNI ODZIV BOJA – Ljudsko oko percipira samo boje koje proizlaze iz dolaznog spektra proisteklog iz nekog određenog izvora. Ako je emisija izvora svjetla ograničenog spektralnog raspona, percepcija reflektiranih boja biti će ograničena na taj dio spektra. ODZIV BOJE je mjera sposobnosti umjetnog svjetla za prikaz prirodnih boja objekta kojega osvjetljava.

9. ATMOSFERA AMBIJENTA – Svjetlo u velikoj mjeri utječe na naše raspoloženje i osjećaj ugode u nekom prostoru. Za razliku od nekoliko egzaktnih parametara koji su ovdje spomenuti, ostvarenje dobre atmosfere je pitanje osjećaja projektanta kao i njegovog iskustva te mašte i sposobnosti vizualizacije budućeg rješenja.

10. POTROŠNJA ENERGIJE – Osnovni parametar kvalitetnog projekta rasvjete je precizna procjena potrošnje energije kao i uključenje svih mogućih načina uštede energije u sam projekt. Današnja tehnološka rješenja omogućuju rekonstrukciju starijih sustava u kontekstu uštede energije.

37 od 37

LITERATURA knjige: 01. E. Širola, Cestovna rasvjeta, CIP, Zagreb, 1997. 02. Elektrokovina, Svetlotehnički priručnik, ELEKTROKOVINA, Maribor, 1978. 03. PHILIPS, Philips Lighting Manual, PHILIPS, Eindhoven, Netherlands, 1993. 04. A. Šribar, Električna rasvjeta, FER, Zagreb, 2002 05. S. Lončarić, Odabrana poglavlja obradbe slike, predavanja, FER, 2001 06. Committee on Colorimetry: Optical Society of America. The science of color. Opt. Society of America, Washington, 1953. 07. W. Pratt: Digital image processing, Wiley, New York, 1991. 08. A.F.Inglis: Video engineering. McGraw-Hill, Ney York, 1993. 09. K. Jain Anil: Fundamentals of Digital Image Processing, Prentice Hall, NJ., 1989. 10. L. Garlbiati: Machine Vision and Digital Image Processing Fundamentals, Prentice Hall, NJ, 1990. članci na internetu: 01. B. Williams: A History of Light and Lighting (Edition 2.2), popular reading, 1999., http://www.mts.net/~william5/history/hol.htm 02. T. Edberg: Fluorescent Lighting, 2003, ttp://www.edbergphoto.com/pages/Tip-fluorescents.html 03. U.S. EPA Green Lights Program, Lighting Fundamentals, 1995., http://www.mts.net/~william5/library/epalight.htm 04. B. Williams: Light Sources for Architectural Lighting (Edition 1.1), popular reading, 2000., http://www.mts.net/~william5/library/sources.htm 05. Image acquisition and 2D preprocessing, public WEB library, http://mailweb.udlap.mx/~oldwall/docencia/IMAGENES/curso.html