نور و روشنایی

 

نور با حیات بشر پیوندی تاریخی دارد. بدون نور طبیعی خورشید، به هیچ وجه در روی زمین زندگی به وجود نمی آمد. ما حدود 80 درصد اطلاعات دریافتی از محیط را توسط چشم هایمان به دست می آوریم. امروزه می توانیم برای هر وظیفه دیداری، با استفاده از منابع نور مصنوعی، روشنایی درست را تامین کنیم. این کار حداقل درتئوری ممکن است اما در عمل ، گاهی برخی از نیازها تامین نمی شود.
روشنایی برای ایمنی لازم است. در خیابان، خانه و در محل کار با تامین روشنایی صحیح می توان از بروز حوادث جلوگیری کرد. در محل کار، روشنایی باعث می شود خطرات به موقع شناسایی گردند یا در خیابان، موانع بهتر دیده شوند. در کنار این مزایای کاربردی و عملکردی نحوه، میزان و رنگ نور و روشنایی تاثیر مستقیم در وضعیت روحی و تندرستی انسان و برداشت های فرد از محیط دارد.

1. طول موج نور

نور مرئی بخش کوچکی از محدوده تشعشعات الکترومغناطیسی است که چشم انسان به آن حساس است. وجه تمایز نور با سایر تشعشعات الکترومغناطیس فقط طول موج آنهاست. طول موج مرئی بین 380 نانومتر و 780 نانومتر (1 نانومتر = 9-10 m) قرار دارد. (تصویر1) امواج نور بسیار کوتاه تر از امواج رادیویی هستند؛ برای مثال، امواج بسیار کوتاه طولی بین 1 تا 10 متر دارند. علاوه بر امواج رادیویی و امواج نور، اشعه ایکس و تشعشعات کیهانی همه به امواج الکترومغناطیسی تعلق دارند. اتمسفر اطراف زمین ما را از تشعشعات خطرناک محافظت می کند و به اشعه های نور مرئی، ماوراء بنفش (UV) و مادون قرمز (IR) به مقدار مشخصی (محدود) اجازه عبور می دهد، به طوری که زندگی طبیعی ممکن می گردد.

تصویر(1): طیف مرئی و نامرئی نور

2. طیف

نور سفید خورشید از امواج الکترومغناطیسی با طول موج های متفاوتی تشکیل شده است. اگر نوار باریکی از نور خورشید را از یک منشور شیشه ای بگذرانیم و پرتوهای خروجی آن را روی یک تخته تصور کنیم، یک طیف رنگی قابل دیدن ایجاد می شود که در رنگین کمان هم دیده اید. در پیدایش رنگین کمان تعداد زیادی از قطرات ریز باران در هوا منشورهایی می سازند که خورشید از لابه لای آنها می تابد. هر رنگ متناظر با طول موج کاملا مشخصی است. امواج نور قرمز رنگ (600 > نانومتر) بلندتر از مواج نور آبی رنگ (450< نانومتر) هستند. اختلاط تمام امواج نوری در چشم، نور سفید ایجاد می کند.
اجسام رنگی فقط وقتی به صورت رنگی دیده می شوند که در طیف منبع نور تابیده شده به آنها تمام رنگ ها موجود باشند. برای مثال نور خورشید، لامپ های رشته ای و لامپ های فلورست با ویژگی های نمود رنگ بسیار خوب، طیف کاملی دارند. با وجود این، مثلاً اگر نور لامپ بخار سدیم کم فشار را از یک منشور شیشه ای عبور دهیم، فقط نور زرد از آن خارج می شود، زیرا طیف این منبع نور فقط شامل اشعه هایی با طول موج 589nm(1) می شود، که به آن پرتو تک رنگ می گویند. (تصویر 2)

تصویر (2): انواع منابع نور و طیف های آن

3. شار نوری (جریان نور) (

)
توان الکتریکی دریافتی یک لامپ توسط فرآیندهای مختلف فیزیکی به توان تابشی تبدیل می شود. این توان تابشی به روشی محاسباتی با منحنی حساسیت روشنایی چشم انسان (
) V ارزیابی می شود. بنابراین شار نوری
همان معدل فیزیکی توان تابشی است. شار نوری، کل نوری است که لامپ به تمام جهات فضا منتشر می سازد.
واحد شار نوری لومن (Lm) می باشد و نسبت شار نوری بر توان الکتریکی لامپ به عنوان بهره نوری
نامگذاری می شود که اندازه ای برای راندمان منبع نور است. (تصویر 3)

تصویر (3): پخش نور در دو نوع لامپ متداول

4. شدت نور (I)

برای محاسبه توزیع نور در یک سیستم روشنایی (نظیر چراغ) بیان شار نور کافی نیست، بلکه لازم است که توزیع شار نور را در جهت های خاص در فضا بشناسیم. مخروطی که در (تصویر 4) از مرکز لامپ ترسیم شده است، یک زاویه فضایی (
) را نمایش می دهد

تصویر(4): منحنی توزیع شدت نور
زاویه فضایی بر حسب استرادیان (Sr) بیان می شود. شدت نور با علامت I به عنوان حاصل تقسیم شار نوری که از این زاویه فضایی ساطع می شود بر زاویه فضایی تعریف می گردد
. از آنجا که پرتو شار نور به صورت یکسان پخش نمی شود، باید زاویه فضایی را بسیار کوچک انتخاب کرد تا بتوان یک جهت واحد را در فضا تعریف کرد. زاویه
این جهت تابش را مشخص می کند. واحد شدت نور با کاندلا (cd) اندازه گیری می شود. تمام صفحات c یک خط برش مشترک دارند که عمود بر سطح خروجی نور لامپ قرار گرفته اند. در شکل منحنی توزیع شدت نور هر دو صفحه اصلی C 180 - C0 و C 270 - C90 برای یک چراغ خیابانی ترسیم شده است.

5. شدت روشنایی (E)

شار نوری منتشر شده از یک منبع نور، روی سطح بیرونی اشیای محیط ما می تابد. برای توصیف میزان نور تابیده شده به یک سطح، مقدار شار نوری را بر مساحت سطح تقسیم می کنند. در (تصویر 5) این تعریف به صورت نمونه ترسیم شده است:

تصویر(5): تفاوت مفهوم درخشندگی و شدت روشنایی
حاصل تقسیم را با E نمایش می دهند و شدت روشنایی می نامند. از این مطلب می فهمیم که شار نوری، که به طور یکسان روی این سطح توزیع شده، چقدر است. با توجه به این تعریف، واحد شدت روشنایی لومن بر متر مربع خواهد بود که نامگذاری لوکس (Lux) برای آن متداول است. برای محاسبه این شاخص محاسباتی تعریف شده لازم نیست یک سطح مادی واقعی موجود باشد. شدت روشنایی را می توان در هر سطح مجازی در فضا، مثلاً در یک اتاق اداری مبله نشده در سطح کار فرضی در ارتفاع 85 سانتیمتر بالای کف، محاسبه یا اندازه گیری کرد. در یک اتاق اداری، سطح کار به صورت افقی است و از سطح روشنایی افقی صحبت می شود. در دیواره کتابخانه، برای تشخیص جلد کتاب، شدت روشنایی عمودی اهمیت دارد.

6. درخشندگی (L)

وقتی نور یک لامپ روی سطحی تابیده شود، شدت روشنایی در آن محل ایجاد و بسته به جنس سطح، کما بیش نوری از آن، منعکس می شود. وقتی به این سطح نگاه کنیم، بخشی از نور انعکاسی به چشم ما می رسد و ما این سطح را روشن حس می کنیم. سطح مورد نظر اکنون خود همانند یک منبع نور عمل و شار نوری را در جهات مختلف پخش می کند. می توان سهم شار نوری را که در جهت چشمان ما تابیده می شود، شدت نور محسوب می کرد. این شدت نور روی سطح دیده شده را درخشندگی می نامند و آن را با L نمایش می دهند و واحد آن کَندِلا بر مترمربع است
درخشندگی واحدی برای اندازه گیری تاثیر روشنایی است که سطح روشن شده روی چشم ایجاد می کند.
از چهار کمیت اصلی تعریف شده برای روشنایی، درخشندگی تنها کمیتی است که توسط سیستم عصبی چشم احساس می شود. باید توجه کرد که در شدت روشنایی یکسان، درخشندگی یک سطح سفید با حداکثر ضریب انعکاس بسیار بیشتر از یک سطح تیره با ضریب انعکاس اندک خواهد بود.

7. مشخصه مواد

وقتی نور بر ماده ای مانند شیشه ی یک پنجره بتابد، سه رویداد مختلف رخ می دهد؛ بخشی از نور منعکس می شود، بخشی جذب می شود (جذب ماده می شود) و بقیه عبور می کند. این شار نوری به سه بخش «شار نور انعکاسی»،«شار نور جذبی» و «شار نور عبوری» تقسیم می شود. با داشتن این مقادیر، کمیت هایی را تعریف می کنیم که از تقسیم این مقادیر بر کل شار نوری تابیده شده به دست می آیند؛ این مقادیر به عنوان ضریب انعکاس، ضریب جذب و ضریب عبور نامگذاری می شوند. این ضرایب توصیف می کنند که سهم هر کدام از نورها نسبت به کل نور تابیده شده چقدر است. برای مثال یک صفحه شیشه ای ساده با ضخامت 4 میلی متر، 8 درصد از نور تابیده شده را منعکس می کند، 90 درصد را عبور می دهد و بقیه را جذب می کند.

تصویر(6): نحوه تابش نور بر یک شیئی و میزان نفوذ، انعکاس و جذب نور
شار نوری جذب شده سرانجام به حرارت تبدیل می شود و دمای ماده را افزایش می دهد. در اثر انعکاس و عبور نور منعکس شده یا عبور داده شده، ممکن است توزیع متفاوتی با نور تابیده شده داشته باشد. شکل های دیگر انعکاس یا عبور نور عبارتند از کاملا هدایت شده و کاملا جهت دار. در شکل این حالت های مختلف نمایش داده شده است.
بین ضرایب یا شارهای نوری جزء رابطه زیر برقرار است:

8. رنگ نور

ما جهان اطراف مان را در رنگ های مختلف حس می کنیم. برای آنکه بتوانیم هر رنگی را با یک کمیت دقیق توصیف کنیم، از یک معیار بین المللی که در تصویر (7) ترسیم شده است، یعنی منحنی نمایش استاندارد رنگ استفاده می کنیم. تمام رنگ ها را می توان توسط کمیت های استاندارد x و y توصیف کرد. رنگ نور را تاثیر رنگی می نامند که از یک منبع نور حس می کنیم. وقتی رشته های تنگستن لامپ التهابی (فیلامان) به طور پیوسته گرم شوند، در ابتدا نور قرمز، سپس زرد و سرانجام سفید منتشر می شود. ماکس پلانک، فیزیکدان ، این نوع تابش را به اصطلاح تابش حرارتی نامید که توسط یک فرمول ریاضی توصیف می شود. در نتیجه می توان رنگ نور را در دمای ذوب تنگستن نیز توصیف کرد. تمام رنگ های شناخته شده منابع نوری روی یک منحنی که داخل منحنی کروماتسیتی ترسیم می شود، قرار دارد. به این ترتیب، اگر رنگ نور یک منبع همانند رنگ های روی این منحنی یا نزدیک به آنها باشد، می توان با بیان دمایی که روی این منحنی نوشته شده، دمای رنگ منبع را بیان کرد. این دما به عنوان دمای رنگ مرتبط Tn منبع نور نامیده و بر حسب کلوین (k) بیان می شود. به جای عبارت دمای رنگ مرتبط، اغلب همان اصطلاح دمای رنگ به کار برده می شود که در کاتالوگ های سازندگان لامپ می بینیم. دمای رنگ نورهایی که دارای یک مشخصه کلی یکسان هستند، در یک محدوده قرار می گیرد.

9. شاخص نمود رنگ CRI

یک مشخصه مهم دیگر در منابع نور مصنوعی شاخص «نمود رنگ» است. از این عبارت متوجه یکی از ویژگی های منبع نور می شویم که شیئی روشن شده تا چه حد با رنگ های طبیعی به نظر می آید. منظور از رنگ های طبیعی در اینجا، رنگی است که توسط روشنایی با منبع نور مورد اطمینان مانند نور روز دیده می شود.

دمای رنگ	رنگ نور
زیر 3300K	سفید گرم
بین 5300Kو  3300K	سفید خنثی
بالای 5300K	سفید روشنایی روز

جدول (1): نسبت بین دمای رنگ و رنگ نور

تصویر(7): رنگ نور برحسب دما (درجه کلوین)
چنانچه نمود اشیا را زیر نور خورشید به عنوان مبنا مد نظر قرار دهیم، این شاخص نشان می دهد که اشیای زیر نور منتشر شده توسط لامپ تا چه اندازه به رنگ واقعی نمایش داده می شوند. CRI در مورد لامپ های عددی بین 20 تا 100 است و هر چه این عدد بالاتر باشد، نمود رنگ واقعی تر 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 قسمت های 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 خودرو سازی، اتاق گریم و آرایش و ... استفاده از لامپ هایی با درصد بازتاب رنگ بالا توصیه می شود. درصد بازتاب رنگ برای چند گروه از لامپ های مختلف عبارت است از:
• لامپ های فلورسنت: 50- 80 %
• لامپ های بخار سدیم: 20 - 40 %
• لامپ های متال هالید : 80 - 90 %
• لامپ های التهابی 100%
منبع مقاله :
زیرنظر دکتر جمال کامیاب: معاون برنامه ریزی و توسعه، مبانی نور و روشنایی، دانش زیباشناسی شهری 4، تهران: سازمان زیباشناسی شهر تهران