علم الإضاءة

نظرية الموجات الكهرومغناطيسية

الضوء هو إشعاع كهرومغناطيسي يتكون من موجات عرضية تنتشر من المصادر في جميع الاتجاهات. على عكس موجات الصوت، تتكون موجات الضوء من موجات مجال كهربائي ومغناطيسي متعامدة مع اتجاه الانتشار ويمكنها السفر عبر الفراغ.

الطيف الكهرومغناطيسي

يتراوح الطيف الكهرومغناطيسي من بث الراديو ذي الموجات الطويلة (حتى 2000 متر) إلى الأشعة الكونية (حتى 10⁻¹⁸ متر). يشغل الضوء المرئي نطاق الطول الموجي بين 380-780 نانومتر، حيث تنتج الأطوال الموجية المختلفة انطباعات لونية مختلفة.

Quantum Theory

أثبتت نظرية الكم لماكس بلانك أن الطاقة الكهرومغناطيسية تنبعث في حزم منفصلة تسمى الكمّات (فوتونات للضوء المرئي). يرتبط محتوى الطاقة ارتباطًا مباشرًا بالتردد: E = h·f = h·c/λ، مما يفسر سبب امتلاك الأطوال الموجية الأقصر طاقة أعلى.

المشعاعات الحرارية

الأجسام التي تشع إشعاعات كهرومغناطيسية نتيجة لارتفاع درجة حرارتها، مثل المصابيح المتوهجة والشمس. تميز درجة حرارة اللون اللون المُدرك، حيث تبدو درجات الحرارة المنخفضة (2000-3000K) أكثر دفئًا ودرجات الحرارة الأعلى (5000K+) أكثر برودة.

مشعاعات تفريغ الغاز

الضوء الناتج عن إرسال تيارات إلكترونية عبر الغازات في أنابيب شفافة. يشمل ذلك مصابيح التفريغ منخفضة الضغط (المصابيح الفلورية) ومصابيح التفريغ عالية الضغط (مصابيح HID)، والتي توفر كفاءة أعلى (تصل إلى 15 ضعف المصابيح المتوهجة) وعمرًا أطول (10,000-25,000 ساعة).

Solid-State Radiators

تنتج مصابيح LED الضوء من خلال حركة الإلكترونات عبر تقاطعات p-n في المواد شبه الموصلة. تحقق مصابيح LED الحديثة كفاءة مماثلة لمصابيح تفريغ الغاز، حيث يتم إنتاج الضوء الأبيض عبر الجمع بين RGB أو تحويل الفوسفور.

أنواع المصابيح وخصائصها

تتطلب التطبيقات المختلفة خصائص محددة للمصابيح تشمل الكفاءة ودرجة حرارة اللون وإعادة إنتاج اللون والعمر الافتراضي والقدرة على التعتيم والخصائص الفيزيائية. يوضح سلالة المصابيح العلاقات بين تقنيات الإضاءة الحرارية وتفريغ الغاز والحالة الصلبة.

الانعكاس

التحكم في اتجاه الضوء باستخدام أسطح ذات خصائص انعكاس محددة. تشمل الأنواع الانعكاس المنتظم (شبيه بالمرآة)، والانعكاس المنتشر (المتشعب في جميع الاتجاهات)، والانعكاس المختلط. يُمكن الانعكاس الداخلي الكلي في الألياف البصرية من نقل الضوء بكفاءة.

الامتصاص والنفاذية

إما يتم امتصاص الضوء غير المنعكس (الذي يتحول إلى حرارة) أو ينفذ عبر المواد. تختلف النفاذية باختلاف خصائص المادة والطول الموجي، حيث تنقل المرشحات الملونة مكونات طيفية محددة بشكل انتقائي.

الانكسار

انحناء الضوء عند المرور بين وسائط ذات كثافات مختلفة، محكومًا بقانون سنيل: sinα₁/sinα₂ = n₁/n₂. معامل الانكسار يختلف مع الطول الموجي، مسببًا التشتت اللوني في المناشير والعدسات.

التداخل

تخلق الطبيعة الموجية للضوء تأثيرات التداخل المستخدمة في الطلاءات ثنائية اللون والأسطح المضادة للانعكاس ومرشحات الألوان. يفصل تداخل الأغشية الرقيقة مكونات الإشعاع، مما يتيح تقنيات مثل مصابيح الهالوجين ذات الحزمة الباردة.

الكميات الضوئية

تأخذ وحدات الإضاءة المتخصصة في الاعتبار كلًا من طاقة الإشعاع وحساسية العين البشرية (منحنى V(λ)). تشمل الكميات الرئيسية التدفق الضوئي (لومن)، والشدة الضوئية (شمعة)، والإضاءة (لوكس)، واللمعان (شمعة/م²).

العلاقات العملية

تشمل العلاقات الأساسية قانون التربيع العكسي (E = I/d²)، وقانون جيب التمام للأسطح المائلة، والصيغ التي تربط الإضاءة باللمعان للأسطح العاكسة المنتشرة (L = ρ·E/π).

تقنيات القياس

تستخدم مقاييس الضوء خلايا ضوئية لقياس الاستضاءة، مع أدوات متخصصة لشدة الإضاءة (مقاييس الزوايا الضوئية)، والتدفق الضوئي (كريات أولبريشت)، واللمعان (مقاييس اللمعان).

العملية البصرية وتشريح العين

تعمل العين البشرية بشكل مشابه للكاميرا، حيث تعالج القرنية والعدسة والقزحية والشبكية المعلومات البصرية. يتم تلقي أكثر من 80٪ من المعلومات البيئية عبر الرؤية.

الرؤية بالقضبان والمخاريط

تمكن القضبان الرؤية الليلية (ضعيفة الإضاءة، أحادية اللون، محيطية) مع ذروة حساسية عند 507 نانومتر. تمكن المخاريط الرؤية النهارية (ضوء ساطع، لون، تفصيلية) مع ذروة حساسية عند 555 نانومتر. تشمل الرؤية الشفقية كلا النظامين عند مستويات الإضاءة المتوسطة.

آليات تكيف العين

Accommodation (التركيز البصري)، adaptation (تعديل الحساسية)، و convergence (التنسيق بين العينين) تمكن من تحقيق الرؤية المثلى عبر الظروف والمسافات المختلفة.

الأداء البصري والراحة

يحدد اكتشاف التباين وحدة البصر وإدارة الوهج الأداء البصري. تشمل العوامل حالة التكيف وحجم الجسم ووقت المراقبة والتغيرات البصرية المرتبطة بالعمر.

الجوانب النفسية والعاطفية

يؤثر الإضاءة على الحالات العاطفية والإدراك المكاني والجو العام. يصف منحنى كروثوف العلاقات المفضلة بين مستويات الإضاءة ودرجات حرارة اللون.

مزج الألوان

ينتج مزج الألوان الجمعي (دمج أضواء RGB) نتائج أكثر إشراقًا، بينما ينتج المزج الطرحي (الدهانات، المرشحات) نتائج أكثر قتامة. تندمج الألوان الأساسية (red، green، blue) لتشكل ضوءًا أبيض في أنظمة المزج الجمعي.

مثلث الألوان ودرجة الحرارة

يحدد مخطط chromaticity الخاص بـ CIE إدراك اللون باستخدام إحداثيات x-y. وتصف درجة حرارة اللون المشعاعات الحرارية، بينما تصف درجة حرارة اللون المرتبطة مصادر التفريغ الغازي والحالة الصلبة.

Chromatic Adaptation

يتكيف نظام العين-الدماغ مع ظروف الإضاءة، حيث يدرك توازنات البيان المختلفة على أنها "أبيض" اعتمادًا على السياق وحالة التكيف.

تجسيد الألوان

يقيس مؤشر تجسيد اللون العام (Rₐ) مدى دقة نقل مصادر الضوء لألوان الأجسام مقارنة بمصادر الإضاءة المرجعية. تتراوح القيم من سالب (ضعيف) إلى 100 (ممتاز).

الإيقاعات اليومية

تنظم دورات الضوء والظلام الإيقاعات البيولوجية لمدة 24 ساعة بما في ذلك دورات النوم والاستيقاظ ودرجة حرارة الجسم وإنتاج الهرمونات (الكورتيزول، الميلاتونين). يقوم ضوء الصباح بمزامنة الساعة البيولوجية الداخلية.

التأثيرات البيولوجية غير البصرية

الخلايا العقدية الشبكية الحساسة للضوء جوهرياً (ipRGCs) تتصل بالساعة البيولوجية للدماغ (SCN)، مؤثرة على العمليات الفسيولوجية بشكل مستقل عن الإدراك البصري.

Spectral Sensitivity Differences

تبلغ الحساسية البيولوجية ذروتها في منطقة الطيف الأزرق (حوالي 480-460 نانومتر)، على عكس الحساسية البصرية التي تبلغ ذروتها في المنطقة الخضراء-الصفراء (555 نانومتر).

Lighting Therapy

يمكن للإضاءة المُتحكَّم بها معالجة اضطرابات النوم، والاضطراب العاطفي الموسمي (SAD)، واضطرابات الأكل، والاضطرابات في إيقاع الساعة البيولوجية الناجمة عن اختلاف التوقيت أو العمل بنظام الورديات.

متطلبات مستوى الإضاءة

تتراوح مستويات الإضاءة المناسبة من 0.25 لوكس (ضوء القمر) إلى 100,000 لوكس (ضوء الشمس المباشر)، مع توصيات محددة للتطبيقات المختلفة بناءً على صعوبة المهمة وعمر المستخدم.

التوزيع المكاني

تضمن نسب الانتظام وتوزعات الإضاءة وقيود الوهاء بيئات بصرية متوازنة. النطاقات الموصى بها للانعكاسية: السقف (60-90%)، الجدران (30-80%)، أسطح العمل (20-60%)، الأرضية (10-50%).

توجيهية الضوء

يخلق الضوء الموجه النمذجة والظلال، بينما يقلل الضوء المنتشر من الظلال، ويوفر الضوء غير المباشر إضاءة ناعمة. يحدد توزيع ضوء الثريا تأثيرات الإضاءة والوهاء المحتمل.

الاعتبارات المتعلقة بالألوان

يعتمد اختيار مؤشر تجسيد الألوان (Rₐ) ودرجة حرارة اللون على متطلبات التطبيق. يمكن للإضاءة الديناميكية ضبط كلا المعلمتين لدعم الاحتياجات البيولوجية على مدار اليوم.

الاقتصاد والبيئة

يحلل إجمالي تكلفة الملكية التوازن بين تكاليف الاستثمار وتكاليف التشغيل (الطاقة، الصيانة). يُستهلك الإضاءة 19% من الاستخدام العالمي للكهرباء، مما يؤكد أهمية كفاءة الطاقة والمسؤولية البيئية.