علم روشنایی

Electromagnetic Wave Theory

نور نوعی تابش الکترومغناطیسی متشکل از امواج عرضی است که از منابع در تمام جهات منتشر می‌شوند. برخلاف امواج صوتی، امواج نوری شامل امواج میدان الکتریکی و مغناطیسی عمود بر جهت حرکت بوده و قادر به حرکت در خلأ هستند.

Electromagnetic Spectrum

طیف الکترومغناطیسی از انتقالات رادیویی موج بلند (تا ۲۰۰۰ متر) تا پرتوهای کیهانی (تا ۱۰⁻¹⁸ متر) گسترده شده است. نور مرئی محدوده طول موج بین ۳۸۰-۷۸۰ نانومتر را به خود اختصاص می‌دهد که طول‌موج‌های مختلف، برداشت‌های رنگی متفاوتی ایجاد می‌کنند.

Quantum Theory

نظریه کوانتومی ماکس پلانک ثابت کرد که انرژی الکترومغناطیسی در مقادیر گسسته‌ای به نام کوانتا (فوتون برای نور مرئی) منتشر می‌شود. محتوای انرژی مستقیماً با فرکانس مرتبط است: E = h·f = h·c/λ، که توضیح می‌دهد چرا طول‌موج‌های کوتاه‌تر انرژی بالاتری دارند.

تابش‌گرهای حرارتی

Corps émettant un rayonnement électromagnétique dû à une température élevée, tels que les lampes à incandescence et le soleil. La température de couleur caractérise la couleur perçue, les températures plus basses (2000-3000K) paraissant plus chaudes et les températures plus élevées (5000K+) paraissant plus froides.

Radiateurs à Décharge de Gaz

نور تولید شده از طریق ارسال جریان‌های الکترونی در گازهای داخل لوله‌های شفاف. شامل لامپ‌های تخلیه کم‌فشار (لامپ‌های فلورسنت) و پرفشار (لامپ‌های HID) می‌شود که بازدهی بالاتر (تا ۱۵ برابر لامپ‌های رشته‌ای) و طول عمر بیشتر (۱۰,۰۰۰ تا ۲۵,۰۰۰ ساعت) ارائه می‌دهند.

Solid-State Radiators

LEDها از طریق حرکت الکترون در اتصالات p-n در مواد نیمه‌هادی نور تولید می‌کنند. LEDهای مدرن به بازدهی قابل مقایسه با لامپ‌های تخلیه گازی دست یافته‌اند که نور سفید از طریق ترکیب RGB یا تبدیل فسفر تولید می‌شود.

انواع لامپ و ویژگی‌ها

کاربردهای مختلف به ویژگی‌های خاص لامپ از جمله بازده نوری، دمای رنگ، بازده رنگ، طول عمر، قابلیت تنظیم شدت و ویژگی‌های فیزیکی نیاز دارند. شجره‌نامه لامپ روابط بین فناوری‌های روشنایی حرارتی، تخلیه گازی و حالت جامد را نشان می‌دهد.

بازتاب

کنترل جهت نور با استفاده از سطوح دارای ویژگی‌های بازتابی خاص. انواع شامل بازتاب آینه‌ای (شبیه آینه)، بازتاب پخشی (پراکنده در تمام جهات) و بازتاب مختلط می‌شود. بازتاب داخلی کلی در فیبرهای نوری انتقال کارآمد نور را ممکن می‌سازد.

جذب و عبور

نوری که بازتاب نمی‌یابد یا جذب می‌شود (تبدیل به گرما) یا از مواد عبور می‌کند. میزان عبور بسته به خواص مواد و طول موج تغییر می‌کند، با فیلترهای رنگی که به طور انتخابی اجزای طیفی خاصی را عبور می‌دهند.

شکست نور

انحنای نور هنگام عبور از محیط‌های با چگالی متفاوت، که توسط قانون اسنل حکم‌روایی می‌شود: sinα₁/sinα₂ = n₁/n₂. ضریب شکست با طول موج تغییر می‌کند و باعث پاشندگی رنگی در منشورها و عدسی‌ها می‌شود.

تداخل

ماهیت موجی نور، اثرات تداخلی را ایجاد می‌کند که در پوشش‌های دایکرویک، سطوح ضد بازتاب و فیلترهای رنگی استفاده می‌شود. تداخل لایه‌نازک، اجزای تابش را از هم جدا می‌کند که فناوری‌هایی مانند لامپ‌های هالوژن cool-beam را ممکن می‌سازد.

کمیت‌های نورسنجی

واحدهای تخصصی روشنایی هم انرژی تابشی و هم حساسیت چشم انسان (منحنی V(λ)) را در نظر می‌گیرند. کمیت‌های کلیدی شامل شار نوری (لومن)، شدت نور (کاندلا)، روشنایی (لوکس) و درخشندگی (کاندلا بر متر مربع) می‌شوند.

روابط عملی

روابط بنیادی شامل قانون مربع معکوس (E = I/d²)، قانون کسینوس برای سطوح زاویه‌دار، و فرمول‌های ارتباط روشنایی با درخشندگی برای سطوح بازتابنده منتشر (L = ρ·E/π) می‌شوند.

تکنیک‌های اندازه‌گیری

نورسنج‌ها از سلول‌های نوری برای اندازه‌گیری روشنایی استفاده می‌کنند، با ابزارهای تخصصی برای شدت نور (گونیوفوتومترها)، شار نوری (کره‌های اولبریخت) و درخشندگی (نورسنج‌های درخشندگی).

فرآیند بینایی و کالبدشناسی چشم

چشم انسان عملکردی مشابه دوربین دارد که با استفاده از cornea، lens، iris و retina اطلاعات بصری را پردازش می‌کند. بیش از 80% اطلاعات محیطی از طریق بینایی دریافت می‌شود.

Rod and Cone Vision

Rods امکان دید سوتوپیک (نور کم، تک‌رنگ، محیطی) را با حساسیت اوج در 507 نانومتر فراهم می‌کنند. Cones امکان دید فوتوپیک (نور روشن، رنگی، دقیق) را با حساسیت اوج در 555 نانومتر فراهم می‌کنند. دید مزوپیک هر دو سیستم را در سطوح نوری میانی درگیر می‌کند.

مکانیسم‌های تنظیم چشم

Accommodation (تمرکز)، adaptation (تنظیم حساسیت) و convergence (هماهنگی دوچشمی) امکان دید بهینه در شرایط و فواصل مختلف را فراهم می‌کنند.

عملکرد و آسایش بینایی

تشخیص کنتراست، حدت بینایی و مدیریت خیرگی عملکرد بصری را تعیین می‌کنند. عوامل شامل وضعیت سازگاری، اندازه شیء، زمان مشاهده و تغییرات بینایی مرتبط با سن می‌شوند.

جنبه‌های روانشناختی و عاطفی

نورپردازی بر حالت‌های عاطفی، ادراک فضایی و جو تأثیر می‌گذارد. منحنی Kruthof روابط ترجیحی بین سطوح روشنایی و دمای رنگ را توصیف می‌کند.

Color Mixing

ترکیب افزایشی رنگ‌ها (ترکیب نور RGB) نتایج روشن‌تری تولید می‌کند، در حالی که ترکیب کاهشی (رنگ‌ها، فیلترها) نتایج تاریک‌تری ایجاد می‌کند. رنگ‌های اولیه (قرمز، سبز، آبی) در سیستم‌های افزایشی برای تشکیل نور سفید ترکیب می‌شوند.

مثلث رنگ و دما

نمودار رنگی CIE ادراک رنگ را با استفاده از مختصات x-y کمّی‌سازی می‌کند. دمای رنگ، تابنده‌های حرارتی را مشخص می‌کند، در حالی که دمای رنگ مرتبط، منابع تخلیه گازی و حالت جامد را توصیف می‌نماید.

سازگاری رنگی

سیستم چشم-مغز به شرایط نوری عادت می‌کند و تعادل‌های سفید مختلف را بسته به زمینه و حالت سازگاری، به عنوان "سفید" ادراک می‌نماید.

بازآفرینی رنگ

شاخص عمومی بازآفرینی رنگ (Rₐ) میزان وفاداری منابع نور در بازتولید رنگ‌های اجسام در مقایسه با منابع مرجع را کمّی‌سازی می‌کند. مقادیر آن از اعداد منفی (ضعیف) تا 100 (عالی) متغیر است.

ریتم‌های شبانه‌روزی

چرخه‌های روشنایی-تاریکی، ریتم‌های زیستی ۲۴ ساعته از جمله چرخه‌های خواب-بیداری، دمای بدن و تولید هورمون (کورتیزول، ملاتونین) را تنظیم می‌کنند. نور صبحگاهی ساعت زیستی درونی را همگام می‌سازد.

Non-Visual Biological Effects

سلول‌های گانگلیونی شبکیه ذاتی‌نورحساس (ipRGCs) به ساعت زیستی مغز (SCN) متصل شده و فرآیندهای فیزیولوژیک را مستقل از ادراک بینایی تحت تأثیر قرار می‌دهند.

Spectral Sensitivity Differences

حساسیت بیولوژیکی در ناحیه آبی طیف (حدود 480-460 نانومتر) به اوج می‌رسد، برخلاف حساسیت بینایی که در محدوده زرد-سبز (555 نانومتر) بیشینه می‌شود.

Lighting Therapy

نورپردازی کنترل‌شده می‌تواند اختلالات خواب، اختلال عاطفی فصلی (SAD)، اختلالات خوردن و اختلالات ریتم شبانه‌روزی ناشی از پرواز زدگی یا کار شیفتی را درمان کند.

Lighting Level Requirements

سطوح روشنایی مناسب از 0.25 لوکس (مهتاب) تا 100,000 لوکس (نور مستقیم خورشید) متغیر است، با توصیه‌های خاص برای کاربردهای مختلف بر اساس دشواری وظیفه و سن کاربر.

توزیع فضایی

نسبت‌های یکنواختی، توزیع‌های درخشندگی و محدودیت‌های خیرگی، محیط‌های بصری متعادل را تضمین می‌کنند. محدوده‌های بازتابندگی توصیه شده: سقف (90%-60)، دیوارها (80%-30)، سطوح کاری (60%-20)، کف (50%-10).

جهت‌داری نور

نور جهت‌دار ایجاد مدلسازی و سایه می‌کند، نور منتشر سایه‌ها را به حداقل می‌رساند و نور غیرمستقیم روشنایی ملایم فراهم می‌کند. توزیع نور Luminaire اثرات روشنایی و خیرگی بالقوه را تعیین می‌کند.

ملاحظات مربوط به رنگ

انتخاب شاخص نمود رنگ (Rₐ) و دمای رنگ بسته به نیازهای کاربردی متفاوت است. نورپردازی پویا می‌تواند هر دو پارامتر را برای پشتیبانی از نیازهای زیستی در طول روز تنظیم کند.

اقتصاد و محیط زیست

تجزیه و تحلیل هزینه کل مالکیت، هزینه‌های سرمایه‌گذاری را با هزینه‌های جاری (انرژی، نگهداری) متعادل می‌سازد. روشنایی 19 درصد از مصرف برق جهانی را به خود اختصاص می‌دهد که بر اهمیت بهره‌وری انرژی و مسئولیت‌پذیری زیست‌محیطی تأکید دارد.