Sains Pencahayaan

Teori Gelombang Elektromagnet

Cahaya ialah radiasi elektromagnet yang terdiri daripada gelombang melintang yang merambat dari sumber ke semua arah. Berbeza dengan gelombang bunyi, gelombang cahaya terdiri daripada gelombang medan elektrik dan magnet yang berserenjang dengan arah perambatan serta mampu merambat melalui vakum.

Spektrum Elektromagnet

Spektrum elektromagnet merangkumi julat dari transmisi radio gelombang panjang (hingga 2,000 meter) hingga sinar kosmik (serendah 10⁻¹⁸ meter). Cahaya tampak menduduki julat panjang gelombang antara 380-780 nanometer, dengan panjang gelombang berbeza menghasilkan kesan warna yang berbeza.

Teori Kuantum

Teori kuantum Max Planck menetapkan bahawa tenaga elektromagnet dipancarkan dalam bahagian diskret yang dipanggil kuantum (foton untuk cahaya nampak). Kandungan tenaga berkait secara langsung dengan frekuensi: E = h·f = h·c/λ, menerangkan mengapa panjang gelombang lebih pendek mempunyai tenaga lebih tinggi.

Pemanas Terma

Jasad yang memancarkan sinaran elektromagnet akibat kenaikan suhu, seperti lampu pijar dan matahari. Suhu warna mencirikan warna yang dilihat, dengan suhu lebih rendah (2000-3000K) kelihatan lebih hangat dan suhu lebih tinggi (5000K+) kelihatan lebih sejuk.

Pemanas Nyahcas Gas

Cahaya dihasilkan dengan menghantar aliran elektron melalui gas dalam tiub lutsinar. Termasuk lampu nyahcas tekanan rendah (lampu pendarfluor) dan lampu nyahcas tekanan tinggi (lampu HID), menawarkan kecekapan lebih tinggi (sehingga 15x lampu pijar) dan jangka hayat lebih lama (10,000-25,000 jam).

Pemancar Keadaan Pepejal

LED menghasilkan cahaya melalui pergerakan elektron merentasi simpang p-n dalam bahan semikonduktor. LED moden mencapai kecekapan setanding dengan lampu nyahcas gas, dengan cahaya putih dihasilkan melalui gabungan RGB atau penukaran fosfor.

Jenis dan Sifat Lampu

Aplikasi berbeza memerlukan sifat lampu khusus termasuk kecekapan, suhu warna, pemulihan warna, jangka hayat, kebolehsamaran, dan ciri fizikal. Keturunan lampu menunjukkan hubungan antara teknologi pencahayaan terma, nyahcas gas dan keadaan pepejal.

Pantulan

Kawalan arah cahaya menggunakan permukaan dengan ciri pantulan khusus. Jenis termasuk pantulan spekular (seperti cermin), pantulan resap (berserakan ke semua arah), dan pantulan campuran. Pantulan dalaman total dalam gentian optik membolehkan penghantaran cahaya yang cekap.

Penyerapan dan Penghantaran

Cahaya tidak terpantul sama ada diserap (ditukar kepada haba) atau dihantar melalui bahan. Keterhantaran berbeza dengan sifat bahan dan panjang gelombang, dengan penapis berwarna menghantar komponen spektrum tertentu secara terpilih.

Refraksi

Cahaya membengkok apabila melalui antara media berbeza ketumpatan, dikawal oleh Hukum Snell: sinα₁/sinα₂ = n₁/n₂. Indeks biasan berbeza dengan panjang gelombang, menyebabkan penyebaran kromatik dalam prisma dan kanta.

Interferens

Sifat gelombang cahaya menciptakan kesan interferens yang digunakan dalam salutan dikroik, permukaan anti-pantulan, dan penapis warna. Interferens filem nipis memisahkan komponen sinaran, membolehkan teknologi seperti lampu halogen cool-beam.

Kuantiti Fotometrik

Unit pencahayaan khusus memperhitungkan kedua-dua tenaga sinaran dan kepekaan mata manusia (lengkung V(λ)). Kuantiti utama termasuk fluks bercahaya (lumen), intensiti bercahaya (kandela), pencahayaan (lux), dan kecerahan (cd/m²).

Hubungan Praktikal

Hubungan asas termasuk hukum kuasa dua songsang (E = I/d²), hukum kosinus untuk permukaan bersudut, dan formula menghubungkan pencahayaan dengan kecerahan untuk permukaan pantulan resap (L = ρ·E/π).

Teknik Pengukuran

Meter cahaya menggunakan sel foto untuk mengukur pencahayaan, dengan instrumen khusus untuk keamatan cahaya (gonio-fotometer), fluks bercahaya (sfera Ulbricht), dan kecerahan (meter kecerahan).

Proses Visual dan Anatomi Mata

Mata manusia berfungsi serupa dengan kamera, di mana kornea, lensa, iris, dan retina memproses informasi visual. Lebih dari 80% informasi lingkungan diterima melalui penglihatan.

Penglihatan Batang dan Kerucut

Sel batang memungkinkan penglihatan skotopik (cahaya rendah, monokromatik, periferal) dengan sensitivitas puncak pada 507nm. Sel kerucut memungkinkan penglihatan fotopik (cahaya terang, warna, detail) dengan sensitivitas puncak pada 555nm. Penglihatan mesopik melibatkan kedua sistem pada tingkat pencahayaan menengah.

Mekanisme Pelarasan Mata

Akomodasi (penumpuan), adaptasi (pelarasan kepekaan), dan konvergensi (penyelarasan binokular) membolehkan penglihatan optimum merentasi pelbagai keadaan dan jarak.

Prestasi dan Keselesaan Penglihatan

Pengesanan kontras, ketajaman penglihatan, dan pengurusan silau menentukan prestasi visual. Faktor termasuk keadaan adaptasi, saiz objek, masa pemerhatian, dan perubahan penglihatan berkaitan usia.

Aspek Psikologi dan Emosi

Pencahayaan mempengaruhi keadaan emosi, persepsi ruang, dan atmosfera. Lengkung Kruthof menerangkan hubungan pilihan antara tahap pencahayaan dan suhu warna.

Percampuran Warna

Pencampuran warna aditif (gabungan cahaya RGB) menghasilkan hasil yang lebih terang, manakala pencampuran subtraktif (cat, penapis) menghasilkan hasil yang lebih gelap. Warna primer (merah, hijau, biru) bergabung membentuk cahaya putih dalam sistem aditif.

Segi Tiga Warna dan Suhu

CIE chromaticity diagram mengukur persepsi warna menggunakan koordinat x-y. Suhu warna mencirikan radiator termal, manakala suhu warna berkorelasi menerangkan sumber nyahcas gas dan keadaan pepejal.

Penyesuaian Kromatik

Sistem mata-otak menyesuaikan diri dengan keadaan pencahayaan, menganggap keseimbangan putih berbeza sebagai "putih" bergantung pada konteks dan keadaan penyesuaian.

Pemberian Warna

Indeks pemberian warna umum (Rₐ) mengukur sejauh mana sumber cahaya menghasilkan semula warna objek secara tepat berbanding dengan sumber rujukan. Nilainya berjulat dari negatif (lemah) hingga 100 (cemerlang).

Ritma Sirkadian

Kitaran cahaya-gelap mengawal selia ritma biologi 24 jam termasuk kitaran tidur-jaga, suhu badan, dan penghasilan hormon (kortisol, melatonin). Cahaya pagi menyelaraskan jam biologi dalaman.

Kesan Biologi Bukan Visual

Sel ganglion retina fotosensitif intrinsik (ipRGCs) bersambung dengan jam biologi otak (SCN), mempengaruhi proses fisiologi bebas daripada persepsi visual.

Perbezaan Kepekaan Spektrum

Kepekaan biologi memuncak dalam kawasan spektrum biru (sekitar 460-480nm), berbeza dengan kepekaan visual yang memuncak dalam hijau-kuning (555nm).

Lighting Therapy

Pencahayaan terkawal boleh merawat gangguan tidur, seasonal affective disorder (SAD), gangguan pemakanan, dan gangguan irama sirkadian akibat jet lag atau kerja syif.

Keperluan Tahap Pencahayaan

Tahap pencahayaan yang sesuai adalah antara 0.25 lux (cahaya bulan) hingga 100,000 lux (cahaya matahari langsung), dengan cadangan khusus untuk aplikasi berbeza berdasarkan kesukaran tugas dan umur pengguna.

Taburan Spatial

Nisbah keseragaman, taburan luminans, dan sekatan silau memastikan persekitaran visual yang seimbang. Julat reflektans yang disyorkan: siling (60-90%), dinding (30-80%), satah kerja (20-60%), lantai (10-50%).

Arah Cahaya

Cahaya berarah mencipta pemodelan dan bayang-bayang, cahaya resap mengurangkan bayang-bayang, manakala cahaya tidak langsung memberikan pencahayaan lembut. Taburan cahaya luminer menentukan kesan pencahayaan dan potensi silau.

Pertimbangan Warna

Indeks perenderan warna (Rₐ) dan pemilihan suhu warna bergantung pada keperluan aplikasi. Pencahayaan dinamik boleh melaraskan kedua-dua parameter untuk menyokong keperluan biologi sepanjang hari.

Ekonomi dan Alam Sekitar

Analisis kos pemilikan keseluruhan mengimbangi kos pelaburan dengan kos operasi (tenaga, penyelenggaraan). Pencahayaan menyumbang 19% daripada penggunaan elektrik global, menekankan kepentingan kecekapan tenaga dan tanggungjawab alam sekitar.