Podstawy przy projektowaniu i wyborze źródeł światła

Światło, które jest widoczne dla ludzkiego oka jest niczym innym niż falą elektromagnetyczną, której długość mieści się w dostrzegalnym dla nas zakresie (widmo światła widzialnego). Jednostką powszechnie stosowaną do pomiaru mocy światła jest wat, który określa strumień promieniowania będący wielkością radiometryczną . To jak światło jest postrzegane przez każdego z nas jest bardzo zróżnicowane, nasze oczy i mózg mogą mieć inną percepcję światła podobnej barwy i jasności. Zazwyczaj ludzie reagują na światło o długości fali od 380 nm do 780 nm. Po tym jak sygnał świetlny jest odbierany przez nasze oczy w wyniku skomplikowanych procesów może być różnie w zależności od zmiennych warunków otoczenia i uwarunkowań osobistych. Z tego powodu do pomiaru ilości światła obieranego przez ludzkie oko wykorzystuje się wielkości fotometryczne.

Dla opisu charakterystyk źródeł światła kluczowe jest jego widmo emisyjne. Projektanci oświetlenia powinni koncentrować się na ilości światła i jego barwie, oraz tym jak światło jest odbijane i absorbowane z dala od jego nadajnika (emitera). Innymi słowy muszą nauczyć się i zrozumieć, jak światło jest postrzegane przez użytkowników końcowych - ludzi.

Źródła światła LED, które można znaleźć na sklepowych półkach zazwyczaj są opisywane według ilości lumenów i temperatury barwowej. Istotne jest też jego natężenie i współczynnik oddawania barw.

Emisja światła jako promieniowanie

Energia emitowanego światła o różnej długości fali jest mierzona w dżulach (energii promieniowania). Wspomniane wcześniej waty służą do określenia jak szybko dżule są "konsumowane" - pomiaru energii promieniowania na sekundę. Są to wielkości radiometryczne.

Zazwyczaj rodzaj światła warunkowany jest określoną długością fali. Na przykład światło o długości fali 650 nm jest światłem czerwonym, a 470 nm -  światłem niebieskim. Zwięźle mówiąc im krótsza długość fali tym większa energia. Niebieskie światło niesie ze sobą więcej energii niż światło czerwone, a ultrafiolet czy promienie rentgenowskie mają jeszcze więcej energii.

Światło monochromatyczne oznacza światło składające się z jednej częstotliwości. Światła o tego typu właściwościach to np. światło laserowe lub światło filtrowane. Jednak popularne źródła światła oraz naturalne światło słoneczne mają charakter mieszanki różnych fali i barw.

Różnica pomiędzy energią promieniowania i strumieniem promieniowania jest taka, że strumień promieniowania określa całkowitą moc promieniowania we wszystkich kierunkach, niezależnie od odległości pomiar całkowitej strumienia promieniowania pozostaje niezmienny, w odróżnieniu od energii promieniowania, która zmniejsza się wraz ze wzrostem odległości.

Porównanie radiometrii i fotometrii

O ile radiometria zajmuje się ilościowymi pomiarami energii promieniowania i wielkości fizycznych z nią związanych, to w ujęciu fotometrycznym mówimy o energii promieniowania, ale jedynie w aspekcie wpływu na wrażenia wzrokowe w oku ludzkim (z uwzględnieniem czułości spektralnej oka). Niemniej dla każdej wielkości radiometrycznej można przyporządkować wartość lumenów.

Poniższy rysunek pokazuje zakres długości fali widzialnych dla ludzkiego oka; czerwonym kolorem przedstawiono widzenie fotopowe (dzienne widzenie światła), zaś niebieską linią widzenie skotopowe (widzenie nocne). 

Można zauważyć, że czerwona linia osiągnęły wartość ok. 555nm, żółtawo-zielonego światła. Ludzkie oczy są najbardziej wrażliwe na ten kolor. Wyjaśnia to też dlaczego przy użyciu wskaźnika laserowego, zielony laser daje bardziej jasne światło od czerwonego lasera o tym samym natężeniu.

Niebieska krzywa też ma podobny kształt, ale osiąga szczytowy poziom przy ok. 510nm - intensywne światło zielone, ze szczytową skutecznością świetlną 1700 lm/W w porównaniu do 683lm/W dla widzenia fotopowego. To tłumaczy, dlaczego źródło światłą o tej samej mocy wygląda o wiele jaśniej w ciemnym pokoju, a subiektywnie "świeci" słabiej w jasnym pomieszczeniu.

Pomiędzy widzeniem skotopowym i fotopowym jest widzenie mezopowe. Dobrym przykładem tego rodzaju wizji będzie zewnętrzne oświetlenie w nocy, podczas gdy otoczenie pozostaje ciemne, ale światło dochodzi z wielu innych źródeł światła znajdujących się w oddali. Podczas dobierania źródeł światła do warunków mezopowych należy pamiętać, aby odpowiednio dostosować poziom oświetlenia unikając źródeł światła, które są zbyt jasne lub zbyt słabe dla tego celu.

Spektrum światła widzialnego a spektrum najpopularniejszych źródeł światła

Konwersja między strumieniem promieniowania i strumieniem świetlnym będzie zależała od długości fali widma światła. Na przykład 1W światła o długości fali 555 nm przy szczytowej reakcji ludzkiego oka będzie dawał strumień świetlny wielkości 683 lm, jak pokazano na wykresie powyżej. U tego szczytu mamy do czynienia ze 100% konwersją z uwagi na fakt, że każda inna długość fali światła będzie oznaczała mniejszą liczbę lumenów.

Na poniższym wykresie widać, że oświetlenie żarowe (incandescent) jest najbardziej widoczne dla widma o większej długości fali (od żółtego aż do zakresów podczerwieni).

Widmo CFL (świetlówki kompaktowe) to seria skoków odzwierciedlających kombinację luminoforów stosowanych do uzyskania w przybliżeniu światła białego. Z tego powodu światło świetlówki akcentuje niektóre barwy, ale zawodzi przy oddawaniu innych barw.

Z kolei źródła światła LED mają szersze spektrum w zakresie światła widzialnego. Z wykresu można łatwo wyczytać, że żarowe źródła światła mają najniższy współczynnik konwersji strumienia promieniowania do strumienia świetlnego. Dzieje się tak ponieważ spektrum żarówki nie przystaje do widma światła widzialnego.

Diody LED i świetlówki kompaktowe są znacznie bardziej wydajne ze względu na bliską korelację z widmem odbieranym przez ludzkie oko. 

Ponadto porównując źródła LEDowe i świetlówki, LEDy mają o wiele szersze spektrum, które koreluje z zakresem światła widzialnego, co przekłąda się na lepsze parametry oddawania barw.