Valo ja perussuureet

Sivusto: DIGMA-oppimisympäristö
Kurssi: Valaistus
Kirja: Valo ja perussuureet
Tulostanut: Vierailija
Tulostettu: tiistai, 28. kesäkuuta 2022, 18:57

Kuvaus

Valoon liittyvää aineistoa

1. Valo

Ihminen aistii näkyvänä valona sähkömagneettisensäteilyn, jonka aallonpituus on n. 400 … 700 nm. Näkyvä valo edustaa siis pientä osaa koko sähkömagneettisesta säteilystä.
Jokainen näkyvän valon aallonpituus edustaa eri valon väriä. Tämä saadaan näkyviin esimerkiksi prismalla. Samoin sateenkaaressa on näkyvillä, miten luonnonvalo koostuu eri värisistä valoista ja siis aallonpituuksista.

Näkyvää valoa lyhyemmän aallonpituuden säteily on ultraviolettisäteilyä ja pidemmät aallonpituudet infrapunasäteilyä (lämpösäteily). Monet valolähteet tuottavatkin myös näitä sateilyn lajeja.
Ihminen ei aisti kaikkia näkyvin valon aallonpituuksia samalla tavalla. Keltainen, n. 555 nm:n valon säteilyteho aistitaan. 10-kertaa voimakkaammin kuin lyhyet (sininen) tai pitkät (punainen) näkyvän valon aallonpituudet. Silmän spektriherkkyyttä kuvataan suhteellisella silmäherkkyyskäyrällä (V(λ)-käyrä).

Suhteellinen silmäherkkyys vaihtelee valon määrän mukaan. Hämärässä silmä aistii paremmin lyhyitä aallonpituuksia. Hämäränäkemisen suhteellisista silmäherkkyyttä kuvataan V´(λ)-käyrällä.

2. Perussuureet

Valaistustekniikan perussuureiden tuntemus on edellytys sille, että voidaan vertailla eri valaisimia ja lamppuja sekä arvioida erilaisia valaistusratkaisuja.

Suunnittelussa ja toteutuksessa tulee olla valaisimien ulkonäön lisäksi tieto myös siitä, miten ja millaista valoa eri vaihtoehdoista on mahdollista saada.

Laskentakaavat

2.1. Valovirta

[ф] = 1 lm (lumen)

Valovirta ilmaisee valolähteen (lampun) näkyvän valon säteilytehon, joka on painotettu suhteellisella silmäherkkyydellä. Se siis kertoo, kuinka paljon näkyvää valoa valolähteestä saadaan kokonaisuudessaan. Valovirtaa käytetään ilmaisemaan lappujen valontuottoa. Sitä käytetään myös valaisimien hyötysuhdetta arvioitaessa.

Valotehokkuus

Valolähteiden tuottaman valon määrää suhteessa käytettyyn sähkötehoon kuvataan valotehokkuudella (lm/W). Se voidaan laskea pelkästään lampun tuottaman valovirran ja lampun sähkötehon suhteella. Valolähteiden vertailuissa yleensä käyttökelpoisempi on järjestelmän valotehokkuus, jossa otetaan huomioon lampun sähkötehon lisäksi myös liitäntälaiteen teho.

2.2. Valovoima

[I] = 1 cd (kandela)

Valovoima ilmaisee valolähteestä tiettyyn suuntaan säteilevän valon voimakkuuden. Valovoima on SI-järjestelmän perusyksikkö.

Valovoiman avulla ilmaistaan valaisimien ja lamppujen valonjako-ominaisuuksia. Se ilmaistaan usein valonjakokäyrällä.

Valolähteen valovoima voi olla hyvinkin suuri tiettyyn suuntaan, vaikka kokonaisvalovirta on pieni (esimerkiksi valokuidun pää).

Valaisimen yhtenä tarkoituksena on ohjata siinä olevien lamppujen valovirtaa tiettyihin suuntiin. Valojakokäyrä on napakoordinaatistoon piirretty kuvaaja, joka kertoo, miten valaisin tai lampun heijastin ohjaa valoa eli mikä on valovoima eri suuntiin. Valonjakokäyrä piirretään usein valaisimen pitkittäisakselin (C0-C180) ja poikittaisakselin (C90-C270) suunnasta. Koordinaatistossa olevat arvot skaalataan vastaamaan 1000 lm valolähdettä. Tällöin voidaan käyttää samaa valojakokäyrää eri tehoisille saman valaisintyypin valaisimille.

Valovoiman laskeminen valonjakokäyrästä

2.3. Valaistusvoimakkuus

[E] = 1 lx (luksi)

Valaistusvoimakkuus kertoo sen, kuinka suuri valovirran tiheys on tarkastelupinnalla. Se on siis tarkastelupinnalle, joko valolähteestä suoraan tai heijastumalla pinnoista, tuleva valovirta pinta-alayksikköä kohti.





Tyypillisiä valaistusvoimakkuusarvoja ovat:

  • ulkona päivällä 5000 – 100 000 lx
  • sisätilat 100 – 1000 lx.


Valaistusvoimakkuuden avulla määritellään valaistuksen määrällisiä tavoitteita. Usein myös valaistusmittauksissa mitataan valaistusvoimakkuutta. Sitä ei kuitenkaan nähdä, koska vain pinnasta heijastunut valo on nähtävissä. Valaistusvoimakkuus noudattaa ns. neliölakia. Mitä kauempana valaistava pinta on valolähteestä, sitä pienempi on pinnan valaistusvoimakkuus.
Valaistusvoimakkuus voidaan määritellä hyvinkin tarkasti valaistuslaskentaohjelmilla. Perinteisiä laskentamenetelmiä valaistusvoimakkuudeen määrittelyyn ovat hyötysuhdemenetelmä ja pistemenetelmä.

2.4. Luminanssi

[L] = 1 cd/m2

Luminanssi on pinnasta tiettyyn suuntaan heijastuvan valovoiman suhde pinnan tästä suunnasta näkyvän projektion pinta-alaan. Se ilmaisee kohdekappaleen pinnan valotiheyden eli pintakirkkauden.

Luminanssi on ainoa nähtävissä oleva suure. Se syntyy pinnan valaistusvoimakkuuden ja heijastumissuhteen yhteisvaikutuksena.




Pinta, joka heijastaa hyvin valoa, näyttää kirkkaammalta kuin pinta, josta valoa ei heijastu. Esimerkisi pöydällä on tasainen valaistusvoimakkuus, mutta pöydälle oleva tumman esineen luminanssi on pienempi kuin valkoisen pinnan luminanssi.
Mikäli pinta on kiiltävä peilipinta (suuntaheijastava), luminanssi vaihtelee eri katsesuunnista sen mukaisesti, missä suunnassa on tuleva valo. Hajaheijastava pinta taas heijastaa valoa joka suuntaan ja sen luminanssi on sama joka katselusuunnasta. Useimmat pinnat ovat ovat näiden välimuotoja (sekaheijastus).

Pinnan heijastumissuhteeseen vaikuttavat pinnan väri ja materiaali.

Häikäisy

Silmällä on pyrkimys sopetus näkökentässä olevaan keskimääräiseen luminanssiin. Tämän vuoksi hyvin suuret luminanssierot aiheuttavat häikäisyä ja heikentävät näkemistä.

Häikäisy voi olla estohäikäisyä, jolloin liian korkea luminanssi estää näkemisen. Se voi syntyä esimerkiksi valon heijastuessa kiiltävästä pinnasta. Kiusahäikäisy aiheuttaa epämiellyttävää tunnetta. Sen voi aiheuttaa esimerkiksi suuriluminanssiset valolähteet näkökentässä.
Lamppujen luminanssit ovat hyvinkin suuria, jolloin ne aiheuttavat paljaana häikäisyä. Tämän vuoksi ne tulee sijoittaa siten, etteivät ne ole suoraan näkökentässä.

Kontrasti

Näkeminen perustuu luminanssi- ja värierojen eli kontrastien havaitsemiseen, joista luminanssiero merkittävämpi.

Tila, jossa on pienet luminanssierot, voidaan kokea tylsäksi ja keskeisten yksityiskohtien erottaminen saattaa vaikeutua. Suuri kontrasti taas voi aiheuttaa häikäisyä, joka osaltaan saattaa estää näkemistä. 

2.5. Heijastumissuhde

[σ] = %

Pinnalle tuleva valovirta heijastuu osittain pinnasta takaisin tilaan. Osa säteilystä absorboituu pintaa ja muuttuu lämmöksi. Osa valosta voi myös kulkeutua pinnan läpi.
Pintojen heijastumissuhde ilmoittaa prosentteina, kuinka suuri osa pinnalle kohdistuvasta valovirrasta heijastuu pinnalta takaisin. Se kuvaa pinnan vaaleutta ja siihen vaikuttaa valon tulosuunta, valon spektrikoostumus ja pinnan väri.

Heijastuminen voi olla suuntaheijastumista, hajaheijastumista tai sekaheijastumista.

Heijastumissuhteella on vaikutus valaistuksen tehokkuuteen ja tilan valaistushyötysuhteeseen.

Heijastavat pinnat voivat myös aiheuttaa häikäisyä. Hyvin tummassa tilassa muodostuu suuria luminanssieroja tilan pintojen ja valaisimien valaisevien pintojen välillä ja tämä osaltaan lisää kiusahäikäisyä. Valaisimien heijastimien ja rakenteiden heijastumissuhde vaikuttaa valaisimen hyötysuhteeseen eli siihen, kuinka suuri osa lamppujen valovirrasta saadaan ulos valaisinrakenteesta.

2.6. varjonmuodostus

Valon suunta, tilan pintojen heijastumissuhde ja valaisevan kappaleen koko vaikuttavat siihen, kuinka voimakas varjonmuodostus tilassa syntyy. Tällä on vaikutusta tilan miellyttävyyteen, mutta myös näkemiseen ja yksityiskohtien erotteluun.

Valon suuntaa ja varjonmuodostusta voidaan myös hyödyntää muotojen korostuksessa tai pintojen tarkastelussa.

Suoraan ylhäältä alaspäin suuntautuva valo aiheuttaa voimakkaat varjot esimerkiksi kasvoihin. Mikäli osa valosta tulee heijastuksina seinäpintojen kautta, saadaan pehmeämpi varjo ja usein myös miellyttävämpi tila.

Täysin varjoton tila koetaan kuitenkin tylsänä ja varjojen puuttuminen saattaa jopa vaikeuttaa näkemistä.

Pienen valokappaleen aiheuttama varjo on terävä. Suuri valaiseva pinta tekee varjonmuodostuksen pehmeämmäksi.