Απόσπασμα από τον πρακτικό οδηγό «Η Μαγεία του Φωτός», που δημοσιεύθηκε το 2013

Μετάφραση για 70 Minute Read(The file name "70 Minute Read" on the /downloads page remains unchanged)

Εξετάζει τη φυσική και την αντίληψη του φωτισμού σκηνής, ανιχνεύει τις ιστορικές θεωρίες του φωτός και εξηγεί φωτομετρικές μονάδες, την οπτική (αντανάκλαση, διάθλαση, νόμος του αντίστροφου τετραγώνου) και την ανθρώπινη οπτική απόκριση, με πρακτική καθοδήγηση για τους σχεδιαστές, τεχνικούς και χορογράφους για να δημιουργήσουν πιο καθαρές, πιο συνεπείς εικόνες σκηνής

A magic book hangs in the spotlights of a theater
Vladimir Viktorovich Lukasevich - an outstanding lighting designer

Πρόλογος του Εκδότη

Απόσπασμα από τον πρακτικό οδηγό «Μαγεία του Φωτός», που δημοσιεύθηκε το 2013

Προσθέσαμε έναν λεπτομερή πίνακα περιεχομένων για να σας βοηθήσουμε να εντοπίσετε γρήγορα βασικά θέματα και να προσαρμόσετε αυτό το τμήμα του κλασικού έργου του Vladimir Lukasevich σε διαδικτυακή μορφή

Ο Vladimir Lukasevich (1956–2014) ήταν ένας εξαιρετικός σχεδιαστής φωτισμού που αφιερώθηκε στη σκηνογραφία και τη δουλειά με το φως. Αυτό το κείμενο είναι το αποτέλεσμα της λεπτομερούς έρευνας του και γενικευμένης σκηνικής εμπειρίας

Δημοσιεύουμε αυτό το υλικό με σκοπό να μεταδώσουμε την αξία των ιδεών και της γνώσης του σε ένα ευρύ κοινό, με τον απαραίτητο σεβασμό στην προσωπικότητα και το επάγγελμα του συγγραφέα

! Όλα τα αποκλειστικά δικαιώματα στο πρωτότυπο κείμενο ανήκουν στην οικογένεια του Vladimir Lukasevich !       
Η δημοσίευση πραγματοποιείται με τη συγκατάθεση των κατόχων των πνευματικών δικαιωμάτων

Το παρουσιαζόμενο κείμενο προορίζεται για εκπαιδευτική χρήση

Εις μνήμην του ταλαντούχου αυτού καλλιτέχνη, να συνεχίσει να ζει στα έργα του και να εμπνέει μια νέα γενιά επαγγελματιών του θεάτρου

Σύντομη Περίληψη (τι περιέχει αυτό το άρθρο)

Αυτή η ενότητα, Μέρος 2: Φυσική και Αντίληψη, εξηγεί τα φυσικά και αντιληπτικά θεμέλια της σκηνικής όρασης. Οδηγεί τον αναγνώστη στη φύση και την ιστορία του φωτός (θεωρίες σωματιδίων έναντι κυμάτων, ηλεκτρομαγνητική θεωρία), τις φωτομετρικές ποσότητες που χρησιμοποιούνται στην εργασία φωτισμού (φωτεινή ροή, ένταση, φωτεινότητα, λαμπρότητα, έξοδος), και πρακτικούς οπτικούς νόμους (αντανάκλαση, διάθλαση, μετάδοση, νόμος αντίστροφης τετραγωνικής απόστασης).

Συνδέει τις φυσικές μετρήσεις με την ανθρώπινη αντίληψη και δίνει πρακτικά παραδείγματα σχετικά με τον φωτισμό της σκηνής (π.χ., πλαϊνός φωτισμός για τον χορό).

Το κείμενο επίσης επισημαίνει σχήματα και εξισώσεις που πρέπει να εισαχθούν κατά λέξη από το πρωτότυπο και τελειώνει με αναφορές και σημειώσεις μεταφραστή/επιμελητή σχετικά με την ορολογία και τις πιθανές παγίδες.

  1. Προαπαιτούμενα (σύντομα): βασική άλγεβρα, στοιχειώδης τριγωνομετρία, άνεση με τις μονάδες (SI), και εξοικείωση με τον κοινό φωτιστικό εξοπλισμό.

  2. Σχέδιο βήμα προς βήμα:

    • Διαβάστε τις ενότητες Φως → Ιδιότητες για να αποκτήσετε αυτοπεποίθηση με τις φωτομετρικές μονάδες (lumen, candela, lux, cd/m²).
    • Μελετήστε τη Φωτεινότητα και τη Φωτεινή ενέργεια με έμφαση στο πώς οι μετρήσεις μεταφράζονται σε αντιληπτή “φωτεινότητα” στη σκηνή.
    • Αναθεωρήστε τη Γεωμετρική Οπτική (ανάκλαση, διάθλαση) και στη συνέχεια το Νόμο του αντιστρόφου τετραγώνου· εφαρμόστε αμέσως με απλές μετρήσεις πεδίου (luxmeter).
    • Συγκρίνετε τις θεωρητικές σημειώσεις με παραδείγματα στη σκηνή (πλευρικός φωτισμός για μπαλέτο, τοποθέτηση προβολέα).
    • Επανεισάγετε και μελετήστε τα πρωτότυπα σχήματα/εξισώσεις (οι θέσεις τους σημειώνονται) — αυτά είναι απαραίτητα για την ακριβή κατανόηση.
  3. Πρακτικές ασκήσεις (συνιστάται):

    • Μετρήστε τη φωτεινή ενέργεια σε διάφορες αποστάσεις από ένα μοναδικό φωτιστικό και επαληθεύστε το νόμο του αντιστρόφου τετραγώνου στην πράξη.
    • Φωτογραφίστε μια επιφάνεια υπό διάφορες φωτεινές ενέργειες και συγκρίνετε την αντιληπτή φωτεινότητα έναντι της μετρημένης φωτεινότητας.
    • Δοκιμάστε την τοποθέτηση πλευρικού φωτισμού σε πρόβα: αλλάξτε απόσταση και γωνία, παρατηρήστε την ομοιομορφία στους ερμηνευτές.
  4. Περαιτέρω ανάγνωση: βασικά κείμενα οπτικής (νόμος του Snell, δείκτης διάθλασης), σύντομες οδηγίες φωτομετρίας CIE και μια σύντομη εισαγωγή στην ανθρώπινη οπτική αντίληψη (φωτοπική vs. σκότωπικη όραση).

Σημειώσεις του συντάκτη & σημαντικές υποσημειώσεις

  1. Σχήματα και εξισώσεις: πολλές αρχικές μαθηματικές εκφράσεις και διαγράμματα εμφανίζονται ως εικόνες στο ρωσικό αρχείο. Στο μεταφρασμένο αρχείο αυτές σημειώνονται ως [IMAGE / EQUATION: …] και αντικαθίστανται με μεταφρασμένες εικόνες για τη διατήρηση της ορθότητας.

  2. Προσοχή στην ορολογία: το ρωσικό «яркость» αντιστοιχεί στη φωτεινότητα (L, cd/m²) στα αγγλικά· μην χρησιμοποιείτε την καθομιλουμένη “φωτεινότητα” όπου απαιτείται ακριβής φωτομετρικός όρος. Ομοίως, το «светимость» είναι η φωτεινή εκπομπή (M, lm/m²) — μην συγχέετε την εκπομπή με τη φωτεινότητα.

  3. Μονάδες & σταθερές: όπου οι ορισμοί εμπλέκουν σταθερές (για παράδειγμα, 1 lm = 1/683 W στα 555 nm) οι αριθμοί είναι σκόπιμοι και τυποποιημένοι — διατηρήστε τους αμετάβλητους.

  4. Πιστότητα μετάφρασης: ιστορικά και προσωπικά ονόματα αγγλοποιήθηκαν (π.χ., Thomas Young, Augustin-Jean Fresnel, Jean Foucault) για σαφήνεια· οι βιβλιογραφικές καταχωρίσεις διατηρούν τα αρχικά δεδομένα δημοσίευσης.

  5. Πνευματικά δικαιώματα & χρήση: αυτή η μετάφραση προορίζεται για εκπαιδευτική και επαγγελματική αναφορά· οποιαδήποτε αναδημοσίευση πρέπει να σέβεται τη σημείωση πνευματικών δικαιωμάτων στην κεφαλίδα αυτού του μπλοκ.

Το αρχικό βιβλίο «Magic of Light» εκδόθηκε από τη Sandrax.

Καλή ανάγνωση

ΜΕΡΟΣ 2. ΦΥΣΙΚΗ ΚΑΙ ΑΝΤΙΛΗΨΗ.

Έχουμε ήδη πει ότι, όπως ένας γλύπτης αποκαλύπτει μια σύνθεση αφαιρώντας τα περιττά από ένα μπλοκ πέτρας, έτσι και ένας σχεδιαστής φωτισμού, εξάγοντας αντικείμενα και μορφές από το σκοτάδι, αποκαλύπτει μια σκηνική σύνθεση στο κοινό. Με αυτή την έννοια, ο φωτισμός σκηνής δημιουργεί μια "σκηνική όραση." Αυτή η διαδικασία της "σκηνικής όρασης" είναι πολυσταδιακή και πολύπλοκη, και όχι όλα τα στάδιά της δεν είναι σαφώς κατανοητά ή αναλυτικά μελετημένα. Άλλωστε, μέχρι σήμερα η φύση του φωτός δεν αντιμετωπίζεται σαφώς: ως συμβιβασμός μεταξύ ανταγωνιστικών θεωριών, γίνεται δεκτό ότι εμφανίζει "κυματική-σωματιδιακή δυαδικότητα."

Αν διαχωρίσουμε τη διαδικασία της "σκηνικής όρασης" στα συστατικά της, λαμβάνουμε την ακόλουθη σειρά: κάποια πηγή φωτός εκπέμπει φωτεινή ενέργεια· αυτή η ενέργεια, μετά την ανάκλαση από επιφάνειες που βρίσκονται στη σκηνή και τη διάθλαση μέσα στο μάτι, φτάνει στον αμφιβληστροειδή.

Ο αμφιβληστροειδής μετατρέπει την παραληφθείσα ενέργεια σε ηλεκτρικούς παλμούς μέσω ενός φωτοχημικού μηχανισμού· αυτοί οι παλμοί ταξιδεύουν κατά μήκος του οπτικού νεύρου στον εγκέφαλο, ο οποίος με τη σειρά του δεν απλώς αναγιγνώσκει αυτά τα σήματα — τα ερμηνεύει με έναν συγκεκριμένο τρόπο. Είναι πολύ σημαντικό να καταλάβουμε ότι αυτά τα στάδια δεν συνδέονται με ένα αυστηρά γραμμικό τρόπο. Το απλό γεγονός ότι η εικόνα που σχηματίζεται στον αμφιβληστροειδή μας είναι ανεστραμμένη, κι όμως την αντιλαμβανόμαστε σωστά, αποδεικνύει ότι τα εισερχόμενα σήματα ερμηνεύονται από τον εγκέφαλο σε ένα ασυνείδητο επίπεδο. Αυτό είναι ένα μικρό αλλά χαρακτηριστικό παράδειγμα· παρακάτω συζητάμε τα χαρακτηριστικά της αντίληψης με μεγαλύτερη λεπτομέρεια. Προς το παρόν, είναι σημαντικό να σημειώσουμε ότι κάθε στάδιο της όρασης εξαρτάται από τον μηχανισμό εκείνου του σταδίου. Μια πηγή φωτός εκπέμπει ενέργεια που, στο πλαίσιο μας, μετασχηματίζεται με πολλούς τρόπους πριν φτάσει στο μάτι του θεατή, καθοδηγούμενη από φυσικούς νόμους — ανάκλαση, διάθλαση, μετάδοση, περίθλαση, κ.λπ. — στη συνέχεια, όταν φτάνει στο μάτι, μετασχηματίζεται σύμφωνα με τις φυσιολογικές ιδιαιτερότητες της όρασης, και ακολούθως ερμηνεύεται και από τον εγκέφαλο, λαμβάνοντας υπόψη όχι μόνο την ψυχολογική αλλά, όπως θα δούμε αργότερα, και τη κοινωνική εμπειρία του ατόμου που ονομάζουμε θεατή. Είναι πιθανό αδύνατο για έναν σχεδιαστή φωτισμού να μελετήσει σε βάθος κάθε πτυχή της ψυχοφυσιολογίας της οπτικής αντίληψης — αυτό είναι το έργο άλλων επαγγελμάτων — αλλά η γνώση των βασικών νόμων και χαρακτηριστικών της πλήρους αλυσίδας της διαδικασίας "σκηνικής όρασης" θα επιτρέψει σε έναν σχεδιαστή να λάβει καλύτερες και πιο ακριβείς αποφάσεις στην αναζήτηση μέσων για την επίτευξη των στόχων τους.

Original Corpuscular Theory Refraction Equation — Newton’s Optics

ΦΩΣ

Οι πρώτες αντιλήψεις σχετικά με τη φύση του φωτός εμφανίστηκαν μεταξύ των αρχαίων Ελλήνων και Αιγυπτίων στοχαστών. Καθώς τα οπτικά όργανα εφευρέθηκαν και βελτιώθηκαν (παραβολικοί καθρέπτες, μικροσκόπιο, τηλεσκόπιο), αυτές οι αντιλήψεις εξελίχθηκαν και μετασχηματίστηκαν.

Στο τέλος του δέκατου έβδομου αιώνα αναδύθηκαν δύο θεωρίες για το φως: η θεωρία των σωματιδίων (Ισαάκ Νεύτωνας) και η θεωρία των κυμάτων (Ρόμπερτ Χουκ και Κρίστιαν Χόιχενς).

Σύμφωνα με τη θεωρία των σωματιδίων, το φως είναι μια ροή σωματιδίων (θυρίδα) που εκπέμπονται από φωτεινά σώματα. Ο Νεύτωνας πίστευε ότι η κίνηση των σωματιδίων φωτός υπάκουε στους νόμους της μηχανικής. Έτσι, η ανάκλαση του φωτός κατανοούνταν αναλογικά με την ανάκλαση μιας ελαστικής σφαίρας από μια επίπεδη επιφάνεια. Η διάθλαση εξηγήθηκε ως μια αλλαγή στην ταχύτητα των σωματιδίων όταν περνούν από ένα μέσο σε άλλο. Για την περίπτωση της διάθλασης στο όριο κενό–μέσο, η θεωρία των σωματιδίων οδήγησε στη διατύπωση του νόμου της διάθλασης που προϋπέθετε μια σχέση μεταξύ της ταχύτητας του φωτός στο κενό (c) και της ταχύτητας του φωτός στο μέσο (v).

Diagram of Huygens’ construction illustrating the direction of a refracted wave according to the wave theory of light

Η κυματική θεωρία, σε αντίθεση με τη σωματιδιακή θεωρία, αντιμετώπισε το φως ως κυματικό φαινόμενο, παρόμοιο με μηχανικά κύματα. Η βάση της κυματικής θεωρίας ήταν η αρχή του Huygens: κάθε σημείο που φτάνει ένα κύμα γίνεται το κέντρο δευτερευόντων κυμάτων, και ο περιβάλλων αυτών των κυμάτων δίνει τη θέση της μετωπίδας του κύματος τη στιγμή που ακολουθεί. Χρησιμοποιώντας την αρχή του Huygens, εξηγήθηκαν οι νόμοι της ανάκλασης και της διάθλασης.

Για την περίπτωση της διάθλασης στο όριο κενού-μέσου, η κυματική θεωρία οδήγησε σε διαφορετικό συμπέρασμα σχετικά με τη σχέση μεταξύ v και c. Ο νόμος της διάθλασης που προκύπτει από την κυματική θεωρία συγκρούεται με το αποτέλεσμα του Νεύτωνα: η κυματική θεωρία προέβλεπε v < c, ενώ η σωματιδιακή θεωρία προέβλεπε v > c.

Έτσι, μέχρι τις αρχές του δεκάτου ογδόου αιώνα, υπήρχαν δύο αντίθετες προσεγγίσεις για να εξηγηθεί η φύση του φωτός: Η σωματιδιακή θεωρία του Νεύτωνα και η κυματική θεωρία του Huygens. Και οι δύο εξήγησαν την ευθύγραμμη διάδοση του φωτός και τους νόμους της ανάκλασης και της διάθλασης. Ολόκληρος ο δέκατος όγδοος αιώνας ήταν ένας αιώνας αγώνα μεταξύ αυτών των θεωριών. Ωστόσο, στις αρχές του δεκάτου ενάτου αιώνα, η κατάσταση άλλαξε θεμελιωδώς. Η σωματιδιακή θεωρία απορρίφθηκε και η κυματική θεωρία επικράτησε. Μεγάλη πίστωση γι' αυτό οφείλεται στον Άγγλο φυσικό Thomas Young και στον Γάλλο φυσικό Augustin-Jean Fresnel, οι οποίοι μελέτησαν την παρέμβαση και τη διάθλαση. Μια πλήρης εξήγηση αυτών των φαινομένων μπορούσε να δοθεί μόνο με βάση την κυματική θεωρία. Σημαντική πειραματική επιβεβαίωση της κυματικής θεωρίας προήλθε το 1851, όταν ο Jean Foucault μέτρησε την ταχύτητα του φωτός στο νερό και έλαβε μια τιμή που έδειξε v < c.

Αν και μέχρι τα μέσα του δεκάτου ενάτου αιώνα η κυματική θεωρία ήταν γενικά αποδεκτή, το ζήτημα της φύσης των κυματικών του φωτός παρέμενε ανεπίλυτο.

Equation for the speed of light in vacuum from Maxwell’s electromagnetic theory

Τη δεκαετία του 1860 ο James Clerk Maxwell καθόρισε τους γενικούς νόμους του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, που τον οδήγησαν στο συμπέρασμα ότι το φως είναι ηλεκτρομαγνητικό κύμα. Μια σημαντική επιβεβαίωση αυτής της άποψης ήταν η σύμπτωση της ταχύτητας του φωτός στο κενό με την τιμή που προκύπτει από τις ηλεκτρομαγνητικές σταθερές.

Formula showing the measured value of the speed of light c = 299792458 ± 1.2 m/s, confirming electromagnetic theory

Η ηλεκτρομαγνητική φύση του φωτός επιβεβαιώθηκε περαιτέρω από τα πειράματα του Heinrich Hertz για τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα (1887–1888). Στις αρχές του εικοστού αιώνα, μετά τα πειράματα του Peter N. Lebedev που μέτρησαν την πίεση του φωτός (1901), η ηλεκτρομαγνητική θεωρία του φωτός καθιερώθηκε πλήρως.

Diagram of the electromagnetic spectrum showing wavelengths, frequencies, and the visible light region from 400 to 750 nm

Ένας ουσιαστικός ρόλος στην αποσαφήνιση της φύσης του φωτός έπαιξε ο πειραματικός προσδιορισμός της ταχύτητάς του. Αρχίζοντας στα τέλη του δέκατου έβδομου αιώνα, έγιναν πολλές προσπάθειες να μετρηθεί η ταχύτητα του φωτός με διάφορες μεθόδους (αστρονομικές μέθοδοι όπως αυτές που χρησιμοποιήθηκαν από τον Όλε Ρέμερ και μεθόδους από τους Αρμάν Φιζώ, Άλμπερτ Α. Μάικλσον). Οι σύγχρονες τεχνικές λέιζερ επιτρέπουν τη μέτρηση της ταχύτητας του φωτός με εξαιρετικά υψηλή ακρίβεια, βασισμένες σε ανεξάρτητες μετρήσεις του μήκους κύματος λ και της συχνότητας ν (c = λ · ν). Αυτή η προσέγγιση παρείχε μια τιμή της οποίας η ακρίβεια ξεπερνά τα προηγούμενα αποτελέσματα κατά πάνω από δύο τάξεις μεγέθους

Το φως παίζει έναν εξαιρετικά σημαντικό ρόλο στη ζωή μας. Η συντριπτική πλειονότητα των πληροφοριών για τον περιβάλλοντα κόσμο φτάνει σε έναν άνθρωπο μέσω του φωτός. Στην οπτική —τον κλάδο της φυσικής που ασχολείται με το φως— ο όρος «φως» συνήθως αναφέρεται όχι μόνο στο ορατό φως αλλά και σε γειτονικές περιοχές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος: υπέρυθρη (IR) και υπεριώδης (UV). Φυσικά, το φως δεν διαφέρει θεμελιωδώς από την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία σε άλλες φασματικές περιοχές —τα τμήματα του φάσματος διαφέρουν μόνο στο μήκος κύματος λ και τη συχνότητα ν

Για τη μέτρηση των μηκών κύματος στην οπτική περιοχή χρησιμοποιούμε τις μονάδες νανόμετρο (nm) και μικρόμετρο (µm):

1 nm = 10⁻⁹ m = 10⁻⁷ cm = 10⁻³ µm

Το ορατό φως καταλαμβάνει περίπου από 400 nm έως 780 nm, ή από 0.40 µm έως 0.78 µm

Η ηλεκτρομαγνητική θεωρία του φωτός εξήγησε πολλά οπτικά φαινόμενα όπως η συμβολή, η περίθλαση, η πόλωση, κλπ. Ωστόσο, αυτή η θεωρία δεν ολοκλήρωσε την κατανόησή μας για το φως. Στις αρχές του εικοστού αιώνα έγινε ξεκάθαρο ότι η ηλεκτρομαγνητική θεωρία μόνη της δεν μπορούσε να εξηγήσει φαινόμενα σε ατομικές κλίμακες που συμβαίνουν όταν το φως αλληλεπιδρά με την ύλη. Η εξήγηση φαινομένων όπως η ακτινοβολία του μέλαν σώματος, το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο και το φαινόμενο Κόμπτον απαιτούσε την εισαγωγή κβαντικών εννοιών. Η επιστήμη επέστρεψε στην ιδέα των σωματιδίων —των κβάντων φωτός. Το γεγονός ότι το φως δείχνει κυματοειδείς ιδιότητες σε ορισμένα πειράματα και ιδιότητες σωματιδίων σε άλλα σημαίνει ότι το φως έχει μια πολύπλοκη διττή φύση, συχνά χαρακτηριζόμενη ως κυματική-σωματιδιακή δυαδικότητα

Diagram showing luminous flux from source S through solid angle Ω to surface A, with energy ΔQ over time Δt

ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΟΥ ΦΩΤΟΣ. ΜΟΝΑΔΕΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ.

```html

ΦΩΤΕΙΝΗ ΡΟΗ — ΛΟΥΜΕΝ

Ένα θεμελιώδες φωτομετρικό μέτρο είναι η φωτεινή ροή, η οποία συμβολίζεται με το γράμμα F.

Η φωτεινή ροή είναι ένα μέτρο της ακτινοβολούμενης ισχύος σταθμισμένο με την φασματική ευαισθησία του ανθρώπινου ματιού· καθορίζεται ως η ποσότητα φωτεινής ενέργειας που διέρχεται μέσω μιας μονάδας επιφάνειας ανά μονάδα χρόνου.

Ένα λούμεν ορίζεται ως 1/683 του βατ της μονοχρωματικής ακτινοβολίας συχνότητας που αντιστοιχεί σε μήκος κύματος 555 nm, το οποίο βρίσκεται στην κορυφή της λειτουργίας φωτοπικής φωτεινής απόδοσης (της φασματικής ευαισθησίας του ανθρώπινου ματιού υπό καλά φωτισμένες συνθήκες). Η τιμή 1/683 καθιερώθηκε ιστορικά όταν οι συμβατικές πηγές φωτός συγκρίθηκαν με κεριά, και έκτοτε έχει κωδικοποιηθεί από διεθνείς συμφωνίες.

Η μονάδα της φωτεινής ροής είναι το λούμεν (lm) (Λατινικά — “φως”): 1 lm είναι η φωτεινή ροή που εκπέμπεται από μια σημειακή πηγή με φωτεινή ένταση 1 καδαντήλα σε στερεά γωνία 1 στεράδια (υποθέτοντας ομοιόμορφη κατανομή εντός αυτής της στερεάς γωνίας): 1 lm = 1 cd × 1 sr.

Αν πάρουμε μια σημειακή πηγή που ακτινοβολεί ομοιόμορφα προς όλες τις κατευθύνσεις και τοποθετήσουμε μια μικρή περιοχή A στη διαδρομή του κύματος που προέρχεται από αυτή την πηγή, μπορούμε να μετρήσουμε την ενέργεια που διέρχεται από την περιοχή A σε χρόνο t.

Η ενέργεια ανά μονάδα χρόνου ονομάζεται ακτινοβολούμενη ισχύς ή ακτινοβολούμενη ροή. Η ισχύς της φωτεινής ενέργειας χαρακτηρίζεται από τη φωτεινή ροή.

Παραδείγματα — φωτεινή ροή ορισμένων πηγών φωτός:

  • Λαμπτήρας πυράκτωσης 220 V, 100 W: 1000–1600 lm
  • Λαμπτήρας πυράκτωσης 220 V, 1000 W: 17 000 lm
  • Λαμπτήρας πυράκτωσης 110 V, 10 000 W: 295 000 lm
  • Λαμπτήρας LED 1 W: 120 lm
  • Ροή που πέφτει σε 1 m² της επιφάνειας της Γης σε μια ηλιόλουστη μέρα: ≈ 100 000 lm/m²
```
Diagram showing solid angle Ω defined as area of a spherical segment A divided by the square of sphere radius R (Ω = A/R²)

ΣΤΕΡΕΑ ΓΩΝΙΑ — ΣΤΕΡΑΚΤΙΝΙΟ

Το φως από πηγές — είτε πρόκειται για ένα απλό σπίρτο είτε για μια σύγχρονη ηλεκτρική λάμπα — συνήθως διαχέεται λίγο πολύ ομοιόμορφα προς όλες τις κατευθύνσεις. Ωστόσο, χρησιμοποιώντας καθρέφτες ή φακούς μπορούμε να κατευθύνουμε το φως και να το συγκεντρώσουμε σε μια συγκεκριμένη περιοχή του χώρου. Το μέρος του χώρου χαρακτηρίζεται από μια στερεή γωνία. Αν και η έννοια της στερεής γωνίας δεν έχει άμεση γλωσσική σύνδεση με το φως, χρησιμοποιείται τόσο ευρέως στη μηχανική φωτισμού που είναι αναντικατάστατη.

Μια στερεή γωνία είναι ένα μέρος του χώρου που περιορίζεται από μια κωνική επιφάνεια της οποίας η κορυφή βρίσκεται στο σημείο της πηγής φωτός.

Το μέτρο μιας στερεής γωνίας με την κορυφή της στο κέντρο μιας σφαίρας είναι η αναλογία της επιφάνειας της σφαιρικής επιφάνειας που προβάλλει προς το τετράγωνο της ακτίνας της σφαίρας.

Η μονάδα της στερεής γωνίας είναι το στεράδιο (sr).

1 sr είναι η στερεά γωνία που προβάλλει μια επιφάνεια στη σφαίρα ίση με το τετράγωνο της ακτίνας της σφαίρας. Ένας κώνος με στερεά γωνία 1 sr έχει γωνία κορυφής περίπου 65,5°. Η μονάδα της στερεής γωνίας είναι το στεράδιο (sr).

Αν η πηγή είναι σημειακή και ακτινοβολεί προς όλες τις κατευθύνσεις, η πλήρης στερεά γωνία της καθορίζεται από τη συνολική επιφάνεια της σφαίρας. (Οι μονάδες μήκους και επιφάνειας που χρησιμοποιούνται στον υπολογισμό πρέπει να είναι συνεπείς.)

ΦΩΤΕΙΝΗ ΕΝΤΑΣΗ — ΚΑΝΝΤΕΛΑ

Σκεφτείτε πόση φωτεινή ροή πέφτει σε μια μοναδιαία στερεά γωνία:

Η φωτεινή ροή ανά μοναδιαία στερεά γωνία, όταν η ροή κατανέμεται ομοιόμορφα μέσα σε αυτή τη στερεά γωνία, ονομάζεται φωτεινή ένταση της πηγής (I).

Η ραδιομετρική αναλογία — η ακτινοβολούσα ένταση — ορίζεται παρόμοια. Για μια σημειακή πηγή της οποίας οι διαστάσεις είναι αμελητέες σε σύγκριση με την απόσταση από το σημείο παρατήρησης, η ενεργειακή ακτινοβολούσα ένταση I_e ισούται με το λόγο της ακτινοβολούμενης ροής Φ_e προς τη στερεά γωνία Ω στην οποία κατανέμεται η ακτινοβολία:

I_e = Φ_e / Ω

Η μονάδα της ακτινοβολούσας έντασης είναι watt ανά στερακτδιανή (W/sr).

Equation showing luminous intensity I equal to luminous flux Φ divided by solid angle Ω; with note on candela definition

Η φωτομετρική ποσότητα φωτεινή ένταση είναι η χωρική πυκνότητα της φωτεινής ροής σε μια δεδομένη κατεύθυνση.

Η μονάδα μέτρησης της φωτεινής έντασης είναι το καντέλα (cd) (από το λατινικό candela — “κερί”).

1 cd αντιστοιχεί στη φωτεινή ένταση μιας σημειακής πηγής που εκπέμπει μια φωτεινή ροή 1 lm ομοιόμορφα κατανεμημένη μέσα σε ένα στερεό γωνία 1 sr. Το 1948 η Διεθνής Επιτροπή Φωτισμού (CIE) εισήγαγε ένα πρότυπο φωτός βασισμένο σε έναν ειδικό εκπομπό στον οποίο το πλατίνα θερμαίνεται και λιώνεται από ρεύματα υψηλής συχνότητας. Το καντέλα ορίζεται από τη φωτεινή ένταση ενός τέτοιου εκπομπού στην κάθετη κατεύθυνση από μια περιοχή 1/600 000 m² στη θερμοκρασία πήξης του πλατινίου T = 2045 K και πίεση προτύπου 101325 Pa.

Ιστορικά, το κερί (cd) χρησίμευε ως η κύρια μονάδα μέτρησης της φωτεινής έντασης· ένα κερί σπερμακτέτις είχε ένταση περίπου ≈ 1.005 cd.

Η συνολική φωτεινή ροή που εκπέμπεται προς όλες τις κατευθύνσεις χαρακτηρίζει μια εκπέμπουσα πηγή και δεν μπορεί να αυξηθεί από οπτικά συστήματα — απλώς ανακατανέμουν τη ροή, συγκεντρώνοντας περισσότερο σε ορισμένες κατευθύνσεις ενώ τη μειώνουν σε άλλες. Έτσι οι προβολείς αυξάνουν τη φωτεινή ένταση κατά μήκος του άξονά τους ενώ χρησιμοποιούν πηγές πιο μέτριας έντασης.

Graphs showing luminous intensity distribution curves (LDC) of spotlights PO 07-250 and PO 07-400, illustrating variation of luminous intensity with angle

Στην πράξη ασχολούμαστε με πραγματικές πηγές των οποίων η κατανομή της φωτεινής ροής δεν είναι ομοιόμορφη προς όλες τις κατευθύνσεις (για παράδειγμα, προβολείς, φακοί ή λαμπτήρες πυρακτώσεως με ανακλαστική πλάτη). Επομένως, η φωτεινή ένταση οποιουδήποτε σημειακού εκπομπού πρέπει να καθορίζεται με κατεύθυνση.

Συχνά η κατανομή της φωτεινής έντασης μιας πηγής εμφανίζεται γραφικά. Η χωρική κατανομή της φωτεινής έντασης καθορίζεται μοναδικά από το φωτομετρικό σώμα — το μέρος του χώρου που περιορίζεται από την επιφάνεια μέσω των άκρων των διανυσμάτων ακτίνας της φωτεινής έντασης. Αν κόψουμε το φωτομετρικό σώμα με ένα επίπεδο που περνάει από την αρχή, λαμβάνουμε την καμπύλη κατανομής έντασης (επίσης ονομάζεται καμπύλη κατανομής φωτός, ή LDC) για εκείνο το επίπεδο ως επίπεδο πολικό διάγραμμα.

Set of six polar diagrams showing luminous intensity distribution of LED linear floodlight in different configurations: with lenses at various positions and without lenses, illustrating beam shape and intensity changes

Σε ένα καρτεσιανό σύστημα συντεταγμένων, ο οριζόντιος άξονας αντιπροσωπεύει γωνίες σε σχέση με τον άξονα της μέγιστης εκπομπής· ο κάθετος άξονας αντιπροσωπεύει τη φωτεινή ένταση. Σε πολικές συντεταγμένες, ο άξονας της μέγιστης έντασης είναι κάθετος και οι γωνίες μετρούνται από αυτόν. Οι γραμμές ίσης έντασης σχηματίζουν ομόκεντρους κύκλους· οι μετρημένες τιμές έντασης σε κάθε γωνία σχεδιάζονται και στη συνέχεια συνδέονται για να σχηματίσουν το χαρακτηριστικό σχήμα "πέταλου".

Ένα γραμμικό σύστημα συντεταγμένων είναι κατάλληλο για πηγές με μικρές στερεές γωνίες (δηλαδή, στενές δέσμες, όπως φώτα σποτ) όπου η οριζόντια κλίμακα μπορεί να περιοριστεί (για παράδειγμα, από −20° έως +20° αντί για από −90° έως +90°). Αν μια πηγή είναι ασύμμετρη — όπως συμβαίνει με μια μακρά γραμμική λάμπα — δίνονται οι κατανομές φωτεινή έντασης (LDCs) για δύο επίπεδα (κατακόρυφο και οριζόντιο). Τότε το χωρικό γράφημα "πέταλου" γίνεται ελλειπτικό στην εγκάρσια διατομή.

Equation showing illuminance E equal to luminous flux Φ divided by area A, with unit lux defined as lumen per square meter (lm/m²)

ΦΩΤΕΙΝΟΤΗΤΑ — LUX

Η φωτεινότητα είναι η ροή φωτός που προσπίπτει σε μία επιφάνεια ανά μονάδα επιφάνειας. Αν μια ροή φωτός Φ προσπίπτει σε μια επιφάνεια Σ, η μέση φωτεινότητα Ε αυτής της επιφάνειας (που συμβολίζεται από το Ε) ισούται με Ε = Φ / Σ. Η μονάδα μέτρησης της φωτεινότητας είναι το λουξ (lx).

1 lx είναι η φωτεινότητα που παράγεται από μια ροή 1 lm κατανεμημένη ομοιόμορφα σε μια επιφάνεια 1 m².

 

Equations showing relation between luminous flux Φ, luminous intensity I, solid angle Ω, surface area A, and distance r, leading to illuminance E = I / r²

Αν η φωτεινή ροή από μια σημειακή πηγή είναι Φ και πέφτει σε απόσταση r σε μια επιφάνεια προσανατολισμένη σε γωνία θ προς την κατεύθυνση του φωτός, τότε για μια σημειακή πηγή η φωτεινότητα E δίνεται από τη σχέση του αντιστρόφου τετραγώνου σε συνδυασμό με το συνημίτονο της πρόσπτωσης:

Illustration showing point source S at distance r producing illuminance E₀ = I/r² and Ea = (I/r²)·cos α on a surface, demonstrating cosine law and inverse-square law for light distribution

E = I · cos θ / r²

Εάν αρκετές πηγές φωτίζουν μια επιφάνεια από διαφορετικές κατευθύνσεις, η συνολική φωτεινότητα σε ένα σημείο είναι το άθροισμα των φωτεινοτήτων από κάθε πηγή:

E = E₁ + E₂ + E₃ + … + Eₙ.

Αυτός είναι ο νόμος της προσθετικότητας: η συνολική φωτεινότητα ισούται με το αλγεβρικό άθροισμα των συμβολών από όλες τις πηγές.

Φωτεινότητες που παράγονται από φυσικές πηγές (προσεγγιστικά):

  • Άμεσο ηλιακό φως (καλοκαίρι): ~100,000 lx
  • Άμεσο ηλιακό φως (χειμώνας): ~10,000 lx
  • Συννεφιασμένος ουρανός (καλοκαίρι): 5,000–20,000 lx
  • Συννεφιασμένος ουρανός (χειμώνας): 1,000–2,000 lx
  • Πανσέληνος (νύχτα): ~0.2 lx
  • Καθαρός ουρανός χωρίς φεγγάρι (νύχτα): ~0.0003 lx

Ας υποθέσουμε ότι η φωτεινότητα σε ένα γραφείο είναι 100 lx. Στο γραφείο υπάρχουν φύλλα λευκού χαρτιού, ένας μαύρος φάκελος και ένα βιβλίο με γκρι κάλυμμα. Η φωτεινότητα όλων αυτών των αντικειμένων είναι η ίδια, ωστόσο το μάτι αντιλαμβάνεται το χαρτί ως πιο φωτεινό από το βιβλίο, και το βιβλίο ως πιο φωτεινό από το φάκελο. Δηλαδή, το μάτι μας δεν κρίνει τη φωτεινότητα των αντικειμένων μόνο από τη φωτεινότητα, αλλά από μια άλλη ποσότητα — τη λαμπρότητα.

Illustration showing luminance calculation: luminous intensity Iα emitted at angle α divided by the projection area A·cos α, with formula La = Iα / (A·cos α) and unit candela per square meter (cd/m²)

 

ΦΩΤΕΙΝΟΤΗΤΑ — LUX

Η λαμπρότητα μιας επιφάνειας S σε μια δεδομένη κατεύθυνση είναι ο λόγος της φωτεινής έντασης που εκπέμπεται από αυτήν την επιφάνεια σε αυτή την κατεύθυνση προς την περιοχή της προβολής της επιφάνειας αυτής σε ένα επίπεδο κάθετο προς την επιλεγμένη κατεύθυνση. Η περιοχή προβολής ισούται με την πραγματική περιοχή πολλαπλασιασμένη με το συνημίτονο της γωνίας μεταξύ της επιφάνειας και του επιπέδου προβολής. Ενώ οι φωτεινές ροές, η φωτεινή ένταση και η φωτεινότητα έχουν ειδικά ονόματα μονάδων (λουμέν, κάντελα, λουξ), η μονάδα για τη λαμπρότητα είναι απλά κάντελα ανά τετραγωνικό μέτρο (cd/m²) — στην καθομιλουμένη μερικές φορές ονομάζεται «νιτ» σε παλαιότερη βιβλιογραφία. Το SI χρησιμοποιεί cd/m² για τη λαμπρότητα.

Τι καθορίζει τη λαμπρότητα των αντικειμένων; Πολλές πρακτικές πηγές δεν είναι σημειακές και οι διαστάσεις τους είναι ορατές· για τέτοιες πηγές χρησιμοποιούμε την έννοια της λαμπρότητας της πηγής. Η έννοια της λαμπρότητας ισχύει επίσης για αντανακλαστικές επιφάνειες και οθόνες, οι οποίες μπορούν να αντιμετωπιστούν ως πηγές, υπό την προϋπόθεση ότι η φωτεινή ένταση καθορίζεται λαμβάνοντας υπόψη τις αντανακλαστικές ιδιότητες των επιφανειών.

Luminance diagram showing observer’s eye viewing luminous plane Siz as projected plane Sif perpendicular to line of sight

Η λαμπρότητα ποικίλλει με την κατεύθυνση για μια δεδομένη πηγή — χαρακτηρίζει την εκπομπή προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση.

Για μια διάχυτα ανακλώσα (ματ) επιφάνεια, η λαμπρότητα συνδέεται απλά με τον φωτισμό από:

L = ρ · E / π,

όπου ρ είναι η ανακλαστικότητα (το ποσοστό της εισερχόμενης ροής που ανακλάται από την επιφάνεια).

Η λαμπρότητα είναι το μοναδικό φωτομετρικό μέγεθος που το μάτι αντιλαμβάνεται άμεσα· απουσία απορρόφησης στο μέσο διάδοσης, η λαμπρότητα δεν εξαρτάται από την απόσταση.

Η σχέση που συνδέει τη λαμπρότητα του αντικειμένου L, τον φωτισμό E_eye που παράγεται από αυτό το αντικείμενο στην κόρη του ματιού, και τη στερεά γωνία Ω που καταλαμβάνει το αντικείμενο, όπως φαίνεται από το μάτι, μπορεί να γραφεί:

L = E_eye / Ω.

Επομένως, όταν το μάτι απομακρύνεται από ένα αντικείμενο, ο φωτισμός E_eye στην κόρη μειώνεται, και η στερεά γωνία Ω μειώνεται επίσης, αλλά η λαμπρότητα L του αντικειμένου παραμένει αμετάβλητη.

Τυπικές λαμπρότητες (τάξη μεγέθους):

  • Νύχτα, άνευ σελήνης ουρανός: ≈ 1 × 10⁻⁴ cd/m²
  • Λάμπα νέον: ≈ 1 × 10⁸ cd/m²
  • Πανσέληνος όπως φαίνεται μέσω της ατμόσφαιρας: ≈ 2.5 × 10³ cd/m²
  • Φλόγα ενός συνηθισμένου κεριού από στεατίνη: ≈ 5 × 10³ cd/m²
  • Καθαρός ουρανός (μέρα): ≈ 1.5 × 10⁴ cd/m²
  • Λαμπτήρας εκκένωσης αερίου: ≈ 5 × 10⁴ cd/m²
  • Μεταλλικό νήμα ενός λαμπτήρα πυρακτώσεως: ≈ (1.5–2) × 10⁶ cd/m²
  • Νήμα μεταλλικού πηνίου ανάμεσα σε αέριο σε λαμπτήρα πυρακτώσεως: ≈ 5 × 10⁶ cd/m²
  • Κανονική κρατήρας τόξου άνθρακα: ≈ 1.5 × 10⁸ cd/m²
  • Ήλιος: ≈ 1.5 × 10⁹ cd/m²
  • Τόξο υδραργύρου τριχοειδούς (πολύ υψηλής πίεσης): ≈ 1.5 × 10⁹ cd/m²
  • Λαμπτήρας υδραργύρου υψηλής πίεσης (σφαιρικό τόξο): ≈ 4 × 10⁸ cd/m²
  • Παλμικός εξάρτης λάμπας (παλμός): ≈ 1.2 × 10⁹ cd/m²
  • Εξαιρετικά έντονη παλμική πηγή: ≈ 1 × 10¹¹ cd/m²
Formula for luminous exitance M = Φ / A in units of lm/m²

ΦΩΤΕΙΝΗ ΑΠΟΧΩΡΗΣΗ (συχνά αναφέρεται ως "φωτεινή εκπομπή" σε παλαιότερα κείμενα)

Η φωτεινή έξοδος (M) χαρακτηρίζει τη φωτεινή ροή που εξαέρχεται από μια φωτεινή επιφάνεια ανά μονάδα επιφάνειας.

Η φωτεινή έξοδος είναι αριθμητικά ίση με τη φωτεινή ροή που εκπέμπεται από μια μικρή ελεγχόμενη επιφάνεια (ένα στοιχείο ίσης φωτεινότητας) διαιρεμένη με την επιφάνεια αυτού του στοιχείου.

Η μονάδα μέτρησης της φωτεινής εξόδου είναι lumen ανά τετραγωνικό μέτρο (lm/m²), που είναι διαστασιακά ταυτόσημη με το λουξ. Μία ευρέως χρησιμοποιούμενη ορισμός θεωρεί ως μονάδα μέτρησης τη φωτεινή έξοδο μιας επιφάνειας που εκπέμπει 1 lm ανά m².

Diagram illustrating the law of reflection, showing that the angle of incidence (α) is equal to the angle of reflection (β).

ΑΡΧΕΣ ΓΕΩΜΕΤΡΙΚΗΣ ΟΠΤΙΚΗΣ

Σε ένα ομοιογενές διαφανές μέσο, οι ακτίνες φωτός είναι ευθείες γραμμές

Ορθογώνια διάδοση και σκιές

Η ορθογώνια διάδοση του φωτός απεικονίζεται από τον σχηματισμό σκιών. Αν ένα αδιαφανές αντικείμενο βρίσκεται στην πορεία των ακτίνων φωτός, τότε:

  • Μια ακτίνα που περνάει από το αντικείμενο συνεχίζει στην αρχική της κατεύθυνση, σαν να μην υπάρχει το αντικείμενο.
  • Μια ακτίνα που προσβάλλει το αντικείμενο δεν το διαπερνά· η διάδοσή της κατά μήκος αυτής της γραμμής εμποδίζεται.

Αυτό παράγει μια γεωμετρική σκιά. Επειδή το φως διαδίδεται ορθογώνια, το σχήμα της γεωμετρικής σκιάς θα μοιάζει με το περίγραμμα του αντικειμένου

Όσο μικρότερες είναι οι διαστάσεις της πηγής φωτός, τόσο πιο απότομο και καθαρότερο το περίγραμμα της σκιάς σε μια οθόνη ή σκηνικό. Για μεγαλύτερες πηγές οι σκιές γίνονται θολές, επειδή οι ακτίνες από διαφορετικά σημεία της πηγής παράγουν ελαφρώς μετατοπισμένες σκιές των οποίων η επιπροβολή δίνει μια πιο μαλακή άκρη

Οι ακτίνες φωτός διασταυρώνονται μεταξύ τους χωρίς να επηρεάζονται η μία από την άλλη· κάθε ακτίνα φωτίζει τον χώρο ανεξάρτητα

Diffuse reflection diagram showing scattered rays from a rough surface

ΝΟΜΟΣ ΤΗΣ ΑΝΑΚΛΑΣΗΣ

1. Η προσπίπτουσα ακτίνα, η ανακλώμενη ακτίνα και η κάθετη στην ανακλαστική επιφάνεια στο σημείο πρόσπτωσης βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο.

2. Η γωνία ανάκλασης ισούται με τη γωνία πρόσπτωσης: α = β.

Συντελεστής ανάκλασης — η αναλογία της φωτεινής ροής που ανακλάται από μια επιφάνεια προς τη φωτεινή ροή που προσπίπτει επ' αυτής από μια συγκεκριμένη πηγή φωτός ή φωτιστικό. Όσο μεγαλύτερος είναι ο συντελεστής ανάκλασης, τόσο πιο φωτεινή εμφανίζεται η επιφάνεια. Στο παράδειγμα του γραφείου παραπάνω, το χαρτί έχει υψηλότερη ανακλαστικότητα από το εξώφυλλο του βιβλίου, το οποίο με τη σειρά του έχει υψηλότερη ανακλαστικότητα από το φάκελο. Η ανακλαστικότητα εξαρτάται τόσο από τις ιδιότητες του υλικού όσο και από το φινίρισμα της επιφάνειας.

Diagrams of light reflection types: specular, directional scattered, diffuse, mixed

Τύποι ανακλάσεων

Η ανάκλαση μπορεί να είναι κατευθυντική (κατοπτρική) ή διάχυτη μέσα σε μια συγκεκριμένη στερεά γωνία. Πάρτε ένα συνηθισμένο λευκό χαρτί: φαίνεται εξίσου φωτεινό από οποιαδήποτε γωνία θέασης, δηλαδή η φωτεινότητά του είναι περίπου ίδια για όλες τις κατευθύνσεις — αυτή είναι η διάχυτη ανάκλαση.

Διάχυτη ή διασκορπισμένη ανάκλαση συμβαίνει σε ματ χαρτί, τα περισσότερα υφάσματα, ματ χρώματα, ασβέστιο, τραχιά μέταλλα, κ.λπ. Αν γυαλίσουμε μια τραχιά μεταλλική επιφάνεια, ο χαρακτήρας της ανάκλασής της αλλάζει: εάν γυαλιστεί πολύ καλά, όλα τα εισερχόμενα φως αντανακλάται σε μία μόνο κατεύθυνση και η γωνία ανάκλασης είναι ίση με τη γωνία πρόσπτωσης — αυτή είναι η κατοπτρική ανάκλαση. Οι κατοπτρικές και οι διάχυτες ανακλάσεις είναι οι δύο άκρα; οι ενδιάμεσες περιπτώσεις (κατευθυντικά διασκορπισμένη ή μικτή ανάκλαση) συμβαίνουν για ελλιπώς γυαλισμένα μέταλλα, μετάξι, γυαλιστερό χαρτί και αμυδρό γυαλί.

Για επιφάνειες που αντανακλούν διάχυτα, η φωτεινότητα σχετίζεται με τη φωτεινότητα με την απλή σχέση: 
L = ρ · E / π.

Για κατευθυντικά διασκορπισμένες ή μικτές επιφάνειες κάποιος χρειάζεται τις πραγματικές ενδεικτικές ανάκλασης (bidirectional reflectance distribution functions — BRDFs) για να προβλέψει τη φωτεινότητα.

Οι τέσσερις φωτομετρικές ποσότητες που περιγράφηκαν παραπάνω — φωτεινή ροή, φωτεινή ένταση, φωτεινότητα και φωτεινότητα — είναι ουσιαστικές για την κατανόηση της συμπεριφοράς των πηγών φωτός και των φωτιστικών. Αλλά για να χαρακτηρίσουμε πλήρως τις φωτομετρικές ιδιότητες των υλικών πρέπει επίσης να γνωρίζουμε συντελεστές όπως η ανακλαστικότητα, η διαπερατότητα και η απορροφητικότητα.

ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΕΣ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΚΑΙ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ

Το κλάσμα του φωτός που περνά μέσα από ένα υλικό χαρακτηρίζεται από τη διαπερατότητα (συντελεστής μετάδοσης), και το κλάσμα που απορροφάται χαρακτηρίζεται από τον συντελεστή απορρόφησης. Για οποιοδήποτε υλικό, το άθροισμα της ανακλαστικότητας, της διαπερατότητας και της απορροφητικότητας είναι ίσο με ένα. Δεν υπάρχει πραγματικό υλικό που να έχει κάποιον από αυτούς τους τρεις συντελεστές ίσο με 1. Υψηλή διάχυτη ανακλαστικότητα βρίσκεται στο φρέσκο χιόνι, στο χημικά καθαρό θειικό βάριο και στο οξείδιο του μαγνησίου. Η υψηλότερη κατοπτρική ανάκλαση βρίσκεται στο γυαλισμένο ασήμι και στο ειδικά επεξεργασμένο αλουμίνιο.

Diagram showing light refraction when passing through air, water, and glass with incident and refracted rays

ΔΙΑΘΛΑΣΗ ΤΟΥ ΦΩΤΟΣ

Όταν μια ακτίνα φωτός χτυπά το όριο μεταξύ δύο διαφανών μέσων με διαφορετικές οπτικές πυκνότητες (για παράδειγμα, αέρας και νερό), μέρος του φωτός ανακλάται και μέρος εισέρχεται στο δεύτερο μέσο. Όταν εισέρχεται στο δεύτερο μέσο, η ακτίνα αλλάζει κατεύθυνση στο όριο - αυτό είναι η διάθλαση.

Αν το φως πέσει από ένα οπτικά λιγότερο πυκνό μέσο σε πιο πυκνό μέσο, η διαθλασμένη γωνία είναι πάντα μικρότερη από τη γωνία πρόσπτωσης.

Οι τιμές διαπερατότητας συνήθως καταγράφονται για ένα αναφερθέν πάχος (συνήθως 1 cm). Πολύ διαφανή υλικά περιλαμβάνουν καθαρό χαλαζία και ορισμένους βαθμούς PMMA (ακρυλικό). Η μετάδοση φωτός, όπως η ανάκλαση, μπορεί να είναι καθαρή (κατευθυντική), διάχυτη (π.χ. γυαλί γάλακτος), κατανεμημένη κατευθυντικά (π.χ. σκαλιστό γυαλί) ή μικτή.

Τα περισσότερα υλικά ανακλούν, διαπερνούν και απορροφούν το φως διαφορετικά σε διαφορετικά μήκη κύματος — αυτή η εξάρτηση από το μήκος κύματος καθορίζει το χρώμα τους. Οι φασματικές χαρακτηριστικές της ανάκλασης, της διαπερατότητας και της απορροφητικότητας χρειάζονται για να περιγράψουμε πλήρως τις φωτομετρικές ιδιότητες. Όλοι οι τρεις συντελεστές είναι αδιάστατοι και συνήθως εκφράζονται ως κλάσματα ή ποσοστά.

 

Diagram showing the inverse square law of light, illustrating how illuminance decreases with distance (r, 2r, 3r) from a point source

ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΟΣ ΝΟΜΟΣ ΤΟΥ ΤΕΤΡΑΓΩΝΟΥ ΤΗΣ ΑΠΟΣΤΑΣΗΣ

Ο πρώτος νόμος της φωτομετρίας — ο νόμος του αντίστροφου τετραγώνου — διατυπώθηκε από τον Γιοχάνες Κέπλερ το 1604.

Φόρμουλα: E = I · cos θ / r²

όπου:

  • E — φωτισμός
  • r — απόσταση από την πηγή στο αντικείμενο
  • I — φωτεινή ένταση της σημειακής πηγής
  • θ — γωνία προσπτώσεως σε σχέση με την κάθετο στην επιφάνεια 

Αυτός ο νόμος είναι πιθανώς η πιο εντατικά χρησιμοποιούμενη αρχή από τους σχεδιαστές φωτισμού. Είτε συνειδητά είτε ενστικτωδώς, είναι παρών στην αλυσίδα των αποφάσεών μας. Όταν επιλέγουμε τον τύπο του οργάνου που θα τοποθετήσουμε σε μια συγκεκριμένη θέση, ή επιλέγουμε το σημείο στήριξης για μια λάμπα, ή όταν αξιολογούμε την εικόνα που έχουμε δημιουργήσει, πρέπει πάντα να λαμβάνουμε υπόψη πόσο διαφορετική θα είναι η προβολή για τα μέλη του κοινού στις θέσεις ή στον εξώστη.

Η λέξη-κλειδί στη διατύπωση του νόμου είναι «σχετική»: ο νόμος έχει νόημα για τη σύγκριση του φωτισμού σε δύο διαφορετικές αποστάσεις. Οι μονάδες (πόδια ή μέτρα) δεν αλλάζουν τις ποιοτικές σχέσεις. Πρακτικά, ο νόμος του αντίστροφου τετραγώνου σημαίνει:

  • Διπλασιάζοντας την απόσταση, ο φωτισμός μειώνεται τέσσερις φορές.
  • Τριπλασιάζοντας την απόσταση, ο φωτισμός μειώνεται εννέα φορές.
  • Μειώνοντας στο μισό την απόσταση, ο φωτισμός αυξάνεται τέσσερις φορές.
Illustration of how light intensity decreases with distance from a luminaire, following the inverse square law

Ένα άλλο πρακτικό συμπέρασμα για τον σχεδιαστή φωτισμού είναι το πώς να επιλέξει το σημείο εγκατάστασης ενός φωτιστικού ανάλογα με τους στόχους φωτισμού.

Illustration showing how light intensity decreases in percentage as distance from the source increases, demonstrating the inverse square law

Παρακάτω είναι ένας πίνακας (από την πηγή) που δείχνει πώς αλλάζει το επίπεδο φωτός με την απόσταση (οριζόντια κλίμακα σε μέτρα).

Τι μας δίνει αυτή η πληροφορία εκτός από όσα έχουν ήδη ειπωθεί; Μπορούμε να κατανοήσουμε πώς το φως επηρεάζει ένα αντικείμενο σε διάφορες αποστάσεις. Μας δίνει επίσης μια εικόνα για το πώς αλλάζουν η φωτεινότητα και, επομένως, η φαινομενική φωτεινότητα καθώς ένα αντικείμενο (για παράδειγμα, ένας ηθοποιός) κινείται προς ή μακριά από μία πηγή φωτός. Αν ένα αντικείμενο κινείται κατά μήκος του άξονα ενός κατευθυνόμενου φωτός με σταθερή ταχύτητα μακριά από την πηγή, η αρχική πτώση της φωτεινότητας συμβαίνει γρήγορα, αλλά πιο μακριά η αλλαγή γίνεται πιο αργή. Σύμφωνα με το νόμο του αντιστρόφου τετραγώνου, η απόλυτη φωτεινότητα πέφτει πιο γρήγορα όταν κινείται μακριά από την πηγή. Ωστόσο, η αλλαγή στη φωτεινότητα που προκαλείται από τη μετακίνηση σε σταθερή απόσταση είναι μικρότερη όταν το αντικείμενο είναι ήδη μακριά από την πηγή σε σχέση με όταν είναι κοντά.

Ένα πρακτικό παράδειγμα στο μπαλέτο: αν ο φωτισμός από τα πλάγια — απαραίτητος σε πολλές παραγωγές μπαλέτου — τοποθετηθεί πολύ κοντά στη σκηνή, ακόμη και μεταξύ χορευτών που στέκονται πλάι-πλάι, μπορεί κανείς να δει μεγάλες διαφορές στη φωτεινότητα από τα πλάγια. Για να αποφευχθεί αυτή η ανομοιομορφία, ο φωτισμός από τα πλάγια πρέπει να μετακινηθεί όσο το δυνατόν πιο μακριά από τον χώρο εκτέλεσης, ή τα φωτιστικά να αντικατασταθούν με συσκευές μεγαλύτερης ισχύος. Αυτό το μικρό παράδειγμα δείχνει πόσο σημαντικός μπορεί να είναι ο νόμος του αντιστρόφου τετραγώνου για έναν φωτιστή.

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΕΣ ΑΝΑΦΟΡΕΣ

  • Μπαζίμα, B.A., Υποψήφιος Ψυχολογικών Επιστημών — Χρώμα και Ψυχή. Μονογραφία. Χάρκοβο, 2001.
  • Γκαίτε, Γ.Β. — Για τη Θεωρία των Χρωμάτων (Chroma). Στο: Ψυχολογία του Χρώματος, μτφ. από τα Αγγλικά. Μόσχα: “Refl-book”, Κίεβο: “Vakler”, 1996.
  • Γκαίτε, Γ.Β. — Πραγματεία για το Χρώμα. Στο: Επιλεγμένα Έργα Φυσικών Επιστημών. Μόσχα, 1957.
  • Καντίνσκι, Β. — Για το Πνευματικό στην Τέχνη. Ψυχολογία του Χρώματος. Μόσχα: “Refl-book”, Κίεβο: “Vakler”, 1996.
  • Κοζλόβα, Τ.Β. — Χρώμα στο Κοστούμι. Μόσχα, 1989.
  • Λοσέφ, Α.Φ. — Φιλοσοφία. Μυθολογία. Πολιτισμός. Μόσχα, 1991.
  • Μίρονοβα, Λ.Ν. — Σημασιολογία του Χρώματος στην Εξέλιξη της Ανθρώπινης Ψυχής. Στο: Προβλήματα Χρώματος στην Ψυχολογία. Μινσκ, 1993.
  • Μίρονοβα, Λ.Ν. — Χρώμα στις Καλές Τέχνες. Μινσκ, 2002.
  • Τέρνερ, Β.Υ. — Σύμβολο και Τελετουργία. Μόσχα, 1983.
  • Φοϊχτ, Β., Ζούκερ, Ο. — Γκαίτε — Φυσιοδίφης. Μετάφραση από τα Γερμανικά. Κίεβο, 1983.
  • Φράιντενμπεργκ, Ο.Μ. — Μύθος και Λογοτεχνία της Αρχαιότητας. Μόσχα, 1978.
  • Φρούμκινα, Ρ.Μ. — Χρώμα, Σημασία, Ομοιότητα. Μόσχα, 1984.

Κατάλογοι Φωτισμού Διασκέδασης

Sundrax Entertainment Lighting Catalogs