Bài giảng Kỹ thuật chiếu sáng

Tập bài giảng được chia làm 5 chương: Chương 1: Những khái niệm cơ bản về ánh sáng Chương 2: Cấu tạo của đèn và bộ đèn chiếu sáng Chương 3: Hệ thống điện chiếu sáng Chương 4: Lắp đặt,

Trường đại học sư phạm kỹ thuật nam định

Nam định 2013

LỜI NÓI ĐẦU

Sự phát triển của sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước, các đô thị, khu công nghiệp, các xa lộ, các công trình văn hóa thể thao đang phát triển nhanh chóng Việc chiếu sáng các công trình này không chỉ là mối quan tâm của các công ty chiếu sáng đô thị, các nhà thiết kế chiếu sáng kiến trúc mà còn là mối quan tâm chung của toàn xã hội

Hiện nay ở Việt nam với tổng số trên 700 đô thị đang trên đà quy hoạch xây dựng và phát triển, nhu cầu về chiếu sáng tăng trưởng rất lớn Với số dân đô thị chỉ chiếm 26% dân số cả nước nhưng sử dụng trên 80% tổng điện năng, trong đó chiếu sáng sử dụng tới 27% tổng điện năng

Việc đầu tư xây dựng các nhà máy điện không theo kịp tốc độ phát triển kinh

tế, tình trạng thiếu điện còn diễn biến lâu dài cho nên việc sử dụng điện năng hiệu quả

và tiết kiệm phải là quốc sách hàng đầu Kỹ thuật chiếu sáng đã chuyển từ chiếu sáng tiện nghi trong đó chú trọng tiện nghi nhìn sang chiếu sáng tiện ích mà nội dung cơ bản là vừa đảm bảo tiện nghi nhìn, thỏa mãn điều kiện lao động tốt nhất nhưng triệt để tiết kiệm điện năng

Tập bài giảng được biên soạn với mong muốn tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình giảng dạy, nghiên cứu và học tập tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định và cũng là tài liệu tham khảo cho các cán bộ kỹ thuật làm việc trong lĩnh vực chiếu sáng, các hội viên của Hội chiếu sáng đô thị Việt Nam

Tập bài giảng được chia làm 5 chương:

Chương 1: Những khái niệm cơ bản về ánh sáng

Chương 2: Cấu tạo của đèn và bộ đèn chiếu sáng

Chương 3: Hệ thống điện chiếu sáng

Chương 4: Lắp đặt, vận hành, bảo dưỡng và quản lý hệ thống chiếu sáng Chương 5: Ứng dụng phần mềm thiết kế chiếu sáng

Trong quá trình biên soạn tập bài giảng, nhóm biên soạn đã cập nhật các kiến thức cơ bản về kỹ thuật chiếu sáng và công nghệ chiếu sáng hiện đại, tiết kiệm và hiệu quả, phản ánh được xu thế phát triển của khoa học công nghệ chiếu sáng hiện đại phù hợp với tiêu chuẩn Việt nam Tuy nhiên nhóm biên soạn đã hết sức cố gắng nhưng chắc chắn không thể tránh được những thiếu sót, rất mong nhận được ý kiến đóng góp của bạn đọc để tập bài giảng được hoàn thiện hơn

Mục lục

LỜI NÓI ĐẦU i

Chương 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ÁNH SÁNG 1

1.1 Lịch sử phát triển của kỹ thuật chiếu sáng 1

1.2 Vai trò của chiếu sáng 2

1.3 Bản chất của ánh sáng 2

1.3.1 Bản chất sóng hạt của ánh sáng 2

1.3.2 Nguồn sáng tự nhiên và quang phổ liên tục 3

1.3.3 Nguồn sáng nhân tạo và quang phổ vạch 4

1.4 Một số hiện tượng phát sáng 5

1.4.1 Hiện tuợng phát sáng do nung nóng 5

1.4.2 Hiện tuợng phát sáng do phóng điện 6

1.4.3 Hiện tượng phát sáng huỳnh quang 7

1.4.4 Hiện tượng phát sáng lân quang 8

1.4.5 Hiện tượng phát sáng thứ cấp 9

1.5 Các đại lượng cơ bản đo ánh sáng và các dụng cụ đo ánh sáng 9

1.5.1 Các đại lượng cơ bản đo sánh sáng 9

1.5.2 Thông lượng năng lượng của bức xạ ánh sáng nhìn thấy 11

1.5.3 Quang hiệu 14

1.5.4 Cường độ sáng 15

1.5.5 Độ rọi 15

1.5.6 Độ sáng (còn gọi là độ trưng) 17

1.5.7 Độ chói 17

1.5.8 Nhiệt độ màu 19

1.6 Các định luật quang học và ứng dụng trong kỹ thuật chiếu sáng 21

1.6.1 Sự phản xạ 21

1.6.2 Sự truyền xạ 22

1.6.3 Sự khúc xạ 24

1.6.4 Sự che chắn 24

1.6.5 Sự hấp thụ 25

1.6.6 Định luật Lambert về sự khuyếch tán đều 26

1.7 Mắt người và sự cảm thụ ánh sáng (HT thị giác) 27

1.7.1 Cấu tạo mắt người 27

1.7.2 Sự giải mã hình ảnh 28

1.7.3 Quá trình thích nghi 29

1.7.4 Cảm giác chiều sâu của vật cần nhìn 29

1.7.5 Cực cận và cực viễn của mắt 29

1.7.6 Trường nhìn (thị trường) của mắt 30

1.7.7 Độ tương phản 30

1.7.8 Hiện tượng chói lóa 31

Chương 2: CẤU TẠO CỦA ĐÈN VÀ BỘ ĐÈN CHIẾU SÁNG 43

2.1 Bóng đèn nung sáng 43

2.1.1 Cấu tạo của bóng đèn nung sáng 43

2.1.2 Các bộ đèn nung sáng thông dụng 45

2.2 Bóng đèn huỳnh quang 46

2.2.1 Đặc điểm cấu tạo 46

2.2.2 Các bộ đèn huỳnh quang thông dụng 48

2.3 Bóng đèn phóng điện cuờng độ cao (HID- Hingh Intentsity Discharge) 49

2.3.1 Cấu tạo của bóng đèn phóng điện 49

2.3.2 Các bộ đèn phóng điện HID thông dụng 50

2.4 Đèn phát sáng quang điện (LED- Lighting Emitting Diode) 53

2.5 Đèn cảm ứng (đèn không điện cực) 54

2.6 Đèn Sulfua 55

2.7 Cấu tạo của bộ đèn chiếu sáng công cộng 56

2.7.1 Cấu tạo chung của một bộ đèn chiếu sáng công cộng 56

2.7.2 Các bộ phận chính của bộ đèn chiếu sáng công cộng 57

2.7.3 Các thông số cơ học chủ yếu của bộ đèn chiếu sáng công cộng 61

2.7.4 Các thông số điện chủ yếu của bộ đèn chiếu sáng công cộng 63

2.7.5 Các thông số về quang học của bộ đèn chiếu sáng công cộng 64

2.7.6 Phân loại các bộ đèn chiếu sáng công cộng 72

Chương 3 HỆ THỐNG ĐIỆN CHIẾU SÁNG 74

3.1 Quy chuẩn hệ thống chiếu sáng 74

3.2 Thiết kế chiếu sáng dân dụng 75

3.2.1 Phương pháp suất phụ tải chiếu sáng 75

3.2.2 Phương pháp hệ số sử dụng 76

3.2.3 Tính toán chiếu sáng theo phương pháp điểm 77

3.2.4 Thiết kế chiếu sáng theo phương pháp điểm 79

3.2.5 Hệ thống cung cấp điện 87

3.2.6 Tính và chọn tiết diện dây dẫn cho mạng điện chiếu sáng 89

3.3 Thiết kế chiếu sáng công cộng 96

3.3.1 Sơ lược về lịch sử các phương pháp, trình tự thiết kế 96

3.3.2 Các tiêu chuẩn chiếu sáng đường giao thông và yêu cầu cơ bản 97

3.3.3 Các nguyên tắc cơ bản 97

3.3.4 Phương pháp tỉ số R trong thiết kế chiếu sáng 101

3.4.5 Phương pháp độ chói điểm trong thiết kế chiếu sáng 107

3.4.6 Thiết kế chiếu sáng tại các điểm đặc biệt trên đường giao thông 111

3.4 Thiết kế chiếu sáng công nghiệp 125

3.4.2 Chiếu sáng công viên, vườn hoa 125

3.4.3 Chiếu sáng công trình thể thao ngoài trời - những nguyên tắc chung 131

3.4.4 Một số vấn đề cần nghiên cứu chiếu sáng đô thị 133

3.4.5 Ô nhiễm ánh sáng 134

3.4.6 Quy hoạch chiếu sáng 135

3.5 Điều khiển hệ thống chiếu sáng 136

Chương 4: LẮP ĐẶT, VẬN HÀNH, BẢO DƯỠNG VÀ QUẢN LÝ HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG 140

4.1 Lắp đặt và vận hành hệ thống chiếu sáng 140

4.1.1 Lắp đặt 140

4.1.2 Vận hành hệ thống chiếu sáng 142

4.2 Tiết kiệm điện năng trong chiếu sáng 144

4.3 Các hiện tượng xuống cấp và bảo dưỡng của hệ thống chiếu sáng 144

4.3.1 Hiện tượng xuống cấp hệ thống chiếu sáng 144

4.3.2 Bảo dưỡng hệ thống chiếu sáng 145

4.4 Quản lý và nâng cấp hệ thống chiếu sáng 145

4.4.1 Quản lý 145

4.4.2 Nâng cấp hệ thống chiếu sáng 146

ÔN TẬP CHƯƠNG 4 146

4.1 Lắp đặt và vận hành hệ thống chiếu sáng 146

4.2 Tiết kiệm điện năng trong chiếu sáng 146

4.3 Các hiện tượng xuống cấp và bảo dưỡng hệ thống chiếu sáng 146

4.4 Quản lý và nâng cấp hệ thống chiếu sáng 146

Chương 5: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM THIẾT KẾ CHIẾU SÁNG 147

5.1 Sử dụng phần mềm thiết kế chiếu sáng công cộng Ulysse 2.2 147

5.2 Sử dụng phần mềm thiết kế chiếu sáng Dialux 4.9 156

ÔN TẬP CHƯƠNG 5 196

PHỤ LỤC 197

TÀI LIỆU THAM KHẢO 202

Chương 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ÁNH SÁNG

1.1 Lịch sử phát triển của kỹ thuật chiếu sáng

Ngay từ thời kỳ sơ khai con người đã biết tạo ra ánh sáng từ lửa, tuy nhiên lúc đó con người dùng lửa với tư cách là nguồn nhiệt chứ không phải là nguồn sáng Trải qua một thời kỳ dài của lịch sử, con người mới phát minh ra loại đèn thắp sáng bằng chất khí Sau khi nhà hoá học người Áo K.Auer phát minh ra đèn măng sông chế tạo bằng chất chịu được nhiệt độ cực cao đã cho ánh sáng trắng khi đốt cháy trong ngọn lửa chất khí thì đèn măng sông trở nên phổ biến khắp các thành phố lớn trên thế giới, đến nỗi tưởng như không thể còn loại đèn nào có thể thay thế được

Tuy nhiên cuối thế kỷ 19 người ta bắt đầu nhận thấy ưu điểm khi thắp sáng bằng điện Cho đến nay người ta vẫn chưa biết chính xác ai là người đầu tiên chế tạo

ra chiếc đèn điện đầu tiên Tuy nhiên để đi đến chiếc bóng đèn hoàn thiện như ngày nay chắc chắn phải có sự cống hiến của nhiều nhà khoa học, trong đó người có công lớn nhất và là người đã đăng ký bản quyền phát minh đầu tiên về bóng đèn dây tóc vào năm 1878 là Thomas Edison - một nhà phát minh nổi tiếng của Mỹ Để ghi nhận công lao và sự nỗ lực của ông trong việc đem ánh sáng đến cho nhân loại mà ngày nay người ta đã tưởng nhớ ông như là cha đẻ của mọi loại bóng đèn điện dùng sợi đốt

Đêm 24/12/1879 Edison mời hàng trăm người thuộc đủ mọi thành phần trong xã hội ở thành phố New York tới dự bữa tiệc tại nhà ông nhằm quảng cáo sản phẩm đèn điện do ông chế tạo lần đầu tiên Tại bữa tiệc này ông cho thắp sáng hàng loạt bóng đèn ở tất cả khu nhà ở, xưởng máy, phòng thí nghiệm và sân vườn Kết quả bữa tiệc đã giúp ông nhận được sự tài trợ của chính quyền cho đề án thắp sáng thành phố Cuối cùng, đến 5 giờ sáng ngày 04/9/1882 hàng trăm ngọn đèn trên các phố đồng loạt bật sáng làm cả một góc thành phố NewYork tràn ngập ánh sáng điện, đánh dấu thời khắc lịch sử ánh sáng điện chinh phục bóng đêm Đây cũng được xem là thời điểm ra đời của ngành chiếu sáng đô thị

Tại Việt Nam trước đây, chiếu sáng đô thị được xây dựng trên cơ sở lưới đèn chiếu sáng công cộng được xây dựng từ thời Pháp thuộc, chủ yếu dùng bóng đèn sợi tóc Đến năm 1975, những ngọn đèn cao áp đầu tiên được lắp đặt tại khu vực quảng trường Ba Đình và lăng Chủ tịch Hồ Chí Minh Ngoài chiếu sáng đường phố, các loại chiếu sáng khác của đô thị như chiếu sáng công viên, vườn hoa, chiếu sáng cảnh quan các công trình kiến trúc văn hoá, lịch sử, thể thao, chiếu sáng tượng đài hầu như chưa có gì

Hội nghị chiếu sáng đô thị lần thứ nhất vào tháng 4/1992 là một mốc khởi

đầu cho sự phát triển của ngành chiếu sáng đô thị Việt Nam Thực trạng chiếu sáng

đô thị lúc bấy giờ vẫn còn rất kém, lạc hậu so với các đô thị trong khu vực Sau Hội nghị chiếu sáng đô thị toàn quốc lần thứ hai vào tháng 12/1995 tổ chức tại Đà Nẵng, cùng với sự phát triển vượt bậc của nền kinh tế, lĩnh vực chiếu sáng đô thị ở nước ta đã thực sự hình thành và phát triển Hiện nay chúng ta đã có Hội chiếu sáng

đô thị Việt nam

1.2 Vai trò của chiếu sáng

Tại các nước phát triển, điện năng dùng cho chiếu sáng chiếm từ 8 đến 13% tổng điện năng tiêu thụ Hệ thống chiếu sáng đô thị bao gồm nhiều thành phần khác nhau, trong đó có thể kể đến chiếu sáng phục vụ giao thông, chiếu sáng các cơ quan chức năng của đô thị

Chiếu sáng đường phố tạo ra sự sống động, hấp dẫn và tráng lệ cho các đô thị về đêm, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống cho người dân đô thị, thúc đẩy

sự phát triển thương mại và du lịch Đặc biệt, hệ thống chiếu sáng trang trí còn tạo

ra không khí lễ hội, sự khác biệt về cảnh quan của các đô thị trong các dịp lễ tết và các ngày kỷ niệm lớn hoặc trong thời điểm diễn ra các hoạt động chính trị, văn hóa xã hội cũng như sự kiện quốc tế

Trong điều kiện thiếu hụt về điện năng của nước ta, đã có những lúc, những nơi chiếu sáng quảng cáo bị coi là phù phiếm, lãng phí và không hiệu quả Điều này xuất phát từ góc độ tiêu thụ năng lượng mà chưa nhận thức tổng quát vai trò của chiếu sáng đô thị Do đó cần có sự đánh giá chính xác và khách quan về hiệu quả

mà chiếu sáng đem lại không chỉ về mặt kinh tế, mà còn cả trên các bình diện văn hóa - xã hội Không chỉ nhìn nhận những hiệu quả trực tiếp trước mắt, có thể tính được bằng tiền mà còn cả hiệu quả gián tiếp và lâu dài mà chiếu sáng đem lại trong việc quảng bá, thúc đẩy sự phát triển của thương mại, du lịch và dịch vụ

Chỉ có như vậy, hệ thống chiếu sáng đô thị mới có thể phát triển và duy trì một cách bền vững, đóng một vai trò ngày một xứng đáng trong các công trình hạ tầng kỹ thuật đô thị

Để làm được việc đó chúng ta phải đẩy mạnh việc nghiên cứu, ứng dụng, phát triển lý thuyết về chiếu sáng đô thị ngày càng hoàn thiện nhằm xây dựng đô thị Việt Nam vừa mang phong cách hiện đại vừa giữ gìn được nét truyền thống

1.3 Bản chất của ánh sáng

1.3.1 Bản chất sóng hạt của ánh sáng

+ Ánh sáng nhìn thấy, tia cực tím, tia X, sóng radio, sóng truyền hình,…tất

cả đều là những dạng năng lượng điện từ được truyền trong không gian dưới dạng sóng, cũng giống như các bức xạ điện từ khác được đặc trưng bởi bước sóng λ, tần số

ν, hoặc chu kỳ T với ν = 1/T hoặc c = ν.λ

+ Có thể chia bước sóng thành các phạm vi sau, ta nhận thấy ánh sáng nhìn thấy chỉ là dải hẹp từ 380nm 780nm

• Từ 3000 m đến 1000 m

• Từ 1000 m đến 100 m Sóng dài (LW = long wave)

• Từ 100 m đến 10 m Sóng trung (MW = medium wave)

+ Theo thuyết lượng tử, ánh sáng còn mang bản chất hạt (photon), có năng lượng

+ Như vậy căn cứ vào bước sóng ta có thể phân biệt được sóng ánh sáng và các dạng năng lượng khác trên quang phổ điện từ

1.3.2 Nguồn sáng tự nhiên và quang phổ liên tục

+ Ánh sáng nhìn thấy khác với các dạng bức xạ điện từ khác ở khả năng làm kích hoạt võng mạc của mắt người

+ Vùng ánh sáng nhìn thấy có bước sóng dao động từ 380nm 780nm

+ Thí nghiệm đã chứng minh: dải phổ của ánh sáng mặt trời là dải quang phổ liên tục có bước sóng thay đổi từ 380nm 780nm như hình sau:

+ Ánh sáng mặt trời được coi là nguồn sáng chuẩn để đánh giá chất lượng của nguồn sáng nhân tạo

Hình 1.1 Thí nghiệm quang phổ liên tục

+ Ánh sáng mặt trời có rất nhiều công dụng khác ngoài chiếu sáng: sinh ra vitamin D khi tắm nắng buổi sáng, diệt vi khuẩn (do có một lượng rất bé tia cực tím), phát điện, thu nhiệt, sấy khô

+ Hiện nay người ta đang nghiên cứu thiết bị dẫn ánh sáng tự nhiên vào trong các toà nhà nhằm giảm tiền điện cũng như có lợi cho sức khoẻ

1.3.3 Nguồn sáng nhân tạo và quang phổ vạch

Hình 1.2.Thí nghiệm quang phổ vạch

+ Ánh sáng nhân tạo có quang phổ vạch đứt quãng Hình 1.2 là kết quả thí nghiệm xác định quang phổ của một số nguồn sáng nhân tạo sau khi đi qua lăng kính + Nói chung ánh sáng nhân tạo không tốt bằng ánh sáng mặt trời (xét dưới góc

Lăng kính

Ánh sáng

mặt trời

Tia sáng đơn sắc đầu ra lăng kính

Phổ ánh sáng

Lăng kính

Nguồn sángnhân tạo (đèn chiếu sáng)

Khe hẹp

Vật đen

độ chiếu sáng) Về mặt tâm - sinh lý, trải qua hàng triệu năm tiến hóa, hệ thần kinh của con người đã thích nghi hoàn toàn với ánh sáng ban ngày nên với bất kỳ nguồn sáng nào không phải là ánh sáng mặt trời đều không tốt đối với mắt Ước mơ của con người luôn luôn hướng đến việc tạo ra các nguồn sáng giống như ban ngày, do đó

để đánh giá chất lượng của các nguồn sáng nhân tạo người ta thường lấy ánh sáng ban ngày làm chuẩn để so sánh

Ánh sáng đèn tuýp ta thường thấy cũng chỉ có màu xanh, tức là có quang phổ vạch mặc dù ban đêm ta cảm thấy nó khá dễ chịu Với sự tiến bộ của kỹ thuật, hiện nay người ta có thể chế tạo các nguồn sáng có khả năng phát ra các bức xạ có quang phổ liên tục gần với ánh sáng trắng như đèn xenon, song giá thành rất đắt nên chủ yếu dùng cho các loại xe hơi đắt tiền

1.4 Một số hiện tượng phát sáng

1.4.1 Hiện tuợng phát sáng do nung nóng

Bất kỳ vật thể nào có nhiệt độ > 00K đều bức xạ năng lượng dưới dạng sóng điện từ, khi được nung nóng đến nhiệt độ khoảng 10000K sẽ phát ra bức xạ ánh sáng (cũng là loại sóng điện từ) Nhiệt độ càng cao thì cường độ ánh sáng tăng lên và màu sắc bề ngoài cũng trở nên sáng hơn Các loại đèn điện chiếu sáng thường dùng dòng điện để đốt nóng sợi đốt (dây tóc) bằng kim loại Hiện tượng phát sáng khi nung nóng bằng dòng điện được nhà khoa học Anh Humphrey DaVy phát hiện năm

1802 Sau đó nhà phát minh người Mỹ Edison mới chế tạo ra đèn sợi đốt đầu tiên Hiện tượng phát xạ ánh sáng do nung nóng được giải thích như sau: Khi có điện áp đặt vào hai đầu dây tóc, các điện tử ở các lớp ngoài của nguyên tử được giải phóng khỏi nguyên tử và dịch chuyển trong mạng tinh thể kim loại Trong quá trình

di chuyển, điện tử luôn luôn có va chạm với các nguyên tử, do đó động năng của điện tử đã truyền một phần cho nguyên tử Kết quả là các nguyên tử bị kích thích và một số điện tử lớp trong nhảy ra lớp ngoài (nếu lớp đó chưa đầy) Điện tử này có xu hướng trở về vị trí trống gần hạt nhân hơn (vị trí ổn định) và nếu điều đó xảy ra thì điện tử sẽ mất một lượng năng lượng E (thế năng) đồng thời giải phóng một photon

có bước sóng  = c.h/E (có thể là ánh sáng nhìn thấy hoặc không nhìn thấy)

Năng lượng bức xạ có thể bao gồm quang năng, nhiệt năng và bức xạ hồng ngoại Ứng dụng hiện tượng này để chế tạo các loại đèn sợi đốt như đèn sợi đốt chân không (trong dân dụng 50W75W), đèn sợi đốt halogen (còn gọi là đèn halogen-Vonfram)

1.4.2 Hiện tuợng phát sáng do phóng điện

Hiện tượng này do nhà khoa học Anh Edward Townsend phát hiện đầu tiên Hiện tượng phóng điện trong chất khí là quá trình diễn ra rất phức tạp, phụ thuộc vào áp suất khí, công suất nguồn điện và dạng điện trường Tuy nhiên có thể mô tả tóm tắt thông qua thí nghiệm sau đây: cho ống phóng điện thủy tinh chứa hơi kim loại hoặc một khí trơ nào đó ở áp suất thấp, bên trong có đặt 2 điện cực và được nối với nguồn

1 chiều thông qua biến trở điều chỉnh được

+ Khi điện áp tăng lên thì dòng điện tăng theo (đoạn AB) Nguyên nhân có dòng điện là do các ion tự do tồn tại trong chất khí

+ Đến điểm B (điểm xảy ra phóng điện) thì dòng điện tăng rất nhanh còn điện

áp giảm xuống đến điểm M (điểm duy trì phóng điện) Nguyên nhân dòng điện tăng

là do hiện tượng ion hóa chất khí làm cho số điện tử tăng lên nhanh

+ Đến điểm D (bằng cách giảm R) sẽ xảy ra hiện tượng phóng điện hồ quang Nguyên nhân là do điện cực bị đốt nóng quá mức làm phát xạ điện tử bằng hiệu ứng nhiệt-ion Cần lưu ý nếu áp suất cao sẽ xảy ra hiện tượng phóng điện tia lửa chứ không phải phóng điện tỏa sáng vì hiện tượng phóng điện không tự duy trì được

Khi ứng dụng hiện tượng này vào đèn điện chiếu sáng, người ta chỉ cho đèn làm việc trong khoảng BD với điểm làm việc M được xác lập nhờ điện trở R gọi là

“chấn lưu” Điện áp tại điểm B được gọi là điện áp phóng điện hay điện áp mồi Khi phóng điện, các nguyên tử khí bị kích thích lên mức năng lượng cao hơn, sau đó trở

về trạng thái ban đầu thì phát ra phôton gây nên hiện tượng phát sáng hướng từ cực âm sang cực dương Ánh sáng phát ra thường đơn sắc và mang màu đặc trưng của khí trong ống thủy tinh Ngoài ánh sáng nhìn thấy, tùy vào chất khí mà còn có các tia hồng ngoại hay tử ngoại Nếu có phát tia tử ngoại thì ống phóng điện phải làm bằng thủy tinh có đặc tính cản tia tử ngoại (thủy tinh natri cacbonat), tránh hủy diệt sinh vật sống, tia hồng ngoại không nguy hiểm vì nó chỉ có tác dụng nhiệt

Hình 1.3 Thí nghiệm phóng điện trong chất khí

Đối với nguồn điện xoay chiều hình sin thì chiều dòng điện duy trì trong ống thủy tinh liên tục thay đổi theo tần số nguồn điện Cả dòng điện và điện áp trong ống phóng điện không còn là hình sin nữa nên nó được xem là một phần tử phi tuyến Mặc

dù mắt người không cảm nhận được nhưng ánh sáng do đèn tạo ra là ánh sáng nhấp nháy liên tục

Hình 1.4 Phóng điện trong chất khí với nguồn điện hình sin

Năng lượng bức xạ gồm quang năng, nhiệt năng, bức xạ hồng ngoại, bức xạ tử ngoại có tỷ lệ thay đổi theo áp suất và loại khí sử dụng Ứng dụng hiện tượng này để chế tạo các loại đèn hơi phóng điện Natri áp suất thấp, Natri áp suất cao, đèn halogen kim loại (hơi thủy ngân cao áp)

1.4.3 Hiện tượng phát sáng huỳnh quang

Hiện tượng huỳnh quang được biết đến vào giữa thế kỉ 19 bởi nhà khoa học người Anh GeorgeG.Stoke Khi cho ánh sáng tử ngoại chiếu vào chất phát huỳnh quang thì một phần năng lượng của nó biến đổi thành nhiệt, phần còn lại biến đổi thành ánh sáng có bước sóng dài hơn nằm trong dải quang phổ nhìn thấy được

Giải thích theo thuyết lượng tử như trong hình 1.5 một photon bức xạ tử ngoại (hình bên trái) va chạm với một electron của một nguyên tử chất huỳnh quang, kích thích và đưa electron này lên mức năng lượng cao hơn Sau đó, electron này rơi xuống mức năng lượng thấp hơn và phát ra ánh sáng dưới dạng một photon (hình bên phải) trong vùng ánh sáng nhìn thấy được

B

M

M

B

Hình 1.5 Giải thích hiện tượng phát sáng huỳnh quang

Ứng dụng hiện tượng này người ta chế tạo ra đèn huỳnh quang gồm bóng thuỷ tinh không cho tia tử ngoại xuyên qua, trong đó chứa chất thuỷ ngân ở áp suất thấp Khi phóng điện, các điện tử phát xạ từ điện cực kích thích nguyên tử thuỷ ngân và tạo ra tia tử ngoại (bước sóng 253,7nm), các tia tử ngoại đập vào thành ống (có quét bột huỳnh quang) làm đèn phát sáng

Nhìn chung hiệu suất phát sáng của đèn huỳnh quang khá cao Chất huỳnh quang có rất nhiều loại nhưng thường dùng chất halophosphat canxi 3Ca(PO4)2.CaF2

để quét vào bên trong thành ống phóng điện một lớp mỏng

Năng lượng bức xạ từ hiện tượng phóng điện ngoài tia tử ngoại có thể còn

có tia hồng ngoại, nhưng theo định luật Stokes ta không thể biến đổi tia hồng ngoại về miền ánh sáng nhìn thấy (bước sóng ngắn hơn)

Các loại đèn huỳnh quang hiện nay gồm T12-T10-T8-T5, compact,… Ý nghĩa của các ký hiệu này được đề cập ở các chương sau

1.4.4 Hiện tượng phát sáng lân quang

Lân quang là một dạng phát quang, trong đó các phân tử của chất lân quang hấp thụ ánh sáng, chuyển hóa năng lượng của các photon thành năng lượng của các electron sang trạng thái lượng tử có mức năng lượng cao nhưng khá bền vững Sau

đó electron chậm chạp rơi về trạng thái lượng tử ở mức năng lượng thấp hơn và giải phóng một phần năng lượng trở lại dưới dạng các photon

Lân quang khác với huỳnh quang ở chỗ việc electron trở về trạng thái cũ kèm theo nhả ra photon rất chậm chạp Trong huỳnh quang, sự rơi về trạng thái cũ của electron gần như tức thời khiến photon được giải phóng ngay Do vậy các chất lân quang hoạt động như những bộ lưu trữ ánh sáng: thu nhận ánh sáng và chậm chạp nhả

ra ánh sáng sau đó

Sở dĩ có sự trở về trạng thái cũ chậm chạp của các electron là do một trong số

các trạng thái kích thích khá bền nên việc chuyển hóa từ trạng thái này về trạng thái

cơ bản bị cấm bởi một số quy tắc lượng tử Việc xảy ra sự trở về trạng thái cơ bản chỉ

có thể được thực hiện khi dao động nhiệt đẩy electron sang trạng thái không bền gần

đó, để từ đó nó rơi về trạng thái cơ bản Điều này khiến hiện tượng lân quang phụ thuộc vào nhiệt độ: nhiệt độ càng lạnh thì trạng thái kích thích càng được bảo tồn lâu hơn

Đa số các chất lân quang có thời gian tồn tại của trạng thái kích thích chỉ vào cỡ miligiây, có một số chất có thể lên tới vài phút hoặc thậm chí vài giờ Trong thực tế

ta thấy con đom đóm phát sáng được là nhờ chất lân quang

Hiện tượng lân quang không được ứng dụng trong kỹ thuật chiếu sáng vì hiệu quả thấp

và trạng thái phát sáng không bền Nó chỉ dùng trong chế tạo các đồ chơi cho trẻ em

1.4.5 Hiện tượng phát sáng thứ cấp

Nói cách khác đây không phải là nguồn sáng thực sự như các hiện tượng đã nêu ở trên Khi một vật được chiếu sáng thì bản thân nó cũng có thể phản xạ một phần ánh sáng gọi là phát sáng thứ cấp Chỉ có vật đen tuyệt đối mới hấp thụ toàn bộ ánh sáng

Dựa vào hiện tượng này ta có thể giải thích màu sắc của các vật trong tự nhiên: Sự thể hiện màu của vật là do ánh sáng phản xạ tạo thành (ví dụ vật màu đỏ phản xạ tia màu đỏ, các màu khác thì nó hấp thụ) Trước đây có rất nhiều lý thuyết màu sắc khác nhau xuất hiện chủ yếu sử dụng trong ngành dệt nhuộm Với sự ra đời của thuyết lượng tử, hiện nay người ta đã xây dựng hoàn chỉnh thuyết màu hiện đại dựa vào bản chất sóng hạt của ánh sáng

Một vật thể bất kỳ tiếp nhận ánh sáng chiếu vào sẽ xẩy ra các hiện tượng: phản

xạ, xuyên qua, hấp thụ Mỗi hiện tượng này lại có những tính chất riêng, ví dụ phản

xạ lại có các loại phản xạ đều, phản xạ khuyếch tán,… Các hiện tượng này được nghiên cứu để chế tạo các bộ phận của đèn (đặc biệt là tấm phản quang) nhằm điều khiển sự phân bố ánh sáng của nguồn sáng hiệu quả nhất Vấn đề này sẽ xét trong các phần sau

1.5 Các đại lượng cơ bản đo ánh sáng và các dụng cụ đo ánh sáng

1.5.1 Các đại lượng cơ bản đo sánh sáng

Khái niệm: Xét một đường cong kín bất kỳ (L) Từ một điểm O trong không gian

ta vẽ các đường thẳng tới mọi điểm trên đường cong (L) gọi là các đường sinh Khi

đó phần không gian giới hạn bởi các đường sinh này được gọi là góc khối nhìn đường

cong (L) từ đỉnh 0

Độ đo của góc khối là diện tích phần mặt cầu có bán kính r = 1, tâm tại điểm O

bị cắt bởi góc khối trên

Ký hiệu góc khối:  (Chữ cái Hy Lạp, đọc là Ômega)

Steradian là góc khối mà dưới góc đó người quan sát đứng ở tâm O của một quả cầu R=1m thì nhìn thấy diện tích S=1m2 trên mặt cầu

Ý nghĩa: Góc khối là góc trong không gian, đặc trưng cho góc nhìn (tức là từ

một điểm nào đó nhìn vật thể dưới một góc khối) Trong kỹ thuật chiếu sáng, góc khối biểu thị cho không gian mà nguồn sáng bức xạ năng lượng của nó

R2(1-cos) Khi đó góc khối là:

2

2 2

2 2 2

1

) ( ) cos 1 ( 2 ) ( ) cos 1 ( 2

kR

S kR

R k R



Hình 1.7a Góc khối chắn hình cầu Hình 1.7b Góc khối chắn hình nón

Cho mặt cầu tâm O, bán kính R Góc khối chắn bởi hình nón đỉnh tại O, góc đỉnh 2, diện tích mặt cầu bị chắn là S Ta có góc khối

) cos 1 ( 2 ) cos (

2 2

2 2

Rh R

S

Ta thấy góc khối là đại lượng không phụ thuộc bán kính R Trường hợp tại đỉnh

O nhìn toàn bộ mặt cầu (=1800) ta có góc khối lớn nhất  = 4 (Sr)

Tính góc khối chắn diện tích dS bé tuỳ ý từ điểm O: khi đó ta coi dS là mặt phẳng Trên dS ta lấy điểm M là trọng tâm của dS, sau đó vẽ mặt cầu tâm O bán kính

R = OM thì góc khối nhìn diện tích dS từ O là: cos2

R

dS

Hình 1.7c Góc khối nhìn nón Hình 1.7d Góc khối nhìn cầu

1.5.2 Thông lượng năng lượng của bức xạ ánh sáng nhìn thấy

Năng lượng điện cung cấp cho nguồn sáng không phải biến đổi hoàn toàn thành ánh sáng mà biến đổi thành nhiều dạng năng lượng khác nhau như hóa năng, bức xạ nhiệt, bức xạ điện từ Các bức xạ ánh sáng chỉ là một phần của bức xạ điện từ

do nguồn phát ra Dưới góc độ kỹ thuật chiếu sáng ta chỉ quan tâm đến năng lượng bức xạ ánh sáng nhìn thấy mà thôi, do đó người ta đưa ra khái niệm thông lượng năng lượng của bức xạ ánh sáng nhìn thấy, đó là phần năng lượng bức xạ thành ánh sáng của nguồn sáng trong một giây theo mọi hướng được xác định theo các công thức:

780 380

Trong đó: W() là phân bố phổ năng lượng của nguồn sáng (W/nm)

P(i) là mức năng lượng của tia đơn sắc thứ i phát ra từ nguồn sáng (W)

i là bước sóng của tia đơn sắc thứ i thoả mãn 380nm ≤ i ≤ 780nm Đơn vị đo của thông lượng là (W)

Khái niệm: Thông lượng năng lượng của ánh sáng nhìn thấy là một khái niệm có ý

nghĩa quan trọng về mặt vật lý Tuy nhiên trong kỹ thuật chiếu sáng thì khái niệm này

ít được quan tâm

Thật vậy, giả sử có hai tia sáng đơn sắc màu đỏ (=700nm) và màu vàng (=577nm) có cùng mức năng lượng tác động đến mắt người thì kết quả nhận được là mắt người cảm nhận tia màu đỏ tốt hơn màu vàng Điều này có thể giải thích là do sự khúc xạ qua mắt (vai trò là thấu kính hội tụ) khác nhau: các tia sáng có  bé bị lệch nhiều và hội tụ trước võng mạc, các tia có  lớn thì lại hội tụ sau võng mạc, chỉ có tia =555nm (vàng) là hội tụ ngay trên võng mạc

Trên cơ sở này người ta xây dựng đường cong hiệu quả ánh sáng V() của

Hình 1.8 Đường cong hiệu quả ánh sáng V()

Như vậy rõ ràng thông lượng năng lượng không thể dùng trong kỹ thuật chiếu sáng phục vụ con người, do đó người ta phải đưa vào một đại lượng mới trong đó ngoài W() còn phải kể đến đường cong V(), đại lượng này gọi là quang thông và được xác định như sau:

Nguồn sáng phát quang phổ vạch (đèn chiếu sáng): n    i i

Nguồn sáng đơn sắc:  = 683.P().V() với =const

Nguồn sáng có quang phổ liên tục:   2  

1

380

780 380

.

Trong : n là tổng số tia sáng đơn sắc do nguồn phát ra

P(i) là mức năng lượng của tia đơn sắc thứ i (W)

W() là phân bố phổ năng lượng của các tia sáng liên tục (W/nm)

i là bước sóng của tia đơn sắc thứ i (nm)

683 lm/W là hằng số vật lý xuất phát từ định nghĩa đơn vị cường độ sáng (Cadela), biểu thị sự chuyển đổi đơn vị năng lượng sang đơn vị cảm nhận thị giác Giá trị 683 được đưa vào để tạo ra giá trị tương đương với định nghĩa cũ của cadela

1 và 2 là giới hạn bước sóng (cận dưới và trên) của quang phổ liên tục

Ý nghĩa: Về bản chất, quang thông cũng chính là năng lượng nhưng ở đây đơn vị

tính không phải bằng Oát mà bằng Lumen Đây là đại lượng rất quan trọng dùng cho tính toán chiếu sáng, thể hiện phần năng lượng mà nguồn sáng bức xạ thành ánh sáng ra toàn bộ không gian xung quanh Để thấy rõ sự khác nhau giữa Oát và Lumen

ta có sự so sánh sau:

Giả sử có một nguồn sáng công suất 1W biến đổi toàn bộ công suất này thành ánh sáng nhìn thấy Nếu ánh sáng nó phát ra là một tia đơn sắc = 555nm (màu vàng) sẽ cho quang thông 683 lm nhưng nếu ánh sáng phát ra là quang phổ liên tục với năng lượng phân bố đều thì quang thông khoảng 179 lm (xem phụ lục 1)

Ký hiệu:  (ký hiệu chữ cái Hy Lạp, đọc là phi)

Đơn vị: Lm (Lumen) Lumen là quang thông do nguồn sáng phát ra trong một góc

khối bằng 1 Sr

Ví dụ giá trị quang thông một số nguồn sáng thông dụng:

Xét một nguồn sáng điểm có cường độ sáng I không đổi theo mọi phương thì quang thông là :  4 

4 0







Thiết bị dùng để đo quang thông gọi là Lumen kế

Quang thông do mặt trời gửi xuống trái đất là 145.1017lm

1.5.3 Quang hiệu

Định nghĩa: Quang hiệu là tỷ số giữa quang thông do nguồn sáng phát ra và công

suất điện mà nguồn sáng tiêu thụ.

Ý nghĩa: Trong kỹ thuật chiếu sáng người ta không dùng khái niệm hiệu suất theo

nghĩa thông thường (tính theo tỷ lệ %) mà sử dụng khái niệm quang hiệu Quang hiệu thể hiện đầy đủ khả năng biến đổi năng lượng mà nguồn sáng tiêu thụ thành quang năng

Một số tài liệu gọi khái niệm này là hiệu suất của nguồn sáng Tuy nhiên, nếu ta

sử dụng khái niệm hiệu suất thì sẽ liên tưởng đến tỉ lệ % (giá trị ≤ 1) giữa các đại

lượng cùng đơn vị đo Trái ngược hoàn toàn với quan niệm về hiệu suất, quang hiệu lại có giá trị lớn hơn 1 rất nhiều và là tỉ số của 2 đơn vị đo khác nhau (lm/W) do đó việc dùng khái niệm hiệu suất là không hợp lý

Ký hiệu:  (Chữ cái Hy Lạp, đọc là êta)

Đơn vị: lm/W (lumen/Oát)

Ví dụ: Quang hiệu một số nguồn sáng thông dụng (theo tài liệu Schréder năm 2006)

Nguồn sáng Công suất(W) Quang thông(Lm) Quang hiệu (Lm/W)

1.5.4 Cường độ sáng

Khái niệm: Xét trường hợp một nguồn sáng điểm đặt tại O và ta quan sát theo

phương Ox Gọi dlà quang thông phát ra trong góc khối dΩ lân cận phương Ox Cường độ sáng của nguồn theo phương Ox được định nghĩa là:

Ý nghĩa: Cường độ sáng là đại lượng quang học cơ bản, các đại lượng quang học

khác đều là đại lượng dẫn suất xác định qua cường độ sáng

Ký hiệu: I (Viết tắt của tiếng Anh là Intensity: cường độ)

Đơn vị: Cd (cadela) Cadela có nghĩa là “ngọn nến”, đây là một trong 7 đơn vị đo

lường cơ bản (m, kg, s, A, K, mol, cd)

Định nghĩa: Cd “Cadela là cường độ sáng theo một phương đã cho của nguồn phát

bức xạ đơn sắc có tần số 540.1012Hz (=555mm) và cường độ năng lượng theo phương này là 1/683 W/Sr”

Ví dụ: Đèn sợi đốt 40W/220V có I = 35 Cd (theo mọi hướng)

Ngọn nến có I = 0,8 Cd (theo mọi hướng)

Theo định nghĩa với nguồn sáng đơn sắc = 555nm thì 1W = 683lm Nếu nguồn sáng đơn sắc có ≠555nm thì 1W = 683.V()

Nếu mặt S được chiếu sáng đều với tổng quang thông gửi đến S là  thì độ rọi tại mọi điểm trên mặt S là

S

Ký hiệu: E

Hình 1.10 Độ rọi Hình 1.11 Cường độ sáng của nguồn

theo phương chiếu

Đơn vị: Lux hay Lx (đọc là luych) Lux là đơn vị đo độ chiếu sáng của một bề mặt

Độ chiếu sáng duy trì trung bình là các mức lux trung bình đo được tại các điểm khác nhau của một khu vực xác định Một lux bằng một lumen trên mỗi mét vuông

Ý nghĩa: Thể hiện lượng quang thông chiếu đến 1 đơn vị diện tích của một bề mặt

được chiếu sáng, nói cách khác nó chính là mật độ phân bố quang thông trên bề mặt chiếu sáng

Xét một nguồn sáng điểm O, bức xạ tới mặt nguyên tố hình tròn dS có tâm M cách O một khoảng r Cường độ sáng của nguồn theo phương OM là I (hình 1.11)

Do dS khá nhỏ nên, xem là mặt phẳng, do đó ta gọi, n là pháp tuyến của dS và  là góc giữa (n , OM) Ta có công thức độ rọi

dS I dS

d I dS

d E

.

cos

2

cos

toán chiếu sáng Đây chính là công thức của định luật tỷ lệ nghịch bình phương

Một số giá trị độ rọi thường gặp

* Trưa nắng không mây 100.000 lux

* Đêm trăng tròn không mây 0,25 lux

* Ban đêm với hệ thống chiếu sáng công cộng 1030 lux

* Nhà ở bình thường ban đêm: 159300lux

* Phòng làm việc: 400600lux

1.5.6 Độ sáng (còn gọi là độ trưng)

Khái niệm: Cho một mặt phát sáng S có kích thước giới hạn (có thể là bề mặt của

nguồn sáng hoặc bề mặt vật phản xạ ánh sáng,…) Độ sáng tại một điểm nào đó trên

Mặt phát sáng đều là mặt có độ trưng như nhau ở mọi điểm của mặt

Đặc điểm: Độ trưng đặc trưng cho sự phát sáng theo mọi phương của vật phát

sáng (bao gồm nguồn sáng và ánh sáng phản xạ của vật được chiếu sáng)

Ý nghĩa: Xét về công thức tính và thứ nguyên thì độ trưng giống độ rọi nhưng ở độ

rọi xét bề mặt vật được chiếu sáng bởi nguồn sáng khác còn độ trưng xét bề mặt của vật mà bản thân nó phát sáng Đơn vị của độ rọi là Lux cũng khác đơn vị độ trưng là Lm/m2

Nguồn sáng ở đây cần hiểu theo nghĩa rộng hơn là "mặt phát sáng" bao gồm nguồn phát ra ánh sáng và nguồn ánh sáng phản xạ của vật được chiếu sáng

Độ rọi E trên bề mặt được chiếu sáng không phụ thuộc vào hệ số phản xạ bề mặt nhưng độ trưng của bề mặt được chiếu sáng thì phụ thuộc vào hệ số phản xạ bề mặt

Ký hiệu: R

Đơn vị: Lm/m2 là độ trưng của một nguồn sáng hình cầu có diện tích mặt ngoài 1m2

phát ra quang thông 1 Lumen phân bố đều theo mọi phương

1.5.7 Độ chói

Khái niệm: Hai bóng đèn sợi đốt hình tròn công suất 40W thì có cùng quang

thông Một bóng thủy tinh trong, một bóng thủy tinh mờ thì bóng thủy tinh trong sẽ gây chói mắt hơn Điều này được giải thích là: với bóng thuỷ tinh mờ, tia sáng bức

xạ từ nguồn khi đập vào bề mặt thuỷ tinh mờ (vỏ bóng đèn), nó bị tán xạ theo nhiều hướng và cường độ sáng theo một hướng nhất định giảm đi so với cường độ của tia tới do đó ít chói hơn > độ chói phụ thuộc vào cường độ sáng

Mặt khác với đèn pha xe máy nếu nhìn trực diện ta thấy chói mắt nhưng nếu

nhìn nghiêng một góc nào đó thì sẽ bớt chói mắt hơn > độ chói phụ thuộc vào phương quan sát, được đặc trưng bằng diện tích biểu kiến của mặt phát sáng theo phương quan sát

dS

dI

L 

Ý nghĩa: Thể hiện mật độ phân bố cường độ sáng phát ra từ một đơn vị diện tích của

bề mặt đó theo một hướng xác định đến một người quan sát

Độ chói phụ thuộc vào tính chất phản quang của bề mặt và hướng quan sát (không phụ thuộc vào khoảng cách từ mặt đó đến điểm quan sát) Nhìn chung mọi vật thể được chiếu sáng ít nhiều đều phản xạ ánh sáng (đóng vai trò như nguồn sáng thứ cấp) nên cũng có thể gây ra chói mắt người Ví dụ ban đêm ánh sáng hắt lên từ mặt đường nhựa được chiếu sáng cũng có thể làm chói mắt người lái xe

Độ chói đóng vai trò rất quan trọng khi thiết kế chiếu sáng, là cơ sở khái niệm

về tri giác và tiện nghi nhìn

Độ chói trung bình của mặt đường là tiêu chuẩn đầu tiên để đánh giá chất

lượng của chiếu sáng đường phố

Ký hiệu: L

Đơn vị: Cd/m2

1Cd/m2 là độ chói của một mặt phẳng phát sáng đều có diện tích 1m2

và có cường độ sáng 1Cd theo phương vuông góc với nguồn đó

Ví dụ về độ chói một số bề mặt:

+ Bề mặt đèn huỳnh quang: 5.00015.000cd/m2

+ Bề mặt đường nhựa chiếu sáng với độ rọi 30lux có độ chói khoảng 2cd/m2

+ Mặt trời mới mọc : khoảng 5.106 Cd/m2

+ Mặt trời giữa trưa : khoảng 1,5  2.109

Cd/m2

1.5.8 Nhiệt độ màu

Nhiệt độ màu của một nguồn sáng được thể hiện theo thang Kelvin (K) là biểu hiện màu sắc của ánh sáng do nó phát ra Tưởng tượng một thanh sắt khi nguội có màu đen, khi nung đều đến khi nó rực lên ánh sáng da cam, tiếp tục nung nó sẽ có màu vàng, và tiếp tục nung cho đến khi nó trở nên “nóng trắng” Tại bất kỳ thời điểm nào trong quá trình nung, chúng ta có thể đo được nhiệt độ của thanh thép theo độ Kelvin (oC + 273) và gán giá trị đó với màu được tạo ra

Đối với đèn sợi đốt, nhiệt độ màu chính là nhiệt độ bản thân nó Đối với đèn huỳnh quang, đèn phóng điện thì nhiệt độ màu chỉ là tượng trưng bằng cách so sánh với nhiệt độ tương ứng của vật đen tuyệt đối bị nung nóng

K Khi thiết kế chiếu sáng cần phải chọn nhiệt độ màu của nguồn sáng phù hợp với

đặc điểm tâm-sinh lý người, đó là với độ rọi thấp thì chọn nguồn sáng có nhiệt độ màu thấp và ngược lại với yêu cầu độ rọi cao thì chọn các nguồn sáng "lạnh" có nhiệt

độ màu cao Đặc điểm sinh lý này đã được Kruithof chứng minh Qua các công trình nghiên cứu của mình, ông đã xây dựng được biểu đồ Kruithof làm tiêu chuẩn đầu

tiên lựa chọn nguồn sáng của bất kỳ đề án thiết kế chiếu sáng nào (tất nhiên sau đó

còn có các tiêu chuẩn khác)

Trong biểu đồ Kruithof, vùng gạch chéo gọi là vùng môi trường ánh sáng tiện nghi Với một độ rọi E (lux) cho trước, người thiết kế chiếu sáng phải chọn nguồn sáng có nhiệt độ màu nằm trong miền gạch chéo để đảm bảo không ảnh hưởng đến tâm-sinh lý của con người, nếu không đảm bảo điều kiện này sẽ gây ra hiện tượng "ô nhiễm ánh sáng", có thể gây tổn hại đến sức khỏe

1.5.9 Độ hoàn màu (còn gọi là chỉ số thể hiện màu)

Cùng một vật nhưng nếu được chiếu sáng bằng các nguồn sáng đơn sắc khác nhau thì mắt sẽ cảm nhận màu của vật khác nhau, tuy nhiên bản chất màu sắc của vật thì không hề thay đổi Ví dụ một tờ giấy bình thường màu đỏ, nếu đặt trong bóng tối nó có thể có màu xám, tuy nhiên ta vẫn nói đó là tờ giấy màu đỏ

Như vậy chất lượng ánh sáng phát ra của nguồn sáng còn phải được đánh giá qua chất lượng nhìn màu, tức là khả năng phân biệt màu sắc của vật đặt trong ánh sáng

đó Để đánh giá sự ảnh hưởng ánh sáng (do nguồn phát ra) đến màu sắc của vật, người

ta dùng chỉ số độ hoàn màu hay còn gọi là chỉ số thể hiện màu của nguồn sáng,

ký hiệu CRI (Color Rendering Index) Nguyên nhân sự thể hiện màu của vật bị biển đổi là do sự phát xạ phổ ánh sáng khác nhau giữa nguồn sáng và vật được chiếu sáng Chỉ số CRI của nguồn sáng thay đổi theo thang chia từ 0 đến 100 Giá trị CRI=0 ứng với nguồn ánh sáng đơn sắc khi làm biến đổi màu của vật mạnh nhất, CRI=100 ứng với ánh sáng mặt trời khi màu của vật được thể hiện thực chất nhất Nói chung chỉ

số CRI càng cao thì chất lượng nguồn sáng được chọn càng tốt Để dễ áp dụng trong

kỹ thuật chiếu sáng, người ta chia CRI thành 4 thang cấp độ sau:

Bảng 1.1 Phạm vi ứng dụng của các nhóm hoàn màu

Nhóm

hoàn màu

Chỉ số hoàn màu CRI

Chất lượng nhìn màu

2 60 < CRI < 80 Trung bình Công việc cần sự phân biệt màu tương đối

3 40 < CRI < 60 Thấp

Công việc cần phân biệt màu sắc nhưng chỉ chấp nhận biểu hiện sự sai lệch màu sắc ít

4 20 < CRI < 40 Thấp Công việc không cần phân biệt màu sắc

Đối với chiếu sáng nhà dân thường ít quan tâm đến CRI, những gia đình có mức sống cao mới chú ý đến tiêu chuẩn này và tất nhiên khi đó môi trường sống sẽ tiện nghi hơn kèm theo chi phí đầu tư tăng lên

Đối với chiếu sáng đường phố chỉ có mục đích đảm bảo an toàn giao thông là chính hơn nữa chi phí đầu tư ban đầu khá lớn nên gần như không quan tâm đến chỉ số CRI

Cuối cùng cần lưu ý: chúng ta rất dễ bị nhầm lẫn giữa nhiệt độ màu và độ hoàn màu, do đó ở đây cần nhắc lại: nhiệt độ màu biểu thị màu sắc của nguồn sáng - là nơi ánh sáng phát ra, còn độ hoàn màu biểu thị độ chính xác màu của nguồn khi chiếu lên vật thể

1.6 Các định luật quang học và ứng dụng trong kỹ thuật chiếu sáng

bề mặt các vật liệu mịn, phẳng có phản xạ đều

Hình 1.15 Các hiện tượng phản xạ

2 Sự phản xạ khuyếch tán

Hiện tượng này không tuân theo định luật quang hình Đặc điểm là khi có tia sáng chiếu đến bề mặt phản xạ khuyếch tán, các tia sáng phân bố phản xạ đi theo nhiều hướng khác nhau Đầu mút các vectơ cường độ sáng phản xạ nằm trên một

mặt cong nào đó Sự phản xạ khuyếch tán được đặc trưng bằng hệ số phản xạ

 , trong đó pxkt, i lần lượt là quang thông khuyếch tán và quang thông rọi tới diện tích bề mặt đang xét Trong thực tế, trên bề mặt các vật liệu luôn xảy ra đồng thời hai hiện tượng phản xạ đều và phản xạ khuyếch

pxkt pxd



Phân loại: Phản xạ khuyếch tán đều: Đầu mút các vectơ cường độ sáng phản xạ nằm

trên một mặt cầu tiếp xúc với mặt phản xạ và có tâm nằm trên đường vuông góc với mặt phản xạ Hiện tượng này tuân theo định luật Lambert và được nghiên cứu ứng dụng trong kỹ thuật chiếu sáng (sẽ trình bày ở phần dưới)

Phản xạ khuyếch tán kiểu hỗn hợp: các vectơ cường độ sáng phản xạ là hỗn hợp của hiện tượng phản xạ đều và phản xạ khuyếch tán đều

Phản xạ khuyếch tán kiểu phân tán: Đầu mút các vectơ cường độ sáng phản xạ nằm trên một mặt cong có hình dạng bất kỳ

Ứng dụng: Trường hợp phản xạ khuyếch tán là loại phản xạ hay gặp trong thực tế,

được nghiên cứu để tính toán độ chói mặt đường, mặt sàn (đường nhựa, đường bêtông, tường xây, bề mặt vật liệu xây dựng, sàn nhà,…)

1.6.2 Sự truyền xạ

1 Sự truyền xạ đều

Hiện tượng này tuân theo định luật quang hình đã nghiên cứu trong giáo trình Vật lý đại cương Chỉ lưu ý tia sáng ra khỏi vật liệu dạng tấm đồng nhất thì song

song với tia tới Sự truyền xạ đều được đặc trưng bằng hệ số truyền xạ đều

Ứng dụng: Nghiên cứu chế tạo kính bảo vệ phẳng cho bộ đèn, chế tạo bóng đèn

bằng thuỷ tinh trong suốt (bóng đèn sợi đốt, ống phóng điện,…)

2 Sự truyền xạ khuyếch tán

Hiện tượng này không tuân theo định luật quang hình Đặc điểm là khi có tia sáng chiếu đến bề mặt truyền xạ khuyếch tán, các tia sáng phân bố truyền đi theo nhiều hướng khác nhau Đầu mút các vectơ cường độ sáng truyền xạ nằm trên một

mặt cong nào đó Sự truyền xạ khuyếch tán được đặc trưng bằng hệ số truyền xạ

 , trong đó txkt, i lần lượt là quang thông truyền xạ

khuyếch tán và quang thông rọi tới diện tích bề mặt đang xét Trong thực tế, trên bề mặt các vật liệu luôn xảy ra đồng thời hai hiện tượng truyền xạ đều và truyền xạ

khuyếch tán do đó người ta định nghĩa hệ số truyền xạ hỗn hợp tx = txđ+ txkt <1

Phân loại: Truyền xạ khuyếch tán đều: Đầu mút các vectơ cường độ sáng truyền xạ

nằm trên một mặt cầu tiếp xúc với mặt truyền xạ và có tâm nằm trên đường vuông góc với mặt truyền xạ Hiện tượng này tuân theo định luật Lambert và sẽ được nghiên cứu ứng dụng trong kỹ thuật chiếu sáng (sẽ trình bày ở phần dưới)

Truyền xạ khuyếch tán kiểu hỗn hợp: các vectơ cường độ sáng truyền xạ là hỗn hợp của hiện tượng truyền xạ đều và truyền xạ khuyếch tán đều

Truyền xạ khuyếch tán kiểu phân tán: Đầu mút các vectơ cường độ sáng truyền

xạ nằm trên một mặt cong có hình dạng bất kỳ

Hình 1.16 Các hiện tượng truyền xạ Ứng dụng: Hiện tượng truyền xạ khuyếch tán được nghiên cứu để chế tạo kính bảo

vệ đèn truyền ánh sáng kiểu khuyếch tán (kính mờ, kính có các hạt trắng nhỏ,…) nhằm giảm độ chói cho người quan sát, chế tạo bóng đèn mờ (đèn tuyp, đèn sơn mờ,…)

1.6.3 Sự khúc xạ

Khúc xạ là hiện tượng thay đổi hướng của các tia sáng liên tiếp qua các tiết diện lăng kính Trong kỹ thuật chiếu sáng, đa số kính bảo vệ các bộ đèn có dạng phẳng, tuy nhiên kính bảo vệ của một số bộ đèn lại được chế tạo dạng răng cưa (ở mặt trong) nhằm mục đích phân tán ánh sáng để giảm độ chói Thông thường góc ở đỉnh của răng cưa được nghiên cứu rất kỹ để khúc xạ ánh sáng theo mục đích cho trước Nếu góc đỉnh bằng 900 thì ta gọi đó là bộ đèn “hình tổ ong” Gọi i1 là góc giữa pháp tuyến mặt trong và tia tới (giả sử tia tới vuông góc với mặt ngoài) i4 là góc giữa pháp tuyến mặt ngoài với tia ra khỏi kính đèn ( n là chiết suất vật liệu làm kính;  là góc đỉnh )

cos arcsin 2

cos sin 4

còn có tác dụng chống hơi ẩm và các vật lạ bên ngoài xâm nhập vào bên trong đèn Phạm vi che chắn được đặc trưng bằng góc giữa đường thẳng đứng đi qua tâm nguồn sáng và phương mà mắt người bắt đầu nhìn không bị lóa mắt (hoặc không nhìn thấy nguồn sáng)

1.6.5 Sự hấp thụ

Khi ánh sáng chiếu vào bất kỳ vật liệu nào cũng bị hấp thụ một phần năng lượng Mức độ hấp thụ ít hay nhiều phụ thuộc vào một số yếu tố như: loại vật liệu, bước sóng của tia sáng (màu) và góc chiếu của tia sáng vào vật liệu

Để đặc trưng cho sự hấp thụ ánh sáng của vật liệu người ta đưa ra khái niệm hệ

số hấp thụ , đó là tỉ số giữa quang thông mà vật thể hấp thụ h và quang thông rọi tới vật liệu s :

Đối với một loại vật liệu cụ thể thì hệ số hấp thụ cũng không phải là hằng số

mà còn phụ thuộc vào bước sóng chiếu vào vật liệu

Bảng 1.2 Hệ số hấp thụ của một số vật liệu khi tia tới là ánh sáng trắng

Vật liệu Hệ số hấp thụ (%)

Bóng thuỷ tinh vàng nhạt 1520Bóng hạt mịn xanh nhạt 1525

Ứng dụng: Hiện tượng hấp thụ được nghiên cứu để chế tạo các loại vật liệu có hệ số

hấp thụ ít nhất trong đèn chiếu sáng, đặc biệt là các vật liệu che chắn (vỏ đèn), vật liệu truyền xạ (kính bảo vệ đèn)

1.6.6 Định luật Lambert về sự khuyếch tán đều

Hình 1.18 Hiện tượng phản xạ và truyền xạ khuyếch tán đều

Định luật Lambert là định luật về sự phản xạ khuyếch tán đều và sự truyền khuyếch tán đều Đây là trường hợp đặc biệt của hiện tượng khuyếch tán nhưng lại thường gặp trong kỹ thuật chiếu sáng (ví dụ bề mặt các bóng đèn sơn mờ, bề mặt đèn tuyp, mặt nền bằng gạch men,…)

Giả thiết ánh sáng tia tới đập vào bề mặt S có xảy ra đồng thời hiện tượng phản xạ khuyếch tán đều và sự truyền khuyếch tán đều (giả sử bỏ qua hiện tượng hấp thụ, phản xạ đều, sự truyền đều dù chúng luôn luôn tồn tại) Hai hiện tượng này đều tuân theo định luật Lambert

1 Trường hợp phản xạ khuyếch tán đều

Xảy ra khi mặt S làm từ vật liệu mịn như tờ giấy, sơn mờ, vật liệu xây dựng dạng bột Giả thiết mặt S có hệ số phản xạ  <1 nhận được độ rọi E từ nguồn sáng Các vectơ cường độ sáng phản xạ đều nằm trong một mặt cầu phía trên và tiếp xúc với mặt S Do phản xạ đều nên độ chói L của S không phụ thuộc vào phương quan sát Quan sát theo phương bất kỳ thì cường độ sáng là I = LS.cos và khi cho  thay đổi toàn không gian thì đầu mút vectơ I nằm trên mặt cầu đường kính Imax = LS Mặt S nhận được quang thông ES từ nguồn sáng và nó phản xạ khuyếch tán lượng quang thông ES chính là nguồn sáng thứ cấp tạo ra độ chói L= const Ta cần lập quan hệ giữa độ rọi E với độ chói L của mặt S

Hình 1.19 Định luật Lambert về phản xạ khuyếch tán đều

Xét nửa bán cầu bất kỳ có bán kính R Xét các góc khối chắn bởi hình nón có góc ở đỉnh lần lượt là 2 và 2(+d) (xem hình vẽ) Ta dễ dàng xác định các tham số hình học trên hình vẽ là R.sin và R.d Diện tích xung quanh của hình đới cầu là 2.R.sin.R.d (giả thiết dvô cùng bé thì ta xem gần đúng là hình chữ nhật có độ cao Rd và chiều dài 2Rsin) Từ đây ta tính góc khối chắn bởi không gian giữa 2 hình nón (ứng với góc đỉnh d) là:

Rd R

Quang thông d do mặt S phát ra trong góc khối d là: d  I .d LS cos

.dtrong đó I là cường độ sáng theo phương 

=> E  L  (Công thức định luật Lambert)

2 Trường hợp truyền khuyếch tán đều

Xảy ra khi mặt S làm từ vật liệu trong mờ như giấy nilon mờ, thủy tinh mờ Bằng cách tương tự ta có biểu thức  E  L  Trong đó  là hệ số truyền

1.7 Mắt người và sự cảm thụ ánh sáng (HT thị giác)

1.7.1 Cấu tạo mắt người

Mắt người là một đối tượng đặc biệt trên cơ thể người Dưới góc nhìn của thơ ca thì nó là "cửa sổ tâm hồn", dưới góc độ của sinh học thì nó là một bộ phận của cơ thể

có cấu trúc phức tạp, dưới góc độ vật lý nó là một thấu kính hội tụ, Nói chung, tùy vào mục đích nghiên cứu mà mắt có một vai trò riêng

Trong bài giảng này mắt người được nghiên cứu dưới góc độ của của kỹ thuật chiếu sáng, tức là xét đến sự cảm thụ ánh sáng và thu nhận hình ảnh với vai trò như một thấu kính hội tụ

Hình 1.20 Cấu tạo mắt người

1 Hiện tượng thị giác

Mắt người thực ra không nhìn Mắt người đóng vài trò là công cụ thu các ấn tượng quang học thành các tín hiệu có nguồn gốc điện để cho phép bộ não tái tạo lại hình ảnh và gọi là hiện tượng thị giác Có hai loại hiện tượng thị giác là thị giác ban ngày và thị giác hoàng hôn

Thị giác ban ngày liên quan đến sự kích thích các tế bào hữu sắc (tế bào hình nón) còn thị giác hoàng hôn liên quan đến sự kích thích các tế bào vô sắc (tế bào hình que)

2 Hiện tượng điều tiết của mắt

Giác mạc và nhất là thủy tinh thể có thể điều tiết để tập trung hình ảnh lên võng mạc cho dù vật được quan sát ở xa hay gần

3 Võng mạc

4 Khái niệm “con mắt quốc tế”

Việc thu các ấn tượng thị giác của con mắt luôn biến đổi theo quy luật không tuyến tính và biến thiên theo thời gian Điều này liên quan đến tuổi tác, sức khỏe của mỗi người và khuyết tật của mắt Do đó CIE đã định nghĩa “con mắt quốc tế” là con mắt đối với người quan sát quy chiếu trung bình dưới 30 tuổi

1.7.2 Sự giải mã hình ảnh

Khái niệm: Để tụ tiêu ánh sáng đi từ vật muốn nhìn, mắt sẽ co hoặc giãn cơ mắt

để thay đổi tiêu cự và hình dạng của hệ thấu kính : thuỷ tinh thể + giác mạc Hình ảnh qua thấu kính hai mặt lồi sẽ bị đảo chiều và tập trung trên võng mạc Thông qua

tế bào thần kinh thị giác, ánh sáng kích thích trên võng mạc được truyền lên não

(trung khu thần kinh thị giác nằm ở sau gáy) và tại đây hình ảnh được chuyển đổi và

đảo chiều trở lại để ghi nhận hình ảnh thật của vật muốn nhìn Hiện tượng này gọi là

sự giải mã hình ảnh Sự giải mã hình ảnh thực hiện được là nhờ võng mạc có các tế

bào thần kinh thị giác rất nhạy với ánh sáng là tế bào hình nón và tế bào hình que

Tế bào hình nón: Có khoảng 7 triệu tế bào, chiếm vùng giữa võng mạc (vùng

hố) và được kích thích bằng các mức chiếu sáng cao (còn gọi là thị giác ban ngày) Chúng giúp não phân biệt và làm nổi lên các chi tiết tinh tế trong hình ảnh, ngoài ra chúng con truyền các tri giác màu Tế bào hình nón gồm ba loại tế bào cảm nhận khác nhau về màu sắc gọi là ba sắc tố quang hình nón Ba loại tế bào này nhạy cảm cực đại với các bước sóng đỏ (R), xanh lục (G), xanh lam (B) Khi một màu bất kỳ nào đó truyền đến võng mạc sẽ kích thích 3 loại tế bào này với mức độ khác nhau, sau đó truyền thông tin về não để tái tạo màu sắc của vật

Hình 1.21 Sự giải mã hình ảnh

Tế bào hình que: Có khoảng 120 triệu tế bào, bao phủ phần còn lại của võng

mạc, có lẫn lộn một ít tế bào hình nón và được kích thích bằng mức chiếu sáng thấp (gọi là thị giác ban đêm) Chúng chịu trách nhiệm về một hình ảnh tổng thể trên diện rộng nhưng không đi vào chi tiết, ngoài ra chúng còn truyền các tri giác đen trắng nên hữu ích cho việc nhìn vào ban đêm Sự vận động của hai loại tế bào này không có ranh giới rõ rệt, chúng làm việc nhiều hay ít tùy vào mức chiếu sáng, nhất là trong miền trung gian giữa thị giác ban ngày và thị giác đêm

1.7.3 Quá trình thích nghi

Là quá trình để thị giác ban đêm hoạt động Vào ban đêm, khi đang ở trong phòng có ánh sáng bước ra ngoài trời tối, tế bào hình que (thị giác ban đêm) không thể đạt ngay mức độ hoạt động tối đa của nó mà cần có thời gian quen dần gọi là quá trình thích nghi Ngược lại nếu ta chuyển từ nơi tối sang nơi sáng thì tế bào hình nón (thị giác ngày) cũng cần có thời gian thích nghi nhưng thời gian này nhanh hơn nhiều so với quá trình thích nghi của thị giác ban đêm Nếu mức độ chuyển thị giác quá đột ngột cũng có thể làm tổn hại đến võng mạc

1.7.4 Cảm giác chiều sâu của vật cần nhìn

Con người có hai mắt khác nhau nên não thu được hai hình ảnh hơi khác nhau và tiến hành giải mã khiến cho ta cảm nhận được chiều sâu của vật cần nhìn Nếu ta nhìn bằng một mắt thì cảm giác chiều sâu vẫn còn nhưng giảm hẳn Trung bình hai con mắt cách nhau 6 cm nên với khoảng cách nhìn > 450 m thì ảnh hiện trên võng mạc của hai mắt trùng nhau nên ta không cảm nhận được chiều sâu vật cần nhìn

1.7.5 Cực cận và cực viễn của mắt

Khi quan sát vật thì thuỷ tinh thể tự động điều chỉnh độ cong của nó, giống như

thay đổi tiêu cự thấu kính hội tụ, do đó ảnh thu được rơi ngay trên võng mạc giúp mắt nhìn rõ vật cho dù nó ở xa hay gần Càng nhìn xa thuỷ tinh thể càng dẹt và trái lại, càng nhìn gần thì thuỷ tinh thể càng tròn

Tuy nhiên cũng cần nhận thấy khả năng điều chỉnh của mắt có giới hạn Cực cận là khoảng cách nhỏ nhất mà ảnh của vật cần nhìn nằm ngay trên võng mạc Nếu nhìn gần hơn điểm cực cận thì ảnh không rõ, mắt phải điều tiết nên gây mỏi mắt

và lâu ngày có thể gây ra tật khúc xạ Cực cận của mắt chuẩn cỡ khoảng 20-25cm

do đó khi đọc sách nên để xa hơn điểm cực cận để tránh mỏi mắt Cực viễn của mắt người bằng vô cùng

1.7.6 Trường nhìn (thị trường) của mắt

Trường nhìn của một người bình thường được CIE thừa nhận như sau: một người nhìn thẳng thì phạm vi nhìn được giới hạn như sau

đưa ra định nghĩa độ tương phản C như sau:

b

b oL

L L

Trong đó: L0 là độ chói của vật cần nhìn

Lb là độ chói của nền đặt vật cần nhìn (chữ b viết tắt của background: mặt nền)

C trong Tiếng Anh là Constrast (nghĩa là độ tương phản) Giá trị C ngoài phụ thuộc độ chói của nền còn phụ thuộc vào kích thước của vật: vật càng lớn thì độ tương phản càng cao Theo thống kê với đa số mọi người thì mắt chỉ có thể phân biệt được vật

có độ chói L0 đặt trên nền có độ chói Lb khi C  0,1 Tuy nhiên thực tế thì màu săc

và kích thước vật cũng ảnh hưởng đến khả năng phân biệt của mắt nên khi thiết kế chiếu sáng phải căn cứ vào điều kiện môi trường để tính toán mức độ chiếu sáng vừa

đủ

Ngưỡng tương phản C th : Là giá trị sao cho khi CCth thì vật được nhìn thấy còn C<Cth thì vật không được nhìn thấy Cth được xây dựng bằng cách cho L0 = const và cho trước kích thước của vật (góc nhìn) ta sẽ xây dựng được một họ đặc tính

b

b th

L

L C C





 ( ) Ký hiệu th là chữ viết tắt của từ threshold trong Tiếng Anh có

nghĩa là ngưỡng hay giới hạn Blackwel đưa ra khái niệm độ nhìn rõ là tỉ số C/Cth

1.7.8 Hiện tượng chói lóa

1 Hiện tượng chói lóa

Khái niệm: Hiện tượng chói lóa là sự suy giảm khả năng nhìn hay làm mất hoàn

toàn khả năng nhìn, do đó người ta chia thành hai loại chói lóa:

+ Sự suy giảm khả năng nhìn (gọi là chói lóa do nhiễu) Đây là trường hợp thường xảy ra trong các hệ thống chiếu sáng công cộng, ví dụ: Vào ban đêm khi ta đi ngược chiều ôtô đang bật đèn chiếu sáng ta rất khó quan sát người đi phía trước do suy giảm khả năng nhìn

Đi trong đường phố thiết kế chiếu sáng không đúng quy cách, khi ta nhìn mặt đường thì ánh sáng đèn cũng có thể gây chói lóa

Hiện tuợng này ảnh hưởng rất lớn đến người và phương tiện giao thông, có thể dẫn đến mất an toàn

+ Mất hẳn cảm giác nhìn (gọi là chói lóa do mất tiện nghi nhìn) Trường hợp này

chỉ xảy ra khi có một vật nào đó có độ chói quá cao nằm trong trường nhìn của mắt

làm cho mắt bị mất cảm giác nhìn hoàn toàn

Ví dụ trong một nhà máy thép mạ kẽm (sau khi mạ có màu trắng), rất nhiều

sản phẩm thép mạ kẽm để ngoài trời nắng buổi trưa, khi đó người công nhân không thể nào chọn lựa được một thanh thép xác định trong bãi sản phẩm Nếu người công nhân đó cố nhìn để tìm kiếm trong bãi sản phẩm thép mạ kẽm thì mắt có thể bị đau nhức

Độ chói nhỏ nhất để mắt nhìn thấy là L=10-3Cd/m2 và độ chói bắt đầu gây lóa mắt là 5000Cd/m2

2 Giải thích hiện tượng chói lóa

Trường hợp chói lóa do nhiễu Giả sử một vật trong điều kiện ánh sáng bình thường có độ chói lóa:

b

b oL

L L

v b

b o

v b

v b v

o

L

L L L L

L L L

L

L L L

Tương ứng với Lv rất lớn do đó C2  0 nên cảm giác nhìn mất hẳn

+ Có thể giải thích hiện tượng chói loá do nhiễu bằng hình ảnh như sau (hình 1.23)

Khi ta nhìn vào vật thì ảnh của nó hiện lên võng mạc Ánh sáng từ nguồn gây chói lóa (ta không nhìn nên nó không đi qua võng mạc và được khuếch tán ra xung quanh, một phần tác động vào võng mạc gây ra chói lóa)

Nếu nguồn sáng gây chói lóa sát vật cần nhìn thì ánh sáng gây chói lóa tác động trực tiếp lên võng mạc gây chói lóa mạnh hơn

Hình 1.23 Hiện tượng chói loá do nhiễu

3 Chỉ số hạn chế chói lóa G (còn gọi là chỉ số tiện nghi)

Sự chói lóa do đèn chiếu sáng gây ra là một trong các nguyên nhân nguy hiểm

cho người lái xe nên được coi là tiêu chuẩn thứ 3 để đánh giá chất lượng của hệ

thống chiếu sáng đường phố

Để đánh giá ảnh hưởng của sự chói lóa người ta đưa ra khái niệm “chỉ số hạn chế chói loá” G (viết tắt của từ Tiếng Anh: Glare Index) xác định theo công thức thực nghiệm sau:

G  ISL  0, 97 lg (Ltb )  4, 41.lg(h) 1, 46 lg(P) Trong đó: ISL (Index of Specific Luminance) là chỉ số riêng của chóa đèn do nhà chế tạo cung cấp Cũng có thể tính gần đúng theo công thức sau:

ISL=13,84-3,31.lg(I80)+1,3.lg(I80/I88)0,5-0,08.lg(I80/I88)+1,29.lg(F) Giá trị ISL thường nằm trong khoảng 3÷6

F: Diện tích phát sáng của bộ đèn nhìn từ góc quan sát 760

Ltb: Độ chói trung bình của mặt đường

h: Độ cao treo đèn

P: Số đèn có trên 1 km chiều dài đường

Để có thể hình dung ảnh hưởng của hệ số G đến mắt người ta xem xét một số giá trị của G theo bảng sau:

Bảng 1.3 Một số giá trị của G

G = 1 Chói lóa quá mức chịu đựng

G = 4 Chói lóa ở mức chịu đựng được

G = 9 Không cảm thấy chói lóaTiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCXDVN259:2001 quy định: để hạn chế

chói lóa, khi thiết kế chiếu sáng đường phải chọn bộ đèn có chỉ số hạn chế chói lóa G

 4 Tuy nhiên hệ số này chỉ có ý nghĩa khi độ cao treo đèn >5m và số đèn đủ lớn nên trong tiêu chuẩn cũng quy định chỉ xét đến hệ số chói lóa khi 5m < h <20m và 20 < p

<100

Ví dụ 1 Một bóng đèn tròn sợi đốt công suất 75W phát quang thông = 600lm Tính cường độ sáng do bóng đèn này phát ra

Cách giải: Nguồn sáng này coi như nguồn sáng điểm Ngoài ra do có dạng hình tròn

nên quang thông phát ra được coi như phân bố đều khắp không gian xung quanh

và do đó cường độ sáng theo mọi phương đều bằng nhau.Theo định nghĩa ta có cường độ sáng theo một phương là : L 4775 Cd

c) Mật độ năng lượng bức xạ mặt trời gửi đến trái đất trung bình là 1kW/m2 Giả thiết khí quyển trái đất giữ lại 29% dòng năng lượng của mặt trời trước khi đến trái đất Hãy tính tổng công suất bức xạ của mặt trời

d) Tính cường độ sáng và độ chói của mặt trời đối với người quan sát trên mặt đất

Cách giải

a)

Do d >> r và d >> R nên khi xét góc khối mà mặt trời nhìn thấy trái đất thì ta coi như mặt trời là một điểm và ngược lại nếu xét góc khối từ trái đất nhìn.toàn bộ mặt trời thì coi trái đất là 1 điểm Khi đó diện tích nhìn thấy trái đất từ mặt trời là r2

và diện tích nhìn thấy mặt trời từ trái đất là R2 Ta có:

Góc khối nhìn trái đất Sr

d

rS

9 2

2

10 55 ,

6 2

2

10 5 ,

 = E.S =116.103 1,25.1014 =145.1017lm c) Công suất bức xạ của mặt trời gửi đến trái đất là:

W1 =1kW/m2.1,25.1014 =1,25.1014 kW Công suất bức xạ mặt trời phát ra trong góc khối S là:

Tổng công suất bức xạ do mặt trời phát ra toàn bộ không gian (góc khối 4) là:

d) Cường độ sáng của mặt trời chiếu xuống trái đất theo định nghĩa là:

Độ chói đối với người quan sát trên mặt đất:

Ta nhận thấy độ chói khá lớn nên không thể nhìn mặt trời trực tiếp bằng mắt Tuy nhiên vào buổi sáng và chiều khi mặt trời ửng đỏ thì nhìn được trực tiếp bằng mắt Điều này không phải là do mặt trời suy giảm độ chói mà do tia sáng bị khúc

xạ xiên góc khi vào bầu khí quyển của trái đất

Ví dụ 3 Một bóng đèn tròn có quang thông 1380lm toả tia như nhau theo mọi

hướng

Đèn này được treo giữa bàn đọc sách ở độ cao 1,3 m so với mặt bàn

a) Tính khoảng cách từ giữa bàn đến quyển sách để độ rọi tại điểm đó là 50 lux

b) Giả sử trang sách phản xạ khuyếch tán đều với hệ số phản xạ bằng 0,7 Tính độ