Světelné spektrum – rozložení světelné energie podle vlnové délky – fotometrie

Úvod

Světelné spektrum je základním pojmem ve fotometrii, vědě o barvách a inženýrství osvětlovacích systémů pro lidské prostředí, včetně klíčových odvětví jako letectví, doprava a zdravotnictví. Pochopení, jak je světelná energie rozložena podle vlnové délky, nám umožňuje měřit, reprodukovat a optimalizovat vizuální zážitky, bezpečnost a energetickou účinnost.

Tento slovníkový heslo poskytuje podrobný přehled o světelném spektru, jeho měření a významu – zejména pokud jde o viditelný rozsah, spektrální rozložení výkonu, fotometrické versus radiometrické jednotky a odezvu lidského oka. Aplikace v letectví a průmyslu ukazují, proč je spektrální inženýrství klíčové pro bezpečnost, shodu s normami a výkon.

Elektromagnetické spektrum a viditelné světlo

Veškeré světlo je elektromagnetické záření, ale pouze úzké pásmo – přibližně 380 až 780 nanometrů (nm) – je viditelné průměrnému lidskému oku. Elektromagnetické spektrum samotné sahá od vysokoenergetického gama a rentgenového záření (méně než 1 nm) po rádiové vlny (metry a více).

• Ultrafialové (UV): 10–380 nm (pro člověka neviditelné, může způsobit spálení sluncem)
• Viditelné světlo: 380–780 nm (vnímáno jako barvy od fialové po červenou)
• Infračervené (IR): 780 nm–1 mm (pociťováno jako teplo, využíváno v nočním vidění)

V rámci viditelného pásma:

• Fialová: 380–450 nm
• Modrá: 450–495 nm
• Zelená: 495–570 nm
• Žlutá: 570–590 nm
• Oranžová: 590–620 nm
• Červená: 620–780 nm

Citlivost lidského oka neklesá na hranicích prudce; vnímání postupně slábne a existují individuální rozdíly.

Aplikace:

• Letectví: Displeje v kokpitu a dráhová světla jsou navržena v rámci viditelného spektra pro optimální detekci piloty.
• Návrh osvětlení: Spektrální znalosti jsou zásadní pro displeje, pracovní prostory a signalizaci bezpečnosti.

Rozložení světelné energie podle vlnové délky

Světelný zdroj jen zřídka vyzařuje všechny vlnové délky rovnoměrně. Jeho spektrální rozložení výkonu (SPD) popisuje intenzitu vyzařovaného světla na každé vlnové délce. Toto rozložení je pro každý zdroj jedinečné a určuje jeho barvu, schopnost podání barev a energetickou účinnost.

• Plynulé SPD: Přítomny všechny viditelné vlnové délky, například sluneční světlo nebo žárovky. Výborné podání barev.
• Liniové SPD: Ostré špičky na konkrétních vlnových délkách, typické pro lasery a nízkotlaké výbojky. Často špatné podání barev.
• Pásové SPD: Skupiny těsně sousedících vlnových délek, např. u vysokotlakých výbojek nebo LED se silnou luminoforovou složkou.

SPD určuje:

• Barevný vjem: Které vlnové délky převládají.
• Podání barev: Jak přirozeně vypadají barvy objektů pod tímto světlem.
• Účinnost: Kolik z výstupní energie je viditelné (zarovnané s citlivostí oka).
• Speciální vhodnost: Pro úkoly jako pěstování rostlin nebo signalizaci.

Měření:
K analýze SPD se používají spektrometry a spektrofotometry a tato měření podporují certifikaci a kontrolu kvality v oblastech, jako je letectví (splnění norem ICAO nebo FAA).

Typy spekter

1. Plynulá spektra

Vznikají u pevných látek, kapalin nebo vysokotlakých plynů zahřátých do žáru (např. slunce, žárovky). Jsou přítomny všechny viditelné vlnové délky, což vede k bílému světlu a vysoké věrnosti barev.

2. Liniová spektra

Vznikají u nízkotlakých plynů (např. sodíkové, rtuťové výbojky) nebo laserů. Jsou vyzařovány pouze konkrétní vlnové délky, které tvoří úzké čáry. Každý chemický prvek má své jedinečné liniové spektrum.

3. Pásová spektra

Vznikají u molekul nebo vysokotlakých plynů, kde skupiny čar splývají do pásů. Vyskytují se v některých plynových výbojkách a atmosférických jevech (například polární záře).

Význam:
Typ spektra ovlivňuje, jak objekty vypadají a jak dobře člověk rozlišuje barvy – což je zásadní pro osvětlení kokpitu, kabiny i letiště.

Radiometrie: fyzikální měření světla

Radiometrie kvantifikuje elektromagnetické záření v absolutních fyzikálních jednotkách nezávisle na vnímání člověkem.

Klíčové veličiny

• Radiantní energie (Qₑ): Jouly (J)
• Radiantní tok (Φₑ): Watty (W) — energie za sekundu
• Radiantní intenzita (Iₑ): Watty na steradián (W/sr)
• Radiance (Lₑ): W/(m²·sr) — jas v určitém směru
• Ozáření (Eₑ): W/m² — výkon na plochu

Každou z nich lze rozkládat podle vlnové délky (např. spektrální radiance v W/(m²·sr·nm)). Radiometrická data jsou východiskem pro návrh osvětlovacích i senzorových systémů, včetně těch používaných v letecké navigaci a bezpečnosti.

Fotometrie: měření vážené lidským zrakem

Fotometrie váží měření podle citlivosti lidského oka a poskytuje hodnoty smysluplné pro návrh zaměřený na člověka.

Klíčové veličiny

• Světelný tok (Φᵥ): Lumeny (lm)
• Světelná intenzita (Iᵥ): Kandely (cd)
• Luminance (Lᵥ): cd/m² (nit)
• Osvětlenost (Eᵥ): Lux (lx), kde 1 lx = 1 lm/m²

Křivka svítivosti (V(λ))

Představuje průměrnou citlivost oka za fotopických (denních) podmínek, s maximem na 555 nm. U každého spektrálního rozložení se fotometrické veličiny získávají vážením radiometrických hodnot V(λ) a integrací přes viditelné rozmezí.

Důležitost:
Fotometrie propojuje objektivní energii a subjektivní lidský zážitek, určuje návrh osvětlení, bezpečnostní normy a legislativní požadavky.

Radiometrické vs. fotometrické jednotky

Přepočet:
Fotometrická = Radiometrická × V(λ) × 683 lm/W (při 555 nm).

Lidská vizuální odezva: fotopická a skotopická citlivost

• Fotopické vidění: Denní světlo, čípky, maximum na 555 nm (zelenožlutá), pokrývá 380–780 nm.
• Skotopické vidění: Noc, tyčinky, maximum na 507 nm (modrozelená), nižší citlivost na červenou.
• Mezopické vidění: Přechodné světlo, podílí se čípky i tyčinky.

Důsledky:

• Osvětlení pro noční provoz (např. červená světla v kokpitu) je navrženo tak, aby zachovalo skotopické (noční) vidění.
• Letištní osvětlení zohledňuje fotopické i skotopické reakce, aby byla zajištěna maximální viditelnost pilotů za všech podmínek.

Spektrální rozložení výkonu (SPD) a kvalita barev

SPD je „spektrálním otiskem“ světelného zdroje a určuje:

• Index podání barev (CRI): Jak přirozeně vypadají barvy pod tímto zdrojem.
• Korelovaná teplota chromatičnosti (CCT): „Teplota“ bílé barvy světla.
• Vizuální komfort a výkon: SPD ovlivňuje oslnění, únavu očí a viditelnost.

Příklad:
Žárovky mají plynulé SPD, vysoké CRI a teplou CCT. Zářivky nebo „špičkovité“ LED mohou mít špatné CRI, takže některé barvy vypadají nepřirozeně – což je klíčové například v kokpitu a na letišti.

Aplikace v letectví a průmyslu

• Letectví:
  • Dráhová a pojížděcí světla musí mít přesné barvy a intenzity, certifikované pomocí SPD a fotometrických měření.
  • Osvětlení kokpitu je navrženo pro optimální čitelnost a podporu adaptace na tmu.
  • Osvětlovací normy (ICAO, FAA) specifikují spektrální i fotometrická kritéria.
• Displejová technika:
  • Spektrální ladění zlepšuje přesnost barev a snižuje únavu očí.
• Bezpečnost a shoda s normami:
  • Správné SPD zajistí rozeznatelnost signálů a splnění legislativních požadavků.

Závěr

Světelné spektrum – a jeho rozložení podle vlnové délky – je středobodem vědy o barvách, fotometrie a praktického návrhu osvětlení. Ať už v letectví, výrobě nebo každodenním prostředí, pochopení a řízení SPD, radiometrických a fotometrických veličin i lidské vizuální odezvy je nezbytné pro bezpečnost, účinnost a spokojenost uživatelů.

Pro výrobce, designéry i regulátory představuje zvládnutí světelného spektra základ pro vývoj osvětlovacích a signalizačních systémů, které poskytují optimální výkon, shodu s normami i komfort v každém prostředí.