Słownik pojęć: światło białe i fotometria

Światło białe

Światło białe to promieniowanie elektromagnetyczne obejmujące wszystkie długości fal w zakresie widzialnym, zwykle od 380 do 780 nanometrów (nm). W przeciwieństwie do światła monochromatycznego, które składa się z jednej długości fali i ma wyraźny kolor, światło białe jest kompozycją wielu składników spektralnych, odpowiadających różnym barwom. Najbardziej znanym źródłem jest światło słoneczne, które wydaje się białe dzięki ciągłemu i zrównoważonemu widmu. Źródła sztuczne, takie jak żarówki, niektóre diody LED czy lampy fluorescencyjne, są projektowane tak, aby naśladować tę kompozycję, by były postrzegane przez człowieka jako białe.

Wrażenie bieli powstaje, gdy trzy typy czopków w oku człowieka — wrażliwe na krótkie (S), średnie (M) i długie (L) długości fal — są pobudzane w proporcjach, które mózg interpretuje jako biel. Może to wynikać z ciągłego rozkładu długości fal (źródła naturalne lub żarowe) lub mieszaniny kilku dyskretnych długości fal (jak w cyfrowych wyświetlaczach RGB).

Światło białe jest kluczowe we wszystkich dziedzinach związanych z widzeniem: od lotnictwa (gdzie przejrzystość oświetlenia i dokładność barw są istotne dla bezpieczeństwa i nawigacji), przez architekturę, przemysł, aż po teledetekcję. Jego skład spektralny można rozdzielić na znane zjawisko tęczy za pomocą pryzmatu, ukazując kompozytowy charakter światła — zjawisko to jako pierwszy badał Izaak Newton.

Widmo elektromagnetyczne

Widmo elektromagnetyczne to pełen zakres długości fal lub częstotliwości promieniowania elektromagnetycznego — od promieniowania gamma (z długościami fal poniżej nanometra) do fal radiowych (z długościami rzędu kilometrów). Widmo widzialne — istotne dla światła białego — stanowi tylko niewielką część tego zakresu, od około 380 do 780 nm.

Sąsiadujące z zakresem widzialnym są promieniowanie ultrafioletowe (100–380 nm) oraz podczerwone (780 nm–1 mm). Obszary te są niewidoczne dla ludzkiego oka, ale mają znaczenie w technice i nauce. Na przykład systemy oświetlenia lotniczego są projektowane tak, by emitować długości fal najmniej podatne na rozpraszanie w warunkach takich jak mgła.

Widmo widzialne

Widmo widzialne to część widma elektromagnetycznego, którą przeciętne ludzkie oko może postrzegać, zwykle od 380 do 780 nm. W tym zakresie różne długości fal odpowiadają różnym barwom:

Granice nie są ostre ze względu na nakładanie się czułości czopków i indywidualne różnice w widzeniu. Zakresy widma widzialnego mogą być modyfikowane w normach technicznych (np. 400–700 nm dla fotometrii).

Rozkład spektralny

Rozkład spektralny opisuje, jak źródło światła emituje energię w zakresie widzialnym. Zwykle przedstawiany jest jako wykres natężenia w funkcji długości fali.

Rodzaje rozkładów spektralnych:

• Widmo ciągłe: Emitowane przez Słońce lub żarówki; obejmuje wszystkie widzialne długości fal.
• Widmo liniowe: Emitowane przez lampy wyładowcze; składa się z ostrych pików na określonych długościach fal (np. lampy sodowe lub rtęciowe).
• Widmo pasmowe: Zawiera grupy blisko leżących linii, spotykane w lampach wysokociśnieniowych lub niektórych zjawiskach naturalnych.

Rozkład spektralny decyduje o wyglądzie barwy, temperaturze barwowej i oddawaniu barw. W lotnictwie oświetlenie musi spełniać normy dotyczące rozkładu spektralnego, by zapewnić bezpieczeństwo i skuteczność.

Percepcja barw

Percepcja barw to subiektywne odczucie wywołane pobudzeniem siatkówki przez różne długości fal. Ludzka siatkówka posiada trzy typy czopków:

Mózg interpretuje łączne odpowiedzi czopków, tworząc wrażenie barwy. Gdy wszystkie trzy są pobudzane równomiernie, powstaje wrażenie „bieli”. Największa czułość oka przypada na ok. 555 nm w świetle dziennym (widzenie fotopowe) i przesuwa się do 507 nm przy słabym oświetleniu (widzenie skotopowe) — zjawisko to nazywane jest efektem Purkinjego.

Percepcja barw zależy od kontekstu, adaptacji oraz składu spektralnego światła. Metameryzm występuje, gdy różne widma są postrzegane jako ten sam kolor. Normy lotnicze określają granice chromatyczności dla świateł białych i barwnych w celu zapewnienia bezpieczeństwa.

Addytywne mieszanie barw

Addytywne mieszanie barw polega na łączeniu różnych świateł barwnych w celu wytworzenia nowych barw — w tym bieli — poprzez odpowiednią stymulację czopków siatkówki. Połączenie światła czerwonego, zielonego i niebieskiego (RGB) we właściwych proporcjach daje biel. Zasada ta wykorzystywana jest w cyfrowych wyświetlaczach, przyrządach kokpitowych i oznakowaniu lotnisk.

Mieszanie addytywne różni się od mieszania substraktywnego (stosowanego w pigmentach i filtrach). Normy międzynarodowe definiują współrzędne chromatyczności dla lotniczego „białego” oraz innych barw eksploatacyjnych, zapewniając niezawodne rozpoznawanie barw.

Temperatura barwowa

Temperatura barwowa opisuje odcień światła białego przez porównanie jego widma do widma idealnego ciała doskonale czarnego w określonej temperaturze (w kelwinach, K). Niższe temperatury barwowe (2700–3500 K) wydają się ciepłe (żółto-czerwone), wyższe (5000–6500 K) — chłodne (niebiesko-białe).

Temperatura barwowa jest istotna w oświetleniu lotniczym i przemysłowym, wspiera komfort widzenia, bezpieczeństwo oraz prawidłowe rozróżnianie barw.

Strumień świetlny

Strumień świetlny to całkowita ilość światła widzialnego emitowanego przez źródło we wszystkich kierunkach, uwzględniająca czułość ludzkiego oka. Mierzony jest w lumenach (lm) i różni się od mocy promieniowania (wata), gdyż obejmuje tylko widzialne długości fal.

Strumień świetlny (Φ_v) oblicza się poprzez całkowanie rozkładu mocy spektralnej ze skutecznością świetlną (V(λ)) oka, której maksimum przypada na 555 nm. To kluczowy parametr przy specyfikowaniu źródeł i opraw w lotnictwie oraz przemyśle.

Światłość

Światłość określa, ile strumienia świetlnego jest emitowane w określonym kierunku, w danym kącie bryłowym. Mierzona jest w kandelach (cd), przy czym jedna kandela to jeden lumen na steradian.

Światła kierunkowe (np. światła drogi startowej, sygnalizatory) są określane przez swoją światłość. Normy ICAO definiują wymagane wartości i rozkłady kątowe dla bezpieczeństwa lotniczego.

Natężenie oświetlenia

Natężenie oświetlenia określa ilość strumienia świetlnego padającego na powierzchnię na jednostkę jej pola, mierzoną w luksach (lx), gdzie jeden luks to jeden lumen na metr kwadratowy. Określa, jak jasno jest oświetlona powierzchnia i ma kluczowe znaczenie dla widoczności na lotniskach, w kabinach i miejscach pracy.

ICAO i inne organizacje określają wymagane poziomy natężenia oświetlenia dla bezpiecznej nawigacji i pracy. Natężeniomierze (luksomierze) służą do pomiaru natężenia i kontroli zgodności z normami.

Luminancja

Luminancja to jasność powierzchni emitującej lub odbijającej światło, widziana przez obserwatora, uwzględniająca zarówno światłość, jak i powierzchnię rzutu. Mierzona jest w kandelach na metr kwadratowy (cd/m²) i ma kluczowe znaczenie dla czytelności wyświetlaczy, oznakowania i ergonomii oświetlenia.

Oblicza się ją jako: L = I / (A · cosθ)

gdzie L to luminancja, I — światłość, A — powierzchnia, a θ — kąt między normalną powierzchni a kierunkiem obserwacji. W lotnictwie normy określają wartości luminancji dla zapewnienia widoczności i bezpieczeństwa.

Fotometria

Fotometria to nauka o pomiarze światła widzialnego, zgodnie z percepcją ludzkiego oka. Obejmuje wielkości takie jak strumień świetlny, światłość, natężenie oświetlenia i luminancja — wszystkie ważone względem czułości spektralnej oka. Fotometria jest niezbędna w projektowaniu oświetlenia, bezpieczeństwie i spełnianiu norm — zwłaszcza w lotnictwie, architekturze i przemyśle.

Pomiary fotometryczne wykorzystują czujniki i filtry skalibrowane względem reakcji ludzkiego wzroku, zapewniając porównywalność i praktyczną przydatność. Międzynarodowe normy (ICAO, CIE) określają procedury i progi parametrów fotometrycznych w środowiskach krytycznych.

Rozumiejąc światło białe, jego właściwości spektralne i wielkości fotometryczne, inżynierowie i operatorzy mogą projektować systemy oświetleniowe, które optymalizują widoczność, bezpieczeństwo i komfort — zwłaszcza w wymagających zastosowaniach, takich jak lotnictwo i transport.