Fénytan és színelmélet

Fénytani alapfogalmak

Az elektromágneses sugárzás rendkívül széles tartományából a 100 nm-től 1 mm-ig terjedő  hullámhosszokat sorolhatjuk az optikai sugárzás kategóriájába. Ezen belül a 380 nm-től 780 nm közötti rész kelt az emberi szemben fényérzetet. Valójában csak ezt a látható tartományú sugárzást nevezzük fénynek.

A 100 nm – 380 nm közötti elektromágneses sugárzást ultraibolya (UV), a 780 nm-től 1 mm-ig terjedőt pedig infravörös (IR) sugárzásnak nevezik. Mivel egyik sem képes látásérzetet kiváltani, ezért mindkettőre a láthatatlan optikai sugárzás kifejezés vonatkozik. A fény fogalmi meghatározásából következik, hogy hibás szóhasználatnak tekinthető mind az ultraibolya, mind az infravörös sugárzásra a fény megnevezés alkalmazása.

Az emberi szem nem egyforma érzékenységgel reagál a különböző hullámhosszú sugárzásokra. A szem érzékenysége a fény hullámhosszától függ, ezt a tapasztalati tényt a Nemzetközi Világítástechnikai Bizottság szabványosította is, megalkotva a szem spektrális érzékenységi görbéjét, más néven a láthatósági függvényt. Mint az alábbi ábrán látható, más jelleggörbe vonatkozik a normális megvilágításban történő színlátásra (fotopikus látás) és más a gyenge megvilágításban történő alaklátásra (szkotopikus látás). A szem spektrális érzékenységi görbéjének a csúcspontja világosban az 555 nm-es hullámhosszú zöldessárga fényben van, sötétben pedig az 507 nm-es kékes színnél található a csúcspont. Másként megfogalmazva ez azt jelenti, hogy az azonos fényenergiájú 555 nm-es zöldessárga fényt világosabbnak érzékeljük, mint a 400 nm-es ibolya, vagy a 700 nm-es vörös fényt. A videotechnikában elsősorban a világosra adaptált szem érzékenységi görbéjével számolnak.

Fotometria

Ha a fényt, mint elektromágneses sugárzást energetikai szempontból vizsgáljuk, akkor radiometriáról beszélünk. Amikor a fény energiaterjedési jellemzőinek meghatározásánál vagy mérésénél figyelembe vesszük az emberi szem fényérzetének a hullámhossztól való függését, akkor már a fotometria fogalomkörét alkalmazzuk. (A nem szakmabeliek számára nem egyszer jelent értelmezési problémát, hogy a csillagok fényességével foglalkozó tudományágat is fotometriának nevezik).

A fénytechnikai mértékegységek megértéséhez előbb meg kell ismerkednünk a térszög fogalmával.

Térszög

A térszög, a síkszög térbeli megfelelője. A térszög nagyságát egy tetszőlegesen megválasztott gömb tetszőlegesen kijelölt felületrészének és a gömbsugár négyzetének a hányadosa adja. A térszög azt méri, hogy az adott pontból nézve milyen nagynak tűnik egy objektum. A fényforrást pontszerűnek elképzelve a sugárzás térbeli irányultságát a térszöggel lehet jellemezni. Az r sugarú gömb felülete: 4r²π, így a teljes gömbi tér: 4r²π/r²= 4π sr.

Jelölése:	Ω (Omega)
Mértékegysége:	Szteradián
Jele:	sr

Nézzük meg, hogy melyek azok a fotometriai mértékegységek, amelyeket a videó megfigyelő rendszerek alkalmazásánál is figyelembe szoktak venni:

Fényáram (fényteljesítmény)

A fényáram a fényforrásból időegység alatt kisugárzott összes látható fény energiája – ez a fényforrások legfontosabb világítástechnikai jellemzője. Másként megfogalmazva a fényáram a sugárzott fizikai teljesítmény és a láthatósági tényező szorzatának az egész színképtartományban összegzett értéke. Az emberi szem spektrális (a fény hullámhosszától függő) érzékenysége miatt a fényteljesítmény mértékegységét nem watt-ban, hanem lumenben fejezik ki.
A pontszerű fényforrás minden irányban sugárzott fényáramának mennyisége az összfényáram (Total Luminous Flux).

Jelölése:	Φ (Phi)
Mértékegysége:	Lumen
Jele:	lm

Minden egyéb világítástechnikai mértéket a fényáramhoz viszonyítanak. Ennek ellenére a fényáram nem fotometriai alapegység, hanem a fényerősségből származtatott egység, amelyet így határoztak meg az SI nemzetközi mértékrendszerben:
1 lumen mennyiségű fényáram a minden irányban 1 candela (cd) fényerősséggel egyenletesen sugárzó pontszerű fényforrás 1 szteradián térszögbe kibocsátott teljesítménye. 1 lumen = 1 cd · sr
Így a teljes 4π térszögben minden irányban 1 cd fényerősségű fényforrás fényárama = 4π lm, vagyis 12,56 lumen.

Néhány fényforrás fényárama:

Fényforrás	A fényforrás névleges fényárama (lm)
Izzólámpa 230 V, 60 W	710
Izzólámpa 230 V, 100 W	1400
Izzólámpa 230 V, 1000 W	20000
Halogén izzólámpa 12 V, 100W	2350
Fénycső 18W, F33	1150
Nátriumlámpa LU250/T/40	27500

Fényerősség

A fényforrás a tér minden irányába sugározza ki fényáramát. Az adott irányú térszögbe kisugárzott fényáramnak és a térszögnek a hányadosa, azaz a fényáramnak a térszög szerinti sűrűsége a fényerősség. A fényerősség a fénymérés alapegysége (SI-ben).

Jelölése:	I
Mértékegysége:	Candela (lm/sr)
Jele:	cd
Meghatározó egyenlete:	I = Φ / Ω

Megvilágítás

A megvilágítás a felületre beeső fényáramnak és a felületnek a hányadosa, azaz a fényáramnak a felületen eloszló sűrűsége.
A megvilágítási erősség a felületet érő fény mértéke. Megadja, hogy egy adott felület mennyire van kivilágítva, vagyis mekkora fényáram jut 1m² felületegységre lumenben. A gyakorlati felhasználás szempontjából – beleértve a videotechnikát is – talán ez a legfontosabb világítástechnikai fogalom.

Jelölése:	E
Mértékegysége:	Lux (lumen/m²)
Jele:	lx
Meghatározó egyenlete:	E = Φ / A (ahol A a felületet jelöli)

1 m sugarú gömb közepén lévő pontszerű fényforrás, amely 1 candela fényerősséggel sugároz, 1 lumen fényáramot kelt 1 sr térszögbe, 1 lux megvilágítási erősségű a gömb 1m²-es felületén.
A megvilágítás erőssége a fényerősséggel egyenesen, a fényforrástól való távolság négyzetével fordítottan arányos. Ez utóbbi érthető, hiszen ugyanakkora térszöghöz kétszer akkora távolságban négyszer akkora felület tartozik. Vagyis a megvilágítás a negyedére csökken.
Jellemző környezeti megvilágítási értékek:

Fényforrás	A megvilágítás (lx)
A szem érzékenységi küszöbe	0,0000001
Felhős éjszakai égbolt	0,00005
Csillagos éjszaka	0,0001
Negyed hold	0,02
Telihold	0,05-0,2
Szürkület	4-10
Utcai világítás	1-10
Gyertyafény	10-15
A szem korrekt színlátása	50
Napkelte, napnyugta	500
Áruházak eladótere	500-800
Otthoni és irodai megvilágítás	100-1000
Napfény erősen felhős időben	20000
Napfény enyhén felhős időben	70000
Felhőtlen napsütés	100000-1000000

Fénysűrűség

A fénysűrűség a világító felület vizsgált irányú vetülete felületegységének fényerőssége. Fogalmazhatunk úgy is, hogy a fénysűrűség a megvilágított felületnek a szem által világosságként érzékelt látszólagos fényessége.

Jelölése:	L
Mértékegysége:	candela / m²
Jele:	cd / m²

A radiometria és a fotometria értékei egymásnak megfeleltethetőek

Radiometria			Fotometria
Mennyiség	Jel	Mértékegység	Mennyiség	Jel	Mértékegység
Sugárzott teljesítmény  (Radiant Flux, Fluxus)	Φ	Watt (W)	Fényáram  (Luminous Flux)	Φ	Lumen (lm)
Sugárzáserősség, intenzitás (Radiant Intensity)	I	W/sr	Fényerősség, intenzitás (Luminous Intensity)	I	Candela (cd) (lm/sr)
Besugárzás  (Irradiance)	E	W/m²	Megvilágítás  (Illuminance)	E	Lux (lx)  (lm/m²)
Sugársűrűség (Radiance)	L	W/(m²×sr)	Fénysűrűség (Luminance)	L	Nit (nt) (cd/m²)

Színelmélet

Történeti áttekintés a színek vizsgálatáról

A fény és a színek vizsgálata nagyon hosszú időre tekint vissza, hiszen már az ókorban a görögök és a hinduk is próbálkoztak ilyen jellegű kutatásokkal. Nagyjából 1000 körül jelent meg Ibn al-Haytham „Optika könyve” című munkája, melyben a színeket, a fehér fény színekre bontását vizsgálta. Bár számos tudós és művész foglalkozott az elkövetkező időkben a témával, a 17. századig várni kellett arra, hogy a valódi színtan, a színek rendszerezése kialakuljon.Newton színelmélete szerint a fehér fény, azaz a napfény prizma segítségével színekre bontható, majd ugyanígy újra egyesíthető. Ő állapította meg azt is, hogy a tárgyaknak nincs befolyása a fény színállapotára, nem azok teszik színessé a fehér fényt – tehát ha a fény egy tárgyról visszaverődik, vagy azon áthalad, nem változik meg a színe.

A 18. század végén Thomas Young trikromatikus színelméletével rámutatott arra, hogy maga a színlátás a szemben lévő háromféle fotoreceptor segítségével megy végbe. A háromféle csap külön-külön a piros, a zöld és a kék színekre érzékeny. Ewald Hering szerint a színlátás alapja a színellentétek érzékelése, aminek kiindulópontjaként három, ellentétes színekből álló színpárt vett alapul. Nagyjából az 1970-es évekre jöttek rá Edwin Land kutatásának köszönhetően, hogy az előbb említett két elmélet egymásnak nem mond ellent, sőt kiegészítik egymást. Ez alapján a három alapszín a szem működésének, míg a hat alapszín a látás tudati részének az alapja.

Színérzékelés

A színérzékelés az ember és általában a főemlősök sajátja. Az ember trikromatikusan látja a színeket, azaz három fő szín – a piros, a zöld, és a kék – megkülönböztetésére képes. A magasabb rendű állatok, például a majmok látása ugyanilyen, ám sok állat színvaknak számít; akromatikusan (fehér, fekete, szürke) vagy a legtöbb emlőshöz hasonlóan dikromatikusan látja a világot. Olyan állatok is vannak viszont, például a madarak, hüllők, erszényesek, néhány pókfaj és a halak egy része, amelyek sokkal jobban, azaz tetrakromatikusan érzékelnek. Bizonyos rovarfajok egy része pedig teljesen más spektrumban, az ultraibolya tartomány felé eltolva észlelik a körülöttük lévő dolgokat.

Színhőmérséklet

A fényforrások elektromágneses sugárzása különböző hullámhosszúságú rezgésekből áll és együttesen valamilyen színt hoz létre. A fényforrások színét az határozza meg, hogy az általuk kisugárzott energia hogyan oszlik el hullámhossz szerint, illetve az egyes színösszetevőkből mennyi energiát sugároz ki.

A színhőmérséklet tulajdonképpen egy látható fényt kibocsátó fényforrás által az emberben okozott színérzet. Mindezt a fekete test sugárzásához viszonyítják, amely egy minden energiát, vagyis minden rá eső fényt elnyelő fényforrás. Mértékegysége 1972-től a Kelvin (K).

A színhőmérséklet szerepe az emberi szem és a „digitalizált szem”, azaz az objektívvel ellátott kamera eltérő érzékelési módjában mutatkozik meg. Az emberi szem bizonyos mértékig alkalmazkodik a fény színéhez, és a külső fényforrásoktól függetlenül próbálja érzékelni a tárgyak színét. A kamera nem képes arra, hogy konvertálja, átalakítsa a fényeket. A valós színekhez képest hamis színeket jelenít meg, mivel nem tud a külső fényforrásoktól függetlenedni.

A fényforrások két fajtája: hőmérsékleti (termikus) sugárzó és a fluoreszcens fényforrások. A hőmérsékleti sugárzók azok a fényforrások, amelyek hevítés hatására világítanak, és meleg fényt bocsátanak ki, ilyen például a Nap is. Egy ideális hőmérsékleti sugárzó által kisugárzott fény színhőmérséklete megegyezik annak Kelvinben kifejezett hőmérsékletével. A nem termikus sugárzóknak, mint például a hideg fényt adó fluoreszcens lámpáknak, fénycsöveknek is van színhőmérséklete. A nem ideális hőmérsékleti sugárzó (pl. izzószál) és a nem termikus sugárzó színhőmérséklete egy olyan ideális hőmérsékleti sugárzó hőmérsékletével egyezik meg, amellyel azonos színű fényt bocsát ki.

Minél melegebb egy test, annál magasabb a színhőmérséklete. Téves megközelítés, hogy minél vörösebb valami, az annál melegebb. Valójában egy sugárzás akkor vörös, ha alacsony a hőmérséklete. A hőmérséklet növelésével ez sárgává, fehérré, majd kékké válik. És míg a kék színt mi hidegnek érezzük, voltaképpen ennek a legmagasabb a hőmérséklete. Az alábbiakban néhány természetes és mesterséges fényforrás színhőmérsékletét adjuk meg!

Fényforrás	Színhőmérséklet
Gyertya	1000-2000 K
Wolframszálas izzólámpa	2500-3200 K
Halogénlámpa	2800-3500 K
Meleg fényű fénycső	3400-4300 K
Hideg fényű fénycső	4500-7500 K
Vaku	5000-5500 K
Átlagos nappali napfény	5000-6000 K
Reggeli és délutáni napfény	4500-5000 K
Napfény felhős időben	6500-8000 K
Árnyékos nappali fény	9000-10000 K
Borult, ködös idő	10000 K

A színek hatással vannak hangulatunkra. Az alábbiakban álljon itt néhány példa arra, hogy miként befolyásolják közérzetünket a különböző színárnyalatok!
lila: nyugtat, segít koncentrálni, serkenti a kreativitást
sárga: serkenti a gondolkodást, jókedvre derít
kék: nyugtató hatása van, csökkenti a stresszt
narancs: életvidámságot, boldogságot áraszt, étvágyat csinál >
zöld: megnyugvást okoz, kiegyensúlyozottá teszi az embert, harmóniát teremt, csökkenti a fáradtságot
vörös: fokozza a teljesítőképességet, de túlzott használata ingerültséget, agressziót okoz

Színkeverés

Kétfajta színkeverési eljárás ismeretes, az egyik az additív, a másik a szubtraktív színkeverés.

Additív színkeverés

Más néven: összeadó színkeverés alapja, hogy minden szín, illetve színárnyalat megalkotható a három alapszín, azaz a kék, a piros és a zöld megfelelő arányú keverésével. A színárnyalatok mellett a fehér és a fekete színek is létrehozhatók ezekből az alapszínekből, mégpedig a következő módon: amennyiben a három szín egyenlő arányban van, úgy a fehér, amennyiben mindegyik hiányzik, úgy a fekete szín érzetét kapjuk. Az additív színkeverés módszerén alapul a színes televízió, illetve minden színes kijelzős elektronikai készülék, például a számítógép monitora.

Szubtraktív színkeverés

Az additív színkeverés ellentéte, más néven kivonó eljárás. Ebben az esetben nem a színek összeadásáról van szó, hanem épp ellenkezőleg: az összetevők kivonása eredményez új színt. Alapszínei a sárga, a cián és a magenta.
A szubtraktív színkeverést a festészetben, a színes nyomtatásban, színes fényképezésben alkalmazzák.

Minden jog fenntartva. Copyright © Oktel Kft. 1998-2018