Bài giảng Kỹ thuật chiếu sáng - Chương 1: Những kiến thức chung về KTCS

KỸ THUẬT CHIẾU SÁNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG ĐƠ THỊ VŨ VIỆT HƯNG Email: vvhung@utc2.edu.vn Phone: 0918-635-017 CHIẾU SÁNG ĐƠ THỊ CHIẾU SÁNG TỰ NHIÊN CHIẾU SÁNG NHÂN TẠO CHIẾU SÁNG TRONG NHÀ CHIẾU SÁNG NGỒI NHÀ Tịa nhà Landmark 81 A Brief History of Lighting Design MỤC ĐÍCH & LỢI ÍCH CỦA CHIẾU SÁNG 8 9 C1: Những kiến thức chung về KTCS 1.1 Khái niệm về ánh sáng 1.1.1 Bản chất 1.1.2 Các đại lượng đo cơ bản 1.2 Độ nhìn và các nhân tố ảnh hưởng 1.2.1 Mắt người và sự cảm thụ as 1.2.2 Các nhân tố ảnh hưởng đến độ nhìn 1.2.3 As màu Ánh sáng là gì? Người• bình thường: “Ánh sáng là ánh sáng” Euclid • (~300 BC, Hy Lạp): As truyền theo các đường thẳng và phản xạ. Mắt người phát ra các tia cho cảm giác sáng Ibn Al• -Haytham (1020 A.D., Ả Rập): Tách riêng biệt As và sự nhìn; as là một vật liệu tạo ra bởi 1 nguồn sáng (lửa, mặt trời). As phản xạ từ vật thể đến mắt người tạo ra sự nhìn thấy Ánh sáng là gì? (tt) Christiaan Huygens • (~1670s, Hà Lan): “Ánh sáng là các sĩng” Isaac Newton • (~1700s, Anh): “As là các hạt” Ánh sáng là gì? (tt) Thomas Young • (1801, Anh): “Ánh sáng là các sĩng” James Clerk Maxwell • (1873, Anh): giải thích sĩng điện từ Ánh sáng là gì? (tt) Max Planck • (1900, Đức): thuyết lượng tử Albert Einstein • (1905, Đức): photon “Ánh sáng là các sĩng và hạt” 1.1 Khái niệm về as 1.1.1 Bản chất Bức- xạ điện từ 2 - bản chất của BXĐT Bản chất sĩng Bản chất hạt 1.1.1 Bản chất của AS (tt): - Phạm vi thay đổi của bước sĩng - Thế nào là as? + As đơn sắc + Phổ as liên tục → As trắng Ánh sáng chỉ là một phần của rất nhiều loại sĩng điện từ bay trong khơng gian (Source: anhsangmau.pdf-Ho Thi Than) AS LÀ MỘT DẠNG CỦA BỨC XẠ ĐIỆN TỪ VÙNG NHÌN THẤY 1.1 Khái niệm về as 1.1.2 Các đại lượng đo cơ bản 1) Gĩc khối 2) Quang thơng 3) Cường độ sáng 4) Độ rọi 5) Độ chĩi 6) Nhiệt độ màu 7) Chỉ số truyền đạt màu (CRI-Color Rendering Index) hoặc độ hồn màu 1.1.2 Các đại lượng đo cơ bản GĨC KHỐI NHÌN ĐƯỜNG CONG (L) TỪ ĐỈNH O 1) Gĩc khối Ω = ω Ω = w 23 • Gĩc khối cĩ giá trị lớn nhất khi tâm điểm nhìn tồn bộ mặt cầu: TỔNG QUÁT: 1.1.2 Các đại lượng đo cơ bản 2) Quang thơng Theo HCSQT, QT là tác động của bức xạ lên mắt cĩ độ nhạy phổ được tiêu ✓ chuẩn hố bằng hàm hiệu quả as phổ tương đối (V(λ)) Đơn vị: lumen (lm) Nguồn sáng → Năng lượng bức xạ:   ][;)( WdW   = ][;)()( lmdVWK  Cùng ✓ 1 năng lượng → Bước sĩng ≠ → Hiệu ứng ≠ (cảm nhận mắt người ≠) ✓ Năng lượng này không đặc trưng cho cảm giác về cường độ sáng mà chùm bức xạ gây ra trên mắt người W 1.1.2 Các đại lượng đo cơ bản 2) Quang thơng QT là lượng as do nguồn sáng phát ra 1 lumen là QT của 1 nguồn sáng điểm cĩ cường độ as 1 Candela phát ra trong 1 đơn vị gĩc khối (1Sr) 1 lumen là QT của 1 nguồn sáng phát ra trên một đơn vị vuơng của bề mặt hình cầu QT là đại lượng trắc quang cho biết cơng suất bức xạ của chùm AS phát ra từ 1 nguồn sáng điểm → thể hiện khả năng phát sáng của 1 bĩng đèn 555nm là bước sĩng cĩ khả năng gây cảm giác thị giác tốt nhất QT là lượng as do nguồn sáng phát ra Nguồn: 2009-ref-manual-lighting.pdf Một lumen bằng 1/683 của 1 Watt năng lượng bức xạ tại 555 nm LIGHT The part of the electromagnetic - spectrum that can be perceived by the eye. - region of visible light extends from 380 to 760 nanometers 1.1.2 Các đại lượng đo cơ bản 3) Cường độ sáng Cường độ as theo hướng x = tỷ số QT phát ra trong 1 đơn vị gĩc khối theo hướng x (hướng xác định) → Cường độ sáng I là đại lượng đặc trưng cho khả năng phát sáng của nguồn điểm trên từng phương. 32 Cường độ ánh sáng Ký hiệu: I; Đơn vị: • Candela (cd) Mật độ khơng gian của quang thơng do nguồn • sáng phát ra theo một hướng (S là DT mặt cầu, tâm O, bk là R) Nếu coi như quang thông phân bố đều trong toàn góc khối: Candela là cường độ sáng theo 1 phương đã cho của nguồn phát bức xạ đơn sắc cĩ tần số f=540Hz (x1012)(𝞴=555nm) và cường độ năng lượng theo phương này là 1/683 W/Sr 1 cd = 1 lm/ 1steradian 1.1.2 Các đại lượng đo cơ bản 4) Độ rọi Độ sáng trên bề mặt được CS Đơn vị: lux (lx); 1lux=1lm/m2 Mật độ QT trên bề mặt được chiếu sáng (hay số lumen trên 1 ĐV diện tích) ``` A lux meter for measuring illuminances Khi• tính tốn thiết kế CS trong nhà cần yêu cầu về độ rọi theo Tiêu chuẩn nhà nước. (Nguồn: Artificial lighting.pdf) ϴ = α 40 Độ rọi E (lx hoặc lux) Mật độ phân bố quang thơng trên bề mặt • chiếu sang: 41 → Độ rọi tỷ lệ với cường độ sáng (I) và tỷ lệ nghịch với khoảng cách đến bề mặt chiếu sáng (R) Định luật tỷ lệ nghịch với bình phương → xác định quan hệ giữa cường độ sáng từ 1 điểm nguồn và khoảng cách. cường độ ánh sáng trên mỗi đơn vị diện tích tỷ lệ nghịch với bình phương của khoảng cách tính từ nguồn (về bản chất là bán kính). E = I / d2 Trong đĩ E = độ chiếu sáng (độ rọi), I = cường độ sáng và d = khoảng cách Một cách viết khác: E1 d1² = E2 d2² Khoảng cách được đo từ điểm kiểm tra đến bề mặt phát sáng đầu tiên – dây tĩc của bĩng đèn trong, hoặc vỏ thủy tinh của bĩng đèn mờ. Ví dụ: Nếu đo cường độ sáng của một bĩng đèn tại khoảng cách 1,0 mét được 10,0 lm/m² thì mật độ thơng lượng tại điểm chính giữa của khoảng cách đĩ sẽ là bao nhiêu? Lời giải: E1m = (d2 / d1)² * E2 = (1.0 / 0.5)² * 10.0 = 40 lm/m² 47 Kiểm tra độ rọi 48 Nguồn sáng đường• 49 Tại điểm Q trên bề mặt làm việc cách điểm P một khoảng l:• 50 Điểm P tại một số vị trí đặc biệt• 51 Quang thơng (Φ) và cường độ sáng (I): Đơn✓ vị quốc tế của cường độ sáng I là Candela (cd). ✓ 1 lumen bằng QT chiếu sáng trên mỗi m2 của 1 hình cầu cĩ bán kính 1m khi 1 nguồn ánh sáng đẳng hướng 1 Candela (nguồn phát ra bức xạ đều nhau tại mọi hướng) cĩ vị trí tại tâm của hình cầu. Do diện tích của hình cầu cĩ bán kính r là 4πr2, một hình cầu cĩ bán kính là 1m cĩ diện tích là 4π (m2 ) → tổng quang thơng do nguồn 1cd phát ra là 4π (lm). Vì vậy QT do 1 nguồn ánh sáng đẳng hướng cĩ cường độ I sẽ được tính theo cơng thức: Quang thơng (lm) = 4π × cường độ sáng(Cd) Sự khác nhau giữa lux và lumen là lux phụ thuộc vào diện tích mà quang thơng trải ra. 1000❑ lumen, tập trung tại một diện tích 1m2, chiếu sáng diện tích đĩ với độ chiếu sáng là 1000 lux. Cũng❑ 1000 lumen chiếu sáng trên diện tích 10m2 sẽ tạo ra độ chiếu sáng mờ hơn, chỉ cĩ 100 lux. 1.1.2 Các đại lượng đo cơ bản 5) Độ chĩi Đơn vị: cd/m2 Thể hiện mật độ phân bố cường độ sáng phát ra từ 1 đơn vị diện tích của bề mặt đĩ theo 1 hướng xác định đến 1 người quan sát Đặc trưng cho khả năng bức xạ ÂS của nguồn hoặc bề mặt phản xạ gây nên cảm giác chĩi sang với mắt 1 cd/m2 là độ chĩi của 1 mp phát sáng đều cĩ diện tích 1m2 và cĩ cường độ sáng 1Cd theo phương vuơng gĩc với nguồn đĩ 5) Độ chĩi - Độ chĩi L của 1 bề mặt phát sáng dS theo 1 hướng khảo sát = cường độ sáng dI theo hướng đĩ / diện tích mặt bao nhìn thấy dS từ hướng đĩ   cosdS dI L = - Độ chĩi phụ thuộc: + Tính chất phản quang của bề mặt (VD bĩng đèn trong vs mờ) + Hướng quan sát (VD nhìn đèn pha xe máy: trực tiếp và các gĩc nghiêng khác nhau) - Vai trị độ chĩi trong thiết kế chiếu sáng: + Cơ sở khái niệm về tri giác và tiện nghi nhìn + Tiêu chuẩn đầu tiên (độ chĩi trung bình của mặt đường) đánh giá chất lượng của CS đường phố Trong thiết kế CS đường phố, mặt tiền nhà,căn cứ vào yêu cầu ĐỘ CHĨI Nếu nguồn sáng có độ chói L không phụ thuộc theo phương (L= const) thì được gọi là nguồn Lămber. (J. Lambert là nhà toán hoc người Đức 1728-1777). Chỉ có ❑ vật đen tuyệt đối và những vật khuếch tán AS đều theo mọi phương mới là những nguồn Lămber. Nhưng trong thực tế, các bóng đèn ❑ phủ magié oxyt hay chụp thủy tinh màu trắng sữa có thể coi gần đúng là những nguồn Lămber. L = .E /  L = .E /  Luminous Flux• • “The outward flow of luminous energy from a light source in all directions per unit of time.” Gross total quantity of light given off by a source regardless of the direction. It is measured in lumens. Symbol: Φ• Luminous Intensity• The directional force causing • “luminous flux to be emitted from a source” in a given direction. It is measured in candelas. Symbol: I Illuminance• The • “density of luminous flux” received by a surface is illuminance. It is measured in lux (lumens per square meter) or fc (lumens per square foot) Symbol: E• Luminance• The intensity of light that is received by the eye of an • observer. This is dependent upon the direction. It is measured in candelas per square feet or candelas per square meters. Symbol: L References 1. Joseph B. Murdoch, Lighting Metrics TM-1-99, (New York: Illuminating Engineering Society of North America, 2001). PHẢN ÁNH CHẤT LƯỢNG CS PHẢN ÁNH SỐ LƯỢNG CS ĐỘ RỌI ĐỘ CHĨI 1.1.2 Các đại lượng đo cơ bản 6) Nhiệt độ màu Nhiệt độ màu của 1 nguồn sáng được thể hiện theo thang Kelvin (K) là biểu hiện màu sắc của as do nĩ phát ra. Nguồn sáng ấm, trung tính, lạnh (mát) VD: nung 1 thanh sắt Theo Hiệp hội kỹ thuật CS bắc Mỹ (IESNA), nhiệt độ màu là nhiệt độ tuyệt đối của một vật bức xạ đen cĩ phổ bức xạ giống như phổ của nguồn sáng. Color Temperature (basics of light.pdf) Một chất bắt đầu phát ra ánh sáng đỏ ở • 1000 độ K, trở nên trắng ở 5000°K và chuyển sang xanh ở nhiệt độ cao hơn. 6) Nhiệt độ màu Biểu đồ Kruithof (1941) cho phép lựa chọn màu sắc nguồn sáng trắng theo độ rọi đã cho trong mơi trường tiện nghi. Khi thiết kế chiếu sáng, cần phải chọn nhiệt độ màu của nguồn sáng phù hợp với đặc điểm tâm-sinh lý người. Bảng tác động tâm lý của màu sắc lên con người 1.1.2 Các đại lượng đo cơ bản 7) Chỉ số truyền đạt màu (độ hồn màu) (1965) CRI của 1 nguồn sáng (bĩng đèn) là chỉ số thể hiện mức độ tương đương giữa sự nhận biết bằng mắt vật được chiếu sáng bằng nguồn sáng chuẩn và nguồn sáng thử trong những điều kiện quan sát nhất định. CRI (%) → AS ban ngày: CRI = 100% Màu sắc của các vật thể bị biến đổi dưới các as khác nhau. • Là đại lượng đánh giá mức độ trung thực về màu sắc của khơng gian và vật thể được cs dưới as của bĩng đèn so với as tự nhiên của mặt trời. Việc cho rằng nhiệt độ màu và độ hồn màu đều cùng mơ tả những đặc tính giống nhau của đèn là một quan niệm sai lầm. Cần nhắc lại rằng nhiệt độ màu mơ tả sự biểu hiện màu sắc của nguồn ánh sáng và ánh sáng được phát ra từ đĩ. Độ hồn màu mơ tả mức độ chính xác mà ánh sáng biểu hiện màu trên các vật thể. ThÞ gi¸c Đ¹i lưỵng tr¾c quang Sự nhìn quang th«ng F [lm] cường ®é s¸ng I [cd] đé räi E [lux] đé chãi L [cd/m²] SỰ NHÌN ??? 1.2 Độ nhìn và các nhân tố ảnh hưởng 1.2.1 Mắt người và sự cảm thụ as 1) Cấu tạo mắt người Sự nhìn? (kích thích quang học - → tín hiệu điện) Các bộ phận chính- Cơ chế hoạt động của mắt- Chúng ta cảm nhận được màu sắc nhờ ánh sáng phản chiếu từ vật thể và đi đến mắt của chúng ta. (Source: anhsangmau.pdf-Ho Thi Than) 1.2.1 Mắt người và sự cảm thụ as 2) Thị giác ban ngày & thị giác hồng hơn - Cảm giác sáng - 2 loại tế bào trên võng mạc + Tế bào hữu sắc (tế bào nĩn): liên quan khả năng cảm nhận màu sắc (L ≥ 3-5 Cd/m2) + Tế bào vơ sắc (tế bào gậy hay que): liên quan đến khả năng phân biệt độ sáng tối (L ≤ 0.005-0.01 Cd/m2) - Thị giác ban ngày (E≥10lx) - Thị giác hồng hơn (E≤0.01lx) - Quá trình thích nghi khi E thay đổi 1.2.1 Mắt người và sự cảm thụ as 3) Cực cận và cực viễn của mắt - Khi quan sát vật: thủy tinh thể tự động điều chỉnh độ cong - Khả năng điều chỉnh của mắt cĩ giới hạn + Cực cận: kc min mà ảnh của vật cần nhìn nằm ngay trên võng mạc + Cực viễn: vơ cùng 1.2.2 Các nhân tố ah đến độ nhìn 1) Gĩc nhìn và năng suất phân ly - Gĩc nhìn: gĩc tạo bởi 2 đt nối điểm đầu và điểm chân của vật quan sát đến quang tâm của mắt - Gĩc nhìn nhỏ nhất đủ để mắt nhìn thấy vật quan sát = năng suất phân ly = gĩc nhìn cực tiểu giới hạn 1.2.2 Các nhân tố ah đến độ nhìn 2) Độ tương phản VD: đặt tờ giấy trắng trên 2 mặt bàn cĩ màu khác nhau: đen và trắng b b L LL C − = 0 Độ tương phản phụ thuộc: + Độ chĩi của nền + Kích thước vật + Màu sắc vật C≥0.1: mắt cĩ thể phân biệt được vật đặt trên nền 1.2.2 Các nhân tố ah đến độ nhìn 3) Khoảng cách vật quan sát đến mắt Khoảng cách đến mắt khác nhau → khả năng phân biệt màu sắt, chi tiết khác nhau: do tính chất khơng trong suốt của khơng khí. 1.2.2 Các nhân tố ah đến độ nhìn 4) Thời gian quan sát - Đủ thời gian cho mắt thích nghi với ánh sáng trên vật và bối cảnh. - Quá trình thích nghi phụ thuộc vào cường độ as của 2 mơi trường chuyển tiếp + Quá trình thích nghi tối + Quá trình thích nghi sáng Age Effects ??? Age Effects Độ tuổi: • 20-30 (hầu hết các các Tiêu chuẩn) Age Effects (cont) 1.2.2 Các nhân tố ah đến độ nhìn 5) Hiện tượng chĩi lố - Sự suy giảm khả năng nhìn (do nhiễu) hay làm mất hồn tồn khả năng nhìn (do mất tiện nghi nhìn) 1.2.2 Các nhân tố ah đến độ nhìn 5) Hiện tượng chĩi lố (tt) + Độ chĩi min mắt nhìn thấy: L=0.01 Cd/m2 + Phân biệt được màu sắc: L≥3Cd/m2 + Độ chĩi bắt đầu gây lĩa: L=5.000 Cd/m2 1.2 Độ nhìn và các nhân tố ảnh hưởng 1.2.3 As màu 1) Tính 3 biến của thị giác + Độ chĩi của as + Độ hiện màu + Độ thuần khiết của as trắng Chất lượng as cĩ thể đặc trưng bằng 3 thơng số: Chất lượng as = sự thụ cảm tâm sinh lý của mắt người quan sát đối với màu sắc của as Đặc trưng đặc điểm sinh lý của mắt khi cảm nhận as (Source: anhsangmau.pdf-Ho Thi Than) 2) Tính 3 màu của as trong cảm nhận thị giác Trong mắt người có 4 loại tế bào cảm thụ màu của ánh sáng: + Loại trội với màu đỏ + Loại trội với màu xanh lá + Loại trội với màu xanh da trời + Loại nhạy cảm với cả 3 màu → cho cảm giác về độ chói của màu → Khi 3 loại tế bào cảm quang trên phản ứng không đều sẽ cho ta cảm giác màu có sắc, còn khi phản ứng của chúng đều nhau sẽ cho ta cảm giác màu vô sắc. (Source: anhsangmau.pdf-Ho Thi Than) 2) Tính 3 màu của as trong cảm nhận thị giác Nếu❖ chọn được 3 màu cơ bản (sao cho 2 trong 3 màu đó có bước sóng ở 2 đầu của phổ nhìn thấy) thì khi hỗn hợp 3 màu với liều lượng hợp lý sẽ cho mắt cảm nhận được tất cả các màu sắc. Vd: AS màu xanh da trời ( = 436 nm) AS màu vàng ( = 580 nm) AS màu xanh lá ( = 546 nm) Năm 1931, Ủy hội chiếu sáng quốc tế (C.I.E) xác định 3 màu cơ bản: Màu đỏ (Red) – R ( = 700 nm) Ø Màu xanh lá (Green) – G ( = 546 nm) Ø Màu xanh da trời (Blue) – B ( = 436 nm) Nếu❖ đặt 2 màu liền nhau trên nền trắng, mắt sẽ thấy hỗn hợp: 2 màu đơn sắc và 1 hỗn hợp màu có bước sóng trung gian giữa 2 màu đơn sắc đó. (Source: anhsangmau.pdf-Ho Thi Than)