Цветовая температура для человека

Содержание:

• Физическое обоснование ЦТ
• Диапазоны цветовой температуры искусственных ИС
• Психология восприятия освещения
  • Парадоксы внутри нас
  • Ассоциации и эмоции
• Выбор светового оборудования по значению
  • Температура света в функциональном освещении
  • Температура света и задачи дизайна
  • ЦТ специальных сточников света
• Роль Тс и других параметров при техническом нормировании освещения
• Способы измерения и контроля цветовой температуры

Наряду с освещенностью (Ev) цветовая температура (Tc) выступает важнейшим параметром функционального освещения. От ее значений зависит эмоциональное восприятие объектов, пространств, эффективность труда, а также процессы вегетации у растений.

Немного физики

Излучение, исходящее от физического тела, может состоять из 3 потоков фотонов:

• отраженных — чем глаже поверхность, тем сильнее она отражает. Разные вещества отражают избирательно (лучи одних цветов поглощаются. других — отражаются). Избирательное отражение объясняет смысл использования красителей;
• преломленных — характеристика прозрачных и полупрозрачных сред, сквозь которые лучи проходят, отклоняясь под определенным углом;
• излучаемых — зависит от интенсивности нагрева вещества.

Характеристики излучения определяются только тепловой энергией тела независимо от вида вещества. Каждой температуре объекта соответствуют потоки фотонов с определенной длиной волны, воспринимаемые глазом (и интерпретируемые мозгом) человека как имеющие фиксированный цвет. Поэтому цветовой температурой называют цвет излучаемого света, выраженный в значениях температурной шкалы по Кельвину.

Градус в этой шкале обозначают буквой К. По размерности он равен градусу Цельсия. Разница только в нулевой отметке. Ноль по Кельвину — тот самый «абсолютный ноль», при котором элементарные частицы вещества неподвижны, а тело ничего не излучает. 0 К соответствует -273,15 °C.

Цветовая температура равна реальной мере нагрева только у так называемых «абсолютно черных тел» (АЧТ). Это абстрактные объекты, служащие моделями в теоретической физике, которые излучают, но ничего не отражают и не преломляют.

Рис. 1. Абсолютно черное тело излучает свет в видимом спектре исключительно в результате нагрева

Ряд веществ в некоторых температурных диапазонах ведут себя как АЧТ. Например, у расплавленного железа, нагретого до 2000 К, Tc = 2000 К. А вот у газового пламени разница очень существенная: Tc = 9000 К при реальной Т = 1200 К. Так получается, потому что пламя не только излучает, но преломляет и отражает проходящий сквозь него «чужой» и собственный излучаемый свет. Еще одна причина расхождения —спектральное смещение, но рассмотрение этого понятия выходит за рамки темы.

Рис. 2. Расплавленная сталь излучает свет как АЧТ, а Tc газового пламени (9000 К) намного больше его реальной температуры (1200 К)

В маркировку ламп, которые мы применяем в качестве источников света (ИС), в обязательном порядке входит значение цветовой температуры в Кельвинах. В ряде случаев необходимо переводить эту характеристику в длину световой волны или наоборот. Связь двух величин выражается приближенной формулой:

 λm · Tc ≈ 3000 мкм · К.

Диапазоны Тс искусственных ИС

Как естественные (солнце, открытое пламя, раскаленный металл), так и большинство искусственных ИС излучают спектр в широком диапазоне длин волн. Значит, величина Tc для каждого из них является усредненной результирующей. Пример: если бы лампа с маркировкой «9000 К» генерировала свет только этой цветовой температуры, все предметы и поверхности в комнате казались бы окрашенными в голубой гамме. Но так не происходит, просто источник 9000 К добавляет голубой оттенок всей освещаемой сцене. 

Условно лампы делятся на 3 категории по спектру излучения:

• теплые — 2000… 4000 К;
• нейтральные — 4000… 6000 К;
• холодные — 6000… 25000 К.

Психология восприятия освещения

С ростом Tc спектр излучения меняется от красных тонов к оранжевым, желтым, зеленым, голубым, синим, наконец, фиолетовым. Этот порядок соответствует очередности цветов на спектральном круге и росту энергии фотонов от инфракрасной до ультрафиолетовой частей спектра.

Рис. 3. Спектральный круг Иттена

Парадоксы внутри нас

Однако, люди ассоциируют связь цвета и энергии прямо противоположным образом: красные, оранжевые, желтые тона мы воспринимаем как «теплые», а бирюзовые, голубые, синие, фиолетовые — как «холодные». Ведь солнце и пламя — привычное для землян тепло, а голубизна неба или кусочка льда — такие же привычные свежесть или прохлада.

Еще один важный момент расхождения физики и психологии касается белого цвета. На шкале Tc точка белого располагается на отметке около 5500 К, что соответствует отраженному солнечному свету в полдень. Но солнце излучает весь спектр. 5500 К — лишь усредненная результирующая, а белым нам кажется тон, соответствующий спектральному равновесию. Наглядно разложение белого на отдельные составляющие демонстрирует радуга и, к примеру, культовая обложка диска к альбому «The Dark Side Of The Moon» Pink Floyd.

Рис. 4. Разложение белого света в спектр на обложке альбома  «The Dark Side Of The Moon» Pink Floyd.

Прямо сейчас, когда вы смотрите на монитор или дисплей смартфона, каждый белый пиксель — результат одновременного свечения 3 его компонентов (красного, зеленого, голубого).

Любая лампа с цветовой температурой, отличающейся от 5500 К, придает хроматический оттенок видимым поверхностям. Более заметно — при значениях, выходящих за пределы диапазона т.н. нейтрального белого света (4000… 6000 К). Однако, из-за того, что мы привыкли желтоватый свет пламени и лампочек накаливания воспринимать как «обычный, естественный», то даже свечение люминесцентных и светодиодных источников света 4000… 5000 К нам кажется холодным. Такие отечественные изделия маркируются как источники «холодного белого цвета», а указания на «теплый белый» встречаются при Tc = 2500… 3000 К.

Рис. 5. Теплый, нейтральный и холодный белый свет

Ассоциации и эмоции

Свет и цвет оказывают мощное воздействие на формирование психофизиологического статуса организма человека. Клинические наблюдения позволяют дать цветам следующие характеристики:

• красный — возбуждающий, активизирует все функции организма, на короткое время увеличивает мускульное напряжение, повышает кровяное давление, ускоряет ритм дыхания;
• желтый — тонизирующий, увеличивающий мышечную активность, стимулирующий деятельность ЦНС;
• зеленый, синий — успокаивают, снимают напряжение, помогают сконцентрировать внимание при длительном интеллектуальном труде и физической работе высокой точности. Однако, избыток холодных тонов (в т.ч. пурпурной гаммы — лилового, фиолетового) может способствовать росту депрессивных настроений.

Рис. 6. Холодное освещение переговорного пространства в офисе

Казалось бы, стена, окрашенная в красный, должна восприниматься как «теплая». Но достаточно осветить ее источником с излучением 6400 К, чтобы она приобрела холодный фиолетовый оттенок. Конечно же, в списке приведены лишь стереотипные ассоциации. Они в значительной степени зависят от культурных предпочтений, а любимые детские цвета отличаются от «взрослых». Тем не менее, подсознательное влияние температуры света на психику не зависит от возраста и особенностей личности.

Выбор светового оборудования по значению Тс

Функциональный подход к определению необходимой температуры света отличается от дизайнерских и специальных задач. В первом случае мы учитываем требования технических стандартов и опыт, накопленный в медицине, на производстве, в дизайне, архитектуре. Во втором — опираемся на эстетические предпочтения и логику декоративных решений. В третьем — выполняем проектные требования.

Температура света в функциональном освещении

2 основных вида функционального освещения — общее и местное. В зависимости от назначения помещения/зоны/объекта/ рекомендуется использовать оборудование со значениями Tc в диапазоне 2400… 7000 К.

Цветовая температура светодиодных ламп может соответствовать любому, обозначенному в таблице диапазону. Поэтому актуальный выбор между LED и ИС другого типа будет зависеть не от Tc, но от других технических, либо экономических параметров.

Рис. 7. Лампы Эдисона — одно из немногих направлений, где светодиоды пока проигрывают

Температура света и задачи дизайна

С помощью выбора ламп определенной спектральной характеристики дизайнер может:

• подчеркнуть достоинства и смягчить недостатки помещения — например, ядовито зеленые стены станут нежно-салатными, если залить их оранжевым (2200 К) потоком; вульгарный кричащий красный смягчится от подсветки обычным желтым (3200 К); комната прибавит в габаритах, если подчеркнуть вертикали и горизонтали голубыми (7000 К) софитами;
• сформировать особую эмоциональную атмосферу — лампы Эдисона (2000 К) помогут подчеркнуть интимность, уют бара, кафе, лаунж-зоны; холодная голубоватая подсветка добавит романтизма и пафоса залу античной скульптуры в музее; UV светильники (7000… 9000 К) в ночном клубе подчеркнут графичность поз танцующих, придадут фигурам инопланетной загадочности;
• эффектно передать цветовые особенности товара на витрине магазина, поместив — мясо — под ИС 2800… 3500 К; рыбу — под металогалогенные или светодиодные лампы с цветовой температурой 4000… 6500 К; ювелирные украшения — под освещение 5500… 6500 К; мебель — под теплые светильники, а шторы и текстиль — под холодные белые.

Tc специальных ИС

Для выполнения отдельных технологических задач предусмотрено использование ИС с узким диапазоном световых волн. В установках обеззараживания воды и светильниках для дезинфекции воздуха стоят бактерицидные лампы с температурой света 12000 К и более. Источники 10000… 15000 К используют также для отверждения композитных клеев и конструкционных композитов в инжиниринге, стоматологии.

Рис. 8. Дезинфекция вагонов метро бактерицидными UV лампами

В растениеводстве применяют натриевые, металогалогенные и светодиодные источники узкого спектра. Необходимые значения их световой температуры зависят от стадии вегетации растений.

Роль Тс и других параметров при техническом нормировании освещения

При проектировании зданий и сооружений инженеры используют данные по нормированию параметров освещения из СНиП 23-05-95. Документ устанавливает правила выбора по следующим характеристикам (в порядке убывания значимости):

• освещенность (Ev), лк = лм/м2 — главный параметр в списке;
• цветовая температура (Tc), К или длина волны (λm), нм;
• индекс цветопередачи (ИЦ, CRI или Ra), %;
• Коэффициент пульсации, (Кп), %;
• наибольшая допустимая яркость (Lmax), кд/м2;
• Равномерность освещенности;
• Удельная установленная мощность (Nуд), Вт/м2.

Определяющая функциональную достаточность освещения, освещенность точки пространства зависит от мощности и КПД ИС, геометрии помещения и высот расположения светильников и контрольной поверхности.  Освещенность связана нелинейной зависимостью с Tc.

При малой Ev люди хуже видят красный, лучше — синий. Справедливо и обратное утверждение: чем выше Ev, тем лучше различаются оттенки красного и хуже — синего. Этот эффект отражен на графике визуального комфорта Круитхофа.

Рис. 9 Поле оптимизации Круитхофа

Благодаря кривым Круитхофа мы получаем возможность оптимизировать освещение равной степени комфортности, используя разные типы ламп.

Индекс цветопередачи характеризует способность истлчника света передавать естественные тона освещаемого объекта в сравнении с условным идеалом — отраженным полуденным солнцем (5500 К). Самые высокие индексы IRC демонстрируют лампы накаливания (до 98 %), а также металогалогенные и светодиодные ИС (до 95 %).

Остальные параметры нормирования напрямую не связаны с цветовой температурой.

Освещение отдельных типов объектов и систем может нормироваться отраслевыми техническими стандартами. Например, для автомобильных дорог в РФ действует ОДМ 218.8.006-2016.

Способы контроля Тс

Существуют профессиональные и неточные, но научно-обоснованные способы, которыми может быть измерена цветовая температура отдельной лампы или помещения:

• с помощью фотометрии/гониометрии — нужна специальная камера (около 2 м в диаметре) плюс еще несколько дорогостоящих устройств и команда инженеров, чтобы правильно выполнить замеры и произвести вычисления. Подходит для заводов, научных лабораторий;
• Посредством спектрометрии — уже не так громоздко, как при гониометрии, нужен только люксспектрометр. Однако, это дорогой (около $2000) и довольно редкий прибор, поэтому арендовать его не получится. Есть любительские версии спектрометров, но и точность у них «любительская».
• С помощью фотокамеры или смартфона — выбираете баланс белого и делаете пробный снимок. Если фото по оттенку совпадает с реальностью, значит Tc, выставленная при выборе ББ, соответствует свету вашего объекта или пространства.

Последний способ — самый неточный, потому что приемлемого качества измерений можно добиться, только если предварительно откалибровать камеру по специальной карте (а любителю это не по плечу) плюс обладать особым сравнительным глазомером.

Рис. 10. Одна из страниц светотехнического расчета на базе проведенной спектрометрии помещения

Однако, расстраиваться нет причин. Если вы хотите выполнить проект новой системы освещения или модернизации старой, то одной спектрометрией не обойтись: нужно фиксировать и рассчитывать все технические параметры освещения. Целесообразней обратиться в специализированную проектную организацию.

Инженеры нашей компании оперативно прибудут на объект с необходимой аппаратурой и, после замеров выполнят 3D проект системы освещения с соблюдением всех технических норм и стандартов. При этом не забудут и об экономической оптимизации, чтобы вам после не приходилось переплачивать за электричество и текущее обслуживание.

Если же вы хотите очень приблизительно, но быстро оценить общую картину, не связывайтесь с балансом белого. Примерно с той же точностью можно на глаз провести сравнительный анализ по таблице образцов цветовых температур. Поместите фактурный белый предмет на лист белой бумаги, согнутой на 90 градусов и положите этот реальный образец в тестируемую точку пространства. Однако, сравнивая изображение с табличной ракушкой, вам придется ориентироваться не на освещенность объекта, а на уровень его визуальной теплоты.

Список использованной литературы:

• Вавилов С. И. Глаз и солнце — Москва: Litres, 2017. — 88 c.
• Домасев М.В. , Гнатюк С. П. Цвет, управление цветом, цветовые расчеты и измерения — Санкт-Петербурга:Питер, 2009. — 223 c.
• Килпатрик. Д. Свет и освещение — Москва: Мир, 1988. — 128 с.
• Косс Жан-Габриель. Цвет. Четвертое измерение — Москва: Синдбад, 2018. — 160 с.
• Естественное и искусственное освещение. СНиП 23-05-2010 (утвержден Приказом Минрегиона РФ от 2011) — Москва, 2010 — 76 с.