A SZÍNEKRŐL IV. RÉSZ A műszeres színmérés Dr Wenzel Klára egyetemi magántanár Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Budapest, 2011
A színmérő műszerek típusai • A mérési elv szerint – Vízuális színmérő műszerek – Tristimulusos színmérő műszerek – Spektrofotométeres színmérő műszerek • A mérendő szín szerint: – Színes felületek színének mérése (reflexiós színmérő műszerek) – Színes, átlátszó közegek (színes folyadékok, színszűrők, színes szemüvegek) színének mérése (Transzmissziós színmérő műszerek) – Színes fények színének mérése (spektroradiométerek)
Az elektromágnenes spektrum
Folytonos és vonalas spektrum
Az elektromágnenes spektrum
Spektrális optikai mennyiségek (MSz 9620) sugárzott teljesítmény: a sugárzás formájában kibocsátott, átvitt vagy felfogott teljesítmény ( e,watt) A Qe sugárzott energia: a sugárzás formájában kibocsátott, átvitt vagy felfogott energia (Qe, joule) Összefüggés e és Qe között: d e = d Qe / dt A sugárzott mennyiség e spektrális sűrűsége: Egy megadott hullámhosszat tartalmazó elemi sávba eső rész és a sáv szélességének hányadosa a fény hullámhossza e( ) = d e / d , ahol A e ( ) spektrális eloszlás: A sugárzást jellemző mennyiség spektrális sűrűség értékei a hullámhossz függvényében Egyenlő energiájú színkép: Minden hullámhosszon azonos a spektrális sűrűség A
e
A fekete sugárzó (Planck sugárzó; fekete test) Hőmérsékleti sugárzó, amely minden ráeső sugárzást teljesen elnyel, függetlenül a sugárzás hullámhosszától,beesésének irányától vagy polarizációs állapotától.
Megvalósítása: gondosan hőszigetelt, fekete belső felületű platina cső, indukciós fűtéssel
A fekete test megvalósítása (National Physical Laboratory, Paris) a, b c, d e f h,i j k D P L K
védőburkolat thorium tégely vízhűtés thorium tömb thorium zúzalék platina őrlemény sugárzó thorium-cső, 2.5x45 mm blende rendszer optikai prizma leképező objektív blende
A Planck-sugárzó (MSz 9620)
A Planck-törvény:
M e, ( ,T) = c1 ahol
-5
[exp (c2 / T) - 1] -1
a hullámhossz T a hőmérséklet, K fok c = 3,74150 * 10 -16 W*m2 1 c = 1,43879 * 10 -2 m*K 2
A színhőmérséklet A színhőmérséklet A fekete sugárzó azon hőmérséklete, amelyen sugárzásának színessége azonos a jellemzett sugárzás színességével. (Figyelem! Csak folyamatos, a fekete sugárzóéhoz hasonló spektrumú sugárzó jellemezhető a színhőmérséklettel!)
Korrelált színhőmérséklet A fekete sugárzó azon hőmérséklete, amelynek színpontja a CIE színezeti háromszögben legközelebb található a jellemzendő sugárzás színpontjához.
A színhőmérséklet Ha az adott sugárzó színpontja a Planck sugárzó vonalára esik, a színhőmérsékletet a Planck sugárzó vonalán feltűntetett hőmérséklettel jellemezzük Mértékegysége: K (Kelvin)
A korrelált színhőmérséklet Ha az adott sugárzó színpontja nem a Planck sugárzó vonalára esik, akkor a Planck sugárzó vonaláig a megfelelő korrelációs egyenesen haladunk, és ahol a korrelációs egyenes metszi a Planck sugárzó vonalát, ott olvassuk le a korrelált színhőmérséklet értékét.
A szabványos CIE sugárzáseloszlások CIE A A 2855,6 Ko hőmérsékletű fekete sugárzó megfelelője CIE B A 4874 korrelált színhőmérsékletű közvetlen napfény megfelelője CIE C A 6774 K korrelált színhőmérsékletű nappali fény megfelelője
CIE D65 A 6504 K korrelált színhőmérsékletű nappali fény megfelelője
Energiatakarékos izzó spektrális energiaeloszlása
Spektrális optikai mennyiségek (MSz 9620) visszaverési v. reflexiós tényező: A visszavert ( e) és a beeső ( e0) sugárzott teljesítmények aránya e
e0
A színes felületek ( ) spektrális reflexiója: A reflexiós tényező spektrális sűrűség értékei a hullámhossz függvényében Színes felület: Olyan felület, amelynek spektrális visszaverési tényezője a hullámhossz függvényében változó Ideális fehér felület: Spektrális reflexiója minden hullámhosszon maximális és egyenlő (=1)
Színes felületek spektrális reflexiója
A reflexió (visszaverés) típusa • Tükrös visszaverés • Diffúz visszaverés – A tökéletes diffúz visszaverő felület: a Lambert sugárzó
• Vegyes visszaverés
A reflexió (visszaverés) típusa
Spektrális optikai mennyiségek (MSz 9620) áteresztési v. transzmissziós tényező: Az áteresztett ( e) és a beeső ( e0) sugárzott teljesítmények aránya e
e0
A színes felületek ( ) spektrális transzmissziója: A reflexiós tényező spektrális sűrűség értékei a hullámhossz függvényében Színes szűrő: Olyan szűrő, amelynek spektrális áteresztési tényezője a hullámhossz függvényében változó
áteresztési v. transzmissziós tényező:
áteresztési v. transzmissziós tényező: Az áteresztett ( ) és a beeső ( 0) sugárzott teljesítmények aránya
Fényképészeti színszűrők
A ( ) színinger függvény A ( ) színinger függvényt • a fényforrás színe ( e( ) spektrális teljesítmény eloszlása), • a fényforrás által megvilágított színes felületek színe ( ( ) spektrális reflexiója) és • a fény útjába kerülő színszűrők színe ( ( ) spektrális transzmissziója) együttesen alakítja ki. A ( ) színinger váltja ki a szemben a szín érzetet és végül agyunkban a szín észleletet.
( )=
e(
)* ( )* ( )
A színinger függvény kialakulása
Fénytechnikai alapfogalmak MSz 9620/1-72 Energetikai mennyiségek Fénytechnikai mennyiségek A sugárzott teljesítmény:
e, A fizikai környezetben az elektromágneses sugárzás jellemző mennyiségei Spektrális mennyiségek!
A fényáram:
v Az elektromágneses sugárzás látható része Integrált (nem spektrális) mennyiségek!
Az energetikai és a fénytechnikai mennyiségek közötti összefüggés:
Km= 683 lm / W a maximális spektrális fényhasznosítás 555 nm-en V a spektrális fényhatásfok függvény
A fényhatásfok függvény, V( ) (relatív világossági vagy luminozitási függvény)
Relative luminosity
1,0
V'( )
V( )
0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 300
400
500 600 Wavelength, nm
700
800
V( ) a nappali (fotopikus) fényhatásfok függvény V’( ) az esti (szkotopikus) fényhatásfok függvény
A spektrális fényhatásfok függvény vagy láthatósági függvény (V ,V’ )
Energetikai és fénytechnikai mértékegységek MSz 9620 Felületről kisugárzó mennyiségek
Felületre besugárzott mennyiségek
A fénytechnikai mennyiségek alapja: a fényerősség (MSz 9620) Kandela (Régen: „normálgyertya”) A fényerősség SI egysége: a fekete sugárzó 1/600000 négyzetmétenyi feületének fényerőssége a felületre merőleges irányban, a platina dermedési hőmérsékletén. Jele: cd = 1 lm/ sr
Energetikai és fénytechnikai mértékegységek MSz 9620 Energetikai (radiometriai) mennyiségek (Sugárzó felületek esetén)
Fénytechnikai(fotometriai) mennyiségek (Sugárzó felületek esetén)
Sugárzott energia: J Sugárzott teljesítmény: W Sugársűrűség: W/sr*m2 Pontszerű sugárzó teljesítménye : W/ m2 Pontszerű sugárzó teljesítménye adott irányban: W/sr
Fény energia: Fényáram: Fénysűrűség: Felületi fényáram:
lm *h lm cd/ m2, Stilb Apostilb, Lambert lm/ m2
Fényerősség:
lm/sr = cd
Energetikai és fénytechnikai mértékegységek MSz 9620 Energetikai mennyiségek (Besugárzott felületen)
Fénytechnikai mennyiségek (Besugárzott felületen)
Egy pontba besugárzott teljesítmény: W/ m2 Egy pontba besugárzott energia: J/ m2
Megvilágítás:
lm/ m2 =lx
Megvilágítottság:
lx *sec
A spektrofotométerek
Egy fényutas spektrofotométer optikai vázlata
1 Fényforrás 2 Kondenzor 3 Belépő rés 4 Kollimátor lencse 5 Optikai rács 6 Leképező lencse 7 Kilépő rés 8 Kollimátor 9 Mintatartó 10 Leképező lencse 11 Detektor
A spektrofotométerek fő részei Egyfényutas spektrofotométer vázlata Fényforrás
- Halogén lámpa - Deuterium lámpa - Egyéb
Kondenzor
- Tükrös - Lencsés - Száloptikás
Monokromátor
- Interferencia szûrõs - Prizmás - Optikai rácsos
Mintatartó
- Befogó - Küvetta
Detektor
- UV - Látható - Infra
Kétfényutas spektrofotométer vázlata Mintatartó
Fényforrás
Kondenzor
Monokromátor
Detektor
Referencia minta
A spektrofotométerek típusai • A működési mód szerint – Vízuális spektrofotométer – Műszeres leolvasású spektrofotométer – Automatikus regisztráló spektrofotométer – Számítógép vezérlésű spektrofotométer • A monokromátor szerint – Interferencia szűrős spektrofotométer – Prizmás spektrofotométer – Optikai rácsos spektrofotométer
A spektrofotométerek típusai • A mérendő mennyiség szerint: – Transzmissziós spektrofotométer – Reflexiós spektrofotométer – Spektroradiométer • A spektrumtartomány szerint: – UV spektrofotométer – VIS spektrofotométer – IR spektrofotométer
A monokromátorok • A monokromátor fehér fényből monokromatikus fényeket állít elő • Részei: – – – – –
Belépő rés Kollimátor Diszperziós elem Leképező rendszer Kilépő rés
• Diszperziós elemek: – Interferencia szűrők – Diszperziós prizma – Optikai rács
Diszperziós elemek
Interferencia szűrős monokromátor szűrő-karusszele
Diszkrét hullámhosszak 20 nm-enként
Diszperziós prizma
Az optikai rács
Diffrakciós rács előállítása karcolással
Diffrakciós rács előállítása interferenciás eljárással
Holografikus rács
Sík- és konkáv holografikus rács előállítása
Rács profilok
A rácshatásfok
A monokromátorok
Optikai rács alkalmazása monokromátorban Hullámhossz váltás a rács forgatásával
Konkáv holografikus rácsos monokromátor vonal-detektorral
Konkáv holografikus rácsos monokromátor vonal-detektorral
Spektrális transzmisszió mérés mérési geometriája 1 Fényforrás 2 Tükrök 3 Küvetta az oldószerrel 4 Küvetta az oldattal 5 Prizmarendszer 6 Forgó takaró lemez 7 Érzékelő
A reflexió (visszaverés) formái
A spektrális reflexiómérés egyik szabványos mérési geometriája
A spektrális reflexió mérés szabványos mérési geometriái
Alkalmazási példák
Carl Zeiss Jena, Specord UV VIS (1976) regisztráló transzmissziós spektrofotométer Két fényutas Prizmás Spektrum tartomány: UV 50 000…28 000 /cm VIS 30 800…12 500 /cm Átszámítás: = 1 / UV 200…360 nm VIS 325…800 nm Sávszélesség: < 1 nm Pontosság: +/- 0.5 % Ismétlőképesség: +/- 0.2 % Szórt fény: < 1 % Méret: 1100mm x 615 mm x 320 mm Súly: 160 kg
Jobin-Yvon spektrofotométer 1973-ból
MF320 Wavelength range: 320…800 nm Bandpass: 4 nm Stay light: better than 0.2 % Wavelength accuracy: better than 1 nm Wavelength precision: better than 0.5 nm Photometric read out: linear absorbance Photometric precision: better than 0.01 A Short term stability: less than 0.002 A per hour Weight: 15 kg
Debrunner Mess-, Prüftechnik, The LI1800 Portable Spectroradiometer Wavelength range: 300…850 nm Bandwidth: 4 nm Wavelength Accuracy: +/- 1.5 nm Wavelength Repeatability: +/- 0.5 nm Grating: 1200 grooves/mm
Hitachi, the U 300 Double Beam UV / VIS Spectrophotometer Monochromator: Aberration-corrected grating monochromator Wavelength range: 190…900 nm Spectral Bandpass: 0.1…6 nm Stray light: less than 0.015 % Wavelength Accuracy: +/- 0.3 nm Wavelength Reproducibility: +/- 0.05 nm Photometric Modes: Abs, T %, R %, E Dimensions: 670 x 620 x 330 Weight: 60 kg
A színmérő műszerek
A vizuális színmérés
1,3 Szabványos színminták (pl Munsell) 2 Vizsgált minta (pl paradicsom püré) 4 Szabványos megvilágítást biztosító szekrény (pl Machbet- féle)
Kétcsatornás tristimulusos színmérő műszer
A mérésnél 4 speciális színszűrőt alkalmazunk, amely közvetlenül az
X1, X2, Y és Z színösszetevő értékét méri meg. (Itt X1 és X2 az x színmegfeleltető függvény két maximuma körül különválasztott két rész alapján meghatározott színösszetevőt jelenti.)
A BME Finommechanikai, Optikai Tanszékén kifejlesztett kétcsatornás tristimulusos színmérő műszer
A tristimulusos színmérés A tristimulusos színmérő műszerek színszűrőinek tervezési alapelve:
A spektrofotométeres színmérés elve: A spektrofotométeres színmérés • Spektrofotométerrel megmérjük a vizsgált minta spektrális reflexióját, transzmisszióját vagy emisszióját • Kiszámítjuk a vizsgált mintára jellemző X1, X2, Y, Z színinger összetevőt, az x, y szín-koordinátákat vagy az L*, a*, b* színkoordinátákat: • Például:
780
X
( ) x( ) d 380
Ahol:
f( ) = S( ) * ( ) a színinger függvény S( ) valamely CIE szabvány szerinti fényforrás teljesítmény eloszlása r( ) a vizsgált színes felület spektrális reflexiója
Konica-Minolta 2600 CM-2600d színmérő műszer D/8 diffúz megvilágítás (integráló gömb: 52) 360...740 nm, 10 nmenként Megvilágítás: 3 pulzáló xenon lámpával Monokromátor: diffrakciós rács Érzékelő: szilikon fotodiódasor Mérési idő: 1.5 sec Látómező: 2O/10O
A BME Finommechanikai, Optikai Tanszékén kifejlesztett kétcsatornás tristimulusos színmérő műszer
Minolta Chroma Meter Measuring Modes: Chromaticity: Color Difference: +/- Yxy Display: 16 charactersx 2 lines Print out: 24-character thermal-dot printer Weight: 890 g
DATACOLOR Handy spektrofotométer, 2000
A Handy spektrofotométer vázlata
A 25. számú színetalon spektruma (a frekvencia függvényében) 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 380 470 560 650 740
390 480 570 660 750
400 490 580 670 760
410 500 590 680 770
420 510 600 690 780
430 520 610 700
440 530 620 710
450 540 630 720
460 550 640 730
A 78. számú színetalon spektruma (a frekvencia függvényében) 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 380 470 560 650 740
390 480 570 660 750
400 490 580 670 760
410 500 590 680 770
420 510 600 690 780
430 520 610 700
440 530 620 710
450 540 630 720
460 550 640 730
Avantes száloptikás univerzális spektrofotométer Építőkocka- elv Miniatürizálás UV/VIS/NIR Transmissio, reflexio, emissio, absorptio 200…1100 nm Monokromátor: 10 féle optikai rács választható Üzemmód: Transzmisszió, Reflexió, Abszorpció, Emisszió, Szín Egy és két fényutas kivitel (választható) USB csatlakoztatás Méret: 175 x 110 x 44 mm Súly: 250 g
Az AVANTES spektrofotométer és színmérő műszer optikai vázlata
Alkalmazás spektrális absorpció/transzmisszió méréshez
Alkalmazás spektrális emisszió méréshez
Alkalmazás LED spektrális emisszió méréséhez
Alkalmazás színméréshez
VÉGE
