Basic Creative Engineering Skills Licht, lichtbronnen, kleurtemperatuur
September 2015
Theaterschool OTT-1
Basic Creative Engineering Skills
Optica….. Een vak van belang
Op’tica (Gr.) leer (der wetten) v.h. zien en het licht “…. Want door het licht nemen wij van voorwerpen veel meer waar, dan immer het tastzintuig er ons van zou kunnen leeren kennen.” (P. van den Burg, 1865).
“Communication between actor [and scenery] and audience depends on sound and sight.” (Francis Reid, The Stage Lighting Handbook, 1987)
September 2015
Theaterschool OTT-1
2
Basic Creative Engineering Skills Wat is licht?
Wat is licht ?
Bijvoorbeeld ……… “Het licht is dat physisch agens, dat op het gezichtsorgaan werkende, ons de voorwerpen doet aanschouwen.” (Canot, ~1850)
September 2015
Theaterschool OTT-1
3
Basic Creative Engineering Skills Stukje geschiedenis
• In de Griekse oudheid (~300 BC) zijn er 5 lichttheorieën. O.a. de oogstralentheorie (oog is een soort radar), die door Euclides en Ptolomaeus wordt aangehangen. Tot in de 17e eeuw zijn er aanhangers. • Al Hassan (965-1039) schrijft een boek met een stralentheorie, zoals wij die kennen. • Sinds Al Hassan vele pogingen om een lichtstraal te definiëren, o.a. door Newton in 1704.
September 2015
Theaterschool OTT-1
4
Basic Creative Engineering Skills Stukje geschiedenis
• Grimaldi (1618-1663) ontdekt lichtbuiging: licht door een klein gaatje wordt verstrooid, zodat er een groter lichtvlek ontstaat dan je zou denken op grond van de stralentheorie. • 1817 schrijft de academie der wetenschappen een wedstrijd uit met lichtbreking als onderwerp. Fresnel wint. • Tot 1887 dacht men dat er een tussenstof, de aether, bestond. Het tegendeel wordt bewezen door Michelson en Morley.
September 2015
Theaterschool OTT-1
5
Basic Creative Engineering Skills Modellen
Heden ten dage zijn er 3 fysische modellen: • Stralenoptica (geometrische optica) • reflectie • refractie
• Golfoptica (fysische optica) • interferentie • dispersie • diffractie
• Quantumoptica • foto-elektrisch effect • LED September 2015
Theaterschool OTT-1
6
Basic Creative Engineering Skills Stralenoptica
Stralenoptica Dit model kijkt niet naar het “wezen van het licht”, maar definieert lichtstralen. • Rechte lijn vanuit lichtbron waarlangs lichtenergie zich voortplant. • Bij overgang van het ene naar een ander medium terugkaatsing of breking volgens bepaalde wetten.
September 2015
Theaterschool OTT-1
7
Basic Creative Engineering Skills Golfoptica
Golfoptica In dit model wordt licht beschreven als een elektro-magnetisch golfverschijnsel. • Trillingsverschijnsel: licht heeft een frequentie f • Licht heeft een golflengte ( = c / f )
September 2015
Theaterschool OTT-1
8
Basic Creative Engineering Skills Golfoptica
September 2015
Theaterschool OTT-1
9
Basic Creative Engineering Skills Quantumoptica
Quantumoptica In dit model wordt licht beschreven als deeltjes: de zogenaamde fotonen. • Fotonen hebben energie ( E = h * f ). • Fotonen hebben geen massa. • Fotonen kunnen energie overdragen aan materie en energieovergangen in materie kunnen fotonen creëren.
September 2015
Theaterschool OTT-1
10
Basic Creative Engineering Skills Quantumoptica
September 2015
Theaterschool OTT-1
11
Basic Creative Engineering Skills Eigenschappen van licht
• Licht is elektromagnetisch verschijnsel • Lichtsnelheid is constant (c0 = 3*108 m/s). • De golflengte bepaalt de kleur (f = c / ). • Licht plant zich rechtlijnig voort (mits geen medium overgangen).
September 2015
Theaterschool OTT-1
12
Basic Creative Engineering Skills
Spectrale Energieverdeling
Een lichtgevend voorwerp zendt elektromagnetische straling uit van verschillende golflengtes. De hoeveelheid energie varieert per golflengte. De verdeling van de energie over alle golflengtes heet spectrale energieverdeling. September 2015
Theaterschool OTT-1
13
Basic Creative Engineering Skills
Spectrale Energieverdeling
Spectrale energieverdeling van een gloeilamp.
September 2015
Theaterschool OTT-1
14
Basic Creative Engineering Skills Lichtbronnen
Licht wordt opgewekt door verschillende mechanismen: • Temperatuurstraling Alle voorwerpen (T > 0 Kelvin) stralen !! • Gasontlading Botsende gasatomen zorgen voor licht • Elektroluminicentie Energieovergangen in halfgeleiders (bv. LED) September 2015
Theaterschool OTT-1
15
Basic Creative Engineering Skills Temperatuurstraler
Ieder voorwerp met een temperatuur groter dan 0 Kelvin (= -273 °C) straalt elektromagnetische straling uit. Het spectrum varieert met de temperatuur.
Hoe heter: • Hoe meer energie • Hoe witter September 2015
Theaterschool OTT-1
16
Basic Creative Engineering Skills Black Body Radiation
De reden:
Als je een lichaam verwarmt zal het deze toegevoerde energie weer teruggeven aan de omgeving in de vorm van elektromagnetische straling. Een black body, of zwart lichaam, absorbeert alle opvallende elektromagnetische straling. Een zwart lichaam met een temperatuur T - in evenwicht met de omgeving - heeft een specifieke spectrale energieverdeling. September 2015
Theaterschool OTT-1
17
Basic Creative Engineering Skills Black Body Radiation
http://cas.sdss.org/dr6/en/proj/advanced/color/physlet/blackbody.asp September 2015
Theaterschool OTT-1
18
Basic Creative Engineering Skills Black Body Radiation
De stralingswet van Planck
Een formule waarmee de energie P die door een zwart lichaam wordt uitgestraald bij een golflengte kan worden berekend.
De wet van Stefan-Boltzmann
De totale straling uitgezonden door een oppervlak A van een zwart lichaam: P = A T4
= 56,7.10-9 W/m2.graad4
(constante van Stefan-Boltzmann) September 2015
Theaterschool OTT-1
19
Basic Creative Engineering Skills Black Body Radiation
De wet van Wien Tussen de temperatuur T en de golflengte M van het stralingsmaximum bestaat een verband: M T 3000 K.m Naarmate het voorwerp heter wordt, verschuift de top van het stralingsspectrum naar kleinere golflengtes infrarood September 2015
zichtbaar Theaterschool OTT-1
ultraviolet 20
Basic Creative Engineering Skills Kleurtemperatuur
Een heet voorwerp zendt dus zichtbaar licht uit. Voor een zwart lichaam kan met de wet van Planck precies berekend worden hoeveel zichtbaar licht wordt uitgestraald. Er geldt hoe, heter hoe witter !
3000 K
September 2015
3500 K
Theaterschool OTT-1
4000 K
21
Basic Creative Engineering Skills Kleurtemperatuur
Definitie Kleurtemperatuur
De kleurtemperatuur van een lichtbron is de absolute temperatuur (in Kelvin dus) van een zwarte straler, waarbij deze licht uitzendt met dezelfde kleurindruk als de beschouwde lichtbron. Manier om lichtbronnen te vergelijken September 2015
Theaterschool OTT-1
22
Basic Creative Engineering Skills Kleurtemperatuur
Een deel van de lichtbronnen zijn temperatuurstralers: het licht wordt opgewekt door een heet voorwerp. In het algemeen zijn het geen echte zwarte stralers, maar ze hebben bij benadering eenzelfde continu spectrum. Lichtbron Kaars Gloeilamp Halogeenlamp Zon September 2015
Kleurtemperatuur 2.000 °K 2.800 °K 3.000 °K 6.000 °K Theaterschool OTT-1
23
Basic Creative Engineering Skills Gloeilamp
Een gloeilamp heeft een positieve weerstandskarakteristiek. De stroom wordt van nature begrensd. September 2015
Theaterschool OTT-1
24
Basic Creative Engineering Skills Gloeilamp
Kenmerken van een gloeilamp • •
• • •
Een gloeidraad (in feite een elektrische weerstand) Meestal wolfraam, dubbel gespiraliseerd Temperatuur gloeidraad ca. 2.500 °C De draad verdampt Zwarting van het glas, daarom glas ver van de gloeidraad en relatief grote lampen. Slechts ca. 5% van vermogen omgezet in licht. Specifieke lichtstroom slechts 10 - 20 lm/W De elektrische weerstand neemt toe met de temperatuur van de gloeidraad.
September 2015
Theaterschool OTT-1
25
Basic Creative Engineering Skills Halogeenlamp
Een halogeenlamp is in feite een bijzondere gloeilamp waarbij aan het vulgas ‘halogenen’ zijn toegevoegd (Fluor, Chloor, Broom of Jodium). Tussen de halogenen en de verdampte wolfraam deeltjes vindt een reactie plaats, die er voor zorgt dat de wolfraam weer terugkeert naar de gloeidraad: de halogeencyclus. Hierdoor kan de temperatuur iets naar omhoog en kan de glasbol kleiner worden. September 2015
Theaterschool OTT-1
26
Basic Creative Engineering Skills Halogeencyclus
Halogeen Cycle Animation
September 2015
Theaterschool OTT-1
27
Basic Creative Engineering Skills Halogeenlamp
Voordelen • Levensduur 5 tot 20 keer groter. • Temperatuur gloeidraad kan hoger. • Hogere kleurtemperatuur ( 3000 i.p.v. 2800 °K ). • Hoger rendement ( 15 tot 20 % i.p.v. 5 %). • Hoger specifieke lichtstroom (20 - 25 lm/W) Nadelen • Bol van kwartsglas is gevoelig voor huidvet (deritrificatie). September 2015
Theaterschool OTT-1
28
Basic Creative Engineering Skills
Halogeenlamp - Karakterisiteken
September 2015
Theaterschool OTT-1
29
Basic Creative Engineering Skills
Halogeenlamp - Spectrum
September 2015
Theaterschool OTT-1
30
Basic Creative Engineering Skills Gasontlading
Basisprincipe Gasatomen komen in botsing met stroom geleidende elektronen en ionen en raken hierdoor in een aangeslagen toestand. Vervolgens vallen ze weer terug naar de grondtoestand onder uitzending van licht.
Anode
Kathode
September 2015
+
Theaterschool OTT-1
R
31
Basic Creative Engineering Skills Vrije weglengte
• Vrije elektronen bewegen naar de anode en worden versneld door het potentiaalverschil. • Na zeker tijd botsen ze met de aanwezige atomen en verliezen daarbij (een deel) van hun bewegingsenergie (de kinetische energie). • De gemiddelde afstand die de elektronen daarbij afleggen heet de vrije weglengte. • Hoe groter het potentiaalverschil tussen anode en kathode hoe meer kinetische energie het elektron kan krijgen gedurende de vrije weglengte. September 2015
Theaterschool OTT-1
32
Basic Creative Engineering Skills Soorten botsingen
Versnelde elektronen botsen met gasatomen. Er bestaan verschillende soorten botsingen: 1. Elastische botsingen (er ontstaat warmte) 2. Uittredende botsingen (aangeslagen toestand) 3. Ioniserende botsingen (nieuwe elektronen) 4. 5. 6. 7.
Hernieuwd aanslaan (atoom was metastabiel) Botsing van ion met kathode (secundair elektron) Recombineren (samengaan elektron met ion) Foto-ionisatie of -emissie (absorberen lichtkwant)
September 2015
Theaterschool OTT-1
33
Basic Creative Engineering Skills Soorten botsingen
Ioniserend
September 2015
Uittredend / Aangeslagen
Theaterschool OTT-1
34
Basic Creative Engineering Skills Soorten botsingen
• Elektronen bevinden zich in banen rond de kern. • In elke baan is het elektron met een zekere energie aan de kern gebonden. • Aan een gebonden elektron moet energie toegevoerd worden om hem uit zijn baan te krijgen. • Als er voldoende energie wordt toegevoerd om een elektron geheel los te krijgen van de kern (bindingsenergie), is het atoom geïoniseerd. • Als er minder energie wordt toegevoerd kan het elektron in een hogere baan terecht komen: de aangeslagen toestand. September 2015
Theaterschool OTT-1
35
Basic Creative Engineering Skills Lijnenspectrum
• Niet ieder energieniveau is een mogelijke toestand van het elektron. • Als een elektron terugvalt van een hogere in een lagere baan, wordt het energieverschil uitgezonden als elektromagnetische straling. • Doordat slechts bepaalde overgangen mogelijk zijn, ontstaat een spectrum van lichtlijnen. • Ieder element heeft zijn eigen unieke lijnenspectrum
September 2015
Theaterschool OTT-1
36
Basic Creative Engineering Skills Starten
• •
•
In aanvang zijn er weinig vrije elektronen en is de stroomgeleiding slecht. Door het spanningsverschil te verhogen zullen de aanvankelijk weinige vrije elektronen genoeg energie verzamelen gasatomen te kunnen ioniseren. Door de ionisatie neemt het aantal elektronen toe en de elektrische weerstand af. Een gasontladingslamp heeft een negatieve weerstandskarakteristiek. De stroom moet na het ontsteken begrensd worden.
September 2015
Theaterschool OTT-1
37
Basic Creative Engineering Skills Opbouw
Opbouw lamp in het algemeen: • Twee elektroden anode en kathode • In een glazen buis • Gevuld met gas.
September 2015
Theaterschool OTT-1
38
Basic Creative Engineering Skills Typen
Enkele typen gasontladingslampen zijn: • TL Fluorescentielamp • HID (High-intensity discharge lamps ) – Haloïde metaaldamplampen • •
HMI (Hydrargyrum medium-arc iodide) HQI (Hydrargyrum quartz iodide)
– Xenon lampen (projectoren) – Hoge en lage druk natrium lampen • Laser
September 2015
Theaterschool OTT-1
39
Basic Creative Engineering Skills TL
• Een TL-buis is een lage druk kwikontladingslamp, met daaraan toegevoegd een mengsel van edelgassen. • Twee gloeidraden zorgen voor elektronen. • Aan de binnenzijde is de buis voorzien van een fluorescentiepoeder. • De gasontlading levert UV-licht (een lijnenspectrum met een grote piek bij 254 nm). • Het fluorescentiepoeder zet het UV om in zichtbaar licht. De UV fotonen brengen de atomen in het poeder in een aangeslagen toestand. Bij het terugvallen ontstaat zichtbaar licht.
September 2015
Theaterschool OTT-1
40
Basic Creative Engineering Skills TL
Het spectrum is afhankelijk van het fluorescentie poeder, vandaar dat verschillende lichtkleuren bestaan
Bron spectrum September 2015
Fluoriscentie spectrum Theaterschool OTT-1
41
Basic Creative Engineering Skills TL - Starten
September 2015
Theaterschool OTT-1
42
Basic Creative Engineering Skills TL voor- en nadelen
Voordelen • Hoger rendement ( ca. 27 %). Van 36 W wordt ca. 10 W omgezet in licht de overige 26 W in warmte. • Hogere specifieke lichtstroom (50 - 100 lm/W). • Verschillende kleurtemperaturen verkrijgbaar. Nadelen • Minder natuurgetrouwe kleurweergave. Spectrum wijkt af van daglicht. • Lastiger dimbaar.
September 2015
Theaterschool OTT-1
43
Basic Creative Engineering Skills Metaal Haloïde Lampen
Haloïden plus andere metalen, zoals Natrium, Thallium (zogenaamde zeldzame aarden) aanwezig.
September 2015
Theaterschool OTT-1
44
Basic Creative Engineering Skills Metaal Haloïde Lampen
Voordelen • Hoge specifieke lichtstroom 60 - 110 lm/W • Zeer grote vermogens verkrijgbaar (dus grote lichtstroom). • Hoge kleurtemperatuur. Nadelen • Opstarttijd nodig (enkele minuten) • Alleen mechanisch dimbaar. • Iets minder natuurgetrouwe kleurweergave. • Herstarten lamp pas na enige tijd. September 2015
Theaterschool OTT-1 Theaterschool OTT-1
45
Basic Creative Engineering Skills Xenon
Het spectrum van een Xenon gasontladingslamp lijkt sterk op dat van daglicht.
September 2015
Theaterschool OTT-1 Theaterschool OTT-1
46
Basic Creative Engineering Skills LED
• Light Emitting Diode • Licht ontstaat in diode overgang • Aan de basis staan halfgeleiders en de kwantumtheorie
September 2015
Theaterschool OTT-1 Theaterschool OTT-1
47
Basic Creative Engineering Skills LED
Doteren (verontreigingen) • P materiaal (extra “gaten”) • N materiaal (extra “elektronen”)
September 2015
Theaterschool OTT-1 Theaterschool OTT-1
48
Basic Creative Engineering Skills
LED – Verarmingslaag / Depletion Layer
• Spanningsval verschilt per type LED/overgang September 2015
Theaterschool OTT-1
49
Basic Creative Engineering Skills LED opbouw
September 2015
Theaterschool OTT-1
50
Basic Creative Engineering Skills LED Lichtopbrengst
• • • •
Brekingsindex halfgeleider Max. grenshoek bij overgang naar lucht: Brekingsindex epoxy: Max. grenshoek bij overgang naar epoxy:
September 2015
Theaterschool OTT-1
2,5 - 3,5 23,6 1,4 - 1,8 46,1°
51
Basic Creative Engineering Skills LED Lichtopbrengst
Voordelen • Zeer robuust • 50.000 branduren • Efficiënt – in theorie 100% efficiëntie haalbaar (260–300 lm/W) – nu tussen gloeilamp en TL in (~50 lm/W)
• Dimbaar zonder verandering kleur Nadelen • Nog duur • Grote vermogens nog niet breed beschikbaar – Warmte afvoeren is lastig
September 2015
Theaterschool OTT-1
52
Basic Creative Engineering Skills LED Wit Licht
• Fosfor converter
• PRS Photon Recycling Semiconductor
September 2015
Theaterschool OTT-1
53
Basic Creative Engineering Skills LED – Wit Licht
September 2015
Theaterschool OTT-1
54
