Világítástechnika I. VEMIVIB544V A fény és tulajdonságai, fotometriai alapfogalmak és színmérés
tartalom • • • •
Fotometriai ismétlés Fénysűrűség Színmérés Sugárzáseloszlások
Lambert (reflektáló) felület • • • • •
egyenletesen diffúzan reflektáló felület nincs tükrös reflexiója reflexiós együttható: ρ = φrefl/ φbe φrefl = φbe cosα . ρ a reflektált sugársűrűség irányfüggetlen: Lrefl (δ)= const.
Lambert reflektáló • megvilágítás: E • visszavert sugárzás, a sugársűrűség irányfüggetlen:
ρ ⋅E L= π
beesõ sugárnyaláb felület normálisa visszavert sugár sugársûrûségi vektor
reflektáló felület
Lambert sugárzó • sugársűrűsége szögfüggetlen: L(δ) = L(ε,φ) = const. L dω n d
ω
δ ε P
dA
φ
Fotometria • az optikai sugárzást a látószerv színképi érzékenységéne k megfelelően értékeli • vizuális alapkísérlet: fényinger egyenlőség
színes vizsgáló sugárforrás
összehasonlító sugárforrás
Villogásos fotometria • világosságészlelet egyenlőség meghatározása bizonytalan • két fényingert felváltva juttatva a szembe, frekvenciát növelve, előbb szűnik meg a színkülönbség észlelet, mint az intenzitás észlelet (10 – 20 Hz-es tartomány)
Villogásos fotométer elvi felépítése körszektor
tükör összehasonlító sugárzás forrása
motor féligáteresztõ tükör monokromátor
megfigyelõ szeme
fényrekesz vizsgálandó sugárzás forrása
1 3
sugárzás mérõ
6 4
Sugársűrűség L
n d
δ
ω
A sugárzó felület dA felületeleme által a felület normálisától (n) δ szögre elhelyezkedő irányban, a dω elemi térszögben kibocsátott dφ sugáráram L = d2φ/(dω⋅dA⋅cosδ) , spektrális sugársűrűség:
dA
Lλ = dL /dλ =
= d3φ /(dω⋅dA⋅cosδ⋅dλ)
Fénysűrűség ε
• a dA1 felületelemet elhagyó (azon áthaladó vagy arra beeső) és adott irányt tartalmazó dΩ térszögben sugárzott dΦ fényáramnak, valamint az elemi térszögnek és a felületelem adott irányra merőleges vetülete szorzatának hányadosa:
∂ 2φv Lv = ∂Ω ∂A1cosε 1 egysége:cd/m2, jele: Lv
d2 Φ
dω
dA 1
φ
Anyagjellemzők
Reflexió, abszorpció, transzmisszió
Kontraszt, kontrasztviszony • kontraszt: ahol
Lt − Lb c= Lb
▫ Lt a jel (target) fénysűrűsége ▫ Lb a háttér (background) fénysűrűsége
• kontrasztviszony:
Lt cv = Lb
Hatásfok, fényhasznosítás • sugárzási hatásfok, jel: η a sugárzó sugárzott és felvett teljesítményének hányadosa • sugárforrás fényhasznosítása, egysége: lm/W a kibocsátott fényáram és a sugárzó által felvett teljesítmény hányadosa
Fényforrások fényhasznosítása Fényforrás típusa Hagyományos izzólámpa
Fényhasznosítás (lm/W) 14,4
Halogén izzólámpa
17
Kompakt fénycső
85
Nagynyomású fémhalogén lámpa
90
Nagynyomású Na-lámpa
116
Kisnyomású Na-lámpa
206
LED (világító dióda)
80 – 200 (303)
Szkotopos, mezopos és fotopos fénysűrűségi tartomány lg( cd/m² )
-5
-4
-3
szkotopos
-2
-1
mezopos
0
1
2
3
fotopos
4
5
6
Mezopos fotometria • CAD laboratóriumokban és irányító központokban előforduló számítástechnikusi feladat • útvilágítás • 3 cd/m2 és 10-3 cd/m2 közötti fénysűrűség tartomány • szem színképi érzékenysége V(λ)-tól V’(λ) felé tolódik el.
A szín fogalma • A „szín” fogalmát kiegészítés nélkül ne használjuk! - inger vagy észlelet ▫ ▫ ▫ ▫
színészlelet - pszichológiai fogalom színinger - pszichofizikai fogalom radiometria - fizikai fogalom fotometria - a színinger egyik dimenziója
Színmérés • A szín észlelet, agyunkban keletkezik • számszerű leírás: színinger, mely az észleletet kiváltja • színinger-megfeleltetés • színinger keltés: ▫ additív színkeverés : monitor ▫ szubtraktív színkeverés: színes film, nyomtató
Színkeverés
additív
és szubtraktív színkeverés
Az additív színmegfeleltetés alapkísérlete összehasonlító fényforrások
vizsgálandó fényforrás
intenzitást szabályozó fényrekesz
Additív színingerkeverés • Additivitás: Ha C1≡R1(R)+G1(G)+B1(B) C2≡R2(R)+G2(G)+B2(B) akkor C≡R(R)+G(G)+B(B), ahol R= R1+ R2, G= G1+ G2, B= B1+ B2,
Additív színingerkeverés • Proporcionalitás Ha C1≡R1(R)+G1(G)+B1(B) akkor aC1≡aR1(R)+aG1(G)+aB1(B)
Additív színkeverés - Grassmann törvények • Minden színinger létrehozható 3 egymástól független színinger additív keverékeként. A függetlenség alatt azt értjük, hogy a három színinger közül egyik sem hozható létre a másik kettő additív keverékeként. ▫ RGB, ahol R ≠ (m∙G + n∙B)
• Színinger egyezés létrehozásához csak a választott alapszíninger a lényeges, a színképi összetétele nem. ▫ pl. izzó vs. kompakt fénycső
• Az egyes színingerek változtatásának hatására folyamatosan változik.
erősségének folyamatos az eredő színinger is
Színinger-összetevők vagy tristimulusos értékek
R = k ∫ S λ r (λ ) d λ
G = k ∫ S λ g (λ ) d λ
B = k ∫ S λ b (λ ) d λ
rgb színegyeztető fg.
Színinger-megfeleltető függvények (colour matching functions) 0.40 0.35 0.30 R(λ) 0.25 G(λ) B(λ) 0.20 0.15 0.10 0.05 0.00 -0.05 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 -0.10 -0.15 hullámhossz, nm
r (λ ), g (λ ), b (λ )
CIE 1931 színingermérő rendszer
CIE XYZ tristimulusos érték (színingerösszetevők), önvilágítók (fényforrások) 780
780
780
380
380
380
X = k ∫ Sλ x (λ )d λ; Y = k ∫ Sλ y (λ )d λ; Z = k ∫ Sλ z (λ )d λ
( x (λ ), y (λ ), z (λ ))
a színinger-megfeleltető függvények
Sλ - az ingert kiváltó színképi (λ) teljesítményeloszlása [W] Az y függvény azonos a V(λ) függvénnyel, k = 683 lm/W
szín(inger-) vagy színességi koordináták X x= X +Y + Z Y y= X +Y + Z
Szín(inger-) vagy színességi diagram 0.9
•R, G, B: katódsugár-csöves monitor alap-színingerei
520 nm 0.8 0.7
540 nm
•Planck sugárzók vonala
510 nm 560 nm
G
0.6 500 nm 0.5 y
580 nm
0.4
2000 K 4000 K 7000 K
0.3
650 nm 100 000 K
0.2 0.1
475 nm B
0
600 nm R
450 nm
400 nm
A színességi diagram színes ábrája
Másodlagos sugárzók (nem önvilágítók) színmérése
X = k ∫ S (λ ) ρ ( λ ) x ( λ ) d λ
Y = k ∫ S (λ ) ρ ( λ ) y ( λ ) d λ Z = k ∫ S (λ ) ρ (λ ) z (λ ) d λ ahol
1 k= ∫ S ( λ ) y ( λ )dλ
S(λ) a megvilágító sugárforrás színképi teljesítményeloszlása
ρ(λ) a minta spektrális reflexiója
Szabványos sugárzáseloszlások és fényforrások • CIE A sugárzáseloszlás • CIE D65 sugárzáseloszlás • további napplai sugárzáseloszlások, grafikus iparban: D50 • CIE A fényforrás • CIE D65 szimulátor
CIE A- és D65 sugárzáseloszlás színképe
