Világítástechnika I. VEMIVIB544V A fény és annak tulajdonságai, fotometriai alapfogalmak

Világítástechnika I. VEMIVIB544V A fény és annak tulajdonságai, fotometriai alapfogalmak

tartalom • • • •

A fény tulajdonságai, alapfogalmak Kapcsolódó mennyiségek Fotometriai bevezető Világítási szituációk

Miért foglalkozunk világítástechnikával? • Az információ 80 - 90 %-a szemünkön keresztül érkezik • Több tudomány határterülete és ezért érdekes • Sok még a kutatható terület, fejlődik LED technológia Biológiai ritmus és fény Láthatóság és káprázás stb.

Alapfogalmak I. Sugárzástechnikai – fénytechnikai alapok

Mi a fény? A fény: - hatás szerint a közvetlenül látás érzetet keltő sugárzás, az emberi szem érzékenysége szerint súlyozva - fizikai szempontból elektromágneses hullám, helyesebben látható optikai sugárzás - világítástechnikában csak az emberi szem által érzékelt sugárzás.

UV-fény, infrafény nem használatos

Elektromágneses sugárzás

Az optikai sugárzás • Fogalom meghatározások ▫ Optikai sugárzás: Az elektromágneses színkép 100 nm – 1 mm közötti tartománya ▫ Látható sugárzás: Az optikai sugárzás (kb.) 380 nm – 780 nm közötti tartománya, ilyen sugárzás az átlagos emberi észlelőből fény-érzetet vált ki. ▫ Fény (fiziológiai értelemben): A látható sugárzás, mint inger, által kiváltott érzet illetve észlelet.

Összehasonlító ábra: hullámhosszfrekvencia, méretek

Elektromágneses színkép K oz -

G am -

R ön t-

m ki u s

ma

ge n

Lá tUV

M ki ro -

TV

hu lálm

&

AM

E el k tr .

R I ha ó t

rád ói

há ól -

FM

10

-14

10

-8

38 , x10

10 -7

-5

za t

6

10 hu lálm ho ssz m ,

-7

78 , x10

    c  3  10 m / s 8

Az ultraibolya és infravörös színképtartomány • UV-A: 315 nm – 400 nm közötti tartomány • UV-B: 280 nm – 315 nm közötti tartomány • UV-C: 100 nm – 280 nm közötti tartomány

• IR-A: 780 nm – 1400 nm közötti tartomány • IR-B: 1,4 m – 3 m közötti tartomány • IR-C: 3 m – 1 mm közötti tartomány

Az elektromágneses sugárzás keletkezése, elnyelése • Elektron gerjesztett állapotból alacsonyabb energiaállapotba megy át: fotont emittál: • E = h, • h = 6,6310-34 J·s (joulesec) • E (eV) = 1,234 /  (m) • Foton abszorpcióval elektron alacsonyabb energiaállapotból magasabba megy át

Abszorpció és emisszió

Az elektromágneses sugárzás terjedése E B)

H

A)

A n tenna

O p t. hu lálm

E co s

 E

E s ni 

C)

E co s

Polarizáció, keresztezett polarizátorok

Síkhullám interferenciája két nyíláson Huygens elv: hullámmozgá s elemi hullámokból tevődik össze, amelyek új hullámmozgá s kiindulópontj ai

Interferencia

Radiometria, fotometria, színmérés • A radiometria az optikai sugárzást fizikai mennyiségek formájában határozza meg. • A fotometria ezt a sugárzást az átlagos emberi megfigyelő látására jellemző színképi függvény alapján értékeli. • A színmérés a színészleléshez kíván objektíven mérhető mennyiségeket rendelni.

Elektromágneses sugárzás • optikai sugárzás: 100 nm – 1 mm hullámhosszú elektromágneses sugárzás • látható sugárzás: 380 nm – 780 nm • fény: a látható sugárzás által kiváltott észlelet

Radiometriai segédmennyiségek d térszög: a sugárkúp által a gömbfelületből kimetszett terület és a gömbsugár négyzetének hányadosa:

d=dA/r2

radiometriai mennyiség

radiometriai mennyiség

Színképfüggő mennyiségek 3,5E-06

hullámhossz függés: X()

3,0E-06 2,5E-06 2,0E-06 1,5E-06

szűrő áteresztés

1,0E-06 5,0E-07 0,0E+00 400

450

500 550 600 hullámhosszúság [nm] izzólámpa kompaktfénycső

650

700

dX/d  X

2,0E-06

Katódsugár-csöves monitor fényporainak színképi eloszlás

1,5E-06 1,0E-06 5,0E-07 0,0E+00 400

színképi eloszlás:

450

500 550 600 hullámhosszúság [nm] RGB LED

fényporos LED

650

700

Radiometriai mennyiségek Megnevezés Term sugárzott energia sugárzott teljesítmény besugárzás

radiant energy radiant flux irradiance

sugárerősség radiant intensity sugársűrűség radiance

Jele

Egysége

joule, 1 J  1 kgm2s-2  vagy F watt (Js-1) Q

E

Wm-2

I

Wsr-1

L

Wm-2sr-1

Radiometriai mennyiségek összefüggései , F

sugárzott teljesítmény teljesítmény eloszlás sugárzott energia

  d/d

Q   Φ dt

watt (Js-1) Wm-1

Q

joule, 1 J  1 kgm2s-2

besugárzás

E  d /dA

E

Wm-2

sugárerősség

I  d /d

I

Wsr-1

sugársűrűség

L d2/(ddAcos)

L

Wm-2sr-1

Besugárzás

E  d /dA

dF

dA

Sugárerősség, pontszerű forrás

d d

P I  d /d

I

Sugársűrűség L

n d



A sugárzó felület dA felületeleme által a felület normálisától (n)  szögre elhelyezkedő irányban, a d elemi térszögben kibocsátott d sugáráram L  d2/(ddAcos) , spektrális sugársűrűség: L  dL /d  = d3 /(ddAcosd)

dA

Távolságtörvény (inverse square law) • d  Id • d  dA2/d2 • d /dA2  E2 P  (Id)/dA2  (IdA2)/(dA2d2)

= E2  I / d2

dA d d d

2

Általánosított távolságtörvény dA

a1

1

n2

n

1

a2

d

dE2  (L cos a1  cos a2dA1) / d2

dA

2

Lambert sugárzó Lambert radiator • sugársűrűsége szögfüggetlen: L()  L(,)  const. L d n d

  P

dA



Lambert (reflektáló) felület • • • • •

egyenletesen diffúzan reflektáló felület nincs tükrös reflexiója reflexiós együttható:  = refl/ be refl = be cosa. a reflektált sugársűrűség irányfüggetlen: Lrefl () const.

Lambert reflektáló • megvilágítás: E • visszavert sugárzás, a sugársűrűség irányfüggetlen:

bee sõ sugá rn ya ál b fe ül el tno m r á lsi a v si sza ve r t sugá r sugá rsû rû ség i ve k ot r

 E L  re fel k tá ól fe ül el t

A szem szerkezete • szaruhártya v. cornea • sárgafolt v. fovea • ideghártya v. retina

• pupilla: 2 ... 8 mm • szivárványhártya v. írisz

A 3 csapféleség színképi érzékenysége

A foveális retina sematikus szerkezete

Fotometria

• az optikai sugárzást a látószerv színképi érzékenységéne k megfelelően értékeli • vizuális alapkísérlet: fényinger egyenlőség

sz ínes v zi sgá ól sugá r fo rrás

összehason lító sugá r fo rrás

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 kö rszek ot r

üt kö r összehason líót sugá rzás of rrása

m o ot r éf gliá et resz õt üt kö r m onok rom á ot r

m eg fgiyeõl szem e

éf ny rekesz vzisgáalndó sugá rzás of rrása

1 3

sugá rzásm é rõ

6 4

Láthatósági (visibility) függvények • Nemzetközi Világítástechnikai Bizottság (Comission Internationale d‘Éclairage, CIE) 1924-ben szabványosította a V()-görbét (világosban, fotopos látás) • 1954-ben a V’()-görbét (sötétben, szkotopos látás)

Láthatósági függvények 1 0,9

rel. érzékenység

0,8 V'(  )

0,7

V(  )

0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 350

400

450

500

550

600

hullám hossz, nm

650

700

750

800

A fotometria kísérleti alapja • • • •

szimmetria: ha AB, akkor BA; tranzitivitás: ha AB és BC, akkor AC; arányosság: ha AB, akkor aAaB; additivitás: ha AB, CD és (A+C)(B+D), akkor (A+D)(B+C) itt A, B stb. fényinger (stimulus): a sugársűrűség és a láthatósági függvény adott hullámhosszon vett értékének szorzata: pl. ALV() , általánosítva a sugárzás teljesítmény-eloszlását írhatjuk: SV().

A fotometria alapjai • a fenti összefüggések alapján a monokromatikus komponenseket összegezhetjük:

 S V (  )   780 nm

V  k

 V (  ) d  e ,  

 380 nm

ez adja a fotometria és radiometria kapcsolatát

A fotometria alapjai • Nappali (fotopos) látás: V() , csapok közvetítik • sötétben (szkotopos) látás: V’() , pálcikalátás; szembíbor (rhodopsin), additivitás és proporcionalitás fennáll:

v'  k '

780nm



e, V' (  )d

  380nm

Fotometriai mennyiségek és egységek 1 • k és k’ konstansok: 780 nm

v  K m



e ,  380 nm

(  )  V (  )  d

ahol Km = 683 lm/W alapján definiálhatjuk a fényáram egységét a lument. De a fényerősség egysége, a kandela az alapegység. K’m = 1700 lm/W Fényáram jele:lm, egysége a lumen.

Fotopos, mezopos, szkotopos fotometria gl (cdm / ²)

-5

-4

-3

szko topo s

-2

-1

m e zopo s

0

1

2

3

fo topo s

4

5

6

Fotometriai mennyiségek és egységek 2 • fényerősség a pontszerű fényforrásból adott irányban, infinitezimális térszögben kibocsátott fényáram és a térszög hányadosa:

d v Iv  d jele: cd, egysége: kandela, 1 cd = 1 lm/sr

A kandela definiciója • A kandela fényerősség SI egysége: azon 540.1012 Hz frekvenciájú monokromatikus sugárzást kibocsátó fényforrás fényerőssége adott irányban, amelynek sugárerőssége ebben az irányban 1/683 W/sr.”

A fényáram származtatása a fényerősségből 1m

 = 1 sr 1 cd fé n ye rõ s sé g û p o n ts ze rû fé n y fo r rá s

1m 2

Fénysűrűség



• a dA1 felületelemet elhagyó (azon áthaladó vagy arra beeső) és adott irányt tartalmazó d térszögben sugárzott dF fényáramnak, valamint az elemi térszögnek és a felületelem adott irányra merőleges vetülete szorzatának hányadosa:

 2v Lv  Ω A1cos1 egysége:cd/m2, jele: Lv

d 2F

d

dA

1



Megvilágítás • Az adott pontot tartalmazó felületelemre beeső fényáramnak és ennek a felületelemnek a hányadosa

E  dv / dA2 egysége: lux, jele:lx; 1 lx = 1 lm/m2