A SZÍNEKRŐL IV. RÉSZ A műszeres színmérés

Átírás

1 A SZÍNEKRŐL IV. RÉSZ A műszeres színmérés Dr Wenzel Klára egyetemi magántanár Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Budapest, 2011

2 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)

3 Az elektromágnenes spektrum

4 Folytonos és vonalas spektrum

5 Az elektromágnenes spektrum

6 Spektrális optikai mennyiségek (MSz 9620) A e sugárzott teljesítmény: a sugárzás formájában kibocsátott, átvitt vagy felfogott teljesítmény ( e,watt) A Q e sugárzott energia: a sugárzás formájában kibocsátott, átvitt vagy felfogott energia (Q e, joule) Összefüggés e és Q e között: d e = d Q e / dt A sugárzott mennyiség e spektrális sűrűsége: Egy megadott hullámhosszat tartalmazó elemi sávba eső rész és a sáv szélességének hányadosa e( ) = d e / d, ahol a fény hullámhossza A e ( ) spektrális eloszlás: A sugárzást jellemző mennyiség spektrális sűrűség értékei a hullámhossz függvényében Egyenlő energiájú színkép: Minden hullámhosszon azonos a spektrális sűrűség

7 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

8 A fekete test megvalósítása (National Physical Laboratory, Paris) a, b védőburkolat c, d thorium tégely e vízhűtés f thorium tömb h,i thorium zúzalék j platina őrlemény k sugárzó thorium-cső, 2.5x45 mm D blende rendszer P optikai prizma L leképező objektív K blende

9 A Planck-sugárzó (MSz 9620)

10 A Planck-törvény: M e, (,T) = c 1-5 [exp (c 2 / T) - 1] -1 ahol a hullámhossz T a hőmérséklet, K fok c = 3,74150 * W*m2 1 c 2 = 1,43879 * 10-2 m*k

11 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.

12 A színhőmérséklet Ha az adott sugárzó színpontja a Planck sugárzó vonalára esik, a színhőmérsékletet a Planck sugárzó vonalán feltűntetett hőmérséklettel jellemezzük Mértékegysége: K (Kelvin)

13 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.

14 A szabványos CIE sugárzáseloszlások CIE A A 2855,6 K o 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

15 Energiatakarékos izzó spektrális energiaeloszlása

16 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)

17 Színes felületek spektrális reflexiója

18 A reflexió (visszaverés) típusa Tükrös visszaverés Diffúz visszaverés A tökéletes diffúz visszaverő felület: a Lambert sugárzó Vegyes visszaverés

19 A reflexió (visszaverés) típusa

20 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

21 áteresztési v. transzmissziós tényező: áteresztési v. transzmissziós tényező: Az áteresztett ( ) és a beeső ( 0) sugárzott teljesítmények aránya

22 Fényképészeti színszűrők

23 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( ) * ( ) * ( )

24 A színinger függvény kialakulása

25 Fénytechnikai alapfogalmak MSz 9620/1-72 Energetikai mennyiségek A sugárzott teljesítmény: e, A fizikai környezetben az elektromágneses sugárzás jellemző mennyiségei Spektrális mennyiségek! Fénytechnikai mennyiségek A fényáram: Az elektromágneses sugárzás látható része Integrált (nem spektrális) mennyiségek! v

26 Az energetikai és a fénytechnikai mennyiségek közötti összefüggés: K m = 683 lm / W a maximális spektrális V fényhasznosítás 555 nm-en a spektrális fényhatásfok függvény

27 Relative luminosity A fényhatásfok függvény, V( ) (relatív világossági vagy luminozitási függvény) 1,0 V'( ) V( ) 0,8 0,6 0,4 0,2 0, Wavelength, nm V( ) a nappali (fotopikus) fényhatásfok függvény V ( ) az esti (szkotopikus) fényhatásfok függvény

28 A spektrális fényhatásfok függvény vagy láthatósági függvény (V,V )

29 Energetikai és fénytechnikai mértékegységek MSz 9620 Felületről kisugárzó mennyiségek Felületre besugárzott mennyiségek

30 A fénytechnikai mennyiségek alapja: a fényerősség (MSz 9620) Kandela (Régen: normálgyertya ) A fényerősség SI egysége: a fekete sugárzó 1/ négyzetmétenyi feületének fényerőssége a felületre merőleges irányban, a platina dermedési hőmérsékletén. Jele: cd = 1 lm/ sr

31 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*m 2 Pontszerű sugárzó teljesítménye : W/ m 2 Pontszerű sugárzó teljesítménye adott irányban: W/sr Fény energia: lm *h Fényáram: lm Fénysűrűség: cd/ m 2, Stilb Apostilb, Lambert Felületi fényáram: lm/ m 2 Fényerősség: lm/sr = cd

32 Energetikai és fénytechnikai mértékegységek MSz 9620 Energetikai mennyiségek (Besugárzott felületen) Fénytechnikai mennyiségek (Besugárzott felületen) Egy pontba besugárzott teljesítmény: W/ m 2 Egy pontba besugárzott energia: J/ m 2 Megvilágítás: lm/ m 2 =lx Megvilágítottság: lx *sec

33 A spektrofotométerek

34 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

35 A spektrofotométerek fő részei Egyfényutas spektrofotométer vázlata Fényforrás Kondenzor Monokromátor Mintatartó Detektor - Halogén lámpa - Deuterium lámpa - Egyéb - Tükrös - Lencsés - Száloptikás - Interferencia szûrõs - Prizmás - Optikai rácsos - Befogó - Küvetta - UV - Látható - Infra Kétfényutas spektrofotométer vázlata Mintatartó Fényforrás Kondenzor Monokromátor Detektor Referencia minta

36 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

37 A spektrofotométerek típusai A mérendő mennyiség szerint: Transzmissziós spektrofotométer Reflexiós spektrofotométer Spektroradiométer A spektrumtartomány szerint: UV spektrofotométer VIS spektrofotométer IR spektrofotométer

38 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

39 Diszperziós elemek

40 Interferencia szűrős monokromátor szűrő-karusszele Diszkrét hullámhosszak 20 nm-enként

41 Diszperziós prizma

42 Az optikai rács

43 Diffrakciós rács előállítása karcolással

44 Diffrakciós rács előállítása interferenciás eljárással

45 Holografikus rács

46 Sík- és konkáv holografikus rács előállítása

47 Rács profilok

48 A rácshatásfok

49 A monokromátorok

50 Optikai rács alkalmazása monokromátorban Hullámhossz váltás a rács forgatásával

51 Konkáv holografikus rácsos monokromátor vonal-detektorral

52 Konkáv holografikus rácsos monokromátor vonal-detektorral

53 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

54 A reflexió (visszaverés) formái

55 A spektrális reflexiómérés egyik szabványos mérési geometriája

56 A spektrális reflexió mérés szabványos mérési geometriái

57 Alkalmazási példák

58 Carl Zeiss Jena, Specord UV VIS (1976) regisztráló transzmissziós spektrofotométer Két fényutas Prizmás Spektrum tartomány: UV /cm VIS /cm Átszámítás: = 1 / UV nm VIS nm Sávszélesség: < 1 nm Pontosság: +/- 0.5 % Ismétlőképesség: +/- 0.2 % Szórt fény: < 1 % Méret: 1100mm x 615 mm x 320 mm Súly: 160 kg

59 Jobin-Yvon spektrofotométer 1973-ból MF320 Wavelength range: 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 A per hour Weight: 15 kg

60 Debrunner Mess-, Prüftechnik, The LI Portable Spectroradiometer Wavelength range: nm Bandwidth: 4 nm Wavelength Accuracy: +/- 1.5 nm Wavelength Repeatability: +/- 0.5 nm Grating: 1200 grooves/mm

61 Hitachi, the U 300 Double Beam UV / VIS Spectrophotometer Monochromator: Aberration-corrected grating monochromator Wavelength range: nm Spectral Bandpass: nm Stray light: less than % Wavelength Accuracy: +/- 0.3 nm Wavelength Reproducibility: +/ nm Photometric Modes: Abs, T %, R %, E Dimensions: 670 x 620 x 330 Weight: 60 kg

62 A színmérő műszerek

63 A vizuális színmérés 1,3 Szabványos színminták (pl Munsell) 2 Vizsgált minta (pl paradicsom püré) 4 Szabványos megvilágítást biztosító szekrény (pl Machbet- féle)

64 Kétcsatornás tristimulusos színmérő műszer A mérésnél 4 speciális színszűrőt alkalmazunk, amely közvetlenül az X 1, X 2, Y és Z színösszetevő értékét méri meg. (Itt X 1 és X 2 az x színmegfeleltető függvény két maximuma körül különválasztott két rész alapján meghatározott színösszetevőt jelenti.) A BME Finommechanikai, Optikai Tanszékén kifejlesztett kétcsatornás tristimulusos színmérő műszer

65 A tristimulusos színmérés A tristimulusos színmérő műszerek színszűrőinek tervezési alapelve:

66 A spektrofotométeres színmérés elve: A spektrofotométeres színmérés Spektrofotométerrel megmérjük a vizsgált minta spektrális reflexióját, transzmisszióját vagy emisszióját Kiszámítjuk a vizsgált mintára jellemző X 1, X 2, Y, Z színinger összetevőt, az x, y szín-koordinátákat vagy az L*, a*, b* színkoordinátákat: Például: X Ahol: ( ) x( ) d f( ) = S( ) * ( ) a színinger függvény S( ) valamely CIE szabvány szerinti fényforrás teljesítmény eloszlása r( ) a vizsgált színes felület spektrális reflexiója

67 Konica-Minolta 2600 CM-2600d színmérő műszer D/8 diffúz megvilágítás (integráló gömb: 52) nm, 10 nmenként Megvilágítás: 3 pulzáló xenon lámpával Monokromátor: diffrakciós rács Érzékelő: szilikon fotodiódasor Mérési idő: 1.5 sec Látómező: 2 O /10 O A BME Finommechanikai, Optikai Tanszékén kifejlesztett kétcsatornás tristimulusos színmérő műszer

68 Minolta Chroma Meter Measuring Modes: Chromaticity: Color Difference: +/- Yxy Display: 16 charactersx 2 lines Print out: 24-character thermal-dot printer Weight: 890 g

69 DATACOLOR Handy spektrofotométer, 2000

70 A Handy spektrofotométer vázlata

71 0,35 0,3 0,25 A 25. számú színetalon spektruma (a frekvencia függvényében) 0,2 0,15 0,1 0,

72 0,5 A 78. számú színetalon spektruma (a frekvencia függvényében) 0,4 0,3 0,2 0,

73 Avantes száloptikás univerzális spektrofotométer Építőkocka- elv Miniatürizálás UV/VIS/NIR Transmissio, reflexio, emissio, absorptio 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

74 Az AVANTES spektrofotométer és színmérő műszer optikai vázlata

75 Alkalmazás spektrális absorpció/transzmisszió méréshez

76 Alkalmazás spektrális emisszió méréshez

77 Alkalmazás LED spektrális emisszió méréséhez

78 Alkalmazás színméréshez

79 VÉGE