Radiometria, fotometria, színmérés. Az anyagokat Prof. Schanda János jegyzeteiből összeállította: Várady Géza

Átírás

1 Radiometria, fotometria, színmérés Az anyagokat Prof. Schanda János jegyzeteiből összeállította: Várady Géza

2 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.

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

4 Elektromágneses színkép

5 Radiometriai segédmennyiségek d P pontszerű sugárzó ε,φ irányokban sugároz. P d térszög: a sugárkúp által a gömbfelületből kimetszett terület és a gömbsugár négyzetének hányadosa: d=da/r 2 Másképp: adott pontból tekintett objektum látszólagos területe. Közeli kicsi és távoli nagy objektumra ez egyenlő lehet (távolságszabály négyzetes arány). Mértékegység: szteradián (sr)

6 Radiometriai segédmennyiségek P pontszerű sugárzó kibocsájtott teljesítménye lehet hullámhosszfüggő. X mennyiség hullámhosszfüggését λ-val jelöljük: X(λ). Az eloszlás a következő ábrán a hullámhossz szerinti derivált függvény, azaz ennek az integráltja adja ki magát a mennyiséget (azaz a görbe alatti terület).

7 Színképfüggő mennyiségek hullámhossz függés: X() szűrő áteresztés színképi eloszlás: dx/d X Katódsugárcsöves monitor fényporainak színképi eloszlás

8 Radiometriai mennyiségek Megnevezés Term Jele Egysége sugárzott energia radiant energy Q joule, 1 J 1 kgm 2 s -2 sugárzott radiant flux vagy F watt (Js -1 ) teljesítmény (power) besugárzás irradiance E Wm -2 sugárerősség radiant I Wsr -1 intensity sugársűrűség radiance L Wm -2 sr -1

9 sugárzott teljesítmény teljesítmény eloszlás sugárzott energia Radiometriai mennyiségek összefüggései, F watt (Js -1 ) d/d Wm -1 Q Φ dt Q joule, 1 J 1 kgm 2 s -2 besugárzás E d /da E Wm -2 sugárerősség I d /d I Wsr -1 sugársűrűség L d 2 /(ddacos) L Wm -2 sr -1

10 Besugárzás Adott felületelemre beeső sugárzott teljesítmény és a felületelem hányadosa. E d /da d da

11 Sugárerősség, pontszerű forrás A sugárerősség fogalmát csak pontszerű sugárforrásra értelmezhetjük: az adott pontból az adott irányba, az elemi térszögbe kisugárzott sugárzott teljesítmény: d I P d I d /d

12 n d A Sugársűrűség L d A sugárzó felület da felületeleme által a felület normálisától (n) szögre elhelyezkedő irányban, a d elemi térszögben kibocsátott d sugáráram L d 2 /(ddacos), spektrális sugársűrűség: L dl /d = d 3 /(ddacosd)

13 Távolságtörvény (inverse square law) d Id d da 2 /d 2 d d A 2 d /da 2 E 2 P d (Id)/dA 2 (IdA 2 )/(da 2 d 2 ) d = E 2 I / d 2 (besugárzás = sugárerősség / d 2 )

14 Lambert sugárzó Lambert radiator sugársűrűsége szögfüggetlen: L() const.; L(,) const. L d n d P d A

15 Tükrös és diffúz reflexió

16 Lambert (reflektáló) felület egyenletesen diffúzan reflektáló felület nincs tükrös reflexiója reflexiós együttható: = refl / be refl = be cosa. r a reflektált sugársűrűség irányfüggetlen: L refl (d)= const.

17 Lambert reflektáló megvilágítás: E visszavert sugárzás, a sugársűrűség irányfüggetlen: L E beeső sugárnyaláb reflektáló felület felület normálisa visszavert sugár sugársűrűségi vektor

18 Fotometria az optikai sugárzást a látószerv színképi érzékenységének megfelelően értékeli vizuális alapkísérlet: fényinger egyenlőség színes vizsgáló sugárforrás összehasonlító sugárforrás

19 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)

20 Villogásos fotométer elvi felépítése körszektor összehasonlító sugárzás forrása tükör motor monokromátor féligáteresztõ tükör megfigyelõ szeme fényrekesz vizsgálandó sugárzás forrása sugárzás mérõ

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

22 Láthatósági függvények 1 0,9 0,8 rel. érzékenység 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 V'( ) V( 0,2 0, hullám hossz, nm

23 A fotometria kísérleti alapja szimmetria: ha AB, akkor BA; tranzitivitás: ha AB és BC, akkor AC; arányosság: ha AB, akkor aaαb; additivitás: ha AB, CD 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. AL V(), általánosítva a sugárzás teljesítmény-eloszlását írhatjuk: S V().

24 A fotometria alapjai a fenti összefüggések alapján a monokromatikus komponenseket összegezhetjük: S V( ) 780nm V k ) e, V( 380nm d ez adja a fotometria és radiometria kapcsolatát. Itt pl.: fényáram sugáráram. fotom.index: V, rad.index: e

25 A fotometria alapjai Nappali (fotopos) látás: V(), csapok közvetítik sötétben (szkotopos) látás: V (), pálcikalátás; szembíbor (rhodopsin), additivitás és proporcionalitás fennáll: 780nm ' ' e, v k 380nm V' ( ) d

26 Fotometriai mennyiségek és egységek - 1 k és k konstansok: 780 nm K e, ( ) V( ) v m 380 nm d ahol K m = 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.

27 Fotometriai mennyiségek és egységek - 2 fényerősség a pontszerű fényforrásból adott irányban, infinitezimális (nagyon kicsi) térszögben kibocsátott fényáram és a térszög hányadosa: I v d d v jele: cd, egysége: kandela, 1 cd = 1 lm/sr

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

29 A fényáram származtatása a fényerősségből 1 m = 1 sr 1 m 2 1 cd fényerõsségû pontszerû fényforrás

30 Fénysűrűség a da 1 felületelemet elhagyó (azon áthaladó vagy arra beeső) és adott irányt tartalmazó d térszögben sugárzott dffényáramnak, valamint az elemi térszögnek és a felületelem adott irányra merőleges vetülete szorzatának hányadosa: d 2 d L v 2 d v dda cos 1 1 da 1 egysége:cd/m 2, jele: L v

31 Megvilágítás Az adott pontot tartalmazó felületelemre beeső fényáramnak és ennek a felületelemnek a hányadosa E d / v da 2 egysége: lux, jele:lx; 1 lx = 1 lm/m 2

32 Kontraszt, kontrasztviszony kontraszt: ahol L t a jel (target) fénysűrűsége L b a háttér (background) fénysűrűsége kontrasztviszony: c c v L t L L L t b b L b

33 Hatásfok, fényhasznosítás sugárzási hatásfok, jel: a sugárzó sugárzott és felvett teljesítményének hányadosa sugárforrás fényhasznosítása, egysége: lm/w a kibocsátott fényáram és a sugárzó által felvett teljesítmény hányadosa

34 Fényforrások fényhasznosítása Fényforrás típusa Fényhasznosítás (lm/w) Hagyományos izzólámpa 14,4 Halogén izzólámpa 17 Kompakt fénycső 85 Nagynyomású fémhalogén lámpa 90 Nagynyomású Na-lámpa 116 Kisnyomású Na-lámpa 206

35 Mezopos fotometria CAD laboratóriumokban és irányító központokban előforduló számítástechnikusi feladat útvilágítás 3 cd/m 2 és 10-3 cd/m 2 közötti fénysűrűség tartomány szem színképi érzékenysége V(l)-tól V (l) felé tolódik el.

36 Szkotopos, mezopos és fotopos tartomány lg( cd/m ) szkotopos mezopos fotopos

37 Láthatósági függvények 1 0,9 0,8 rel. érzékenység 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 V'( ) V( 0,2 0, hullám hossz, nm

38 Fényhasznosítás változása L, lámpa: cd/m 2 Na cd/m 2 Hg Fotopos: 0,05 0,05 Mezopos: 0,028 0,061 Szkotopos: 0,01 0,07 Különbség világosság észlelet és részletfelismerés között!

39 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

40 Grassmann törvények 1. 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. 2. Színegyezés létrehozásához csak a választott alapszíninger a lényeges, a színképi összetétele nem. 3. Az egyes színingerek erősségének folyamatos változtatásának hatására az eredő színinger is folyamatosan változik.

41 Az additív színegyeztetés összehasonlító fényforrások alapkísérlete intenzitást szabályozó fényrekesz vizsgálandó fényforrás

42 Additív színegyeztetés Fennáll a disztributivitás, additivitás és proporcionalitás törvénye Összehasonlító színingerek: vörös: 700 nm zöld: 546 nm kék: 435 nm

43 Színinger-megfeleltető függvények (colour matching functions) rgb színegyeztető fg. 0,40 0,35 0,30 0,25 G( ) R( ) 0,20 B( ) 0,15 0,10 0,05 0,00-0, ,10-0,15 hullámhossz, nm r( ), g( ), b ( )

44 Színinger-összetevők vagy tristimulusos értékek R k S r ( ) d G k S g( ) d B k S b ( ) d

45 CIE 1931 színingermérő rendszer

46 CIE XYZ trirtimulusos érték (színinger-összetevők), önvilágítók (fényforrások) X k S x( ) d; Y k S y( ) d; Z k S z( ) d ( x( ), y( ), z( )) a színinger-megfeleltető függvények Az y függvény azonos a V(l) függvénnyel, k=683 lm/w

47 szín(inger-) vagy színességi koordináták x X X Y Z y X Y Y Z

48 Szín(inger-) vagy színességi 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 520 nm 510 nm 500 nm 540 nm G diagram 560 nm 580 nm R, G, B: katódsugárcsöves monitor alapszíningerei y 0,4 0,3 0, K 7000 K K 2000 K 600 nm R 650 nm Planck sugárzók vonala 0, nm B 450 nm 400 nm 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 x

49 A színességi diagram színes ábrája

50 Másodlagos sugárzók (nem önvilágítók) színmérése d x S k X ) ( ) ( ) ( d y S k Y ) ( ) ( ) ( d z S k Z ) ( ) ( ) ( d 1 ) ( ) S( y k ahol S(l) a megvilágító sugárforrás színképi teljesítményeloszlása r(l) a minta spektrális reflexiója

51 Szabványos sugárzáseloszlások és fényforrások CIE A sugárzáseloszlás CIE D65 sugárzáseloszlás további napplai sugárzáseloszlások, grafikus iparban: D50 CIE A fényforrás CIE D65 szimulátor

52 CIE A sugárzáseloszlás L e, c1 2hc 0 (, T ) 2 c2 C1 5 T 1 ( e 1) ahol: c 0 = /- 1,2 m/s 2 c 2 hc o / k (1, , ) 10 m h 6, J s K k ( , 0, ) J/K

53 CIE A- és D65 sugárzáseloszlás színképe

54 CIE 1931 és 1964 színingermérő rendszer 2 -os látószög: CIE os látószög: CIE 1964 x 10( ), y10( ), z10( ) val X 10 (), Y 10 (), Z 10 () színinger összetevők számítása