Optika és látórendszerek április 23.

Átírás

1 Optika és látórendszerek április 23.

2 Tematika Energetikai szempontok optikai rendszerek alkalmazása esetén Radiometria és fotometria Sugárzási törvények A fénykibocsátás típusai Fényforrások Példák

3 Radiometria és fotometria A fény szót használják a látható tartományon kívül található optikai sugárzás megnevezésére is, azonban szigorú értelemben a fény a CIE fénymérő észlelő szerint súlyozott sugárzás. Tapasztalati tények alapján állítható, hogy a fénynyalábban energia áramlik, és ezen energia áramlásának irányát a fénysugarak iránya adja meg. A fényforrások által kisugárzott fény a látható összetevő mellett láthatatlan sugárzást is tartalmaz, így a teljes sugárzási energiának csak egy része a látható fény által szállított fényenergia.

4 Radiometria és fotometria Az optikai sugárzás a kb. 1 nm hullámhosszúságú röntgensugárzás és a kb. 1 mm hullámhosszúságú rádiósugárzás hullámtartománya közé eső elektromágneses sugárzás. Amennyiben e sugárzás teljes sugárzási energiája szerint értékelő mennyiségeket vizsgáljuk radiometriai mennyiségekről beszélünk, ha azonban a CIE fénymérő észlelő szerint értékelő mennyiségeket vizsgáljuk, akkor fotometriai mennyiségekről beszélünk.

5 Radiometria és fotometria Ha a fényforrások által kisugárzott fényben megjelenő energia terjedésének törvényeit vizsgáljuk, akkor azt a radiometria eszközeivel tesszük. Ha figyelembe vesszük azt, hogy az emberi szem a különböző spektrális összetételű, de azonos teljesítményű fényforrásokat másképpen érzékeli, akkor a jelenségeket a fotometria fogalmaival írjuk le, tehát a fotometriában a fény energetikai jellemzőinek meghatározásakor tekintetbe vesszük az emberi szem spektrális érzékenységét is, és a méréseket etalon fényforrásra vezetjük vissza. Tehát a radiometriai illetve a fotometriai mennyiségek között a kapcsolatot az emberi szem spektrális érzékenysége teremti meg.

6 Térszög Egy R sugarú gömbből kimetszett S felület és a gömb sugara négyzetének arányát nevezzük térszögnek. Mértékegysége a szteradián. Egységnyi sugarú gömb esetén a lehetséges legnagyobb, az egész teret befogó térszög mértéke 4pi sr

7 Az emberi szem érzékenysége

8 Radiometriai és fotometriai mennyiségek és egységek

9 Sugárzási teljesítmény - fényáram Ha valamely főnyaláb adott metszetén dt idő alatt dw e sugárzási energia, illetve dw v fényenergia áramlik át, akkor a teljesítmény jellegű sugárzási teljesítményt (energiaáramot), illetve a fényáramot tudjuk definiálni. dw Φ = v Φ v = e e dt A sugárzási teljesítmény mértékegysége a watt, a fényáramé a lumen. dw dt

10 Sugárerősség - fényerősség A sugárerősség a sugárforrást elhagyó, az adott irányt tartalmazó dω térszögben terjedő df e sugárzott teljesítmény és a dω térszög hányadosa. (egysége a W sr 1.) Fotometriai értelemben ezzel analóg mennyiség a fényerősség, amely a fényforrást elhagyó, az adott irányt tartalmazó dω térszögben terjedő df v fényáram és a dω térszög hányadosa. (egysége a candela=lumen sr 1 ) I e = d Φ d Ω e I v = d Φ v d Ω

11 Jellemző fényerősség értékek Néhány fényforrás fényerőssége [cd] viaszgyertya 1 petróleumlámpa W-os kriptonizzó 120 W-os vetítőlámpa A-es ívlámpa mozigép vetítőlámpa

12 Candela A candela (cd) az SI-rendszer alapmértékegysége, és definíció szerint olyan fényforrás fényerőssége adott irányban, amely Hz frekvenciájú monokromatikus fényt bocsát ki, és sugárerőssége ebben az irányban 1/683 watt/szteradián, azaz a fekete sugárzó 1/ cm 2 -nyi felületének fényerőssége a felületre merőleges irányban, a platina dermedési hőmérsékletén, Pa nyomáson.

13 Sugársűrűség - fénysűrűség A sugársűrűséget adott irányban az I e sugárerősségnek és a ds felületelem látszólagos nagyságának, a ds cos ϑ vetületnek a hányadosa és mértékegysége W m 2 sr 1. A fénysűrűség, a fényforrás felületi fényessége vagy világossága adott irányban, az I v fényerősségnek és a ds felületelem látszólagos nagyságának, a ds cosϑ vetületének a hányadosa, mértékegysége a cd.m 2.

14 Fontosabb fényforrások fénysűrűsége Éjszakai égbolt 10-7 cd/m 2 Hold 0,25 cd/m 2 Szürke égbolt 0,3 cd/m 2 Kék égbolt 1 cd/m 2 Gyertyafény 1 cd/m 2 Izzólámpa / matt / 5-40 cd/m 2 Napfény a láthatáron 600 cd/m 2 Napfény napközben cd/m 2 Xenon-gáztöltésű lámpa cd/m 2

15 Besugárzott teljesítmény - megvilágítás A besugárzott teljesítmény a felület egy adott pontján az oda beeső df e sugárzási teljesítmény és a felületelem ds területének a hányadosa, egysége a W m 2. A megvilágítás a felület egy adott pontján az oda beeső df v fényáram és a felületelem ds területének a hányadosa, egysége: lux = lm m 2. E e d e = Φ ds E v d = Φ v ds

16 Fontosabb megvilágítás értékek Napfény nyáron lux Napfény télen lux Átlagos nap nyáron lux Átlagos nap télen lux Telihold 0,2 lux Holdfogyatkozás éjjel 0,0003 lux

17 Az emberi munkavégzéssel kapcsolatos megvilágítás szintjeinek jellegzetes értékei lux, nagyon erős megvilágítás lux, erős megvilágítás lux, normál megvilágítás lux, gyenge megvilágítás lux, tájékozódó fény 1-50 lux, járásfény, járás-megvilágítás, vészvilágítás

18 Pontszerű fényforrás Azt a fény- vagy sugárforrást, melynek méretei a forrás és az érzékelő közötti távolsághoz képest kicsik, pontszerű forrásnak nevezzük. Az ilyen források fényét a geometriai optika egyenesekkel, a fénysugarakkal jellemzi. Ilyen forrásnak tekinthető a Nap, az ívfény, a fény szóródását biztosító, bura nélküli izzó. Pontszerű fényforrások alkalmazása esetén a fényforrás és a felület megvilágítási viszonyaira a távolságtörvény a jellemző, mely szerint pontszerű fényforrás esetén a fényforrás megvilágítása a felülettől való távolság négyzetével arányosan csökken.

19 Lambert sugárzó A pontszerű sugárzók kemény fényével ellentétben definiálhatók olyan források, amelyek lágy fényt sugároznak. Az ilyen típusú sugárzást nevezzük szórt vagy diffúz fénynek. Tulajdonsága, hogy az árnyékhatás jelentéktelen. Nem érvényesek rá a pontszerű fényforrások törvényszerűségei. Az ideálisan diffúz felületet az ún. Lambert-féle felület, amit a Lambert-féle koszinusztörvény jellemez. E törvény kimondja, hogy a visszaverő felület fényerőssége a felület normálisával bezárt szög koszinuszával arányos.

20 Lambert-törvény I v = I 0 cosε A Lambert-törvény alapján könnyen belátható, hogy a fénysűrűség azért állandó bármely irányból tekintve, mert a csökkentett intenzitást egy szintén a szög koszinuszával arányosan csökkenőnek látszó felület sugározza ki.

21 Sugárzási törvények Fekete test Fehér test Átlátszó test Egy testre eső teljes sugárzó energiamennyiségből az adott mennyiséget elnyel, adott mennyiség róla visszaverődik, és rajta áthalad. Ez alapján definiálható egy elnyelőképesség (abszorpciós tényező), egy visszaverőképesség (reflexiós tényező), és egy átbocsátóképesség (transzmissziós tényező), melyek összege egységnyi.

22 Sugárzási törvények Egy test emisszióképessége azt jelenti, hogy az terület- és időegységenként mennyi energiát sugároz ki. Ez a saját sugárzása, amely a test hőmérsékletétől és fizikai tulajdonságaitól függ. Emellett a testre más testek által kisugárzott energiamennyiség is sugárzódik, ezt nevezzük beeső sugárzásnak.

23 A Planck törvény segítségével kiszámítható a sugárzás intenzitásának nagysága fekete test esetén, adott sugárzó testre vonatkozó abszolút hőmérséklet és a sugárzási hullámhossz esetén. Planck-törvény

24 Planck-törvény

25 Wien-féle eltolási törvény

26 Wien-féle eltolási törvény

27 Stefan-Boltzmann-törvény

28 Fénykibocsátás típusai hőmérsékleti sugárzás, amit minden az abszolút nulla foknál magasabb hőmérsékletű test bocsát ki. lumineszcencia sugárzás keletkezik, amikor atomi vagy molekuláris rendszer ütközési, vagy egyéb folyamat okán az alap energiaállapothoz képest magasabb, gerjesztett állapotba kerül, majd abból szintén többféle folyamat során jut vissza az alapállapotba. Lumineszcencia esetén, a két energiaszint közötti energiakülönbséget a rendszer a gerjesztést követően 0,1 ns-nál hosszabb idő múlva foton formájában sugározza ki.

29 A lumineszcencia főbb típusai Biolumineszcencia élő organizmusoktól eredő fényjelenség Kemolumineszcencia kémiai reakciókból eredő fényjelenség Elektrolumineszcencia áram által okozott fényjelenség Katódlumineszcencia elektronsugár által létrehozott lumineszkálás Piezolumineszcencia bizonyos szilárd anyagok nyomásakor keletkező lumineszkálás Tribolumineszcencia anyagok karcolása, dörzsölése, eltörése során keletkező fényjelenség Fotolumineszcencia fény abszorbeálása után keletkező fénykibocsátás Fluoreszkálás abszorpció után azonnali fénykibocsátás Foszforeszkálás abszorpció után késleltetett fénykibocsátás Radiolumineszcencia ionizálás hatására keletkező fénykibocsátás Cserenkov-sugárzás gyorsuló töltések elektromágneses sugárzást bocsátanak ki, melynek van látható fény része is.

30 Fluoreszkálás - foszforeszkálás Fluoreszkálás során az anyag elnyel különböző hullámhosszúságú elektromágneses sugárzásokat és ennek hatására fényt bocsát ki a bejövő sugárzástól eltérő hullámhosszon. Foszforeszkálás során a foszforeszkáló anyag nem azonnal sugározza ki azt a sugárzást, amelyet korábban abszorbeált. Tehát a fluoreszkálás során tehát a hideg test fotonokat nyel el, amelyeket utána nagyobb frekvenciájú, tehát kisebb energiájú fény formájában kisugároz. Az elnyelt fény lehet akár az ibolyán túli tartományban is, de a kisugározott már látható tartomány. Ezzel szemben a foszforeszkálás során a hideg tárgy azt a fényt sugározza ki, amit elraktározott de nem azonnal, mint a fluoreszkálás esetében, hanem a kisugárzás elhúzódhat akár órákig is.

31 Sarki fény A Napból érkező töltött részecskéket a földi magnetoszféra eltéríti, a mágneses pólusok körüli tartományban azonban bejutnak a légkörbe. A részecskék ütköznek a légkör atomjaival, ionizálják és gerjesztik az atomokat, a gerjesztett atomok pedig fénykisugárzással térnek vissza alapállapotukba.

32 Fényforrások Halogén lámpa esetén a burán belüli gáz segítségével jön létrejön a halogén körfolyamat. Ennek során az izzószálból távozó oldott wolfram képes visszaépülni, így nem történik meg a szálszakadás olyan rövid idő alatt mint vákuumban. A fénycsövekben argon töltet található és kevés higany. Az ilyen felépítésű lámpa fénye kifejezetten az UV tartományra korlátozódik. Az ilyen (bevonat nélküli, áttetsző) fénycsöveket nevezik germicid fénycsöveknek, csírátlanításra használják. Ahhoz, hogy fehér fényt nyerjünk, a fénycsövek belső felét lumineszcens fényporral vonják be, amely az UV sugárzást elnyeli és helyette más hullámhosszúságú összetevőket bocsát ki. A indukciós lámpáknál a szabad elektronok gerjesztését elektromos előtér biztosítja, amit egy tekercs indukál. Kisnyomású nátriumlámpa alkalmazása esetén a nátrium gerjesztése miatt a kibocsátott fény színképe csupán egyetlen sávból áll,így közel monokromatikus sárgának tekinthető, A kibocsátott fény hullámhossza az emberi szem érzékenységi görbéjének közel a maximum pontjánál található, nagyon magas a fényhasznosítása. Rossz a színvisszaadása. Nagynyomású kisülőlámpákban, a kisülő-csőben megnövelt értékű a nyomás, a színképben a sávok kiszélesednek, a folyamatosabb színkép miatt jelentősen jobb a színvisszaadás. Higanylámpa a fénycsőhöz hasonló, egy nagyobb nyomáson működtetett higanygőz kisülőlámpa. A színképe eltolódott az UV tartományból, kék és zöldes hullámhosszokon sugároz. Fémhalogén lámpa egy fémhalogenid adalékolású kisülőlámpa. Három típusa ismert: az adalékos fémhalogén lámpa, a ritka földfém adalékos kisülőlámpa, a kerámia fémhalogén kisülőlámpa. A nagynyomású nátriumlámpa hasonlít kisnyomásúhoz, a megnövelt nyomás miatt a színkép kiszélesedett spektrumú, jobb a színvisszaadása. Jellegzetes sárga fényét közvilágítási célokra használják. A xenonlámpákat tiszta xenonnal töltik. Vonalgazdag spektruma folytonos az UV tartománytól egészen az infravörösig. Színvisszaadása nagyon jó. Elektromos táplálása egyenárammal történik. Egyik ismert típusa a villanólámpa.

33 Félvezető alapú fényforrások A félvezető alapú fényforrások a LED-ek ( Light Emitting Diode), a fényemittáló diódák. A fénykibocsátás egy p-n félvezető átmenetben történik, ahol a töltéshordozók gerjesztése és rekombinációjából származó többlet energia foton formájában távozik. A kisugárzott fény keskeny sávszélességű, és az, hogy a spektrumon hol helyezkedik el, a diód kialakításához felhasznált anyagtól függ. Az anyag összetételének függvényében szinte a teljes spektrum összeállítható.

34 LED kialakításához alkalmazott ismertebb összetevők Anyag Gallium-arzenid (GaAs) Gallium-alumínium-arzenid (AlGaAs) Gallium-arzenid-foszfid (GaAsP) Gallium-foszfid (GaP) Gallium-nitrid (GaN) Cink-szelenid (ZnSe) Szilícium-karbid (SiC) Indium-gallium-nitrid (InGaN) Gyémánt (C) Szín infravörös vörös és infravörös vörös, narancs és sárga zöld zöld kék kék kék ultraibolya Hullámhossz 940 nm 890 nm 630 nm 555 nm 525 nm ~500 nm 480 nm 450 nm 400 nm