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

,8 7-7 10x,8 3-8 10 - ma G ma 41- m - zok 10 Elektromágneses színkép m -7 10x zssoh mlál ló áh TV mlál UV nö R su ik -.rt, k t le az E 6 10 ió dár uh AM FM & - or ik uh M -5 10 IR tó -t ah ál -t neg 8 c 3 10 m/ s

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

C) annet E na E Az elektromágneses sugárzás terjedése E soc B) mlál uh.t p O in E s E soc H A)

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/r 2

radiometriai mennyiség radiometriai mennyiség Színképfüggő mennyiségek 3,5E-06 3,0E-06 2,5E-06 2,0E-06 1,5E-06 1,0E-06 5,0E-07 0,0E+00 400 450 500 550 600 650 700 hullámhosszúság [nm] izzólámpa kompaktfénycső 2,0E-06 1,5E-06 hullámhossz függés: X( ) szűrő áteresztés színképi eloszlás: dx/d X Katódsugár-csöves monitor fényporainak színképi eloszlás 1,0E-06 5,0E-07 0,0E+00 400 450 500 550 600 650 700 hullámhosszúság [nm] RGB LED fényporos LED

Radiometriai mennyiségek Megnevezés Term Jele Egysége sugárzott energia radiant energy Q joule, 1 J 1 kg m 2 s -2 sugárzott radiant flux vagy F watt (J s -1 ) teljesítmény besugárzás irradiance E W m -2 sugárerősség radiant I W sr -1 intensity sugársűrűség radiance L W m -2 sr -1

Radiometriai mennyiségek összefüggései sugárzott teljesítmény teljesítmény eloszlás sugárzott energia, F watt (J s -1 ) d /d W m -1 Q Φ dt Q joule, 1 J 1 kg m 2 s -2 besugárzás E d /da E W m -2 sugárerősség I d /d I W sr -1 sugársűrűség L d 2 /(d da cos ) L W m -2 sr -1

Ad Fd Besugárzás E d /da

I d d P Sugárerősség, pontszerű forrás I d /d

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

2 A d d d d Távolságtörvény (inverse square law) d I d d da 2 /d 2 d /da 2 E 2 (I d )/da 2 (I da 2 )/(da 2 d 2 ) = E 2 I / d 2 P

2 A d A Általánosított távolságtörvény d a 2 a 2 n 1 d 1 n 1 de 2 (L cos a 1 cos a 2 da 1 ) / d 2

Lambert sugárzó Lambert radiator sugársűrűsége szögfüggetlen: L( ) L(, ) const. d L Ad n d P

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

a isl á rmont le lü ef Lambert reflektáló megvilágítás: E visszavert sugárzás, a sugársűrűség irányfüggetlen: õseeb ûsr águstr evazs is v águs b lá aynr k lef er i gésûr r r to kev águs t le lü ef ló át L E

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

sárr ofr sárr ótíl ofr nosahezssö águs ló ágsizv sení zs Fotometria az optikai sugárzást a látószerv színképi érzékenységéne k megfelelően értékeli vizuális alapkísérlet: fényinger egyenlőség águs

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)

6 3 Villogásos fotométer elvi felépítése 4 1 lõeyigf gem rök tü teáig nosahezssö e emzs tõzs re l fé rõémsázrágus rök tü r toom zsek reynfé fo as rár ódnlaágsizv sázrágus r toá sázrágus tólí rom konom as rár fo r tokezsrök

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)

rel. érzékenység Láthatósági függvények 1 0,9 0,8 0,7 V'( ) V( ) 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 hullám hossz, nm

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( ) 780nm k V( ) V e, 380nm d 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: 780nm ' ' v k e, 380nm V' ( ) d

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.

6 5 sopot 4 3 of 2 1 sopoze m -2-1 0 ) sopot -3 ² -4 /mdc( okzs lg -5 Fotopos, mezopos, szkotopos fotometria

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

A kandela definiciója A kandela fényerősség SI egysége: azon 540.10 12 Hz frekvenciájú monokromatikus sugárzást kibocsátó fényforrás fényerőssége adott irányban, amelynek sugárerőssége ebben az irányban 1/683 W/sr.

m1 nop dc 1 A fényáram származtatása a fényerősségből ûgéss õr ey néf r m1 2 s 1 = sárr of y néf ûr ezst

d 1 da Fénysűrűség a da 1 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: d 2 F L v 2 v Ω A cos 1 1 egysége:cd/m 2, jele: L v

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