A SZÍNEKRŐL IV. RÉSZ A műszeres színmérés Dr Wenzel Klára egyetemi magántanár Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Budapest, 2011
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)
Az elektromágnenes spektrum
Folytonos és vonalas spektrum
Az elektromágnenes spektrum
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
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
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
A Planck-sugárzó (MSz 9620)
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 * 10-16 W*m2 1 c 2 = 1,43879 * 10-2 m*k
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.
A színhőmérséklet Ha az adott sugárzó színpontja a Planck sugárzó vonalára esik, a színhőmérsékletet a Planck sugárzó vonalán feltűntetett hőmérséklettel jellemezzük Mértékegysége: K (Kelvin)
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.
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
Energiatakarékos izzó spektrális energiaeloszlása
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)
Színes felületek spektrális reflexiója
A reflexió (visszaverés) típusa Tükrös visszaverés Diffúz visszaverés A tökéletes diffúz visszaverő felület: a Lambert sugárzó Vegyes visszaverés
A reflexió (visszaverés) típusa
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
áteresztési v. transzmissziós tényező: áteresztési v. transzmissziós tényező: Az áteresztett ( ) és a beeső ( 0) sugárzott teljesítmények aránya
Fényképészeti színszűrők
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( ) * ( ) * ( )
A színinger függvény kialakulása
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
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
Relative luminosity A fényhatásfok függvény, V( ) (relatív világossági vagy luminozitási függvény) 1,0 V'( ) V( ) 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 300 400 500 600 700 800 Wavelength, nm V( ) a nappali (fotopikus) fényhatásfok függvény V ( ) az esti (szkotopikus) fényhatásfok függvény
A spektrális fényhatásfok függvény vagy láthatósági függvény (V,V )
Energetikai és fénytechnikai mértékegységek MSz 9620 Felületről kisugárzó mennyiségek Felületre besugárzott mennyiségek
A fénytechnikai mennyiségek alapja: a fényerősség (MSz 9620) Kandela (Régen: normálgyertya ) A fényerősség SI egysége: a fekete sugárzó 1/600000 négyzetmétenyi feületének fényerőssége a felületre merőleges irányban, a platina dermedési hőmérsékletén. Jele: cd = 1 lm/ sr
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
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
A spektrofotométerek
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
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
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
A spektrofotométerek típusai A mérendő mennyiség szerint: Transzmissziós spektrofotométer Reflexiós spektrofotométer Spektroradiométer A spektrumtartomány szerint: UV spektrofotométer VIS spektrofotométer IR spektrofotométer
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
Diszperziós elemek
Interferencia szűrős monokromátor szűrő-karusszele Diszkrét hullámhosszak 20 nm-enként
Diszperziós prizma
Az optikai rács
Diffrakciós rács előállítása karcolással
Diffrakciós rács előállítása interferenciás eljárással
Holografikus rács
Sík- és konkáv holografikus rács előállítása
Rács profilok
A rácshatásfok
A monokromátorok
Optikai rács alkalmazása monokromátorban Hullámhossz váltás a rács forgatásával
Konkáv holografikus rácsos monokromátor vonal-detektorral
Konkáv holografikus rácsos monokromátor vonal-detektorral
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
A reflexió (visszaverés) formái
A spektrális reflexiómérés egyik szabványos mérési geometriája
A spektrális reflexió mérés szabványos mérési geometriái
Alkalmazási példák
Carl Zeiss Jena, Specord UV VIS (1976) regisztráló transzmissziós spektrofotométer Két fényutas Prizmás Spektrum tartomány: UV 50 000 28 000 /cm VIS 30 800 12 500 /cm Átszámítás: = 1 / UV 200 360 nm VIS 325 800 nm Sávszélesség: < 1 nm Pontosság: +/- 0.5 % Ismétlőképesség: +/- 0.2 % Szórt fény: < 1 % Méret: 1100mm x 615 mm x 320 mm Súly: 160 kg
Jobin-Yvon spektrofotométer 1973-ból MF320 Wavelength range: 320 800 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 0.002 A per hour Weight: 15 kg
Debrunner Mess-, Prüftechnik, The LI- 1800 Portable Spectroradiometer Wavelength range: 300 850 nm Bandwidth: 4 nm Wavelength Accuracy: +/- 1.5 nm Wavelength Repeatability: +/- 0.5 nm Grating: 1200 grooves/mm
Hitachi, the U 300 Double Beam UV / VIS Spectrophotometer Monochromator: Aberration-corrected grating monochromator Wavelength range: 190 900 nm Spectral Bandpass: 0.1 6 nm Stray light: less than 0.015 % Wavelength Accuracy: +/- 0.3 nm Wavelength Reproducibility: +/- 0.05 nm Photometric Modes: Abs, T %, R %, E Dimensions: 670 x 620 x 330 Weight: 60 kg
A színmérő műszerek
A vizuális színmérés 1,3 Szabványos színminták (pl Munsell) 2 Vizsgált minta (pl paradicsom püré) 4 Szabványos megvilágítást biztosító szekrény (pl Machbet- féle)
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
A tristimulusos színmérés A tristimulusos színmérő műszerek színszűrőinek tervezési alapelve:
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: 780 380 ( ) x( ) d f( ) = S( ) * ( ) a színinger függvény S( ) valamely CIE szabvány szerinti fényforrás teljesítmény eloszlása r( ) a vizsgált színes felület spektrális reflexiója
Konica-Minolta 2600 CM-2600d színmérő műszer D/8 diffúz megvilágítás (integráló gömb: 52) 360...740 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
Minolta Chroma Meter Measuring Modes: Chromaticity: Color Difference: +/- Yxy Display: 16 charactersx 2 lines Print out: 24-character thermal-dot printer Weight: 890 g
DATACOLOR Handy spektrofotométer, 2000
A Handy spektrofotométer vázlata
0,35 0,3 0,25 A 25. számú színetalon spektruma (a frekvencia függvényében) 0,2 0,15 0,1 0,05 0 380 390 400 410 420 430 440 450 460 470 480 490 500 510 520 530 540 550 560 570 580 590 600 610 620 630 640 650 660 670 680 690 700 710 720 730 740 750 760 770 780
0,5 A 78. számú színetalon spektruma (a frekvencia függvényében) 0,4 0,3 0,2 0,1 0 380 470 390 480 400 490 410 500 420 510 430 520 440 530 450 540 460 550 560 570 580 590 600 610 620 630 640 650 740 660 750 670 760 680 770 690 780 700 710 720 730
Avantes száloptikás univerzális spektrofotométer Építőkocka- elv Miniatürizálás UV/VIS/NIR Transmissio, reflexio, emissio, absorptio 200 1100 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
Az AVANTES spektrofotométer és színmérő műszer optikai vázlata
Alkalmazás spektrális absorpció/transzmisszió méréshez
Alkalmazás spektrális emisszió méréshez
Alkalmazás LED spektrális emisszió méréséhez
Alkalmazás színméréshez
VÉGE