FÉNYTAN VILÁGÍTÁSTECHNIKA 2012-2013 1
A FÉNY A fény az emberi szem számára érzékelhető elektromágneses sugárzás. amely a szemben fényérzetet kelt, és ezáltal látható A látható fény hullámhossza a kék sáv körülbelül 380 nm-es hosszától a piros sáv 780 nmes hosszáig terjed (nm = nanométer = a milliméter egymilliomod része). A szem érzékenysége a skála elején és végén alacsony, így csak a 400 nm-es és 700 nm-es közti hullámhosszt érzékeli. A sugárzás hullámhossza Λ (lambda ) az az út, amelyet az elektromos hullám egy teljes rezgés, tehát két hullámhegy csúcspontja, alatt megtesz. 2
A Fény kettős természetének meghatározása Cristian Huygens 1629-1695 hullám Isaac Newton 1642-1727 részecske Albert Einstein 1879-1955 foton/hullám A fény egyszerre részecske és hullám. Ugyanabban a pillanatban nem lehet mindkettő, néha részecskeként, néha hullámként viselkedik. A fény olyan elektromágneses hullám, amely kvantumokban, úgynevezett fotonokban továbbít energiát. A fény a sugárzó energia egy formája. elektromágneses hullám frekvenciája meghatározható energia (energia által keletkezik és megszűnésekor energiává alakul). 3
Frekvencia alapján a következő sugárzásokat különböztetjük meg: - Monokromatikus sugárzás, amelyet egyetlenegy frekvencia jellemez, vagy amelynek olyan kicsi a frekvencia-, ill. a hullámhossztartománya (sávja), hogy egyetlenegy frekvenciával jellemezhető. -Összetett sugárzás az, ha a sugárzás egyidejűleg több hullámhosszon történik. A fehér fényben a látható tartományba eső valamennyi hullámhosszúságú fény megtalálható. A tartomány frekvenciahatárai: 750 ezer GHz 375 ezer GHz. A frekvencia Υ (nü) mértékegysége a Hertz (Hz), mely az egy fix ponton 1 sec. alatt megtett teljes rezgések számát mutatja. 4
Láthatóság alapján a következő sugárzásokat különböztetjük meg: Láthatatlan sugárzás az olyan elektromágneses sugárzás, amely közvetlenül nem képes látásérzetet kelteni, ilyen sugárzás -az infravörös sugárzás, amely 1mm-nél kisebb hullámhosszúságú monokromatikus sugarakból tevődik össze. (a látható sugárzásénál nagyobb a hullámhossza) -az ultraibolya sugárzás, amelynek hullámhossza kb. 1-400 nm. (a látható sugárzásénál kisebb a hullámhossza) Látható sugárzás az olyan elektromágneses sugárzás, amely közvetlenül képes látásérzetet kelteni. Csak azon elektromágneses sugárzások keltenek a szemben fényérzetet, melyek hullámhossza a 380 nm és 780 nm közé esik. Általánosságban azt mondhatjuk, hogy a látható fény szemünk számára az infravörös tartománytól az ultravioláig tart. 5
Látható sugárzás Az optikai sugárzás 380 nm - 780 nm közötti tartománya, ami az átlagos emberi szemben fényérzetet vált ki. Látható sugárzás FÉNYINGER Látóidegek FÉNYÉRZET FÉNYÉSZLELET SZFI 2012 6
Az elektromágneses sugárzás tartományai Az elektromágneses sugárzás széles spektrumából a 100 nm-től (1nm = 10-9m) 1mm-ig terjedő hullámhossztartományt a szakirodalom optikai sugárzás gyűjtő fogalommal jelöli. Ezen belül 380 nm-től 780 nm közötti rész a látható tartományú sugárzás. A rövidebb hullámhosszúságú, 100 nm 380 nm-es tartomány az ultraibolya (UV), a 780 nm-től 1 mm-ig terjedőt pedig infravörös (IR) sugárzásnak nevezik 7
A különböző hullámhosszúságú látható sugarakra szemünk érzékenysége más és más. Tehát nemcsak attól függően érzékeli a fényforrás által kibocsátott fénysűrűséget, hogy mekkora a kisugárzott teljesítménye, hanem attól függően is, hogy milyen a színösszetétele (hullámhossza) 1,0 0,5 380 780 Azonos fizikai sugárteljesítmény mellett az 550nm hullámhosszú (zöld) fényt sokkal világosabbnak érzékelünk, mint a 400 nm (kék) vagy 700 nm (piros) hullámhosszat. 0 U.V. 400 500 600 LÁTHATÓ FÉNY A szem spektrális érzékenysége 700 (nm) I.R. Ha egy adott hullámhosszú fényre a relatív érzékenység 1/2, 1/3, akkor ugyanolyan fényérzet kiváltásához 2-szer, 3-szor nagyobb fényerősség szükséges 8
FOTOMETRIA A fotometria szűkebb értelemben a 400 nm - 700 nm hullámhossz spektrumba eső, a szemmel látható vizuális fénynek a fényérzeten alapuló fénytechnikai hatását, mérési módszerét, alapfogalmait tárgyalja. A látható sugárzási mező fotometriai mennyiségekkel írható le. A világítóberendezések fénytechnikai-optikai tulajdonságainak kiértékelésére bizonyos fogalmak és mértékegységek szolgálnak, melyek a világítástechnikában általánossá váltak. Ha ezekkel a fogalmakkal nem is mindennap találkozunk, mégis nagyobb fáradság nélkül tudjuk azokat munkánk során segítségként felhasználni. Az alábbiakban a legfontosabb fénytechnikai törvényszerűségek és mértékegységek kerülnek bemutatásra 9
FÉNYÁRAM A fényáram a fényforrás minden irányban szétsugárzott fényteljesítményének összegsége. Minden egyéb világítástechnikai mértéket a fényáramhoz viszonyítanak. Jelölése: Φ (Phi) Mértékegysége: Lumen ( 1 lumen = 1 cd sr ) Jele: lm (A fényáram származtatott SI-egysége: 1 lumen (jele lm) = 1 cd sr (candela * szteradian) A fényáram a fényerősség és a besugárzott térszög szorzata) 10
TÉRSZÖG Térben meghatározott nagyságú, irányított tartományok jellemzésére szolgál. A térszög nagysága az adott irányt tartalmazó térszöghöz tartozó gömbsüveg felületének és a gömbsugár négyzetének a hányadosával jellemezhető. Jelölése: Ω (Omega) Mértékegysége: szteradián Jele: sr A 2 r (A = megvilágított felület (gömbsüveg) m²-ben r = a fényforrás és megvilágított felület közötti távolság m-ben ) 11
FÉNYERŐSSÉG A fényerősség egy meghatározott irányban kisugárzott fény mértéke. I Jelölése: I Mértékegysége: Candela (lm/sr) Jele: cd (a nemzetközi mértékegységrendszer SI egyik alapegysége) A fényerősség a fényforrás egységnyi térszögre sugárzott fényáram mennyiségét határozza meg 12
Néhány fényforrás fényerőssége Viaszgyertya 1 cd Petróleumlámpa 30 cd 100w-os kriptonizzó 120 cd Vetítőlámpa 2.000 cd 30 A-es ívlámpa 8.200 cd mozigép vetítőlámpa 20.000 cd 13
MEGVILÁGÍTÁS A megvilágítás a megvilágított A felületre eső Φ fényáram és a megvilágított A felület nagyságának hányadosa. Jelölése: E Egysége: Lux ( lumen/m²) Jele: lx E A (A megvilágítási erősség a felületet érő fény mértéke. Megadja, hogy egy adott felület mennyire van kivilágítva, vagyis mekkora fényáram jut 1m2 felületegységre lumenban ) 14
Mivel 1 lm fényáramot 1 cd fényerősségű fényforrás az 1 m sugarú gömb 1 m2 felületére sugároz, tehát 1 lx a megvilágítás az 1 cd fényerősségű pontszerű fényforrás körül az 1 m sugarú gömb belső felületén. 1 lumen az 1 cd fényerősségű pontszerű fényforrás 1 sr térszögbe kisugárzott fényárama 1 lux a megvilágítása annak a felületnek, amelynek 1 négyzetméterére merőlegesen és egyenletesen 1 lumen fényáram esik. 15
Megvilágítási értékek nyílt térben E (lux) Napfény 100.000 Felhős égbolt 10.000 Színpadi fény 1.000 Városi fény 100 Utca fény 10-30 Holdfény 1 16
Jellegzetes megvilágítási értékek bel térben Szükségvilágítás 1 lux függőlegesen 0,2 m magasságból Folyosó 50 lux függőlegesen Iroda 500 lux függőlegesen TV-stúdió/kamera 800 lux Vízszintes színpad Színérzékelés határa 1000lux 3 lux 17
Megvilágítási szintek 1500 x 2000 lux 1000-1500 lux 500-1000 lux 200-500 lux 50-200 lux 1-50 lux Nagyon erős megvilágítás, nagyon kis felbontással és csekély kontraszttal Erős megvilágítás, kis felbontással és csekély kontraszttal Normál megvilágítás, nagy felbontással és közepes kontraszttal Gyenge megvilágítás, nagy felbontással és nagy kontraszttal Tájékozódó fény, tájékoztatás, tartózkodóhely megvilágítás Járásfény, járás-megvilágítás, vészvilágítás 18
A fotometrikus távolság törvénye Mind a megvilágítást, mind a fényerősséget a fényáramból származtatjuk. Ezért a megvilágítás a fényerősség függvényében is meghatározható. E r I 2 E = A megvilágított felület fényerősségét mutatja Lx-ban, merőleges fénybeesésnél. I = A fényforrás a megvilágított felület irányában kibocsátott fényereje cd-ben r = Fényforrás és megvilágított felület közti távolság m-ben A megvilágítás erőssége a fényerősséggel (I) egyenesen, a távolság (r) négyzetével fordítottan arányos Egy fényforrás által megvilágított felület megvilágítási erőssége a fényforrás és a felület távolságának növekedésével arányosan csökken. Ezt a fotometria távolsági törvénye mondja ki. 19
Távolságtörvény ábrázolása merőleges fénybeesés esetén A fényerősség irányára merőleges, r távolságú felületen a megvilágítás: E r I 2 Ferde irányú fénybeesés érzékeltetésére az alábbi ábra szolgál (a megvilágított felület normál felületével szemben mért fénybeesési α szög ) E I r cos 2 20
Fénysűrűség A fénysűrűség a világító vagy a megvilágított felületről a szembe visszaverődő fény mértékegysége Jelölése: L Mértékegysége: Candela/m² Jele: cd/m² Látható felület Megvilágított felület Fény intenzitás A fénysürüség értékét úgy kapjuk meg, ha egy fényforrás fényerősségi értékét elosztjuk a mérési távolságból mért megvilágítandó felülettel. L I A Fénysűrűség függ a látható felület méretétől és a fény intenzitásától mely visszaverődik a felületről a szembe. A relatív fénysűrűség különbséget szokás KOTRASZ-nak nevetni. 21
A látómezőben lévő tárgyakat szemünk fénysűrűségük alapján észleli, fénysűrűség-különbségeik alapján látja. Ezért a fénysűrűség a látás, a láthatóság szempontjából az egyik legfontosabb tényező. Olyan esetekben is értelmezhetjük a fénysűrűséget, amikor a sugárzó felülete gyakorlatilag nem is határozható meg, mint pl. egy tagolt térrész, az égbolt, vagy egy felhő esetén: L = E / Ω ahol Ω - a vizsgált felülethez tartozó térszög, E - pedig a sugárzó felület által a megfigyelési pontban létrehozott megvilágítás. A fénysűrűség tehát a megvilágítás térszög szerinti sűrűsége. E megfogalmazás adja a fénysűrűség mérésének alapját. Így működnek, mérnek a fényképészetben alkalmazott fénymérők is. Szabályosan visszaverő felületek esetén a fénysűrűség előbbiektől eltérő megfogalmazásához juthatunk. Ezen sugárzó felületek esetén a megvilágítás és fénysűrűség közötti kapcsolat: L = ρ E /π ahol ρ a felület reflexiós tényezője. Ez a megfogalmazás az adott felület fénysűrűségét a felület megvilágításának és reflexiós tényezőjének meghatározására vezeti vissza. 22
Egyes 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 Izzólámpa / víztiszta / 200-3000 cd/m 2 Napfény a láthatáron 600 cd/m 2 Izzólámpa-szál 180 000 cd/m 2 Napfény napközben 150 000 cd/m 2 Xenon-gáztöltésű lámpa 50 000-100 000 cd/m 2 23
24
25
fényáram, lm L fénysűrűség, fénysűrűség, I, cd / m A cos 2 I, cd A cos / m 2 I fényerősség,,cd P P pontot körülvevő területelem, A Megvilágítás E A lux 26
A fény terjedése Fényforrások. Az ember csak úgy képes a látásra, ha fény érkezik a szemébe. A látáshoz tehát szükséges valamilyen fényforrás. A világító test az ún. elsőrendű fényforrás, közvetlen energiasugárzó; a megvilágított test pedig, ha a ráeső energiát visszaveri, ún. másodrendű (közvetett) fényforrás. Természetes fényforrás a Nap, és az állócsillagok. Fényt adnak az izzó testek, a ritkított gázzal töltött fénycsövek elektromos áram hatására stb. (mesterséges fényforrások). A fény a fényforrásból hullámokban, minden irányban egyenletesen terjed szét. E hullámok egymástól hullámhosszukban és frekvenciájukban térnek el, és e két tényező határozza meg a sebességet A hullám ( c ) terjedési sebessége egyenlő a hullámhossz ( λ lambda ) és a frekvencia (Υ nü ) szorzatával. Vákuumban a fény sebessége megközelíti a 300 000 km/s sebességet. ( C = 299792458 m/s) A fényterjedési sebessége levegőben vagy átlátszó közegen áthatolva csökken az adott közeg törésmutatójától függően. 27
A geometriai optika alapelve az, hogy a fény az összes lehetséges út közül azt választja, melynek megtételéhez a legrövidebb időtartam szükséges. A fény terjedésének három alaptörvénye: - Homogén közegben a fénysugarak egyenes vonalban terjednek. - A fénysugarak útja megfordítható. - A fénysugarak függetlenek egymástól, közöttük nincs kölcsönhatás még akkor sem, ha egymás útját keresztezik. 28
Fényhullámok visszaverődése és törése új közeg határán A fény nem kerüli meg a testeket, viszont némelyiken átmegy. Az ablaküveg, a víz, a levegő átlátszó. Az átlátszó anyagból készült elég vastag réteg már nem átlátszó, hanem elnyeli a beléje hatoló fényt. Az óceánok fenekén ezért van teljesen sötét. A ködön, tejüvegen, zsírpapíron átjön a fény, de rajtuk keresztül nem tudjuk pontosan kivenni a tárgyakat. Ezeket áttetsző anyagoknak mondjuk. Ha egy fényáteresztő felületre fény esik,: - a felület a ráeső fény egy részét visszaveri (reflexió), - - egy részét elnyeli (abszorció), - egy részét pedig átbocsátja (transzmisszió). 29
Fényvisszaverés (reflexió) A sugárzás visszatérítése valamely felületről anélkül, hogy monokromatikus összetevőinek frekvenciája megváltoznék Mennyiségi jellemzője a visszaverődési tényező jele: Q (ró) a visszavert és a visszaverő felületre beeső fényáram aránya. Q r. függ a felület anyagi minőségétől, a felület szerkezetétől és a fény hullámhosszától. o Ahol a Φr a visszavert fényáram, Φo a beeső fényáram A fényvisszaverődés törvényei: - A beeső fénysugár, a beesési merőleges és a visszavert fénysugár egy síkban van. - A beesési szög megegyezik a visszaverődési szöggel; α = α 30
A visszavert felület érdességétől függően megkülönböztetünk rendezett (tükrös) és diffúz (szétszórt) visszaverődést. Ha a fénysugár csiszolt (polírozott) felületre esi, akkor részben vagy teljes egészében visszaverődik. Diffúz visszaverődés: Ha egy sugárnyaláb érdes felületre esik, minden sugár más irányba verődik vissza. 31
A fényvisszaverődés jellemző fajtái Irányítottnak nevezzük a fényvisszaverődést akkor, ha a visszavert sugár irányított marad, és a fény beesési szöge egyenlő a visszaverődési szögével. Az ilyen tulajdonságú anyagok közé tartoznak a fémtükrök és az ezüstgőzölt üvegtükrök. Irányítottan szórt a fényvisszaverődés akkor, ha az anyag felülete a ráeső fényt szórtan veri vissza, de a legnagyobb érték iránya nem az anyag felületére merőleges, hanem a tükrözés törvényei szerint szabottan az irányított visszaverés vonalában van. (opálüveg, zománcozott felületek) Egyenletesen szórt (diffúz) visszaverődésről beszélünk akkor, ha az eredeti beesési irány, mint kitüntetett irány nem ismerhető fel, a visszavert sugár minden irányban azonos intenzitású, a fényeloszlásról rajzolt test gömb alakú. (gipsz, kréta és mázolt felületek) Vegyes (szórt és irányított) visszaverődésről beszélünk, ha a szabályos visszaverődés irányában ugyan maximális a visszavert sugárzás, de ezektől eltérő irányokban is észlelhető többkevesebb sugárzás. 32
Fényáteresztés (transzmisszió) A sugárzás áthaladása valamilyen anyagon anélkül, hogy monokromatikus összetevőinek frekvenciája megváltoznék. Mennyiségi jellemzője a áteresztési tényező jele: τ (tau) az áteresztett és a beeső fényáram aránya. Ahol a Φ r a visszavert fényáram, Φ a beeső fényáram 33
A fényáteresztés jellemző fajtái Irányított Az anyagon áthaladó fénysugár irányított marad és útját az anyagból való kilépés után a fénytörés szabályai szerint folytatja. (üveg, víz, színtelen átlátszó műanyagok). Irányítottan szórt Az anyagon áthaladó fénysugár a kilépésnél az irányított fényátbocsátás irányában szórt fényeloszlási testet mutat, de legnagyobb értékének iránya a fénytörés szabályai szerint adódik. ( homokkőfúvott üveg) Szórt (diffúz) Az anyagon áthaladó fénysugár a kilépésnél szóródik és fényeloszlási teste gömb alakot ölt. (opálüveg) Vegyes Az anyagon áthaladó fénysugár a kilépésnél egyrészt szórt módon, másrészt irányítva halad tovább. Ilyen anyagok esetén a szórt fényeloszlási test kiegészül a fénytörés szabályai szerint adódó irányított fényátbocsátási résszel. Felülete a ráeső fény egy részét szórt módon, más részét irányítottan veri vissza. (selyemhomályos üveg) 34
néhány fényt áteresztő anyag optikai jellemzőii Anyag Reflexiós tényező Ρ(%) Abszorciós tényező α( %) Transzmissziós tényező Τ (%) Megjegyzés Átlátszó síküveg 6 4 90 Matt üveg 10 20 70 3 mm vastag Opálüveg 20 30 50 Drótüveg 10 30 60 6 mm vastag Gipsz 90 10 - Papír, matt fehér 80 20 - Csiszolt ezüst 90 10 - Világos vakolat 40 60 - Nyers beton 25 75 - Tégla vörös 15 85 - Tégla sárga 25 75 - Az energia megmaradás törvényéből következik, hogy: α +ρ + τ = 100%
Fényelnyelés (abszorció) Fényelnyelés esetén a fényáram egy része az anyagban energiaátalakulást szenved Fényszórás Ha a fény közegen halad át, és közben nem nyelődik el, hanem csupán rendezetlen irányban elterül, akkor ezt a jelenséget fényszórásnak nevezzük. 36
Optikai eszközök Gömbtükrök : A homorú és domború gömbtükrök egy R sugarú gömb felületének részei. a, A homorú tükörre a tükör szimmetriatengelyével (optikai tengely) párhuzamosan beeső fénysugarakat a tükör úgy veri vissza, hogy azok egy pontban találkoznak. Ezt a pontot nevezzük fókuszpontnak.. 1 OF R 2 b, A fény útjának megfordíthatóságából következik, hogy a fókuszpontból kiinduló fénysugarakat a homorú tükör az optikai tengellyel párhuzamosan veri vissza. c, A tükör O optikai középpontjába érkező sugarakat a tükör a szimmetriatengelyére szimmetrikusan veri vissza. (α=α ) 37
Gömbi eltérés (szférikus aberráció) Szélső, a főtengellyel párhuzamos sugárnyaláb beesésekor lép fel. A szélső sugarak a fókuszpont és az optikai középpont között metszik egymást, amely a kép elmosódottságához vezet. Ha a sugárnyaláb átmérője a fókusztávolsághoz képest kicsi (ezt a szélső sugarak fényrekesszel történő kizárásával érhetjük el) a gömbi eltérés elhanyagolható. A parabolatükörnek nincs gömbi eltérésük. 38
Fényvetőkben használatos tükrök A fényvetőkben használt tükröknek meg kell felelni az alábbi követelményeknek - kivalló visszaverődési tényező - reflexiós stabilitás - hőálló képesség A gyakorlatban nagy tisztaságú alumíniumból nyomott, felületében polírozott, vagy üvegfelületre ezüst- fémgőzöléssel felvitt,fényvisszaverő réteg kialakítású tükröket alkalmaznak. Speciális igényesség esetén az öntött tükör üvegfelületét utócsiszolással alakítják ki visszaverődési tényező jele: Q (ró) a visszavert és a visszaverő felületre beeső fényáram aránya. Q r o Φr a visszavert fényáram, Φo a beeső fényáram Az ezüstözött felületű tükör a beeső fény 92%-át visszaveri, tehát Q = 0,92. Tükröződő higanyfelület a beeső fénynek csak 71%-át veri vissza, tehát Q70,71 A fénytechnikai anyagjellemzők tudatos fejlesztésével alakítottak ki olyan reflektáló felületeket, amelyek a látható tartományban tükörként viselkednek, de például az IR sugárzást áteresztik. Ezek az un. hideg tükrök. Széleskörű alkalmazásukat figyelhetjük meg a törpefeszültségű halogén izzólámpás világításoknál. 39
Gömbtükör (spherical reflector) A gömbtükör a fényforrásról érkező fényt a fényforrás irányába tükrözi vissza, hogy a visszatükrözött fényt alkalmazza. Ez esetben a fényforrást a tükör fókuszpontjába kell helyezni, a lámpa izzószálának visszavert, megfordított képe pedig az eredeti fényforrás izzószála mellé kerül. Legáltalánosabban használt tükörfajta. Alkalmazásához lencse kiegészítés szükséges 40
Ellipszoid tükör (ellipsoidal reflector) Az ellipszis alakú tükrök nem gömb alakúak, és szimmetriatengellyel rendelkeznek. Két fókuszpontjuk van. Az egyikben van a fényforrás, a másik vetítési célokra szolgál. A fényvetőgyártásban az ilyen tükröket fókuszáló rendszerként alkalmazzák, kiváló, bár nem túl olcsó alap a fényvetőkhöz Profil fényvetőkben használatos. Hatásfoka sokkal jobb a gömbtükörnél, mivel a fényforrást akár 270 -ban körbefoghatja. Alkalmazásához lencse kiegészítés szükséges 41
Parabola tükör (parabolic reflector) A parabola alakú tükrök nem gömb alakú, szimmetrikus tükrök, melyeknek egy fókuszpontjuk van. Ha a fényforrás a tükör fókuszpontjában van, a tükör által kibocsátott fény párhuzamos a tengellyel. Minél kisebb a fényforrás és minél nagyobb a fókusztávolság, annál keskenyebb a fénysugár. Az ideális fényforrások a xenonlámpák és a kisfeszültségű lámpák Közel párhuzamos fénysugár kibocsátású fényvetőkben használatos. Egy gömbtükörrel közömbösítjük a fényforrásból szemben kibocsátott fénysugárzás káros optikai hatását, Alkalmazásuk nem igényel lencserendszert. 42
Szimmetrikus horizont tükör (trought reflector) Ezek lineáris izzószálú lámpákkal használatosak. A tükör keresztmetszete általában parabola vagy ellipszis alakú és teknő formájú. A fényszóródást csak a lámpához képest derékszögben lehet befolyásolni, parabola alakú keresztmetszetnél ez csík formájú fényvisszaverődés. Általában derítésre használják ezért szóró (diffúz) felületi kiképzésű. 43
Aszimmetrikus horizont tükör (asymmetrical reflector) A nem gömb alakú, aszimetrikus, teknő formájú tükör nem egyenletesen szórja szét a fényt a két vízszintes sugárirányban, hanem egyenetlenül, az egyik oldal felé eltolódva. Háttér vagy horizontvilágításra használt fényvetőkben alkalmazzák. Egy szélről megvilágított felületen közel azonos megvilágítást biztosít. 44
Optikai lencsék A gyakorlatban leggyakrabban átlátszó anyagból (üveg vagy műanyag) készült gömbfelületekkel határolt lencséket (ún. gömbi lencséket) használunk. A határoló felületek lehetnek domborúak (konvex) és homorúak (konkáv), az egyik közülük lehet sík felület is. A fénytani lencse általában két gömbfelülettel vagy gömb- és síkfelülettel határolt, átlátszó anyagból készült test. Kétfajta típusa a gyűjtő- ( konvex ) és a szóró- ( konkáv ) lencse. 45
A gyűjtőlencse nevezetes sugármenetei: a, A lencse az optikai tengelyével párhuzamos fénysugarakat egy pontba gyűjti össze. Ezt a pontot fókuszpontnak, az f=of távolságot pedig fókusztávolságnak hívjuk. b, A fókuszpontból kiinduló, széttartó fénysugarakat a gyűjtőlencse törés után az optikai tengellyel párhuzamossá teszi. c, Ha a lencse elég vékony, akkor az O optikai középpontján bármilyen irányból áthaladó fénysugarakat gyakorlatilag nem töri meg. A valóságban ezek a sugarak önmagukkal párhuzamosan egy kicsit eltolódnak, mivel a lencse középső része plánparalel lemeznek tekinthető 46
A szórólencse nevezetes sugármenetei: a, A lencse az optikai tengelyével párhozamos fénysugarakat a töréssel úgy teszi széttartóvá, mintha azok a fény beérkezésének oldaláról egy F pontból indultak volna ki. Ezt látszólagos fókuszpontnak nevezzük. Az f=of távolságot pedig látszólagos fókusztávolságnak hívjuk, amelyet a számításoknál negatív előjelűnek veszünk. b, A látszólagos fókuszpontba összetartó fénysugarakat a szórólencse a törés után az optikai tengellyel párhuzamossá teszi. c, Ha a lencse elég vékony, akkor az O optikai középpontjába bármilyen irányból érkező fénysugarak lényegében irányváltoztatás nélkül haladnak tovább. 47
A lencsék képalkotása Mivel a képet a lencsén áthaladó és azon megtörő fénysugarak alkotják, ezért a valódi kép a tükrökkel ellentétben mindig a lencsének a tárgyal átellenes oldalán keletkezik, a látszólagos kép és a tárgy pedig a lencse azonos oldalán található. A gyűjtőlencse képalkotása hasonló a homorú tüköréhez. A tárgy és a lencse távolságától függően a keletkezett kép lehet valódi nagyított vagy kicsinyített, valamint nagyított látszólagos. A valódi képek mindig fordított, a látszólagosak pedig egyenes állásúak. A szórólencse, akárcsak a domború tükör, mindig egyenes állású, kicsinyített, látszólagos képet alkot. Két nevezetes sugármenet segítségével a lencsék által a tárgyakról alkotott képet megszerkeszthetjük. Hasonlóan a tükrökhöz, a lencse nagyítását is az N K T hányadossal jellemezzük, ahol K a kép, T pedig a tárgy nagysága. Gyűjtő és szórólencse képalkotásának szerkesztése a nevezetes sugármenetek felhasználásával 48
49
A színháztechnikában gyakran használnak úgynevezett Fresnel lencsét, mely egy gyűjtőlencse speciális kialakítású változata. Jellemzője, hogy a koncentrikusan elhelyezkedő lencsemetszetek gyújtótávolságai a lencse fénytani középpontjától azonos távolságra vannak. Tömege és vastagsága a vele egyenértékű ( azonos gyújtótávolságú és átmérőjű ) gyűjtőlencsénél lényegesen kisebb lehet. 50
A konvex lencsét 1800 körül dolgozta ki Augustin Fresnel francia fizikus és körülbelül 1930 óta használják színházi fényvetőkben. A Fresnel-lencse koncentrikus, közös fókuszponttal rendelkező gyűrűkből áll. Az egyes gyűrűk görbületének sugara lehetővé teszi, hogy a fény a közös fókuszpontba törjön meg. Ennek az az előnye, hogy a lencse vastagsága nem lényeges. Ily módon tehát vékonyabb lencséket lehet készíteni, ami nagy átmérőjű lencséknél igen fontos. Az az előnye is megvan, hogy csökkenti a hőelnyelést. A lapos-konvex lencsétől eltérően a Fresnellencsénél nem számít az átmérő és a fókuszhossz. A Fresnellencséket bórszilikátüvegből öntik, amelyet a hőmérséklet változása nem befolyásol. A felületek egyenetlenek és nem átlátszóak, hogy az egyes átugrott gyűrűknél ne léphessen fel vetítés. Emiatt a Fresnel-fényvetőkből érkező sugár nagyon szétszórtnak látszik. A fénytörési folyamat következtében a lencse kromatikus elhajlása is érzékelhetetlenné válik. A nyílásszög akár 60 º is lehet. Ezek a lencsék kaphatóak keményített és nem keményített változatban. A lencse hátoldalára hőálló bevonatot is fel lehet vinni, ami megnöveli a színgélek élettartamát. 51
Lencse és leképezési hibák Nagy nyílású és vastag lencsék esetén a főtengellyel párhuzamos sugarak nem futnak össze egy pontba. Ezt a lencsehibát gömbi eltérésnek ( szferikus, akromatikus aberrációnak ) nevezzük. A gömbi eltérés speciális alakú (nem gömbszelet domborulatú), úgynevezett aszférikus lencsékkel mérsékelhető. A hiba azzal is csökkenthető, ha a lencse mögé fényrekeszt ( blende ) helyezünk. Minél kisebb a nyílás, annál élesebb, de annál fényszegényebb a kép. 52
színi eltérés ( kromatikus aberráció) A fénytörés következtében színszóródás is fellép ( színi eltérés ). A fény fizikai jellemzői miatt a különböző hullámokat az optikai lencsék különböző mértékben törik meg. A rövidebb hullámhosszú kék sugarak erősebben megtörnek, mint a hosszabb hullámhosszú pirosak. E másodlagos spektrumnak pirosas külső éle van. Ez a jelenség különösen egyszerű lencsés fényvetőknél szembetűnő. Fehér fénnyel történő leképezéskor a kép körül színes szegély látható. 53
A kromatikus elhajlás a lencsékben különböző törésmutatójú lencséből összetett lencserendszerrel küszöbölhető ki. (gyűjtő és szórólencse együttes alkalmazásával. 54
Asztigmatizmus Ha a sugárnyaláb ferdén esik a lencse közepére, a sugarak nem a gyújtópontban találkoznak. Ezt nevezzük asztigmatizmusnak. Csökkentésére speciális görbületű, úgynevezett anasztigmát lencsét alkalmaznak. Torzítás A laterális (oldalirányú) nagyítás változik az optikai tengelytől mért távolsággal. Egy négyzet alakú tárgy képe hordó vagy párna alakú torzítást mutat. Ennek a leképezési hibának a javítása a lencsefelület megfelelő kialakításával csökkenthető. 55
56
Fényvetőkben használatos lencse rendszerek Gömbtükör - Plan-konvex (PC) lencse 7-65 57
Gömbtükör - Fresnel lencse 15-60 58
Ellipszoid tükör - vetítő lencse 5, 10,19, 26, 50, 90 59
Gömbtükör kondenzor lencsék vetítő lencse 15-30 25-50 A változtatható fókuszú lencsék A változtatható fókuszú vagy zoom lencsék olyan rendszerek, melyeknél megváltoztathatjuk a fókuszhosszt. A rendszer úgy változtatja meg a fókuszhosszt, hogy az egyes lencsék mozdulnak el, a kép síkja viszont nem változik. A fókuszhossz változása lehetővé teszi a vetített kép kicsinyítését, illetve nagyítását. A kép kevésbé fényes, mint a szokásos objektíveknél, mivel a további lencsék is fényt nyelnek el. 60
Irisz - gobó és fényvágó kés elhelyezése az optikai rendszerben 61