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

Elektromágneses színkép

Radiometriai segédmennyiségek d térszög: a sugárkúp által a gömbfelületből kimetszett terület és a gömbsugár négyzetének hányadosa: d=dA/r2

Színképfüggő mennyiségek hullámhossz függés: X() szűrő áteresztés színképi eloszlás: dX/d  X Katódsugár-csöves monitor fényporainak színképi eloszlás

Radiometriai mennyiségek Megnevezés Term Jele Egysége sugárzott energia radiant energy Q joule, 1 J  1 kgm2s-2 sugárzott teljesítmény radiant flux  vagy F watt (Js-1) besugárzás irradiance E Wm-2 sugárerősség radiant intensity I Wsr-1 sugársűrűség radiance L Wm-2sr-1

Radiometriai mennyiségek Megnevezés Term Jele Egysége sugárzott energia radiant energy Q joule, 1 J  1 kgm2s-2 sugárzott teljesítmény radiant flux  vagy F watt (Js-1) besugárzás irradiance E Wm-2 sugárerősség radiant intensity I Wsr-1 sugársűrűség radiance L Wm-2sr-1

Radiometriai mennyiségek összefüggései sugárzott teljesítmény  , F watt (Js-1) teljesítmény eloszlás   d/d Wm-1 sugárzott energia Q joule, 1 J  1 kgm2s-2 besugárzás E  d /dA E Wm-2 sugárerősség I  d /d I Wsr-1 sugársűrűség L  d2/(ddAcos) L Wm-2sr-1

Besugárzás E  d /dA

Sugárerősség, pontszerű forrás I  d /d

Sugársűrűség A sugárzó felület dA felületeleme által a felület normálisától (n)  szögre elhelyezkedő irányban, a d elemi térszögben kibocsátott d sugáráram L  d2/(ddAcos) , spektrális sugársűrűség: L  dL /d  = d3 /(ddAcosd)

Távolságtörvény (inverse square law) d  Id d  dA2/d2 d /dA2  E2  (Id)/dA2  (IdA2)/(dA2d2) = E2  I / d2

Általánosított távolságtörvény dE2  (L cos 1  cos 2dA1) / d2

Lambert sugárzó Lambert radiator sugársűrűsége szögfüggetlen: L()  L(,)  const.

Tükrös és diffúz reflexió

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

Lambert reflektáló megvilá-gítás: E visszavert sugárzás, a sugár-sűrűség irány-független:

Fotometria az optikai sugárzást a látószerv színképi érzékenységének megfelelően értékeli vizuális alapkísérlet: fényinger egyenlőség

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)

Villogásos fotométer elvi felépítése

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)

Láthatósági függvények

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: ez adja a fotometria és radiometria kapcsolatát

A fotometria alapjai Nappali (fotopos) látás: V() , csapok közvetítik sötétben (szkotopos) látás: V’() , pálcika-látás; szembíbor (rhodopsin), additivitás és proporcionalitás fennáll:

Fotometriai mennyiségek és egységek - 1 k és k’ konstansok: ahol Km = 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.

Fotopos, mezopos, szkotopos fotometria

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

A kandela definiciója A kandela fényerősség SI egysége: azon 540.1012 Hz frekvenciájú monokromatikus sugárzást kibocsátó fényforrás fényerőssége adott irányban, amelynek sugárerőssége ebben az irányban 1/683 W/sr.”

A fényáram származtatása a fényerősségből

Fénysűrűség egysége:cd/m2, jele: Lv a dA1 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: egysége:cd/m2, jele: Lv

Megvilágítás Az adott pontot tartalmazó felületelemre beeső fényáramnak és ennek a felületelemnek a hányadosa egysége: lux, jele:lx; 1 lx = 1 lm/m2

Kontraszt, kontrasztviszony kontraszt: ahol Lt a jel (target) fénysűrűsége Lb a háttér (background) fénysűrűsége kontrasztviszony:

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

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

Mezopos fotometria CAD laboratóriumokban és irányító központokban előforduló számítástechnikusi feladat útvilágítás 3 cd/m2 és 10-3 cd/m2 közötti fénysűrűség tartomány szem színképi érzékenysége V(l)-tól V’(l) felé tolódik el.

Szkotopos, mezopos és fotopos tartomány

Láthatósági függvények

Fényhasznosítás változása L, lámpa: cd/m2 Na cd/m2 Hg Fotopos: 0,05 0,05 Mezopos: 0,028 0,061 Szkotopos: 0,01 0,07 Különbség világosság észlelet és részletfelismerés között!

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

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

Az additív színegyeztetés alapkísérlete

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

Színinger-megfeleltető függvények (colour matching functions)

Színinger-összetevők vagy tristimulusos értékek

CIE 1931 színingermérő rendszer

CIE XYZ trirtimulusos érték (színinger-összetevők), önvilágítók (fényforrások) a színinger-megfeleltető függvények Az y függvény azonos a V(l) függvénnyel, k=683 lm/W

szín(inger-) vagy színességi koordináták

Szín(inger-) vagy színességi diagram R, G, B: katódsugár-csöves monitor alap-színingerei Planck sugárzók vonala

A színes-ségi dia-gram színes ábrája

Másodlagos sugárzók (nem önvilágítók) színmérése ahol S(l) a megvilágító sugárforrás színképi teljesítményeloszlása r(l) a minta spektrális reflexiója

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

CIE A sugárzáseloszlás ahol: c0 = 299792458 +/- 1,2 m/s

CIE A- és D65 sugárzáseloszlás színképe

CIE 1931 és 1964 színingermérő rendszer 2°-os látószög: CIE 1931 10°-os látószög: CIE 1964 X10(), Y10(), Z10() színinger összetevők számítása