Tematika Optikai sugárzás tartománya és hatásai

Az előadások a következő témára: "Tematika Optikai sugárzás tartománya és hatásai"— Előadás másolata:

1 Tematika Optikai sugárzás tartománya és hatásai
Radiometria-fotometria; V(λ) Az emberi szem Sugárzás és fénytechnikai mennyiségek Világítástechnikai alapfogalmak Fénytechnikai mennyiségek mérése

2 Az optikai színkép felosztása
UV – C (100 nm – 280 nm) UV – B (280 nm – 315 nm) UV – A (315 nm – 380 nm) Látható (380 nm – 780 nm) IR – A (780 nm – 1400 nm) IR – B (1400 nm – 3000 nm) IR – C (3000 nm – 106 nm) Optikai sugárzás (100 nm – 106 nm)

3 Az optikai sugárzások nem vizuális hatásai
Megvilágítási szintek növelése (fényáram növelés)  látásérzetet nem eredményező sugárzási hányad is nő A sugárzási hatás mértéke függ a besugárzott felületnek az adott hatásra vonatkozó spektrális hatásfokától, az ún. hatásfüggvénytől Jellemzésük láthatósági függvényekhez hasonló hatásfüggvényekkel Hatásos sugárzott teljesítmény: Hatásos teljesítmény: A besugárzott felület sugárterhelése az összes sugárzás elnyelt hányada:

4 Az optikai sugárzások nem vizuális hatásai
Hőterhelés: a sugárterhelés hővé alakuló hányada Látható sugárzás elnyelt hányada is okozhatja, nem csak infra Sugárzás nagy része bőrfelületre jut (bőrfelület nagy szórást mutat)  jó tájékoztatás Borchert és Jubitz mérési adatai alapján Emberi bőr spektrális abszorpciós görbéje

5 Az UV (ultraibolya) sugárzás hatásai
Baktericid (germicid) hatás ( nm; max: ~260 nm) csirák vagy baktériumok elpusztulnak Erythem hatás (200 nm..315 nm; max: 250 és 297 nm) bőrpírt okozó hatás Conjunktivitis hatás (210 nm..300 nm; max: 260 nm) emberi szem kötőhártyáján rohamosan kifejlődő kötőhártyagyulladást Ózonkeltő hatás (max: 185 nm) levegő oxigénjéből ózont hoz létre; ózon nagy oxidáló képessége  kellemetlen szagú zsírmolekulák széthasítása (háztartási szagtalanító készülékek) nagy energia  roncsoló hatású (fertőtlenítés, víz- és élelmiszer kezelés)

6 Látható sugárzás nem vizuális hatásai
Direkt pigmentképző hatás ( nm; max: ~340 nm) emberi bőr megsötétedik előzetes bőrpír nélkül (szolárium) Bilirubin hatás (380 nm..520 nm; max: 450 nm) bilirubin nevű vérfesték lebontódik (bilirubin vérfesték felhalmozódása  koraszülötteknél súlyos betegség a máj elégtelensége miatti sárgaság) A növények az emberi szemtől eltérő érzékenységgel hasznosítják a sugárzást Fotoszintézis, klorofilszintézis, fototropizmus (fény irányba való növ.)

7 IR sugárzás hatásai Technika és orvostudomány régóta használja, bár a hatásfüggvények kevésbé ismertek IR-A (közeli IR) Vérbőséget okoz, javítja az anyagcserét (infralámpák terápiás hatása) Szemlencsében és üvegtestben irreverzibilis káros hatások (kemencéknél dolgozók, IR tartományban működő lézerekkel dolgozók  SZEMÜVEG!!!) IR-C (közepes, távoli IR) Biológiai hatása még alig felderített

8 Radiometria-fotometria közötti összefüggés
Radiometria: hullámhossz független érzékelés, tárgyalás szokásos energetikai egységekben [jelölésben „e”] Fotometria: hullámhossz függő érzékelés, melyet a világosra adaptált emberi szem láthatósági függvénye ír le [jelölésben „v”] Egyéb értékelés: pl. klorofilszintézis hatásgörbéje

9 Az emberi szem láthatósági függvénye
Fotopikus látás: normális megvilágítás esetén; színlátás; max. 555 nm Szkotopikus látás: gyenge megvilágítás; csak alaklátás; max. 507 nm Mezopos látás: átmenet; először a vörös színei „tűnnek el”, leghosszabb ideig a kék színek maradnak meg.

10 Az emberi szem Szemgolyó burka: ínhártya eres réteg retina érhártya
sugártest szivárványhártya Az ember legfontosabb érzékszerve a szeme. Becslések szerint ezzel a rendkívüli szerkezettel érzékeljük a külvilágból érkező információ százalékát. A szemtípusok besorolása szerint az ember szeme lencserendszerrel rendelkező hólyag- vagy sötétkamra szem (szerkezetét az ábra mutatja). A szemgolyó burkát kívülről befelé haladva három réteg alkotja: Az ínhártya, opálszínű külső burok, amelynek elülső 1/6 részén van az átlátszó szaruhártya > Az eres réteg, amely három részből áll: az érhártyából, az első pólus irányában folytatódó sugártestből, amely az úgynevezett zonularostok segítségével a lencsét felfüggeszti, és a szivárványhártyából, melynek közepén lévő kerek nyílás a pupilla. A pupilla gyenge fényben kitágul, erős fényben összeszűkül, ezzel szabályozza a retinára jutó fény mennyiségét. > Az ideg- vagy recehártya (retina), szemünk "képernyője", amelyben a látóideg végződései és az ezekkel összeköttetésben álló fényérzékeny elemek: a csapok és pálcikák helyezkednek el; számuk kb. 7, ill. 130 millióra becsülhető. A retinának a fényre legérzékenyebb része a pupillával szemközti, kb. 1,5 mm átmérőjű sárga folt, közepén van a kb. 0,3 mm átmérőjű látógödör, ahol a csapok a legsűrűbben vannak, pálcikák viszont nincsenek. A látógödörtől az orr felé kb. 4 mm-re van a látóideg kilépési helye, ahol sem csapok sem pálcikák nincsenek, ez a hely a fényre érzéketlen vakfolt csapok pálcikák lencserendszerrel rendelkező hólyag- vagy sötétkamra szem

11 Pálcikák: kizárólag fényerősség-különbségre érzékeny (~130 millió)
A retina szerkezete Csapok: színekre érzékeny, sárgafolt területén kizárólag csapok (~7 millió) Pálcikák: kizárólag fényerősség-különbségre érzékeny (~130 millió)

12 Pálcikák és csapok A retina elektronmikroszkópos képe
Pálcikák és csapok eloszlása a retinán

13 1011-1016 nagyságrend átfogás fénysűrűségben
Adaptáció nagyságrend átfogás fénysűrűségben Pupilla tágulása-szűkülése (~ 0.1 s) Többféle mechanizmus: pálcikák-csapok váltása (pálcikák 1000-szer érzékenyebbek) pupillanyílás tágulása-szűkülése (max. 5x-ös) receptorok pigmentanyagának folyamatos bomlása és újratermelődése (bomlás s; termelődés min) 10 éves gyerek 10 mm átmérőjű is lehet 60 éves ember max. 4 mm Legkisebb nyílás 2 mm átmérőjű, csak igen nagy megvilágítás esetén

14 Érdekességek Az ember (1.) és a polip (2.) szeme
Lábasfejűek: retina egyrétegű fénybeesés felé Gerincesek: többrétegű „fordított” (receptorokat belülről idegsejtek árnyékolják) Az ember és a halak szemének élesre állítása vízzel közvetlenül érintkezés  környezetére vonatk. nrel jóval kisebb, mint a szárazföldi állatoknál A retina a lábasfejûeknél egyrétegû, és a fénybeesés felé esik, a gerinceseknél többrétegû és "fordított", a külsõ rétegben elhelyezkedõ fényérzékelõ sejteket egyéb idegsejtek árnyékolják. Mivel az ingerület elvezetésére szolgáló látóidegnek a szembõl ki kell lépni, ezért retinát valahol át kell törnie, azon a területen így nem lehet receptorsejt. Ezen a területen van a vakfoltunk. A vízben élõ állatok szeme általában közvetlenül a vízzel érintkezik, a környezetére vonatkozó relatív törésmutatója tehát jóval kisebb, mint a szárazföldi állatok esetén. A szükséges mértékû fénytörõ hatás úgy érhetõ csak el, ha a szemlencse görbülete nagyobb, mint a levegõben. A halak "halszem-optikája" lényegében egy golyó alakú szemlencse. Ezzel a halak egyrészt 180 fokos látószögû képet képesek elõállítani, másrészt tökéletesen alkalmazkodnak az ember számára igencsak furcsa vízi látványvilághoz. A lencse gömbi hibáját azzal küszöbölik ki, hogy a lencse törésmutatója a lencse közepén nagyobb, mint a szélén, ezért a széleken nem törik meg nagyobb mértékben a fény, ahogyan az egy homogén lencse esetén történne. A gömb alakú lencse azonban nem képes rugalmasan alkalmazkodni, élesre állítani. Ezért a halak többféle trükköt alkalmaznak. A korallzátonyokon élõ halak, amelyek ellazult szemmel alig néhány centiméterre látnak élesen, ha távolabbra akarnak tekinteni, egy izom segítségével hátrahúzzák a szemlencséjüket, az ily módon közelebb kerülve az ideghártyához, távolabbi tárgyakat képez le élesen. szükséges mértékű fénytörő hatás  nagyobb görbülete „halszem-optika” gömbi hiba  törésmutató középen nagyobb,mint a szélen

15 Fénytechnikai mennyiségek és egységek
síkszög = ív / sugár térszög = gömbfelületen kimetszett terület / (sugár)2 [1 szteradián = 1 m2 / 1 m2] dA elemi felülethez tartozó térszög: Geometriai mennyiségek

16 Fényáram sugárzott teljesítményből származtatott mennyiség [lumen, lm]
Sugárzás- és fénytechnikai mennyiségek Fényáram sugárzott teljesítményből származtatott mennyiség [lumen, lm] Fényáram

17 Fényerősség [kandela, cd] SI mértékegység [1 cd = 1 lm/sr]
Sugárzás- és fénytechnikai mennyiségek Fényerősség [kandela, cd] SI mértékegység [1 cd = 1 lm/sr] A kandela annak az 540 THz (λ = ~555 nm) frekvenciájú monokromatikus sugárzást kibocsátó fényforrásnak adott irányban kibocsátott fényerőssége, amelynek sugárerőssége ebben az irányban 1/683 W/sr (Nemzetközi Súly- és Mértékügyi Bizottság 1979) A fényerősség egységének mennyiségi értékeléséhez tájékoztatásul: egy 230 V feszültségű, 60 W teljesítményű, opálburájú lámpa fényárama Φ = 710 lm. Fényerőssége I = Φ / Ω = 710 / 4π = 56,5 cd Fényerősség

18 Sugárzás- és fénytechnikai mennyiségek
Megvilágítás felületegységre eső fényáram [lux, lx] Megvilágítás

19 Sugárzás- és fénytechnikai mennyiségek
Fénysűrűség a világító felület vizsgált irányú vetülete felületegységének fényerőssége [cd / m2] 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. A fénysűrűség tehát a megvilágítás térszög szerinti sűrűsége. E megfogalmazás adja a fénysűrűség mérésének alapját. Így működnek, mérnek a fényképészetben alkalmazott fénymérők is. Fénysűrűség

20 Világítástechnikai alapfogalmak
Fényhasznosítás a fényforrás által kibocsátott fényáram és a felvett villamos teljesítmény hányadosa [lm / W] Fényhasznosítás

21 Élettartam a fényforrás működőképességét jellemző időtartam [óra, h]
Világítástechnikai alapfogalmak Élettartam a fényforrás működőképességét jellemző időtartam [óra, h] Élettartam

22 Világítástechnikai alapfogalmak
Színhőmérséklet a fekete test azon hőmérséklete, amelyen sugárzásának spektrális eloszlása megegyezik a vizsgált sugárzóéval (ilyenkor azonos színérzet) [kelvin, K] Sugárforrás Színhőmérséklet [K] Egyenletesen fedett égbolt 7000 Déli napfény 5000 … 6000 Napfény napkelte után ¼ órával ½ órával 1 órával 2 órával 2000 3000 4000 5000 Izzólámpák 2700 … 3000 Fénycsövek (korrelált) 3000 … 6000 Színhőmérséklet, korrelált színhőmérséklet

23 Világítástechnikai alapfogalmak
Színvisszaadási index adott színhőmérsékletű összehasonlító sugárzás által keltett színérzettől való eltérést a spektrális telítettséget jellemző fogalom [dimenzió nélküli] A színvisszaadási index arra ad felvilágosítást, hogy adott színes felületek esetén a jellemzett fényforrás által létrehozott színérzetek milyen mértékben egyeznek, illetve térnek el az azonos korrelált színhőmérsékletű fekete test (összehasonlító sugárzó) által ugyanazon színes felületen keltett színérzetektől. A színvisszaadási index meghatározásához 14 színmintát választottak ki. A színmintánkénti értékek átlagolásával (8 színminta átlaga) számítják az általános színvisszaadási indexet. Színvisszaadási index

24 Radiometriai- és fotometriai mennyiségek rendszerezése
Radiometriai mennyiség Egység Fotometriai mennyiség Sugárzott teljesítmény (Φe) W Fényáram (Φv) lm Sugárerősség (Ie) W sr-1 Fényerősség (Iv) cd Besugárzott felületi teljesítmény (Ee) W m-2 Megvilágítás (Ev) lx Sugársűrűség (Le) W m-2 sr-1 Fénysűrűség (Lv) cd m-2

25 Megvilágításmérőkkel kapcsolatos alapvető követelmények
Fénytechnikai mennyiségek mérése Fotoelektromos érzékelő  felületükre beeső megvilágítással arányos jel  fénytechnikai mérés  megvilágításmérés Megvilágításmérőkkel kapcsolatos alapvető követelmények Érzékelőjük spektrális érzékenysége feleljen meg a V(λ) 2. Fotoáram és megvilágítás kapcsolata legyen lineáris (rövidzár üzemmód) 3. A ferdén beeső fényt a beesési irány szögének koszinuszával arányosan értékelje Legolcsóbb, legegyszerűbb  Se fényelem „A” fényforrással (2858 K-es izzólámpa) kalibrálva Más spektrális összetételű sugárzók esetén korrekciós szorzókat kell alkalmazni (e nélkül %-os mérési hiba is lehet) Teljes felületen korrekciós szűrők akár 5% alatti hiba Hg-lámpánál („mozaik-szűrőzés”) /egyenletes megvilágítás fontos/ Rövidzár üzemmód: többnyire elektronikus jelfeldolgozó egységekkel, melyek a fényelem felé zérus ellenállást jelentenek; közvetlen mutatós árammérők esetén a műszer belső ellenállása a lehető legkisebb legyen (ne haladja meg a 100 Ω-ot) Különösen figyelni kell a fényelem foglalatok árnyékolásából adódó irányhibára. Csupasz fényelemek kb. 45°–ig mérnek helyesen. Koszinuszelőtét (pl. diffúz előtétüveg, diffúz anyagú félgömb, alkalmasan kialakított optika Megvilágításmérés

26 Fénytechnikai mennyiségek mérése
Fényerősség SI mértékegység  valójában megvilágításmérés Pontszerűnek tekinthető sugárzó esetén a fényerősség: Optikai rendszert nem tartalmazó fényforrás esetében rhatár a sugárzó legnagyobb méretének 5-10-szerese Mérések többnyire optikai padon, ismert fényerősségű lámpával való összehasonlítással I = dΦ / dΩ dΩ = (dA*cosα) / r2 E = dΦ / dA Ha az ismert IN fényerősségű lámpa a megvilágításmérőn EN megvilágítást hoz létre, mikor a lámpa távolsága az érzékelőtől rN, az ismeretlen I fényerősségű lámpa akkor kelt ugyanekkora megvilágítást  egyszerű távolságmérésre visszavezethető Előny: nem szükséges a megvilágítás pontos értékét meghatározni, kivéve ha pl. túl nagy fényerősség különbség van az etalon és az ismeretlen lámpa között. Nemzetközi Súly- és Mértékügyi Hivatal  alaplámpák OMH (Országos Mérésügyi Hivatal) /alapmérték lámpák ellenőrzése kétévente/ Fényerősségmérés

27 Fénytechnikai mennyiségek mérése
Optikai rendszert is magukba foglaló fényforrások (pl. fényszórólámpák)  „optikai határtávolság” /ennél a fényforrás teljes felülete világítani látszik/ Goniofotométerek: fényerősség térbeli eloszlásának mérésére (lámpa vagy érzékelők helyzetének változtatása) Spirálfotométer: olyan goniofotométer, amelyeknél az érzékelő spirális pályán járja körül a mérendő fényforrást (pl. kardánfelfüggesztésű keretek) Goniofotométer mozgó érzékelővel Fényerősségmérés

28 Fényeloszlási görbék Fénycsöves lámpatest fényeloszlása
A 60° feletti kisugárzási szögeknél a fényerősséget a képernyős munkahelyek világításánál szükséges káprázáskorlátozás érdekében csökkentik. Közvilágítási lámpatest fényeloszlása A nagyobb oszloptávolságok elérésének érdekében a legnagyobb fényerősség iránya 60° körül van. Forgásszimmetrikus fényvető fényeloszlása Aszimmetrikus fényvető fényeloszlása

29 Ulbricht-féle fotométergömb
Fénytechnikai mennyiségek mérése integráló fotométerek alkalmazása  Ulbricht-féle fotométergömb Szelektív hiba, ha ρ változik a beeső sugárzás hullámhosszával Abszorpciós hiba a fényforrás alkatrészei, árnyékolók és tartószerkezetek miatt  segédlámpa Spektrális érzékenység eltér V(λ)-tól  korrekciós tényezők (ismert spektrális eloszlású lámpák) ρ ρ/(1-ρ) 0,8 4 0,9 9 0,95 19 0,98 49 Hiszen I = dΦ / dΩ ; E = dΦ / dA ; A meghatározó egyenletből látszik, hogy kétféle módon számolható a fényáram. A térbeli fényeloszlásból a fényerősségek térszög szerinti integrálásával, ill. a fényforrást körülvevő zárt felületre a megvilágítás integrálásával.  két definíció  két mérési módszer Módszert (fényerősség eloszlásos) főleg nagy pontossági igények pl. etalonlámpák fényáram mérésekor használják Módszer  integráló fotométerek alkalmazását követeli  Ulbricht-féle fotométergömb A gömb belső felületét teljesen diffúz és fehér (nagy reflexiójú) festékkel vonjuk be Belátható, hogy a gömbfal megvilágítása (ha a fényforrásból jövő közvetlen fény nem éri) arányos a fényárammal. Fényárammérés

30 Szem a fénysűrűséget érzékeli
Fénytechnikai mennyiségek mérése Szem a fénysűrűséget érzékeli Fénysűrűség definíció szerint végtelenül kis felület által, végtelenül kis térszögben kisugárzott fényáramot jelent  gyakorlatban véges nagyságú felület, véges térszögben kibocsátott fényét mérjük Lencsés fénysűrűségmérő elvi vázlata α  dA β  Ω L = E / Ω ; A fénysűrűség a megvilágítás térszög szerinti sűrűsége E = dΦ / dA ; A megvilágítás az adott felületre eső fényáram A tárgy képét a d átmérőjű lencse vetíti a fotodetektorra, melynek működő felületét D átmérőjű diafragma határolja. Fénysűrűségmérés