Radiometria, fotometria, színmérés

Az előadások a következő témára: "Radiometria, fotometria, színmérés"— Előadás másolata:

1 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.

2 Elektromágneses sugárzás
optikai sugárzás: 100 nm – 1 mm hullámhosszú elektromágneses sugárzás látható sugárzás: 380 nm – 780 nm fény: a látható sugárzás által kiváltott észlelet

3 Elektromágneses színkép

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

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

6 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

7 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

8 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

9 Besugárzás E  d /dA

10 Sugárerősség, pontszerű forrás
I  d /d

11 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)

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

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

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

15 Tükrös és diffúz reflexió

16 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.

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

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

19 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)

20 Villogásos fotométer elvi felépítése

21 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)

22 Láthatósági függvények

23 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().

24 A fotometria alapjai a fenti összefüggések alapján a monokromatikus komponenseket összegezhetjük: ez adja a fotometria és radiometria kapcsolatát

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

26 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.

27 Fotopos, mezopos, szkotopos fotometria

28 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

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

30 A fényáram származtatása a fényerősségből

31 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

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

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

34 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

35 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

36 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.

37 Szkotopos, mezopos és fotopos tartomány

38 Láthatósági függvények

39 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!

40 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

41 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.

42 Az additív színegyeztetés alapkísérlete

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

44 Színinger-megfeleltető függvények (colour matching functions)

45 Színinger-összetevők vagy tristimulusos értékek

46 CIE 1931 színingermérő rendszer

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

48 szín(inger-) vagy színességi koordináták

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

50 A színes-ségi dia-gram színes ábrája

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

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

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

54 CIE A- és D65 sugárzáseloszlás színképe

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