Podstawowe dziedziny Techniki Świetlnej

•

Psychofizjologia widzenia

•

Fotometria i kolorymetria

•

Ź

ródła

ś

wiatła

•

Oprawy o

ś

wietleniowe

•

Technika o

ś

wietlania

•

Wpływ

ś

wiatła na funkcjonowanie

człowieka

•

Pomiary

ś

wiatła

•

Wytwarzanie

ś

wiatła

•

Kształtowanie rozsyłu

ś

wiatła

•

Zastosowanie

ś

wiatła w celu

uwidocznienia

ś

rodowiska człowieka

Podstawy Techniki

Ś

wietlnej

•

Dr inż. Małgorzata Górczewska [e-mail]

•

Zakład Techniki Świetlnej i Elektrotermii

•

http://lumen.iee.put.poznan.pl/studenci

•

www.swiatlo.tak.pl

M. Górczewska – konspekt wykładów 09-10

Percepcja otoczenia

0%

50%

100%

83%

11%

3,5%

1,5%

1%

wzrok słuch

w

ę

ch

dotyk

smak

•

Psychofizjologia widzenia zajmuje si

ę

:

•

- badaniem fizjologicznych i psychologicznych reakcji układu widzenia człowieka na
promieniowanie widzialne

•

- zwi

ą

zkami pomi

ę

dzy bod

ź

cami a wra

ż

eniami

Psychofizjologia widzenia

Ś

wiatło jest cz

ęś

ci

ą

widma

promieniowania elektromagnetycznego

M. Górczewska – konspekt wykładów 09-10

Czynno

ś

ci wzroku

•

Adaptacja

- zmiana wra

ż

liwo

ś

ci systemu wzrokowego na

ś

wiatło

•

- oko ludzkie mo

ż

e przetwarza

ć

informacje przy ogromnym zakresie luminancji

•

0,000001 cd/m

2

do 100 000 cd/m

2

• adaptacja
• akomodacja
• ruchy oczu
• widzenie barw

Oko jako kamera

M. Górczewska – konspekt wykładów 09-10

Adaptacja

do ciemno

ś

ci

0

5

10

15

20

30

25

czas adaptacji [min]

10-7

[cd/m

2

]

lu

m

in

a

n

c

ja

p

ro

g

o

w

a

35

10-6

10-5

10-4

10

-

3

10

-

2

faza fotopowa (czopkowa)

faza skotopowa (pr

ę

cikowa)

0

1

2

3

4

6

5

czas adaptacji [min]

0,2

1,0

[cd/m

2

]

-1

c

z

u

ło

ś

ć

o

k

a

=

1

/l

u

m

in

a

n

c

ja

p

ro

g

o

w

a

0,4

0,6

0,8

7

Adaptacja

do jasno

ś

ci

M. Górczewska – konspekt wykładów 09-10

Czynno

ś

ci wzroku

• Akomodacja -

zmiana stopnia załamywania promieni w

wyniku zmian wypukło

ś

ci i poło

ż

enia soczewki oka w celu

otrzymania ostrego obrazu na siatkówce.

•

- z wiekiem szybko maleje:

•

punkt bli

ż

y akomodacji - 20lat - ok. 9 cm

•

punkt bli

ż

y akomodacji - 50lat - ok. 50 cm

Zakres

Zakres

ak

ak

omoda

omoda

cji

cji

60 m

60 m

P. bli

P. bli

ż

ż

y

y

Ostry

Ostry

wzrok

wzrok

Oko

Oko

Brak

Brak

ostro

ostro

ś

ś

ci

ci

M. Górczewska – konspekt wykładów 09-10

Czynno

ś

ci wzroku – ruchy oczu

M. Górczewska – konspekt wykładów 09-10

•

Pr

ę

ciki - 120 mln

•

- rozło

ż

enie na całej siatkówce (poza dołkiem

ś

rodkowym)

•

- du

ż

a

ś

wiatłoczuło

ść

(500x czulsze od czopków)

•

- niska zdolno

ść

rozdzielcza

•

- brak zdolno

ś

ci rozró

ż

niania barw

•

Czopki – 6 mln

•

- koncentracja w okolicach dołka

ś

rodkowego

(1 mln w dołku

ś

rodkowym o wymiarze k

ą

towym 1°)

•

- du

ż

a rozdzielczo

ść

•

-

zdolno

ść

rozró

ż

niania

barw

- S

ą

trzy rodzaje

czopków o ró

ż

nej czuło

ś

ci widmowej

Zakres czuło

ś

ci 0,000001 cd/m

2

do 100 000 cd/m

2

Czynno

ś

ci wzroku –

f

otoreceptory -

widzenie barw

M. Górczewska – konspekt wykładów 09-10

•

Wielu m

ęż

czyzn (ok. 15%) dotyka

w mniejszym lub wi

ę

kszym

stopniu

zaburzenie

rozpoznawania barw

.

•

U kobiet problem ten w praktyce

nie wyst

ę

puje (0,5% kobiet )

380nm

780nm

555nm

Krzywa czuło

ś

ci

wzgl

ę

dnej oka

Czynno

ś

ci wzroku –

f

otoreceptory -

widzenie barw

M. Górczewska – konspekt wykładów 09-10

Zdolno

ść

widzenia

•

1.

Rozpoznawanie kontrastu

–

dokładno

ść

postrzegania wzrasta ze

wzrostem kontrastu

•

2.

Ostro

ść

wzroku

•

zdolno

ść

rozró

ż

nienia obiektów

znajduj

ą

cych si

ę

bardzo blisko

siebie

•

ilo

ś

ciowo - odwrotno

ść

najmniejszej odległo

ś

ci k

ą

towej

(wyra

ż

onej w minutach k

ą

towych)

pomi

ę

dzy dwoma rozpoznawalnymi

wzrokiem testowanymi obiektami
(np. punktami lub liniami)

Tablice Snellena

M. Górczewska – konspekt wykładów 09-10

Prawo Webera-Fechnera

•

Du

ż

ym przyrostom bod

ź

ca

odpowiadaj

ą

proporcjonalne, ale

małe przyrosty reakcji

•

Równe przyrosty wra

ż

enia

wynikaj

ą

z równych

logarytmicznych przyrostów
bod

ź

ca

1

2

3

1

10

100 1000

Przyrost bod

ź

ca

P

rz

y

ro

s

t

w

ra

ż

e

n

ia

•

Najmniejszy odczuwalny przyrost bod

ź

ca jest proporcjonalny do jego

warto

ś

ci

•

Przy reakcji na

ś

wiatło przyrost ten wynosi 1% do 2%.

Prawo Webera (1831)

const

B

B

=

∆

M. Górczewska – konspekt wykładów 09-10

Podstawowe wielko

ś

ci

ś

wietlne

definicje, jednostki, obliczenia

1.

strumie

ń ś

wietlny

2.

ś

wiatło

ść

3.

nat

ęż

enie o

ś

wietlenia

4.

luminancja

Ź

RÓDŁO

Ś

WIATŁA

STRUMIE

Ń Ś

WIETLNY -

Φ

W LUMENACH (lm)

Ś

WIATŁO

ŚĆ

-

I

W KANDELACH (cd)

NAT

Ęś

ENIE O

Ś

WIETLENIA -

E

W LUKSACH (lx)

LUMINANCJA -

L

W KANDELACH/M

2

(cd/m

2

)

OKO

M. Górczewska – konspekt wykładów 09-10

Podstawowe wielko

ś

ci

ś

wietlne

•

Strumie

ń ś

wietlny

Φ

– jednostka – lumen [lm]

•

jest to wielko

ść

wyprowadzona ze strumienia energetycznego

przez ocen

ę

działania promieniowania na normalnego

obserwatora fotometrycznego.

•

Dla widzenia fotopowego:

λ

λ

λ

d

V

K

e

m

)

(

∫

⋅

Φ

=

Φ

λ

λ

λ

∆

⋅

∆Φ

=

Φ

∑

)

(

V

K

e

m

gdzie:

K

m

- maksymalna warto

ść

skuteczno

ś

ci

ś

wietlnej widmowej dla

widzenia fotopowego

K

m

= 683 lm/W dla

λ

m = 555 nm

555nm

380nm

780nm

0

[nm]

V

λ

M. Górczewska – konspekt wykładów 09-10

Obliczanie strumienia

ś

wietlnego

λ

λ

λ

d

V

K

e

m

∫

Φ

=

Φ

,

Ten wzór nie ma praktycznego zastosowania w fotometrii.

ω

d

I

d

⋅

=

Φ

∫

=

Φ

ω

ω

0

Id

)

cos

1

(

2

γ

π

ω

−

=

γ

γ

π

ω

d

d

sin

2

=

∫

=

Φ

γ

γ

γ

γ

π

0

sin

2

d

I

γ

I

γ

= Io

π

γ

=

0

0

4 I

π

=

Φ

∫

∫

−

=

=

=

Φ

γ

γ

γ

γ

π

γ

γ

π

γ

γ

π

0

0

0

0

)

cos

1

(

2

sin

2

sin

2

I

d

I

d

I

M. Górczewska – konspekt wykładów 09-10

Podstawowe wielko

ś

ci

ś

wietlne

•

Ś

wiatło

ść

I

–

jednostka – kandela [cd]

•

jest to stosunek strumienia

ś

wietlnego d

Φ

, wysyłanego przez

ź

ródło

ś

wiatła w k

ą

cie przestrzennym d

ω

, do warto

ś

ci tego k

ą

ta przestrzennego,

inaczej jest to g

ę

sto

ść

k

ą

towa strumienia

ś

wietlnego

ω

γ

d

d

I

Φ

=

ω

∆

∆Φ

=

ś

r

I

d

Φ

I

γ

d

ω

Φ

γ

∆ω

∆Φ

Dla sko

ń

czonych warto

ś

ci

ś

rednie g

ę

sto

ś

ci

strumienia

ś

wietlnego:

Dla pe

ł

nego k

ą

ta przestrzennego

ś

rednia

ś

wiat

ł

o

ść

kierunkowa:

π

4

0

Φ

=

o

I

0

Φ

powierzchnia kuli S = 4

π

r

2

powierzchnia czaszy S = 2

π

r h

M. Górczewska – konspekt wykładów 09-10

Obliczanie

ś

wiatło

ś

ci kierunkowej

r

ds

d

ω

h

→

0

d

Φ

ω

d

d

I

Φ

=

ds

d

E

Φ

=

ω

d

I

ds

E

⋅

=

⋅

2

r

ds

d

=

ω

prawo odwrotno

ś

ci kwadratów

:

2

r

I

E

=

2

r

E

I

⋅

=

Zale

ż

no

ść

obowi

ą

zuje dla

ź

ródeł punktowych, tj., gdy odległo

ść

r

≥

5 x liniowy wymiar

ź

ródła

ś

wiatła

I

M. Górczewska – konspekt wykładów 09-10

Bryła fotometryczna

•

Rozchodzenie si

ę

strumienia

ś

wietlnego w przestrzeni otaczaj

ą

cej

ź

ródło

ś

wiatła jest charakteryzowane

przez

ś

wiatło

ść

, której rozsył

przestrzenny mo

ż

na przedstawi

ć

w

postaci wektorów

ś

wiatło

ś

ci,

wychodz

ą

cych w ró

ż

nych kierunkach

ze

ś

rodka

ź

ródła

ś

wiatła.

•

Wektory tworz

ą

brył

ę

otaczaj

ą

c

ą

dane

ź

ródło

ś

wiatła, zwan

ą

brył

ą

fotometryczn

ą

.

Bryła fotometryczna

ż

arówki

M. Górczewska – konspekt wykładów 09-10

Podstawowe wielko

ś

ci

ś

wietlne

•

Nat

ęż

enie o

ś

wietlenia E – jednostka – luks [lx]

•

- jest to stosunek strumienia

ś

wietlnego d

Φ

, padaj

ą

cego na

elementarn

ą

powierzchni

ę

ds, do warto

ś

ci tej elementarnej

powierzchni

•

- inaczej jest to g

ę

sto

ść

powierzchniowa strumienia

ś

wietlnego

ds

d

E

Φ

=

s

E

∆

∆Φ

=

M. Górczewska – konspekt wykładów 09-10

Obliczanie nat

ęż

enia o

ś

wietlenia

S

E

∆

∆Φ

=

dla źródła punktowego

:

2

h

I

E

=

h

I

γ

= I

0

E = E

h

ź

ródło

ś

wiatła

2

r

I

E

=

Na poziomej p

ł

aszczy

ź

nie o

ś

wietlanej interesuje nas sk

ł

adowa pozioma nat

ęż

enia o

ś

wietlenia E

h

,

na p

ł

aszczy

ź

nie pionowej (np.

ś

ciana) sk

ł

adowa pionowa E

v

.

γ

γ

γ

cos

cos

2

r

I

E

E

h

=

=

γ

γ

γ

sin

sin

2

r

I

E

E

v

=

=

h

γ

I

γ

r

Eh

Ev

E

γ

cos

h

r

=

γ

γ

3

2

cos

h

I

E

h

=

γ

γ

γ

2

2

cos

sin

h

I

E

v

=

M. Górczewska – konspekt wykładów 09-10

Podstawowe wielko

ś

ci

ś

wietlne

•

Luminancja L

– jednostka – kandela na metr

2

– [cd/m

2

]

•

Luminancja powierzchni

ś

wiec

ą

cej w danym kierunku jest

wyznaczana jako iloczyn

ś

wiatło

ś

ci powierzchni w danym kierunku

do jej powierzchni pozornej, tj. rzutu powierzchni na płaszczyzn

ę

prostopadł

ą

do kierunku obserwacji

α

cos

⋅

=

ds

dI

L

α

cos

⋅

∆

=

s

I

L

M. Górczewska – konspekt wykładów 09-10

Obliczanie luminancji

γ

γ

γ

cos

S

I

L

=

Dla powierzchni matowych luminancja jest proporcjonalna do nat

ęż

enia o

ś

wietlenia i nie zale

ż

y

od kierunku obserwacji

I

γ

S

γ

L

γ

L = k

.

E

S

E

L

M. Górczewska – konspekt wykładów 09-10

•

Fotometria

– pomiary

ś

wiatła, na podstawie których okre

ś

la si

ę

warto

ś

ci podstawowych

wielko

ś

ci i wska

ź

ników charakteryzuj

ą

cych

ź

ródła

ś

wiatła, oprawy o

ś

wietleniowe oraz

o

ś

wietlane wn

ę

trza lub przestrzenie zewn

ę

trzne

•

Kolorymetria

– pomiary i obliczenia barwy

ś

wiatła, prowadzone w celu charakteryzowania

niektórych cech

ź

ródeł

ś

wiatła i efektów zwi

ą

zanych z ich zastosowaniem

Pomiary fotometryczne - Fotometria i kolorymetria

•

Podstawowy wzorzec fotometryczny

jest punktem wyj

ś

cia – na nim opiera si

ę

podstawowa jednostka fotometrii – kandela [cd]

•

Kandela

jest

ś

wiatło

ś

ci

ą

w danym kierunku

ź

ródła wysyłaj

ą

cego monochromatyczne

promieniowanie o długo

ś

ci 555,016 nm, którego nat

ęż

enie promieniowania w tym

kierunku wynosi 1/683 W/sr

•

Wzorce pierwotne

s

ą

to wzorce

ż

arówkowe przygotowane przez porównanie z wzorcem

podstawowym. S

ą

to zawsze wzorce

ś

wiatło

ś

ci.

•

Wzorce wtórne

s

ą

to wzorce

ż

arówkowe przygotowane przez porównanie z wzorcem

pierwotnym – s

ą

wykorzystywane do pomiarów fotometrycznych. Mog

ą

to by

ć

wzorce

ś

wiatło

ś

ci kierunkowej oraz wzorce strumienia

ś

wietlnego.

•

Wzorce robocze

s

ą

przygotowane przez porównanie z wzorcem wtórnym i s

ą

u

ż

ywane w

praktyce laboratoryjnej.

Wzorce fotometryczne

M. Górczewska – konspekt wykładów 09-10

Ogniwo fotoelektryczne

Zasada działania oparta jest na zjawiskach:

elektroda - pier

ś

cie

ń

metalowy

Φ

i

f

µ

A

warstwa selenu 0,08 mm

warstwa zaporowa

stalowa płytka

- wyzwalania w półprzewodnikach elektronów pod
wpływem działania

ś

wiatła

- tworzenia si

ę

warstwy zaporowej na powierzchni

styku przewodnika z półprzewodnikiem

Obecnie selen został zast

ą

piony przez krzem

M. Górczewska – konspekt wykładów 09-10

Układy pracy ogniwa fotoelektrycznego

szeregowo-bocznikowy z galwanometrem

z konwerterem I/U

M. Górczewska – konspekt wykładów 09-10

Fotometria obiektywna

E

w

= E

b

2













=

w

b

w

b

r

r

I

I

2

w

w

w

r

I

E

=

Obserwatora zast

ę

puje ogniwo fotoelektryczne

ogniwo

fotoelektryczne

r

w

r

b

I

w

I

b

2

b

b

b

r

I

E

=

r

w

= r

b

w

b

w

b

E

E

I

I

=

Pomiar przy:

1. Jednakowym nat

ęż

eniu

o

ś

wietlenia

2. Jednakowej odległo

ś

ci

M. Górczewska – konspekt wykładów 09-10

Pomiar przestrzennego rozsyłu

ś

wiatła

Fotometr ramienny

Ogniwo
fotoelektryczne

γ

C

const

r

=

ω

γ

ω

ω

γ

ω

γ

α

α

I

E

E

I

I

=

=

Krzywe

ś

wiat

ł

o

ś

ci opraw podawane s

ą

w postaci tablic lub wykresów

w warto

ś

ciach

ś

wiat

ł

o

ś

ci przeliczonych na sumaryczny strumie

ń

ź

róde

ł ś

wiat

ł

a wynosz

ą

cy 1000 lm

r

L

I

I

Φ

⋅

=

1000

ω

γ

ω

γ

α

α

Φ

L

- suma strumieni

ź

róde

ł ś

wiat

ł

a w oprawie

M. Górczewska – konspekt wykładów 09-10

Pomiar strumienia

ś

wietlnego

O
F

P

Ź

r.

pom.

w

b

w

b

E

E

Φ

=

Φ

bp

wp

w

b

w

b

E

E

E

E

⋅

Φ

=

Φ

M. Górczewska – konspekt wykładów 09-10

Pomiar strumienia

ś

wietlnego

•

Pomiar strumienia

ś

wietlnego mo

ż

na wykona

ć

w lumenomierzu kulistym , tj. w szczelnie

zamkni

ę

tej kuli, pomalowanej w

ś

rodku jasn

ą

, aselektywnie odbijaj

ą

c

ą ś

wiatło, idealnie

rozpraszaj

ą

c

ą

farb

ą

.

•

Ź

ródło o nieznanym strumieniu

ś

wiatła

Φ

b

porównuje si

ę

ze

ź

ródłem wzorcowym o znanym

strumieniu

Φ

w

.

•

Bezpo

ś

rednie o

ś

wietlenie ogniwa fotoelektrycznego – OF jest wyeliminowane przez

przesłon

ę

P.

•

Nat

ęż

enie o

ś

wietlenia na ogniwie E jest zatem poporcjonalne do strumienia

ś

wietlnego

ź

ródła wzorcowego oraz nast

ę

pnie

ź

ródła badanego.

•

Pomiar z

ż

arówk

ą

pomocnicz

ą

Ep (kolejno: przy nie

ś

wiec

ą

cym wzorcu i

ź

ródle badanym)

koryguje bł

ą

d wynikaj

ą

cy z cz

ęś

ciowego pochłaniania i odbijania strumienia

ś

wietlnego

przez

ź

ródła zestawu pomiarowego

M. Górczewska – konspekt wykładów 09-10

Pomiar nat

ęż

enia o

ś

wietlenia

•

Pomiar nat

ęż

enia o

ś

wietlenia wykonuje si

ę

przy u

ż

yciu miernika – luksomierza.

•

Miernik taki zwykle składa si

ę

z ogniwa fotoelektrycznego poł

ą

czonego z układem

pomiarowym, bezpo

ś

rednio wyskalowanym w luksach [lx].

•

Wzorcowanie luksomierzy odbywa si

ę

na ławie fotometrycznej za pomoc

ą

lamp wzorcowych

o znanej

ś

wiatło

ś

ci kierunkowej.

•

Ocen

ę

parametrów o

ś

wietlenia wewn

ę

trznego i zewn

ę

trznego, zwi

ą

zanych z nat

ęż

eniem

o

ś

wietlenia, przeprowadzamy w oparciu o wyniki pomiarów, wykonanych dla odpowiednio

dobranej lub okre

ś

lonej w normie siatki pomiarowej.

•

W

ś

rodku ka

ż

dego pola mierzymy nat

ęż

enie o

ś

wietlenia.

•

Z pomiarów wyznaczamy warto

ść ś

redni

ą

oraz równomierno

ś

ci zgodnie z zale

ż

no

ś

ciami:

•

Otrzymane warto

ś

ci porównujemy z wymaganiami normatywnymi.

n

E

E

n

ś

r

Σ

=

ś

r

E

E

min

1

=

δ

max

min

2

E

E

=

δ

M. Górczewska – konspekt wykładów 09-10

Pomiar nat

ęż

enia o

ś

wietlenia

•

Na dokładno

ść

pomiarów maj

ą

wpływ:

•

- proporcjonalno

ść

wskaza

ń

miernika w

zale

ż

no

ś

ci od nat

ęż

enia o

ś

wietlenia,

•

- k

ą

t padania

ś

wiatła – przy du

ż

ych k

ą

tach

luksomierz wskazuje ni

ż

sze warto

ś

ci od

rzeczywistych,

•

- rozkład widmowy

ś

wiatła bezpo

ś

redniego i

odbitego od

ś

cian (luksomierze s

ą

wzorcowane

przy wykorzystaniu

ż

arowych wzorców

ś

wiatło

ś

ci). W

ś

wiadectwie wzorcowania

luksomierzy mamy podane współczynniki
korekcyjne dla innych

ź

ródeł

ś

wiatła np. lamp

sodowych, rt

ę

ciowych, metalohalogenkowych.

•
•

- temperatura otoczenia

Φ

M. Górczewska – konspekt wykładów 09-10

Pomiar luminancji

Pomiary luminancji wykonuje si

ę

miernikiem luminancji

•

Wskazania miernika pr

ą

du fotoelektrycznego s

ą

proporcjonalne do

luminacji powierzchni bez wzgl

ę

du na odległo

ść

pomiaru (

ω

= const i jest

to cecha danego miernika). Pole to mo

ż

e by

ć

zmieniane przez obiektyw lub

przesłony

r

S

OF

I

L

S

I

S

I

L

=

⋅

=

γ

cos

S

L

I

⋅

=

L

k

L

k

r

S

L

k

r

S

L

k

r

I

k

E

k

i

f

⋅

=

⋅

⋅

=

⋅

⋅

=

⋅

⋅

=

⋅

=

⋅

=

'

2

2

2

ω

M. Górczewska – konspekt wykładów 09-10

Koniec