XII. Grundlagen der Lichttechnik
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- Sven Fromm
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1 XII. Grundlagen der Lichttechnik Strahlungsphysikalische Lichttechnische (Photometrische) Größen (Radiometrische) Wieviele Photonen? Wieviel Energie? Wieviel Licht? Wie hell? Sichtbar Radiowellen Mikrowellen THz Infrarot Ultraviolett Röntgen Frequenz (Hz) Licht: em. Strahlung zwischen 380 nm und 780 nm
2 VI. Grundlagen der Lichttechnik der Detektor entscheidet über die Bewertung der Strahlung im Falle von Beleuchtungs- und Displayanwendungen ist dies das menschliche Auge ansonsten ist die spektrale Charakteristik des Detektors entscheidend
3 XII.1 VI.1: Querschnitt durch das Auge
4 Pupille: variable Eintrittsblende Netzhaut: Bildfläche Linse: Brechkraft kann durch Ziliarmuskeln feinjustiert werden -1 Variabel zwischen 60-70m Dioptrien (dpt) Brechkraft: D = 1 f ' (davon 43 beim Eintritt durch Hornhaut) f ' 1,4 1,6 cm D- Anpassung durch Akkommodation
5 Fehlsichtigkeit VI.2: Strahlenverlauf bei Fehlsichtigkeit Kurzsichtigkeit: Brennpunkt vor der Netzhaut Weitsichtigkeit: Brennpunkt hinter der Netzhaut
6 Schnitt durch die Netzhaut VI.3: Querschnitt durch die Netzhaut ca Zapfen: Hellsehen (in reiner Form bei Leuchtdichten > 100 cd/m 2 ) - Farbensehen ca Stäbchen: Nachtsehen (in reiner Form bei Leuchtdichten < 0.08 cd/m 2 ) - keine Farbempfindlichkeit
7 Dichte von Zapfen und Stäbchen Extreme Zapfendichte in der Netzhautgrube (Fovea Centralis) in der Mitte des gelben Flecks.
8 Elektrische Signale beim Sehvorgang - Absorption von Licht in Zapfen/Stäbchen Sehvorgang: -komplexe photochemische und elektrochemische Prozesse - elektrische Impulse zum Sehnerv
9 Elektrische Signale beim Sehvorgang
10 Adaptation Anpassung des Auges über einen extremen Leuchtdichte bereich: - Änderung der Pupillenöffnung Variation um Faktor 16 - Übergang von Zapfen- auf Stäbchensehen - Verschaltung der Sehzellen
11 Adaptation
12 Hellempfindlichkeit - bei gleicher physikalischer Strahldichte erscheinen andersfarbige Bereiche unterschiedlich hell - aus Messungen mit vielen farbnormalsichtigen Beobachtern enstand 1924 die spektrale Hellempfindlichkeitskurve
13 Hellempfindlichkeit 1 0 Maximum der Hellempfindlichkeit bei λ 0 =555 nm (Hellsehen) bzw. 507 nm (Nachtsehen)
14 Hellempfindlichkeit der verschiedenen Zapfen -Farbsehen durch verschiedene Zapfen
15 Unterschiedsempfindlichkeit
16 Unterschiedsempfindlichkeit
17 Unterschiedsempfindlichkeit
18 Sehschärfe Landoltring Abhängigkeit der Sehschärfe vom Netzhautort
19 Sehschärfe Sehschärfe 1 Sehschärfe 0.3
20 Sehschärfe
21
22 Blinder Fleck (rechtes Auge schliessen, zuerst auf die 3 fokussieren und dann auf 4 und 5)
23 XII.2: Das lichttechnische Maßsystem A K Typische Situation in der Lichttechnik: - Punkt sendet strahlenförmig aus - strahlenförmige Einstrahlung auf einen Punkt
24 XII.2: Das lichttechnische Maßsystem Von Radiant zu Steradiant: 2π Räumlich: A K Ω= Ak Ak sr(steradiant) 2 2 r = r Ω Voller Raumwinkel: Halbraum: 0 Planar: Winkel im Bogenmaß Ω = 4π sr 12,5sr Ω = 2π α = b b rad r (Radiant) Voller Kreisbogen 2π differentiell: dω = da k 2 r Ω 0
25 Raumwinkel: Beispiele Kreiskegel u. Kugelabschnitte A K Raumwinkel eines geraden Kreiskegels: Ω= 2 π (1 cos α )sr allgemein: ϕ γ 2 2 Ω=Ω 0 sinγ dγdϕ ϕ γ 1 1
26 Beispiel: Raumwinkel eines Rechtecks Projizierte Kugelfläche ist relevant: daproj da dω = = cos δ sr 2 2 r r a b da Ω ab = cos δ Ω 2 r x= 0 y= 0 0 = arcsin a b h h 2 2 a b h h
27 Raumwinkelprojektion Für Strahlungsaustausch von einer Fläche zu einer anderen Fläche wichtig: Raumwinkelprojektion: da = cosεda 1p k1 -hier geht noch der Winkel zwischen den beiden beteiligten Flächenelementen ein projizierter Raumwinkel: Ω = cosεdω p ( Ω)
28 Strahlungsfluß Strahlungsfluß von der Fläche A 1 zur Fläche A 2 : φ = LdAcosε dω e12 e Ω A 1 1 Strahlungsfluß φ e Index e wie energetisch [φ e ]=W Strahldichte L e L e = d 2 φ e dacosεdω
29 Übergang zur photometrischen Größe Lichtstrom Bewertung des Strahlungsflusses durch das Auge: Übergang vom Strahlungsfluss φ e zum Lichtstrom φ v : v 780nm lm dφe 683 v( λ) dλ W dλ Φ = [ ] lm 380nm Φ = (das Lumen) v
30 Strahlstärke Lichtstärke Strahlstärke: I e φ e = = Ω dφ e dω 1 1 [ ] I = e W sr Lichtstärke: 780nm lm die Iv = 683 v( λ) dλ W dλ 380nm lm I v = = cd sr [ ]
31 Strahldichte Leuchtdichte Strahldichte L e L e = d 2 φ e dacosεdω Leuchtdichte: 780nm lm dle Lv = 683 v( λ) dλ W dλ 380nm lm msr cd m [ Lv ] = = ist entscheidend für den Helligkeitseindruck (die Candela, Si-Einheit)
32 Candela als SI- Basiseinheit Die Candela Definition Die Candela ist die Lichtstärke in einer bestimmten Richtung einer Strahlungsquelle, die monochromatische Strahlung der Frequenz Hertz aussendet und deren Strahlstärke in dieser Richtung (1/683) Watt durch Steradiant beträgt. Lichtstärke einer Standard-Kerze Lichtstrom einer punktförmigen Strahlungsquelle: lm LV = 1cd 4πsr = 1 4πsr = 12,5lm sr
33 Bestrahlungs-/Beleuchtungsstärke Bestrahlungsstärke E e = dφ da e W [ Ee ] = 2 m Beleuchtungsstärke: 780nm lm dee Ev = 683 v( λ) dλ W dλ 380nm [ E ] = = lx (Lux) 2 v lm m - es ist gleichgültig, aus welcher Richtung das Licht einfällt
34 Typische Beleuchtungsstärken Sonniger Sommertag: lx Trüber Sommertag: lx Trüber Wintertag: 3000 lx Vollmondnacht: 0,25 lx Neumondnacht (Sternenlicht): 0,01 lx
35 Lambertstrahler Lambertstrahler: Strahldichte unabhängig von Raumwinkel und Position (ebener, diffuser Strahler) dφ I = = L A cos ε = I e e e 1 e dω1 (0)cosε ε ideal diffuse Reflexion gemischte Reflexion
36 Spezielle Strahler Lambertstrahler Strahldichte unabhängig von Raumwinkel und Position (ebener, diffuser Strahler) I = L cosε da = L cosε da e e 1 1 e 1 1 A A 1 1 Projektion der Fläche A in Abstrahlrichtung 1!"#"$ Lambertkugel I L R elk, = eπ 2
37
38 XII.3 Additive Farbmischung Grassmann sche Gesetze: 1. Nur das Aussehen, nicht die spektrale Zusammensetzung entscheidet über das Ergebnis einer additiven Farbmischung. 2. Alle Farbmischungen verlaufen stetig 3. Zum Festlegen einer Farbe sind drei Bestimmungsstücke notwendig und hinreichend Farben lassen sich duch Farbvalenzen (Zahlentripel) beschreiben. F=X+Y+Z z.b.: 535 nm und 671 nm ergeben dieselbe Farbvalenz wie 589 nm
39 Additive Farbmischung Farbmischung aus den Primärvalenzen Rot-Grün-Blau: %& %& %& %& F = RR + GG+ BB dreidimensionaler Farbenraum Transformation auf virtuelle Valenzen, bei denen eine Komponente die Helligkeit angibt.
40 Y beschreibt Helligkeit
41 Das CIE -Farbdreieck x y = = X X + Y + Z Y X + Y + Z z = 1 x y Normfarbwert-Anteile x,y beschreiben den Farbort Unbunt : x=y=0.333 Quelle: E.F. Schubert
42 Additive Farbmischung -durch additive Mischung zweier Farben kann jeder Farbort auf der Verbindungsstrecke erreicht werden -durch additive Mischung dreier Farben kann jeder Farbort innerhalb des aufgespannten Dreiecks erreicht werden - bei schlechten Displays geringe Farbsättigung
43 Farbsättigung
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