Grundlagen der Lichttechnik I

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1 Grundlagen der Lichttechnik I S. Aydınlı Raum: E 203 Tel.: Technische Universität Berlin Fachgebiet Lichttechnik, Sekr. E6 Einsteinufer Berlin sirri.aydinli@tu-berlin.de

2 Grundlagen der Lichttechnik Einführung 1.1 Wesen des Lichtes / Elektromagnetische Strahlung Optische Strahlung / UV-, sichtbare und IR-Strahlung 1.2 Monochromatische Strahlung / das Spektrum (Strahlungsfunktion) 1.3 Strahlung und Licht / V()-Kurve / SI-Basiseinheiten / Lichtstärke (cd) / K m = 683 lm/w 1.4 Spektrale, strahlungsphysikalische und lichttechnische Größen Strahlungsfluss (W) / Lichtstrom (lm) Strahlungsausbeute / Lichtausbeute (lm/w) Photometrisches Strahlungsäquivalent (lm/w) Strahlstärke / Lichtstärke Strahldichte / Leuchtdichte Bestrahlungsstärke / Beleuchtungsstärke

3 Grundlagen der Lichttechnik 1.5 Farbe / Farbreiz / Lichtfarbe / Körperfarbe Farbmaßzahlen / Farbart: Farbton und Sättigung / Helligkeit Normfarbwertanteile x und y / Farbtafel / Farbort x, y Ähnlichste Farbtemperatur T cp Allgemeiner Farbwiedergabeindex R a

4 Sehen: Sinnesempfindung / Lernprozess / Erkennen

5 Sehen: Sinnesempfindung / Lernprozess / Erkennen

6 Sehen: optische Wahrnehmung / Interpretation

7 Sehen: Wahrnehmung und Erkennen

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9 Wesen des Lichtes Wellentheorie (Huygens) Brechung, Beugung Ausstrahlung des Lichtes Korpuskulartheorie (Newton) Photoelektrischer Effekt Photon, Energiequanten A I Weg Wellenlänge: [nm] Frequenz: f [1/s = Hz] (Anzahl der Wellen pro s) Geschwindigkeit f = v = c

10 Wesen des Lichtes Wellentheorie (Huygens) Brechung, Beugung Ausstrahlung des Lichtes Wellenlänge: [nm] Frequenz: f [1/s = Hz] (Anzahl der Wellen pro s) Geschwindigkeit f = c Wellenlänge : 1m 1 mm = 10-3 m 1 μm = 10-6 m 1 nm = 10-9 m = 10-6 mm

11 Wesen des Lichtes Dualismustheorie (Max Planck) Elektromagnetische Wellen Q ph = h f Q ph h f die Energie des Photons das Plancksche Wirkungsquantum h = 6, Ws 2 die Frequenz c 0 = c o = km/s f Q ph = h c 0

12 Elektromagnetische Strahlung ν

13 Spektrale Farben

14 Regenbogen

15 Das Spektrum einer L-Lampe

16 Optische Strahlung

17 Linienspektrum

18 Kontinuierliches Spektrum

19 Gemischtes Spektrum

20 LL-Spektren

21 Tageslichtphasen

22 Raumwinkel r A k Ω = A k / r 2 [sr] Der volle Raumwinkel ergibt sich zu: 2 4πr Ω = sr = 4π sr 2 r

23 Ebener und Raumwinkel Ω = A / r 2 sr mit A = 1 m 2 und r = 1 m Ω = 1 sr α = 2 π rad 360 α = b / r rad mit b =1 m und r = 1 m α = 1 rad Ω = 4 π sr

24 SI-Basiseinheiten und Candela cd

25 Lichtstärke Candela cd Die Candela ist die Lichtstärke in einer bestimmten Richtung einer Strahlungsquelle, welche monochromatische Strahlung der Frequenz Hertz ( = 555 nm) aussendet, und deren Strahlstärke in dieser Richtung 1/683 Watt durch Steradiant beträgt. = 555 nm ΔΩ I e = 1 / 683 W/sr I= 1 cd = 1 lm/sr K m = I / I e = 683 lm / W

26 Relative spektrale Hellempfindlichkeitsgrade des menschlichen Auges für Tages- V() und Nachtsehen V( )

27 Monochromatische Strahlung und Strahlungsfunktion Monochromatische Strahlung: Strahlung einer Wellelänge Spektrale Größen: (bezogen auf Wellenlänge, deshalb eine Funktion der Wellenlänge) Generelle Beschreibung: X e {z.b. Φ e [W nm -1 ], spektraler Strahlungsfluss (spektrale Strahlungsleistung)} Strahlungsfunktion S : relative spektrale Verteilung (spektrale Zusammensetzung) der Strahlung einer Lichtquelle

28 Definition der strahlungsphysikalischen Größen Strahlungsphysikalische Größen: X = e X e 2 = 1 Δ z.b. für Globalstrahlung: 1 =300 nm 2 =3000 nm z.b. Strahlungsfluss (Strahlungsleistung) [W] Φ e = 2 = 1 Φ e Δ Φ e Spektrale Strahlungsleistung in W/nm

29 Definition der lichttechnischen Größen Lichttechnische Größen: X e 780 nm = K m X = 380 nm e V ( ) Δ 1 = 380 nm 2 = 780 nm z.b. Lichtstrom (Lichtleistung) [lm] (Lumen) Φ = K m 780 nm Φ = 380 nm e V ( ) Δ Φ e Spektrale Strahlungsleistung in W/nm V( ): Relativer spektraler Hellempfindlichkeitsgrad des menschlichen Auges für Tagessehen K m = 683 lm/w: Maximalwert des photometrischen Strahlungsäquivalenten

30 Strahlungsphysikalische und lichttechnische Größen P: Elektrische Anschlussleistung einer künstlichen Lichtquelle [W] strahlungsphysikalische Größen lichttechnische Strahlungsfluss (Strahlungsleistung) Lichtstrom Φ e [W] Φ [lm] (Lumen) Strahlungsausbeute η e = Φ e / P [1] Lichtausbeute η = Φ / P [lm/w] Photometrisches Strahlungsäquivalent K = Φ / Φ e [lm/w]

31 Lichtstrom

32 Strahlstärke Lichtstärke I e = ΔΦ e / ΔΩ [W/sr] I = ΔΦ /Δ Ω [lm/sr=cd] I bzw. I e ΔΦ bzw. ΔΦ e ΔΩ

33 Lichtstärke

34 Strahldichte Leuchtdichte L e = I e / A cos ε [W/(sr m 2 )] L = I / A cos ε [cd/m 2 ] I bzw. I e ΔΦ bzw. ΔΦ e A ΔΩ ε L bzw. L e

35 Leuchtdichte

36 Bestrahlungsstärke E e = ΔΦ e,ein / ΔA [W/m 2 ] A: Fläche [m 2 ] Beleuchtungsstärke E= ΔΦ ein /ΔA [lm/m 2 =lx] ΔΦ e,ein bzw. ΔΦ ein ΔA

37 Beleuchtungsstärke

38 Farbumstimmung

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40 Farbe Farbvalenz Farbreiz: Φ Lichtfarbe Φ = S Körperfarbe Φ = S β() Farbmaßzahlen: Farbart: - Farbton (Buntton) Helligkeit - Buntheit (Sättigung)

41 Normspektralwertfunktionen x(), y() und z() für den 2 -Beobachter nach CIE

42 CIE Farbmaßzahlen: Normfarbwerte X, Y und Z ( ) Δ Φ = x k X ( ) Δ Φ = y k Y ( ) Δ Φ = z k Z ( ) ( ) y, x ( ) z und : Normspektralwertfunktionen (von der CIE festgelegt) Z Y X X x + + = Z Y X Y y + + = Z Y X Z z + + = Normfarbwertanteile: x + y + z = 1 x, y Farbart (Farbort auf der Farbtafel) Helligkeit: Lichtfarben I, L, Φ Körperfarben Hellbezugswert A = 100 β

43 CIE Farbmaßzahlen: Normfarbwerte X, Y und Z ( ) Δ Φ = x k X ( ) Δ Φ = y k Y ( ) Δ Φ = z k Z Normfarbwertanteile: x, y Farbort der Spektralfarben; Kurvenzug der Farbtafel Z Y X Y y + + = Z Y X X x + + = ( ) ( ) ( ) ( ) z y x x x + + = ( ) ( ) ( ) ( ) z y x y y + + =

44 Normfarbtafel Unbunt: x = 0,3333 y = 0,3333

45 Kurvenzug des Planckschen Strahlers T cp : Ähnlichste Farbtemperatur Einer Lichtquelle

46 Einteilung der Lichtfarben nach T cp Lichtfarbe Ähnlichste Farbtemperatur T cp warmweiß (ww) T cp < 3300 K, neutralweiß (nw) 3300 K <= T cp < 5000 K und tageslichtweiß (tw) 5000K <= T cp.

47 Farbwiedergabe

48 Farbwiedergabestufen nach allgemeinem Farbwiedergabeindex Ra 14 Testfarben Testlichtquelle mit T cp Bezugslichtquelle: Planck scher Strahler (T cp <=5000 K) Tageslichtphasen (T cp >5000 K) Spezieller Farbwiedergabeindizes R i Der allgemeine Farbwiedergabeindex R a 8 1 R = a R i 8 i= 1 Stufe 1A 1B 2A 2B 3 4 R a -Bereich R a >= <= R a < <= R a < <= R a < <= R a < <= R a < 40