Licht- und Displaytechnik. Messtechnik

Transkript

1 Lichttechnisches Institut Licht- und Displaytechnik Messtechnik von Karsten Klinger Wintersemester 2007/2008

2 Inhalt Das Auge Raumwinkelprojektion Vier Grundgrößen Photometrisches Entfernungsgesetz und Grenzentfernung Physikalische Messgeräte Lichttechnische Messgeräte Visuelle Messgeräte Wirkungsgrade

3 Exkursion Zumtobel: Leuchtenhersteller Beeindruckende Messtechnik Vorführhaus Bartenbach Solartechnik, Tageslichttechnik, Kunstlichttechnik Innovativ Nur begrenzt Plätze verfügbar. Zweitages-Exkursion zusammen mit Architekten. Anmeldungen in Liste und bei mir. Organisation: Arne Abromeit, fbta

4 Das Auge - Empfängertypen Tagsehen Zapfen Anzahl: Rot : Grün : Blau 4 : 16 : 1 Nachtsehen Stäbchen Anzahl: Zapfenarten L-Typ rot 570 nm M-Typ grün 540 nm S-Typ blau 430 nm

5 Das Auge - Empfindlichkeit Leuchtdichte [cd/m 2 ] 10 4 / 10 6 / 10 8 Hell Absolutblendung Photopisch Mesopisch Schädigung Zapfen Zapfen und Stäbchen Dunkel Skotopisch Stäbchen 10-6 Dunkelschwelle

6 Raumwinkelprojektion Fläche A 1 Projizierte Fläche A 1p Auf Kugeloberfläche projizierte Fläche Fläche A 2 Raumwinkel A r K! = " 2 sr [Bild: O. Reeb, Grundlagen der Photometrie] Raumwinkelprojektion da!p = da K! "#$! A!p = da K! "#$! " A!p = r " sr # #$%!d"! p = cos"d! #

7 Raumwinkelprojektion des Halbraums ε Raumwinkelprojektion! p = cos"d! # Integration in Polarkoordinaten d! =!"#"d"d# 2& $ % % # =0 " =0! p = cos" sin"d"d#! p = " sin 2 # Halbraum α = 90 :! p = "sr

8 Grundgrößen - Lichtstrom Name: Lichtstrom Einheit: Lumen [ lm ] Zeichen: Φ [ Phi ] 780nm $ 380nm Konstante K m = 683 lm/w ( ) ( ) " = K "! # V! # d! m e!

9 Grundgrößen - Lichtstärke Name: Lichtstärke Einheit: Candela [ cd ] Zeichen: I I = " Name: Raumwinkel Einheit: Steradiant [ sr ] Zeichen: ω [ Omega ]!

10 Grundgrößen - Beleuchtungsstärke Name: Beleuchtungsstärke Einheit: Lux [ lx ] Zeichen: E! E = A

11 Grundgrößen - Leuchtdichte A p Name: Leuchtdichte Einheit: Candela pro Quadratmeter [ cd/m² ] Zeichen: L! I L = L = A p " A p

12 Lambertstrahler ε L 0 L e = Die Leuchtdichte ist winkelunabhängig. L 0 I 0 ε Die Lichtstärke ist winkelabhängig. I e = I 0. cos ε I e = I 0 cos E e = E 0 cos

13 Photometrisches Entfernungsgesetz 2h ε I E cos! r = 2 r h r! = 1"!!! [%] r / h 0,001 0,1 31,6 0,005 0,5 14,1 0,01 1 9,95 0,03 3 5,69 0,05 5 4,36 0,1 10 3,00 Grenzentfernung: 10fache Leuchtenausdehnung

14 Physikalische optische Strahlungsmessung Monochromator Strahlung Empfänger Array-Spektrometer Strahlung CCD-Zeile

15 Messgeräte kalibrieren Da Empfänger spektrale Empfindlichkeiten aufweisen, muss jeder Monochromator und Spektrometer kalibriert werden.

16 Silizium - Empfänger, Filterung Filter

17 Silizium - Empfänger, elektrische Beschaltung Photostrom I PH [ma] R A = 0 Ω R A = 500 Ω R A = 1000 Ω Si - Empfänger OP Gegenkoppelwiderstand Beleuchtungsstärke E [lx] R A Si - Empfänger

18 Elektrische Beschaltung, Beispiel Signal out

19 Cosinus - Gesetz Photometrischen Grundgesetz: %% da cos! # = L $ da$ cos! $ d" " A : Wirksame Fläche Mit I =! und bei gleichmäßiger Leuchtdichte ergibt sich: " I = d! d" = L # da $ cos% A Bei sehr kleiner Fläche A ergibt sich: I = L! A!cos" Lambertstrahler ε I

20 Cosinus - Anpassung Empfänger mit Lambert - Charakteristik Abschattring Streuscheibe Si - Empfänger Voltmeter

21 Beleuchtungsstärkemessgerät Flächenelement Legt Fläche fest Cosinus - Anpassung Filter V(λ) - Anpassung Si - Empfänger Empfängt Strahlung

22 Beleuchtungsstärken Horizontale Beleuchtungsstärke E hor Arbeitsplatzbeleuchtung, Helligkeit Vertikale Beleuchtungsstärke E ver Anleuchtung, Iso-Lux-Linien Zylindrische Beleuchtungsstärke E Z Halbzylindriche Beleuchtungsstärke E hz Erkennung von Gesichtern, Fußgängerwege Sphärische Beleuchtungsstärke E S Lichtimmision, ambiente Beleuchtung

23 Lichtstärkemessgerät Blenden Zur Streulichtunterdrückung Flächenelement Legt den Raumwinkel fest

24 Beleuchtungsstärke und Raumwinkelprojektion Photometrischen Grundgesetz: %% da cos! # = L $ da$ cos! $ d" " A : Wirksame Fläche Mit E =! und bei gleichmäßiger Leuchtdichte ergibt sich: A $ # E = L cos! "d# Mit der Raumwinkelprojektion! p = cos"d! # ergibt sich: E = L!" p

25 Leuchtdichte Messaufbauten Freiraum Tubusprinzip Optikprinzip Einfach verschränkter Strahlengang [Bild: Script Photometrie und Farbmetrik, Kokoschka]

26 Leuchtdichte Berechnung E = L! " p! p = " sin2 # Transmission der Optik: τ L =!E 1 " sin 2 # L = E 1! sin 2 "!"#! = d $l Tubusöffnung d Tubuslänge l

27 Tubusprinzip Lichtstärke d > D D d Leuchtdichte d < D D d Leuchtende Fläche

28 Leuchtdichte eines Lambert-Strahlers L =!E 1 " sin L = 1 mit α = 90! E 2 # "

29 Leuchtdichtemessgerät Objektiv Feldlinse Feldblende Si - Empfänger Empfängt Strahlung Filter V(λ) - Anpassung

30 Leuchtdichtemessgerät - Mögliche Realisierung

31 Leuchtdichtekamera Objektiv Feldlinse Feldblende Farbrad V(λ) - Anpassung CCD - Chip Empfängt Strahlung

32 Lichtstrom Lambertstrahler E = L! " p E A! =! = LA" p! p = " sin 2 # Lambertstrahler strahlt in Halbraum ab ( α = 90 ).! = " #L # A Beleuchtete lambertsche Fläche abgestrahlter Lichtstrom! = "E #A

33 U-Kugel, Aufbau Messobjekt Hilfslampe U-Kugel Innen beschichtet Lichtmesskopf Messung der indirekten Beleuchtungsstärke Abschatter

34 U-Kugel, Kugelfaktor Messung: E ind =! "K Kugelfaktor: K =! A! "! # " Messung: E ind =! A " #! $ # E ind Φ K ρ : indirekte Beleuchtungsstärke : Lichtstrom des Messobjektes : Kugelfaktor : mittlerer Reflexionsgrad der Kugelwand Kugelfaktor abhängig von: Kugeleigenschaften Eingebrachtem Messobjekt

35 U-Kugel, Messung Lichtstrommessung:! =! K " E ind Messablauf: 1) Lichtstrommessung der Normallampe E N =! N "K N 2) Lichtstrommessung der Hilfslampe E NH =! NH " K N 3) Lichtstrommessung des Messobjektes E X =! X " K X 4) Lichtstrommessung der Hilfslampe E XH =! XH "K X

36 U-Kugel, Rechnung Normallampe:! N =! E N K N! NH E NH =! K N! N E N =! NH E NH! N E N "E NH =! NH Messobjekt:! X =! E X K X! XH E XH =! K X! X E X =! XH E XH! X E X " E XH =! XH Lichtstrom der Hilfslampe ist konstant:! NH =! XH! N E N "E NH =! X E X " E XH! X =! N " E X E N " E NH E XH

37 Goniophotometer Messobjekt γ = Lichtmesskopf Messung der Lichtstärke = Aufgrund der photometrischen Grenzentfernung sehr grosse Abmessungen notwendig, daher meist komplizierter Aufbau.

38 Drehspiegel-Goniophotometer

39 Stoffkennzahlen Reflexionsgrad! = reflektierter Lichtstrom auftreffender Lichtstrom = " r "! Transmissionsgrad! = transmittierter Lichtstrom auftreffender Lichtstrom = " t "! Absorptionsgrad! =! " # " $ da! =! + " + #

40 Visuelle Photometrie Direktabgleich - Direkter heteochromer Helligkeitsabgleich Abgleich nach gleicher Helligkeit Flimmerabgleich Abgleich nach minimalem Helligkeitsflimmern Trennkantenabgleich Abgleich nach minimaler Sichtbarkeit der Trennkanten Führen zu unterschiedlichen Ergebnisse.

41 Direktabgleich [Bild: Script Photometrie und Farbmetrik, Kokoschka]

42 Photometerbank I x r x! = I v r v! [Bild: Script Photometrie und Farbmetrik, Kokoschka]

43 Flimmerphotometer [Bild: Script Photometrie und Farbmetrik, Kokoschka]

44 Trennkantenabgleich [Bild: Script Photometrie und Farbmetrik, Kokoschka]

45 Wirkungsgrad Wirkungsgrad, Lichtausbeute oder Effizienz genannt.! = " P Aufgenommene elektrische Leistung inklusive Betriebsgerät. Verluste Elektrische Leistung Lampe Lichtstrom VG Lichterzeugung Optik

46 Lampenwirkungsgrade Temperaturstrahler Theoretische Obergrenze: Plankscher Strahler mit 7000 K Verlustlose Erzeugung der Temperaturstrahlung 95 lm/w Praktische Obergrenze: Wolfram Strahler bei 3650 K (Schmelzpunkt) 54 lm/w Linienstrahler Wellenlänge 555 nm Spektral schmal 683 lm/w Optimaler Strahler Weisses Licht 200 lm/w

47 Betriebswirkungsgrad Definitionen:! LB = " L # "! L Lichtstrom, der aus der Leuchte austritt! Lichtströme der Lampen

48 Beleuchtungswirkungsgrad! = " A # "! Lichtströme aller Lampen! A Lichtstrom auf der Nutzfläche Lichtstrom auf der Nutzfläche Lichtstrom aller Lampen im Raum

49 C Normen DIN 5032 Lichtmessung DIN 5033 Farbmessung DIN 6169 Farbwiedergabe Genauigkeitsklassen für Beleuchtungsstärkemessgeräte: Klasse Gesamtfehler L 3 % A 5 % B 10 % C 20 %