Licht- und Displaytechnik. Messtechnik

Transkript

1 Lichttechnisches Institut Licht- und Displaytechnik Messtechnik von Karsten Klinger Wintersemester 2008/2009

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

3 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

4 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

5 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 1p = da K 1 cos! A 1p = " da K 1 cos! A 1p = r 2 # sr cos!d"! p = cos"d! #

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

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

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

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

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

11 Lambertstrahler! L 0 L e = Die Leuchtdichte ist winkelunabhängig. L 0! I e = I 0. cos! I 0 Die Lichtstärke ist winkelabhängig. I e = I 0 cos! E e = E 0 cos!

12 Photometrisches Entfernungsgesetz 2h! 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

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

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

15 Silizium - Empfänger, Filterung Filter

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

17 Elektrische Beschaltung, Beispiel Signal out

18 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! I

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

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

21 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

22 Lichtstärkemessgerät Blenden Zur Streulichtunterdrückung Flächenelement Legt den Raumwinkel fest

23 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

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

25 Leuchtdichte Berechnung E = L!" p! p = " sin2 # Transmission der Optik: ' L =!E 1 " sin 2 # L = E 1! sin 2 " tan! = d 2l Tubusöffnung d Tubuslänge l

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

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

28 Leuchtdichtemessgerät Objektiv Feldlinse Feldblende Si - Empfänger Empfängt Strahlung Filter V(&) - Anpassung

29 Leuchtdichtemessgerät - Mögliche Realisierung

30 Leuchtdichtekamera Objektiv Feldlinse Feldblende Farbrad V(&) - Anpassung CCD - Chip Empfängt Strahlung

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

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

33 U-Kugel, Kugelfaktor Messung: E ind =! "K Kugelfaktor: K = 1 A! " 1# " Messung: E ind =! A " # 1$ # E ind : indirekte Beleuchtungsstärke # : Lichtstrom des Messobjektes K : Kugelfaktor ( : mittlerer Reflexionsgrad der Kugelwand Kugelfaktor abhängig von: Kugeleigenschaften Eingebrachtem Messobjekt

34 U-Kugel, Messung Lichtstrommessung:! = 1 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

35 U-Kugel, Rechnung Normallampe:! N = 1 E N K N! NH E NH = 1 K N! N E N =! NH E NH! N E N "E NH =! NH Messobjekt:! X = 1 E X K X! XH E XH = 1 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

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

37 Drehspiegel-Goniophotometer

38 Stoffkennzahlen Reflexionsgrad! = reflektierter Lichtstrom auftreffender Lichtstrom = " r " 0 Transmissionsgrad! = transmittierter Lichtstrom auftreffender Lichtstrom = " t " 0 Absorptionsgrad! = 1" # " $ da 1=! + " + #

39 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.

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

41 Photometerbank I x r x 2 = I v r v 2 [Bild: Script Photometrie und Farbmetrik, Kokoschka]

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

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

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

45 Lichttechnisches Institut Messtechnik Praktische Übungen von Dipl.-Ing. Karsten Klinger

46 Grundgrößen - Beleuchtungsstärke Name: Beleuchtungsstärke Einheit: Lux [ lx ] Zeichen: E! I E = E cos! A r = 2

47 Beleuchtungsstärke - Messung E

48 Grundgrößen - Lichtstärke Name: Lichtstärke Einheit: Candela [ cd ] Zeichen: I I " = I = E!r 2! Name: Raumwinkel Einheit: Steradiant [sr] Zeichen:! [ Omega ]

49 Lichtstärke - Messung E r I = E! r 2

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

51 Leuchtdichte - Grundsätzliche Gedanken A????? E L = I A p = E! r 2 A p r

52 Leuchtdichte - Leuchtende Fläche A h! E r A =!h! h r =!"#! h = r!"#!

53 Leuchtdichte - Rechnung ( ) $ =!r $!"# $ " A =! r!"#" L = I A p = E!r 2 A = E r 2 "r 2 tan 2 # = E! const

54 Leuchtdichte - Messung E E E L = E! const

55 Grundgrößen - Lichtstrom Name: Lichtstrom Einheit: Lumen [ lm ] Zeichen:! [ Phi ] Konstante K m = 683 lm/w

56 Lichtstrom - Grundsätzliche Gedanken A Kugel A K =!!r " E A E! E = A r E =! E A E

57 Lichtstrom - Rechnung Lichtquelle strahlt gleichverteilt in den Vollraum ab:! E A E =! K A K! K =! E A E A K! =! E A E A K! = E " 4#r 2

58 Lichtstrom - Messung E r! = E " 4#r 2