Licht- und Displaytechnik Grundgrößen

Transkript

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

2 Inhalt Strahlung Raumwinkel Spektrale Wirkungsfunktionen Lichttechnische Grundgrößen Photometrisches Entfernungsgesetz Beispielrechnung

3 Sichtbare Strahlung - Licht Licht Elektromagnetische Strahlung Ausbreitungsgeschwindigkeit c = 3!10 8 m/s Wellenlänge! = 380 nm nm Charakterisierung Wellenlänge oder Frequenz Intensität Monochromatische Strahlung Eng begrenzter Wellenlängenbereich Spektralfarbe c =!! "

4 Spektrale Empfindlichkeit Spektrale Empfindlichkeiten von lichtempfindlichen Empfängern Relative spektrale Stromempfindlichkeit für die physikalischen Empfänger Silizium und Selen Spektrale Hellempfindlichkeitsfunktion des menschlichen Auges für das Tagessehen, die sog. V(!)-Funktion Relative spektrale Strahlungsleistung S(!) eines Temperaturstrahlers bei einer Temperatur von 2856 K (sog. Normlichtlichtart A)

5 Spektrale Wirkungsfunktion Wirkungsfunktionen Pflanzenwachstum Hautbräunung Helligkeitswirkung

6 Das visuelle System [Quelle: David H. Hubel, Auge und Gehirn]

7 Spektrale Wirkungsfunktion, Helligkeit Relative spektrale Hellempfindlichkeit des menschlichen Auges unter Tageslichtbedingungen (hell adaptiertes Auge) Messwerte Genormte Kurve

8 V(!) - Funktion 1 0, nm Wellenlänge [nm] V(!) 380 0, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,000015

9 V(!) - Funktion, Helmholtz-Kohlrausch Effekt Helmholtz-Kohlrausch Effekt: In V(!) nur achromatischer Anteil der Helligkeit enthalten Bunte Strahlung wird heller, als unbunte Strahlung empfunden.

10 Purkinje - Effekt Bei V(!) bewerteter Strahlung erscheint blau heller als rot 1,0 V(!) : Tagessehen V (! ) V (! ) V (!) : Nachtsehen 0,5 0, Wellenlänge [nm]

11 Purkinje - Effekt Purkinje ( ) V (!) bewertetes Leuchtdichtebild Blaue Kreise heller Rote Kreise nicht mehr sichtbar V(!) bewertetes Leuchtdichtebild Blaue und rote Kreise kaum sichtbar Gelbe Kreise am hellsten

12 Physikalische Strahlungsbewertung Strahlung monochromatische Strahlung Kontinuumsstrahlung Spektrum Glühlampe Leuchtstofflampe 120 8,00E+10 7,00E ,00E+10 Bestrahlungsstärke [rel] Intensität [rel] 5,00E+10 4,00E+10 3,00E+10 2,00E ,00E ,0 350,0 400,0 450,0 500,0 550,0 600,0 650,0 700,0 750,0 800,0 Wellenlänge [nm] 0,00E Wellenlänge [nm]

13 LED - Strahlung Weitgehend monochromatische Strahlung Erzeugung von weissem Licht durch Leuchtstoffe oder Mehrchip-Farbmischung Lumiled royalblau 1W Lumiled LED royalblau Lumiled warmweiss 1W Lumiled LED warmweiss 1,00 1,00 0,90 0,90 0,80 0,80 0,70 0,70 0,60 0,60 Intensität [rel.] 0,50 0,40 Intensität [rel.] 0,50 0,40 0,30 0,30 0,20 0,20 0,10 0,10 0, , Wellenlänge [nm]

14 Sonnenstrahlung Extraterrestrische Bestrahlungsstärke W/m" Bestrahlungsstärke auf der Erdoberfläche W/m"

15 Helligkeiten von Farben Theoretisches Beispiel: Blaue LED 3 W elektrisch 3 W optisch 400 nm 1 lm Grüne LED 1,5 mw elektrisch 1,5 mw optisch 550 nm 1 lm

16 Wirksame Fläche Wirksame Fläche A # A cos # Ausstrahlwinkel $

17 Ebener Winkel - Raumwinkel Ebener Winkel Mittelpunkt Zwei Geraden Umschließen eine Fläche Raumwinkel Mittelpunkt Zwei Flächen / Kegeloberflächen mit gleicher Mittelachse Umschließen ein Volumen

18 Raumwinkel Auf Kugeloberfläche projizierte Fläche Strahlung tritt aus Fläche aus Ursprungsfläche Detail: Kugeloberflächenabschnitt A r K! = " 2 sr [Bilder: O. Reeb, Grundlagen der Photometrie]

19 Raumwinkel, Definition Raumwinkel: Quotient aus Fläche der Kugelkalotte durch Quadrat des Kugelradius Name: Raumwinkel Einheit: Steradiant [ sr ] Zeichen: % oder & [ Omega ] Einheitsraumwinkel % 0 = 1 sr

20 Raumwinkel, Berechnung 2"! % % 2 $ = sin! d! d# = 2" (cos! - cos! ) # = 0! 1 1 2

21 Raumwinkel, Zahlenwerte Vollraum Halbraum Kreiskegel mit $= ' sr 2' sr 1 sr 4' sr 2' sr 1 sr

22 Photometrisches Grundgesetz Fläche A mit Leuchtdichte L A % %% # = L $ da$ cos! $ d" " A da d% # B Beschreibt den Strahlungsaustausch zwischen den beiden Flächen A und B.

23 Ermittlung spektraler Wirkungsfunktionen Abgleich farbiger Strahlung mit weißer Strahlung Direktabgleich Weiße (graue) Strahlung wird von der Versuchsperson gleichhell wie farbige Strahlung eingestellt.

24 Das lichttechnische Maßsystem Candela (cd) Einheit der Lichtstärke Eine der 7 Basiseinheiten des internationalen SI-Systems Einzige Basiseinheit nicht rein physikalischer Natur Beruht auf physiologischen Eigenschaften Lichttechnische Größen sind spektral bewertete Größen! # 2 X = K X (!)" V (!) d!! 1 e!

25 Definition der Lichteinheit Lichtstärke von 1 cd Lichtstärke einer Strahlungsquelle in einer bestimmten Richtung, die eine Frequenz von 5,40 (10 14 Hz aussendet und deren Strahlstärke 1/683 W/sr beträgt. In Luft entspricht eine Frequenz von 5,40(10 14 Hz einer Wellenlänge von 555 nm, bei der V(!) = 1 ist. Maximales photometrische Strahlungsäquivalent K m = 683 lm/w

26 Funktionaler Zusammenhang lichttechnischer Größen Bewertungsgröße X Keine Wirkungsgröße Empfindungsgröße hängt nicht linear mit Reiz zusammen Bewertungsgröße hängt monoton mit Empfindungsgröße zusammen Lichttechnische Größen genügen Äquivalenzrelationen Verschiedenfarbige Strahlungen die gleichhell erscheinen, erhalten die gleiche lichttechnische Maßzahl.

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

28 Lichtstrom - Zahlenwerte Lampentyp LED Allgebrauchslampe 100 W Standard Leuchtstofflampe 36 W, Lichtfarbe weiß Standard Quecksilberdampf- Hochdrucklampe 125 W Standard Natriumdampf- Hochdrucklampe 70 W Lampenlichtstrom 60 lm 1380 lm 2850 lm 6300 lm 4600 lm

29 Lichtstromberechnung Schwarzer Strahler Temperatur T = 2500 K, Fläche A = 1 mm! Ergebnis: * = 17,7 lm spektrale Strahlungsleistung * e (! ) in W/nm V(! ) * e l (! ) spektrale Hellempfindlichket V(!) ) e! (! ) V(! ) Wellenlänge! in nm [Quelle: Script Grundlagen der Lichttechnik, Kokoschka]

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

31 Lichtstärke - Zahlenwerte Lichtquelle Kerze Glühlampe 100 W Fernlicht Mond Sonne Lichtstärke 1 2 cd 10 2 cd 10 4 cd cd cd

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

33 Beleuchtungsstärke - Zahlenwerte Art der Umgebung Im Freien bei klarer Atmosphäre und hohem Sonnenstand Diffuser Himmel Gut beleuchtete Büro-Arbeitsräume Operationsfeld Beleuchtung Im Freien bei Mondlicht Beleuchtungsstärken bis ca lx lx lx bis lx etwa 0,5 lx

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

35 Leuchtdichte - Zahlenwerte Lichtquelle Leuchtdichte Sonne 1, cd/m 2 Bedeckter Himmel cd/m 2 LED-Bremsleuchten 10 5 cd/m 2 Leuchtstofflampen 10 4 cd/m 2 Arbeits- und Raumflächen cd/m 2 gut beleuchteter Arbeitsräume Nächtliche Straßenbeleuchtung 0, cd/m 2 (Fahrbahn) Nächtlicher Himmel im Freien cd/m 2

36 Lambertstrahler # L 0 L e = Die Leuchtdichte ist winkelunabhängig. L 0 # I e = I 0. cos # I 0 Die Lichtstärke ist winkelabhängig. Lichtquellen mit richtungsunabhängiger Leuchtdichte Vollkommen streuend reflektierende, matte Flächen Eingeführt von Johann Heinrich Lambert im Jahr 1760.

37 Photometrisches Entfernungsgesetz, Herleitung Photometrischen Grundgesetz: %% da cos! : Wirksame Fläche # = L $ da$ cos! $ d" " A! Mit E = und gleichmäßiger Leuchtdichte ergibt sich: A d# E = = L% cos! $ d" da " Für den ganzen Halbraum: E = d! da = L " # p

38 E Photometrisches Entfernungsgesetz, Formel = L!" I = L! A A! = r 2 E I = r 2 I E cos! r = 2 # r

39 Photometrisches Entfernungsgesetz, Fehler h Lichtquelle r Empfänger r h = 1 "! 0,001 0,1 31,6 0,005 0,5 14,1! 0,01 1 9,95 0,03 3 5,69!! [%] r / h 0,05 5 4,36 0,1 10 3,00

40 Umrechnung Objekt: Glühlampe Leistung Lichtstrom P = 100 W ) = 1400 lm Raumwinkel % = 4' Lichtstärke I = ) / % I cd Durchmesser d = 0,055 m Fläche A p + 0,002 m" Leuchtdichte L = I / A p L cd / m! Abstand Arbeitsfläche r = 1 m Beleuchtungsstärke E = I / r" E = 100 lx Leuchtdichte L =, E /! P! P = ' L + 10 cd / m 2

41 Symbole