Licht- und Displaytechnik

Transkript

1 Lichttechnisches Institut Licht- und Displaytechnik von Uli Lemmer Karl Manz, Dieter Kooß Karsten Klinger, Sven Schellinger, André Domhardt Wintersemester 2004/2005

2 Das Auge Nachtsehen Stäbchen Anzahl: Zapfenarten L-Typ rot 570 nm M-Typ grün 540 nm S-Typ blau 430 nm Tagsehen Zapfen Anzahl: Rot : Grün : Blau 4 : 16 : 1 Skotopisch Mesopisch Photopisch Dunkel 10-3 cd/m² 10 cd/m² Hell

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

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

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

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

7 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 Lichtquellen mit richtungsunabhängiger Leuchtdichte Vollkommen streuend reflektierende, matte Flächen Eingeführt von Johann Heinrich Lambert im Jahr 1760.

8 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! = = L "# da

9 E Photometrisches Entfernungsgesetz, Formel = L!" I = L! A A! = r 2 E I = r 2 I E cos! r = 2 ε r

10 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

11 Umrechnung Objekt: Glühlampe Leistung Lichtstrom Raumwinkel P = 100 W Φ = 1400 lm Ω = 4π Lichtstärke I = Φ / Ω I 100 cd Durchmesser d = 0,055 m Fläche A p 0,002 m² Leuchtdichte L = I / A p L cd / m² Abstand Arbeitsfläche r = 1 m Beleuchtungsstärke E = I / r² E = 100 lx

12 Silizium - Empfänger, Filterung Filter

13 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

14 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

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

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

17 Lichtstärkemessgerät Blenden Zur Streulichtunterdrückung Flächenelement Legt den Raumwinkel fest

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

19 Leuchtdichtemessgerät - Mögliche Realisierung

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

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

22 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

23 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

24 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

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

26 Übungsaufgabe ANSI Lumen Messvorschrift: 1. Mit dem Beamer wird ein komplett weißes Bild projiziert. 2. Dieses Bild wird in 9 gleich große Felder unterteilt. 3. An den Berührpunkten der Felder und in den Feldmitten wird die Beleuchtungsstärke gemessen. 4. Aus den ermittelten Messwerten wird der Durchschitt errechnet und mit der Bildgröße in m² multipliziert.

27 ANSI - Messgitter

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29 Übungsaufgabe Hörsaalausleuchtung Beleuchtungsstärken auf den Hörsaalbänken Es ist für 10 repräsentative Stellen im mittleren Hörsaalbereich die Beleuchtungsstärke auf der Schreibfläche zu messen und zu bewerten. Die Messungen sind bei maximaler direkter und maximaler indirekter Beleuchtung durchzuführen. Auswertung: Die Lage der Messpunkte ist in einem übersichtsartigen Grundriss zu kennzeichen Das verwendete Messgerät ist zu charakterisieren Die Messergebnisse sind bezüglich Mittelwerte und Streuungen zu bewerten

30 Übungsaufgabe subjektive Bewertung Subjektiv bevorzugte Beleuchtungsstärken Es ist von jedem Übungsteilnehmer das subjektiv bevorzugte Beleuchtungsniveau der direkten Allgemeinbeleuchtung bei Betrieb ohne Beamer Betrieb mit Beamer aus der Sicht eines repräsentativen Hörsaalpunktes einzustellen. Auswertung: Die eingestellte horizontale Beleuchtungsstärke ist anzugeben Das Ergebnis ist zu bewerten

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

32 Symbole