physikalisch: elektromagnetische Strahlung umgangssprachlich: sichtbare Strahlung

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Sophia Thomas
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1 Licht physiologisch: Helligkeits- bzw. Farbempfindung physikalisch: elektromagnetische Strahlung umgangssprachlich: sichtbare Strahlung etwa der Wellenlängenbereich nm im erweiterten Sinne: Infrarotstrahlung Ultraviolettstrahlung Röntgenstrahlung

2 Bezeichnung Frequenz (Hz) Wellenlänge (m) Niederfrequenz Radiowellen Infrarot sichtbares Licht Ultraviolett Röntgenstrahlen γ-strahlen

3 nm

4 Licht hat sowohl wellenhafte (in Interferenz- bzw. Beugungsexperimenten) als auch korpuskulare (beim Photo- oder Compton-Effekt) Eigenschaften, bekannt als Welle-Teilchen-Dualismus erstmals einheitlich beschrieben in der Quantenelektrodynamik QED

5 elektromagnetische Strahlung Überlagerung elektromagnetischer Wellen Schwingungen der Frequenz ν bzw. der Wellenlänge λ quantisiert in Photonen Photonenenergie ν h Planck-Konstante h = Js ν und λ verknüpft durch c = ν λ Lichtgeschwindigkeit (im Vakuum) c = m/s

6 spektrale Strahlungsdichte oder kurz Spektrum S(λ) Energieverteilung nach der Wellenlänge λ energiegleiches Spektrum S(λ) = c, c R + monochromatische Strahlung S(λ) = 0 für λ λ 0 und λ 0 R + üblich: Diskretisierung von S(λ) häufigste Intervalllängen: 10 nm, 5 nm und 1 nm ermöglicht: Tabellenform für S(λ) deshalb auch: Strahlungsverteilung anstatt -dichte typisch ist Skalierung mit S(560 nm) = 100 relative spektrale Strahlungsverteilung genannt zu beachten: dieses Vorgehen ist willkürlich

7 Strahlungsgrössen man unterscheidet grundsätzlich zwischen strahlungsphysikalischen (radiometrischen) Grössen und photometrischen (lichttechnischen) Grössen Photometrie: aus praktischen Erwägungen noch im 19-ten Jahrhundert bezieht sich auf das menschliche Auge dies ist nicht unproblematisch führt fiktive (genormte) Aspekte ein relativ ungenaue Basiseinheiten (z.b. Candela) andererseits: weit verbreitet in Farbmetrik

8 Raumwinkel Ω

9 Raumwinkel Abstrahlung in einen bestimmten Raumwinkel Ω gegeben um Strahlungsquelle: Kugel mit Radius r Ω spannt auf Kugeloberfläche die Fläche A auf Mass für Ω: Verhältnis A zu r 2 Einheit: Steradiant sr Raumwinkel des vollen Raums: Ω = 4π sr also Ω = A r 2 sr

10 Lichtstärke Basiseinheit der Lichttechnik aus der Mitte des 18. Jahrhunderts Einheitsname Candela (Kerze) 6. Generalkonferenz für Mass und Gewicht (CYPM), 1979 Die Candela cd ist die Lichtstärke in einer bestimmten Richtung einer Strahlquelle, die monochromatische Strahlung der Frequenz 540 Hz aussendet und deren Strahlstärke in diese Richtung 1/683 W sr 1 beträgt. weitere Einheiten: cd sr = lm (Lumen) und lm m 2 = lx (Lux)

11 Hellempfindlichkeitsgrad Auge: für verschiedene Wellenlängen unterschiedlich empfindlich verschieden für Tag- bzw. Nachtsehen variiert stark: von Mensch zu Mensch, mit dem Alter usw. Normung durch: CIE (Commission Internationale de l Eclairage) spektralen Hellempfindlichkeitsgrad V (λ) für das Tagsehen (photopisches Sehen, helladaptiert) Angabe in Tabellenform (in 1-, 5- oder 10-nm-Schritten) spektralen Hellempfindlichkeitsgrad V (λ) für das Nachtsehen (skotopisches Sehen, dunkeladapiert)

12 λ V (λ) V (λ) λ V (λ) V (λ)

13 0.8 1 V(λ) V (λ) Hellempfindlichkeitsgrade

14 Radiometrie-Photometrie radiometrische Grösse X e photometrische Entsprechung X v verbunden durch X v = K m X e (λ) V (λ) dλ und mit X v = K m 0 0 X e (λ) V (λ) dλ K m = 683 cd sr W 1 bzw. K m = 1700 cd sr W 1

15 Radiometrie Grösse Strahlungsleistung Φ e. Die in der Zeiteinheit ausgesandte, übertragene oder empfange Strahlungsenergie. Strahlstärke I e. Quotient aus Strahlungsleistung d Φ e, die eine Strahlungsquelle in eine gegebene Richtung der Grösse d Ω aussendet und dem Raumwinkelelement d Ω, also I e = d Φ e /d Ω. Bestrahlungstärke E e. Quotient aus Strahlungsleistung dφ e, die ein Flächenelement einer Oberfläche empfängt und der Grösse da dieses def Elements E e = d Φ e /d A. Einheit W (Watt) W sr 1 W m 2

16 Photometrie Grösse Der Lichtstrom Φ v ist die Strahlungsleistung einer Lichtquelle mittels der Bewertung gemäss der Empfindlichkeitskurve V (λ). Lichtstärke I y. Quotient aus Lichtstrom dφ v und dem Raumwinkelelement dω um das der Lichtstrom gesandt wird, d.h. I v = d Φ v /d Ω. Beleuchtungstärke E v. Quotient aus dem Lichtstrom dφ, der auf ein den Punkt enthaltenes Flächenelement fällt, und dem Inhalt da dieses Elementes E = d Φ/d A. Einheit lm (Lumen) cd (Candela) lx (Lux)

17 Bemerkungen zum Lesen genügen 500 lx 500 lx allgemeinen für Arbeitsplätzen 1000 lx für Präzisionsarbeiten Mondlicht erzeugt etwa 0.2 lx nicht mehr ausreichend zum Farbsehen Tageslicht liefert im Winter etwa 6000 lx im Sommer dagegen lx Leuchtdichte der Sonne beträgt ausserhalb der Atmosphäre etwa cd m 2 auf Meereshöhe etwa cd m 2

18 trifft Strahlung auf Materie sei Φ E (λ) die einfallende Strahlungsleistung Φ R (λ), Φ T (λ), Φ A (λ) die reflektierte, durchgelassene bzw. absorbierte Strahlungleistung dann bezeichnet ϱ(λ) = Φ R(λ) Φ E (λ) τ (λ) = Φ T (λ) Φ E (λ) α(λ) = Φ M(λ) Φ E (λ) den spektralen Reflexionsgrad, den spektralen Transmissionsgrad und den spektralen Absorptionsgrad es gilt 0 ϱ(λ) + τ (λ) + α(λ) 1

19 der Einfluss der Lichtquelle

20 Strahlungsquellen Temperatur- oder Wärmestrahlung Ursache auf Molekülebene Lumineszenzstrahler (kaltes Licht) Energie aus inneratomaren Vorgängen weit verbreitet (z.b. Kathodenstrahlbildschirm) ihr Spektrum ist auf wenige Wellenlängen konzentriert den Spektrallinien oder -bänder

21 schwarzer Strahler Idealfall eines Temperaturstrahlers Adaptionsziel des menschlichen Sehvermögens besitzt Absorptionsgrad α(λ) = 1 approximiert viele Wärmestrahler genügt dem Planckschen Strahlungsgesetz L e (λ, τ ) = c 1 λ 5 1 exp( c 2 λ τ 1) mit 1 sr π c 1 = W m 2 (1. Plancksche Strahlungsk.) c 2 = m K (2. Plancksche Strahlungsk.)

22 L e, T=1000K 12 L e, T=1250K L e, T=1500K L e, T=1750K 10 L e, T=2000K 8 L e (λ,τ) λ [µm] Isothermen des schwarzen Strahlers

23 Sonnenlichtspektren

24 Wolframspektren

25 Temperaturwert ein gegebenes Spektrums definiert eine Farbe Plancksches Strahlungsgesetz: jede Temperatur (in Kelvin) definiert ein Spektrum und damit auch einen Farbwert bekannt als Planckscher Kurvenzug da injektiv, existiert Umkehrfunktion bekannt als Farbtemperatur auch benutzt für andere Lichtquellen bei grösseren Abweichungen Approximation durch ähnlichste Farbtemperatur

26 in Kelvin Visualisierung des Planckschen Kurvenzugs

27 Lichtquelle Kerze Sonnenlicht bei Sonnenuntergang Glühlampe 40 W Glühlampe 100 W Halogenglühlampe Mondlicht mittleres Sonnenlicht Xenonlampe mittleres Taglicht Tageslicht am Nordhimmel Farbtemperatur 1900 K 2000 K 2800 K 2900 K 3300 K 4100 K 5000 K 6000 K 6500 K 7500 K

28 Normlichtarten (CIE) Normlichtart A entspricht schwarzem Strahlers bei 2865 K im sichtbaren Spektrum approximiert durch Wolfram-Glühlampe der Temperatur 2856 K Normlichtart D 65 Serie von Tageslichtarten beginnen alle mit D technisch wichtigste ist D 65 mit ähnlichster Farbtemperatur 6504 K abstrakt definiert in der graphischen Industrie auch D 50 ähnlichste Farbtemperatur 5003 K

29 Normlichtart C aus Normlichtart A durch Davis-Gibson-Filter ähnlichste Farbtemperatur 6800 K vor D 65 polulär Normlichtarten F Serie von 12 fluoreszierenden Lichtquellen F 8 stellt einen D 50 -Simulator dar weitere Normlichtarten E, das energiegleiche Spektrum B Sonnenlicht G Vakuumglühlampenlicht P Petroleum- bzw. Kerzenlicht Xe Licht der Xeon-Hochdruck-Kurzbogenlampe

30 F(λ) D65(λ)

31 140 A(λ) C(λ) 120 D50(λ) D65(λ)

32 1 0.8 B(λ) G(λ) R(λ) Monitorphosphorspektren

33 Reflexion Zurückstrahlung des Lichtes bei seinem Auftreffen auf der Grenzfläche zwischen zwei verschiedenen Medien macht nichtstrahlenden Körper erst sichtbar Reflexionsgrad abhängig von der Wellenlänge verschiedene Materialien besitzen unterschiedliches Reflexionsverhalten

34 Diffuse Reflexion oder Remission typisch für matte Oberflächen wie Pappe resultiert teilweise aus Oberfächenrauhheit einfallendes Licht wird in alle Richtungen reflektiert teilweise dringt Licht in den Körper ein wird dort in oberflächennahen Schichten gestreut und tritt schliesslich wieder in die Umgebung aus dieser Anteil bestimmt Eigenfarbe der Oberfläche wegen vielfacher Streuung diffus in alle Richtungen vollkommen diffuser Strahler: Lambertscher Strahler

35 Gerichtete Reflexion oder auch Spiegelung typisch für glänzende Oberflächen reflektierter und einfallender Strahl bilden mit der Normalen zur Grenzfläche im Einfallspunkt gleiche Winkel θ 1 = θ 2 einfallender Strahl Normale θ 1 θ 2 Einfallspunkt reflektierter Strahl Grenzschicht

36 bidirectional reflectance distribution functions (BRDF) stetiger Übergang zwischen den Extremen für vollständige Beschreibung durch BRDF für jeden Einfallswinkel bestimmen welcher Anteil der Strahlung wird in welchem Ausfallswinkel reflektiert nur in aufwendigen Messungen zu ermitteln BRDF ist jedoch nur phänomenologisch beschreibt ein Verhalten aber keine Erklärung andererseits: Reflexionsmodelle nur schwer zu entwicklen da Wechselwirkung von Licht mit Materie oft gar nicht an der Grenzfläche stattfindet sondern in der Materie selber

37 Reflexionsarten

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