Grundlagen der Lichttechnik I S. Aydınlı Raum: E 203 Tel.: 314 23489 Technische Universität Berlin Fachgebiet Lichttechnik, Sekr. E6 Einsteinufer 19 10587 Berlin email: sirri.aydinli@tu-berlin.de http://www.li.tu-berlin.de
Grundlagen der Lichttechnik Einführung 1.1 Wesen des Lichtes / Elektromagnetische Strahlung Optische Strahlung / UV-, sichtbare und IR-Strahlung 1.2 Monochromatische Strahlung / das Spektrum (Strahlungsfunktion) 1.3 Strahlung und Licht / V()-Kurve / SI-Basiseinheiten / Lichtstärke (cd) / K m = 683 lm/w 1.4 Spektrale, strahlungsphysikalische und lichttechnische Größen 1.4.1 Strahlungsfluss (W) / Lichtstrom (lm) 1.4.2 Strahlungsausbeute / Lichtausbeute (lm/w) 1.4.3 Photometrisches Strahlungsäquivalent (lm/w) 1.4.4 Strahlstärke / Lichtstärke 1.4.5 Strahldichte / Leuchtdichte 1.4.6 Bestrahlungsstärke / Beleuchtungsstärke
Grundlagen der Lichttechnik 1.5 Farbe / Farbreiz / Lichtfarbe / Körperfarbe 1.5.1 Farbmaßzahlen / Farbart: Farbton und Sättigung / Helligkeit 1.5.2 Normfarbwertanteile x und y / Farbtafel / Farbort x, y 1.5.3 Ähnlichste Farbtemperatur T cp 1.5.4 Allgemeiner Farbwiedergabeindex R a
Sehen: Sinnesempfindung / Lernprozess / Erkennen
Sehen: Sinnesempfindung / Lernprozess / Erkennen
Sehen: optische Wahrnehmung / Interpretation
Sehen: Wahrnehmung und Erkennen
Wesen des Lichtes Wellentheorie (Huygens) Brechung, Beugung Ausstrahlung des Lichtes Korpuskulartheorie (Newton) Photoelektrischer Effekt Photon, Energiequanten - - - + + + - + A I Weg Wellenlänge: [nm] Frequenz: f [1/s = Hz] (Anzahl der Wellen pro s) Geschwindigkeit f = v = c
Wesen des Lichtes Wellentheorie (Huygens) Brechung, Beugung Ausstrahlung des Lichtes Wellenlänge: [nm] Frequenz: f [1/s = Hz] (Anzahl der Wellen pro s) Geschwindigkeit f = c Wellenlänge : 1m 1 mm = 10-3 m 1 μm = 10-6 m 1 nm = 10-9 m = 10-6 mm
Wesen des Lichtes Dualismustheorie (Max Planck) Elektromagnetische Wellen Q ph = h f Q ph h f die Energie des Photons das Plancksche Wirkungsquantum h = 6,626176 10-34 Ws 2 die Frequenz c 0 = c o = 300.000 km/s f Q ph = h c 0
Elektromagnetische Strahlung ν
Spektrale Farben
Regenbogen
Das Spektrum einer L-Lampe
Optische Strahlung
Linienspektrum
Kontinuierliches Spektrum
Gemischtes Spektrum
LL-Spektren
Tageslichtphasen
Raumwinkel r A k Ω = A k / r 2 [sr] Der volle Raumwinkel ergibt sich zu: 2 4πr Ω = sr = 4π sr 2 r
Ebener und Raumwinkel Ω = A / r 2 sr mit A = 1 m 2 und r = 1 m Ω = 1 sr α = 2 π rad 360 α = b / r rad mit b =1 m und r = 1 m α = 1 rad Ω = 4 π sr
SI-Basiseinheiten und Candela cd
Lichtstärke Candela cd Die Candela ist die Lichtstärke in einer bestimmten Richtung einer Strahlungsquelle, welche monochromatische Strahlung der Frequenz 540 10 12 Hertz ( = 555 nm) aussendet, und deren Strahlstärke in dieser Richtung 1/683 Watt durch Steradiant beträgt. = 555 nm ΔΩ I e = 1 / 683 W/sr I= 1 cd = 1 lm/sr K m = I / I e = 683 lm / W
Relative spektrale Hellempfindlichkeitsgrade des menschlichen Auges für Tages- V() und Nachtsehen V( )
Monochromatische Strahlung und Strahlungsfunktion Monochromatische Strahlung: Strahlung einer Wellelänge Spektrale Größen: (bezogen auf Wellenlänge, deshalb eine Funktion der Wellenlänge) Generelle Beschreibung: X e {z.b. Φ e [W nm -1 ], spektraler Strahlungsfluss (spektrale Strahlungsleistung)} Strahlungsfunktion S : relative spektrale Verteilung (spektrale Zusammensetzung) der Strahlung einer Lichtquelle
Definition der strahlungsphysikalischen Größen Strahlungsphysikalische Größen: X = e X e 2 = 1 Δ z.b. für Globalstrahlung: 1 =300 nm 2 =3000 nm z.b. Strahlungsfluss (Strahlungsleistung) [W] Φ e = 2 = 1 Φ e Δ Φ e Spektrale Strahlungsleistung in W/nm
Definition der lichttechnischen Größen Lichttechnische Größen: X e 780 nm = K m X = 380 nm e V ( ) Δ 1 = 380 nm 2 = 780 nm z.b. Lichtstrom (Lichtleistung) [lm] (Lumen) Φ = K m 780 nm Φ = 380 nm e V ( ) Δ Φ e Spektrale Strahlungsleistung in W/nm V( ): Relativer spektraler Hellempfindlichkeitsgrad des menschlichen Auges für Tagessehen K m = 683 lm/w: Maximalwert des photometrischen Strahlungsäquivalenten
Strahlungsphysikalische und lichttechnische Größen P: Elektrische Anschlussleistung einer künstlichen Lichtquelle [W] strahlungsphysikalische Größen lichttechnische Strahlungsfluss (Strahlungsleistung) Lichtstrom Φ e [W] Φ [lm] (Lumen) Strahlungsausbeute η e = Φ e / P [1] Lichtausbeute η = Φ / P [lm/w] Photometrisches Strahlungsäquivalent K = Φ / Φ e [lm/w]
Lichtstrom
Strahlstärke Lichtstärke I e = ΔΦ e / ΔΩ [W/sr] I = ΔΦ /Δ Ω [lm/sr=cd] I bzw. I e ΔΦ bzw. ΔΦ e ΔΩ
Lichtstärke
Strahldichte Leuchtdichte L e = I e / A cos ε [W/(sr m 2 )] L = I / A cos ε [cd/m 2 ] I bzw. I e ΔΦ bzw. ΔΦ e A ΔΩ ε L bzw. L e
Leuchtdichte
Bestrahlungsstärke E e = ΔΦ e,ein / ΔA [W/m 2 ] A: Fläche [m 2 ] Beleuchtungsstärke E= ΔΦ ein /ΔA [lm/m 2 =lx] ΔΦ e,ein bzw. ΔΦ ein ΔA
Beleuchtungsstärke
Farbumstimmung
Farbe Farbvalenz Farbreiz: Φ Lichtfarbe Φ = S Körperfarbe Φ = S β() Farbmaßzahlen: Farbart: - Farbton (Buntton) Helligkeit - Buntheit (Sättigung)
Normspektralwertfunktionen x(), y() und z() für den 2 -Beobachter nach CIE
CIE Farbmaßzahlen: Normfarbwerte X, Y und Z ( ) Δ Φ = x k X ( ) Δ Φ = y k Y ( ) Δ Φ = z k Z ( ) ( ) y, x ( ) z und : Normspektralwertfunktionen (von der CIE festgelegt) Z Y X X x + + = Z Y X Y y + + = Z Y X Z z + + = Normfarbwertanteile: x + y + z = 1 x, y Farbart (Farbort auf der Farbtafel) Helligkeit: Lichtfarben I, L, Φ Körperfarben Hellbezugswert A = 100 β
CIE Farbmaßzahlen: Normfarbwerte X, Y und Z ( ) Δ Φ = x k X ( ) Δ Φ = y k Y ( ) Δ Φ = z k Z Normfarbwertanteile: x, y Farbort der Spektralfarben; Kurvenzug der Farbtafel Z Y X Y y + + = Z Y X X x + + = ( ) ( ) ( ) ( ) z y x x x + + = ( ) ( ) ( ) ( ) z y x y y + + =
Normfarbtafel Unbunt: x = 0,3333 y = 0,3333
Kurvenzug des Planckschen Strahlers T cp : Ähnlichste Farbtemperatur Einer Lichtquelle
Einteilung der Lichtfarben nach T cp Lichtfarbe Ähnlichste Farbtemperatur T cp warmweiß (ww) T cp < 3300 K, neutralweiß (nw) 3300 K <= T cp < 5000 K und tageslichtweiß (tw) 5000K <= T cp.
Farbwiedergabe
Farbwiedergabestufen nach allgemeinem Farbwiedergabeindex Ra 14 Testfarben Testlichtquelle mit T cp Bezugslichtquelle: Planck scher Strahler (T cp <=5000 K) Tageslichtphasen (T cp >5000 K) Spezieller Farbwiedergabeindizes R i Der allgemeine Farbwiedergabeindex R a 8 1 R = a R i 8 i= 1 Stufe 1A 1B 2A 2B 3 4 R a -Bereich R a >= 90 80 <= R a < 90 70 <= R a < 80 60 <= R a < 70 40 <= R a < 60 20 <= R a < 40