Basic Creative Engineering Skills. Licht, lichtbronnen, kleurtemperatuur

Transcriptie

1 Licht, lichtbronnen, kleurtemperatuur

2 Optica.. Een vak van belang Op tica (Gr.) leer (der wetten) v.h. zien en het licht. Want door het licht nemen wij van voorwerpen veel meer waar, dan immer het tastzintuig er ons van zou kunnen leeren kennen. (P. van den Burg, 1865). Communication between actor [and scenery] and audience depends on sound and sight. (Francis Reid, The Stage Lighting Handbook, 1987) 2

3 Wat is licht? Wat is licht? Bijvoorbeeld Het licht is dat physisch agens, dat op het gezichtsorgaan werkende, ons de voorwerpen doet aanschouwen. (Canot, ~1850) 3

4 Stukje geschiedenis In de Griekse oudheid (~300 BC) zijn er 5 lichttheorieën. O.a. de oogstralentheorie (oog is een soort radar), die door Euclides en Ptolomaeus wordt aangehangen. Tot in de 17e eeuw zijn er aanhangers. Al Hassan ( ) schrijft een boek met een stralentheorie, zoals wij die kennen. Sinds Al Hassan vele pogingen om een lichtstraal te definiëren, o.a. door Newton in

5 Stukje geschiedenis Grimaldi ( ) ontdekt lichtbuiging: licht door een klein gaatje wordt verstrooid, zodat er een groter lichtvlek ontstaat dan je zou denken op grond van de stralentheorie schrijft de academie der wetenschappen een wedstrijd uit met lichtbreking als onderwerp. Fresnel wint. Tot 1887 dacht men dat er een tussenstof, de aether, bestond. Het tegendeel wordt bewezen door Michelson en Morley. 5

6 Modellen Heden ten dage zijn er 3 fysische modellen: Stralenoptica (geometrische optica) reflectie refractie Golfoptica (fysische optica) interferentie dispersie diffractie Quantumoptica foto-elektrisch effect LED 6

7 Stralenoptica Stralenoptica Dit model kijkt niet naar het wezen van het licht, maar definieert lichtstralen. Rechte lijn vanuit lichtbron waarlangs lichtenergie zich voortplant. Bij overgang van het ene naar een ander medium terugkaatsing of breking volgens bepaalde wetten. 7

8 Golfoptica Golfoptica In dit model wordt licht beschreven als een elektro-magnetisch golfverschijnsel. Trillingsverschijnsel: licht heeft een frequentie f Licht heeft een golflengte ( = c / f ) 8

9 Golfoptica 9

10 Quantumoptica Quantumoptica In dit model wordt licht beschreven als deeltjes: de zogenaamde fotonen. Fotonen hebben energie ( E = h * f ). Fotonen hebben geen massa. Fotonen kunnen energie overdragen aan materie en energieovergangen in materie kunnen fotonen creëren. 10

11 Quantumoptica 11

12 Eigenschappen van licht Licht is elektromagnetisch verschijnsel Lichtsnelheid is constant (c 0 = 3*10 8 m/s). De golflengte bepaalt de kleur (f = c / ). Licht plant zich rechtlijnig voort (mits geen medium overgangen). 12

13 Spectrale Energieverdeling Een lichtgevend voorwerp zendt elektro- magnetische straling uit van verschillende golflengtes. De hoeveelheid energie varieert per golf- lengte. De verdeling van de energie over alle golf- lengtes heet spectrale energieverdeling. 13

14 Spectrale Energieverdeling Spectrale energieverdeling van een gloeilamp. 14

15 Lichtbronnen Licht wordt opgewekt door verschillende mechanismen: Temperatuurstraling Alle voorwerpen (T > 0 Kelvin) stralen!! Gasontlading Botsende gasatomen zorgen voor licht Elektroluminicentie Energieovergangen in halfgeleiders (bv. LED) 15

16 Temperatuurstraler Ieder voorwerp met een temperatuur groter dan 0 Kelvin (= -273 C) straalt elektromagnetische straling uit. Het spectrum varieert met de temperatuur. Hoe heter: Hoe meer energie Hoe witter 16

17 Black Body Radiation De reden: Als je een lichaam verwarmt zal het deze toegevoerde energie weer teruggeven aan de omgeving in de vorm van elektromagnetische straling. Een black body, of zwart lichaam, absorbeert alle opvallende elektromagnetische straling. Een zwart lichaam met een temperatuur T - in evenwicht met de omgeving - heeft een specifieke spectrale energieverdeling. 17

18 Black Body Radiation 18

19 Black Body Radiation De stralingswet van Planck Een formule waarmee de energie P die door een zwart lichaam wordt uitgestraald bij een golflengte kan worden berekend. De wet van Stefan-Boltzmann De totale straling uitgezonden door een oppervlak A van een zwart lichaam: P = A T 4 = 56, W/m 2.graad 4 (constante van Stefan-Boltzmann) 19

20 Black Body Radiation De wet van Wien Tussen de temperatuur T en de golflengte M van het stralingsmaximum bestaat een verband: M T 3000 K. m Naarmate het voorwerp heter wordt, verschuift de top van het stralingsspectrum naar kleinere golflengtes infrarood zichtbaar ultraviolet 20

21 Kleurtemperatuur Een heet voorwerp zendt dus zichtbaar licht uit. Voor een zwart lichaam kan met de wet van Planck precies berekend worden hoeveel zichtbaar licht wordt uitgestraald. Er geldt hoe, heter hoe witter! 3000 K 3500 K 4000 K 21

22 Kleurtemperatuur Definitie Kleurtemperatuur De kleurtemperatuur van een lichtbron is de absolute temperatuur (in Kelvin dus) van een zwarte straler, waarbij deze licht uitzendt met dezelfde kleurindruk als de beschouwde lichtbron. Manier om lichtbronnen te vergelijken 22

23 Kleurtemperatuur Een deel van de lichtbronnen zijn temperatuurstralers: het licht wordt opgewekt door een heet voorwerp. In het algemeen zijn het geen echte zwarte stralers, maar ze hebben bij benadering eenzelfde continu spectrum. Lichtbron Kleurtemperatuur Kaars K Gloeilamp K Halogeenlamp K Zon K 23

24 Gloeilamp Een gloeilamp heeft een positieve weerstandskarakteristiek. De stroom wordt van nature begrensd. 24

25 Gloeilamp Kenmerken van een gloeilamp Een gloeidraad (in feite een elektrische weerstand) Meestal wolfraam, dubbel gespiraliseerd Temperatuur gloeidraad ca C De draad verdampt Zwarting van het glas, daarom glas ver van de gloeidraad en relatief grote lampen. Slechts ca. 5% van vermogen omgezet in licht. Specifieke lichtstroom slechts lm/w De elektrische weerstand neemt toe met de temperatuur van de gloeidraad. 25

26 Halogeenlamp Een halogeenlamp is in feite een bijzondere gloeilamp waarbij aan het vulgas halogenen zijn toegevoegd (Fluor, Chloor, Broom of Jodium). Tussen de halogenen en de verdampte wolfraam deeltjes vindt een reactie plaats, die er voor zorgt dat de wolfraam weer terugkeert naar de gloeidraad: de halogeencyclus. Hierdoor kan de temperatuur iets naar omhoog en kan de glasbol kleiner worden. 26

27 Halogeencyclus Halogeen Cycle Animation 27

28 Halogeenlamp Voordelen Levensduur 5 tot 20 keer groter. Temperatuur gloeidraad kan hoger. Hogere kleurtemperatuur ( 3000 i.p.v K ). Hoger rendement ( 15 tot 20 % i.p.v. 5 %). Hoger specifieke lichtstroom (20-25 lm/w) Nadelen Bol van kwartsglas is gevoelig voor huidvet (deritrificatie). 28

29 Halogeenlamp - Karakterisiteken 29

30 Halogeenlamp - Spectrum 30

31 Gasontlading Basisprincipe Gasatomen komen in botsing met stroom geleidende elektronen en ionen en raken hierdoor in een aangeslagen toestand. Vervolgens vallen ze weer terug naar de grondtoestand onder uitzending van licht. Kathode Anode - + R 31

32 Vrije weglengte Vrije elektronen bewegen naar de anode en worden versneld door het potentiaalverschil. Na zeker tijd botsen ze met de aanwezige atomen en verliezen daarbij (een deel) van hun bewegingsenergie (de kinetische energie). De gemiddelde afstand die de elektronen daarbij afleggen heet de vrije weglengte. Hoe groter het potentiaalverschil tussen anode en kathode hoe meer kinetische energie het elektron kan krijgen gedurende de vrije weglengte. 32

33 Soorten botsingen Versnelde elektronen botsen met gasatomen. Er bestaan verschillende soorten botsingen: 1. Elastische botsingen (er ontstaat warmte) 2. Uittredende botsingen (aangeslagen toestand) 3. Ioniserende botsingen (nieuwe elektronen) 4. Hernieuwd aanslaan (atoom was metastabiel) 5. Botsing van ion met kathode (secundair elektron) 6. Recombineren (samengaan elektron met ion) 7. Foto-ionisatie of -emissie (absorberen lichtkwant) 33

34 Soorten botsingen Ioniserend Uittredend / Aangeslagen 34

35 Soorten botsingen Elektronen bevinden zich in banen rond de kern. In elke baan is het elektron met een zekere energie aan de kern gebonden. Aan een gebonden elektron moet energie toegevoerd worden om hem uit zijn baan te krijgen. Als er voldoende energie wordt toegevoerd om een elektron geheel los te krijgen van de kern (bindingsenergie), is het atoom geïoniseerd. Als er minder energie wordt toegevoerd kan het elektron in een hogere baan terecht komen: de aangeslagen toestand. 35

36 Lijnenspectrum Niet ieder energieniveau is een mogelijke toestand van het elektron. Als een elektron terugvalt van een hogere in een lagere baan, wordt het energieverschil uitgezonden als elektromagnetische straling. Doordat slechts bepaalde overgangen mogelijk zijn, ontstaat een spectrum van lichtlijnen. Ieder element heeft zijn eigen unieke lijnenspectrum 36

37 Starten In aanvang zijn er weinig vrije elektronen en is de stroomgeleiding slecht. Door het spanningsverschil te verhogen zullen de aanvankelijk weinige vrije elektronen genoeg energie verzamelen gasatomen te kunnen ioniseren. Door de ionisatie neemt het aantal elektronen toe en de elektrische weerstand af. Een gasontladingslamp heeft een negatieve weerstandskarakteristiek. De stroom moet na het ontsteken begrensd worden. 37

38 Opbouw Opbouw lamp in het algemeen: Twee elektroden anode en kathode In een glazen buis Gevuld met gas. 38

39 Typen Enkele typen gasontladingslampen zijn: TL Fluorescentielamp HID (High-intensity discharge lamps ) Haloïde metaaldamplampen HMI (Hydrargyrum medium-arc iodide) HQI (Hydrargyrum quartz iodide) Xenon lampen (projectoren) Hoge en lage druk natrium lampen Laser 39

40 TL Een TL-buis is een lage druk kwikontladingslamp, met daaraan toegevoegd een mengsel van edelgassen. Twee gloeidraden zorgen voor elektronen. Aan de binnenzijde is de buis voorzien van een fluorescentiepoeder. De gasontlading levert UV-licht (een lijnenspectrum met een grote piek bij 254 nm). Het fluorescentiepoeder zet het UV om in zichtbaar licht. De UV fotonen brengen de atomen in het poeder in een aangeslagen toestand. Bij het terugvallen ontstaat zichtbaar licht. 40

41 TL Het spectrum is afhankelijk van het fluorescentie poeder, vandaar dat verschillende lichtkleuren bestaan Bron spectrum Fluoriscentie spectrum 41

42 TL - Starten 42

43 TL voor- en nadelen Voordelen Hoger rendement ( ca. 27 %). Van 36 W wordt ca. 10 W omgezet in licht de overige 26 W in warmte. Hogere specifieke lichtstroom ( lm/w). Verschillende kleurtemperaturen verkrijgbaar. Nadelen Minder natuurgetrouwe kleurweergave. Spectrum wijkt af van daglicht. Lastiger dimbaar. 43

44 Metaal Haloïde Lampen Haloïden plus andere metalen, zoals Natrium, Thallium (zogenaamde zeldzame aarden) aanwezig. 44

45 Metaal Haloïde Lampen Voordelen Hoge specifieke lichtstroom lm/w Zeer grote vermogens verkrijgbaar (dus grote lichtstroom). Hoge kleurtemperatuur. Nadelen Opstarttijd nodig (enkele minuten) Alleen mechanisch dimbaar. Iets minder natuurgetrouwe kleurweergave. Herstarten lamp pas na enige tijd. Theaterschool 45

46 Xenon Het spectrum van een Xenon gasontladingslamp lijkt sterk op dat van daglicht. Theaterschool 46

47 LED Light Emitting Diode Licht ontstaat in diode overgang Aan de basis staan halfgeleiders en de kwantumtheorie Theaterschool 47

48 LED Doteren (verontreigingen) P materiaal (extra gaten ) N materiaal (extra elektronen ) Theaterschool 48

49 LED Verarmingslaag / Depletion Layer Spanningsval verschilt per type LED/overgang 49

50 LED opbouw 50

51 LED Lichtopbrengst Brekingsindex halfgeleider 2,5-3,5 Max. grenshoek bij overgang naar lucht: 23,6 Brekingsindex epoxy: 1,4-1,8 Max. grenshoek bij overgang naar epoxy: 46,1 51

52 LED Lichtopbrengst Voordelen Zeer robuust branduren Efficiënt in theorie 100% efficiëntie haalbaar ( lm/w) nu tussen gloeilamp en TL in (~50 lm/w) Dimbaar zonder verandering kleur Nadelen Nog duur Grote vermogens nog niet breed beschikbaar Warmte afvoeren is lastig 52

53 LED Wit Licht Fosfor converter PRS Photon Recycling Semiconductor 53

54 LED Wit Licht 54