Fotometrische basisgrootheden

Transcriptie

1 Fotometrische basisgrootheden 24 oktober 2013 Guy Durinck

2 Fotometrie en radiometrie Licht: elektromagnetische golven elektromagnetische golven transporteren energie energiestroom Radiometrie: het meten van energie van (niet ioniserende) elektromagnetische straling (infrarood, zichtbaar licht, ultraviolet,microgolven, ). Men meet zuiver fysische grootheden in eenheden zoals joule, watt, watt per oppervlakte, enz

3 Fotometrie en radiometrie Het menselijk oog kan maar een heel klein deel van het elektromagnetische spectrum waarnemen. Bovendien reageren de lichtgevoelige cellen in ons netvlies niet op alle golflengten van zichtbaar licht even enthousiast. Dit brengt ons bij de fotometrie. Fotometrie: het (proberen) meten van de hoeveelheid licht zoals die door mensen wordt ervaren, m.a.w. rekening houdend met hoe ons oog reageert op de verschillende golflengten van straling. Hier worden andere eenheden gebruikt (lumen, lux, candela, ).

4 Stralingsstroom Stralingsstroom (Engels: radiant flux) Eenheid: joule per seconde ofwel watt. De stralingsstroom Φ is het tempo waarmee energie wordt overgedragen (bvb.: wordt uitgestraald door een lamp, door een oppervlak gaat, enz ). Spectrum: verdeling van de stralingsstroom per golflengte

5 Fotometrie: de ooggevoeligheidscurve 507 nm 555 nm Golflengte (nm) De blauwe curve stelt de relatieve ooggevoeligheid voor in omstandigheden waarbij er voldoende licht aanwezig is (overdag, goed verlichte kamer, ): fotopisch zicht. De rode curve stelt de ooggevoeligheid voor indien er weinig licht aanwezig is (nachtzicht): scotopisch zicht. De ooggevoeligheid past zich dus aan aan de omstandigheden! De verschuiving van de ooggevoeligheid naar blauwer licht bij overgang naar scotopisch zicht noemt men het Purkinje effect. Bron figuur: Philips Lighting Academy

6 Fotometrie: de ooggevoeligheidscurve 507 nm 555 nm Golflengte (nm) Opmerkingen: Voor fotopisch zicht zijn de kegeltjes verantwoordelijk Voor scotopisch zicht zijn de staafjes verantwoordelijk. Deze curve geeft enkel de mate aan waarin het oog gevoelig is voor bepaalde golflengten, licht van 555nm zal reeds bij een kleinere stralingsstroom als veel licht ervaren worden dan licht bij 650nm. De curve zegt dus niets over kleurwaarneming, enkel over helderheidsindruk!

7 Fotometrie: Fotopisch, scotopisch en mesopisch zicht Fotopisch zicht (photopic vision) Helder verlichte voorwerpen Kegeltjes in het netvlies Kleuren worden waargenomen Grote centrale gezichtsscherpte Scotopisch zicht (scotopic vision) Nachtzicht, heel weinig licht aanwezig Staafjes in het netvlies Kleuren worden niet waargenomen Vooral perifeer gezichtsveld Minder scherp zicht Mesopisch zicht (mesopic vision) Combinatie van scotopisch en fotopisch zicht Kegeltjes en staafjes zijn actief Kleuren worden waargenomen Typische situatie: s nachts met de auto rijden Nog steeds onderwerp van wetenschappelijk onderzoek!

8 De numerieke waarden van de fotopische curve staan in de middenste kolom als functie van de golflengte. ( nm) x( ) y( ) z( ) ( nm) x( ) y( ) z( ) SOM

9 Lichtstroom De fotometrische grootheid lichtstroom (Engels: luminous flux). De eenheid van lichtstroom is lumen (lm) Een maat voor de hoeveelheid zichtbaar licht Dit is de spectrale stralingsstroom gewogen met de fotopische ooggevoeligheidscurve

10 Lichtstroom Boven: De spectrale stralingsstroomdichtheid (het spectrum) van de elektromagnetische straling van een lichtbron De oppervlakte onder de curve is een maat voor de stralingsstroom De fotopische ooggevoeligheidscurve Onder: De gearceerde oppervlakte is evenredig met de totale lichtstroom.

11 Voorbeeld: 3 monochromatische lichtbronnen Stralingsstroom van 1W bij λ=450nm (monochromatisch blauw) Stralingsstroom van 0,1W bij λ=570nm (monochromatisch geel) Stralingsstroom van 10W bij λ=710nm (monochromatisch rood) 10*0.0021= *0.038= ,1*0.95 = Meest helder!

12 Lichtstroom De lichtstroom van enkele veel voorkomende lampen: Halogeenlamp (100W): 1880lm Spaarlamp (13W): 900lm Hoge druk natriumlamp (150W): 16000lm T5-HO (High Output) buislamp (54W): 5000lm

13 Specifieke lichtstroom In de verlichtingswereld is één van de karakteristieken van een lichtbron de specifieke lichtstroom (Engels: efficacy). De specifieke lichtstroom is de verhouding tussen de lichtstroom (lumen) dat de bron uitstraalt en het elektrisch vermogen (watt) dat de lichtbron verbruikt. De éénheid is dus lumen per watt (lm/w). De specifieke lichtstroom (grootte-orde) van enkele populaire lampen: Gloeilamp: 15lm/w P Halogeenlamp: 20lm/w Fluorescentielamp (buislamp): 90lm/w Spaarlamp (ook een fluorescentielamp): 65-75lm/w Lage druk natriumlamp (gele straatverlichting): 160lm/w Hoge druk natriumlamp (witte straatverlichting): 100lm/w

14 Verlichtingssterkte De lichtstroom die invalt per éénheid van oppervlakte op een oppervlak noemt met de verlichtingssterkte E (Engels: illuminance) Eenheid: lux = lumen per vierkante meter E d da

15 Verlichtingssterkte Grootte orde voor verlichtingssterkte op het middaguur tijdens een zeer zonnige zomerdag in een gematigde klimaatzone Opmerking: Europese norm (EN ) voor binnenverlichting in werkplaatsen

16 Verlichtingssterkte Verlichtingssterkte kan rechtstreeks gemeten worden met een luxmeter. Een luxmeter bestaat uit een meetkop en een uitleestoestel (zie foto). Typisch aan de meetkop is dat de eigenlijke lichtsensor is afgeschermd met een diffuser (een mat stuk kunststof). Dit is noodzakelijk omdat lichtsensoren gevoelig zijn voor de richting van waaruit het licht op de sensor valt. De diffuser zorgt voor een zodanige verstrooïing van het invallende licht dat de invloed van de invalsrichting van het licht op de eigenlijke detector volledig wordt teniet gedaan (verlichtingssterkte houdt geen rekening met de richting van waaruit licht invalt op een oppervlak!).

17 Lichtsterkte van een lichtbron Een voor praktische toepassingen veel voorkomende situatie is dat de afmetingen van de lichtbron klein is in verhouding tot de afstand waarop de waarnemer zich bevindt. Enkele voorbeelden: Een klein spotlampje in het plafond dat een tafeloppervlak 2m lager verlicht. Een straatlamp (bvb.: L=80cm) bevestigd aan een 8m hoge paal. Enz In dergelijke gevallen zal men de afmetingen van de lichtbron volledig verwaarlozen. Men zal dus onderstellen dat al het licht afkomstig is uit één punt: men beschouwd een puntbron. In de praktijk blijkt deze benadering te werken op voorwaarde dat de afstand van bron tot waarnemer tenminste 5 keer de afmetingen van de lichtbron bedraagt.

18 Lichtsterkte van een lichtbron De lichtsterkte van de puntbron I (Engels: luminous intensity) is de lichtstroom die een puntbron in een bepaalde richting uitstraalt Opmerking: de lichtsterkte van een puntbron is eigenlijk de (oneindig kleine) lichtstroom binnen een (oneindig kleine) ruimtehoek met top in de puntbron I d d De eenheid van lichtsterkte is lumen per steradiaal. Men definieert 1 lumen per steradiaal als 1 candela (cd): 1cd 1 lm sr

19 Lichtsterkte van een lichtbron In de verlichtingswereld kan er heel dikwijls vanuit gegaan worden dat een verlichtingsarmatuur zich zal gedragen als een puntbron Een belangrijke karakteristiek van een armatuur is het stralingspatroon of de lichtcurve; dit is de lichtsterkte als functie van de richting waarin het licht wordt uitgestraald. De lichtcurve geeft dus weer hoe licht vanuit de armatuur ruimtelijk wordt verdeeld Groene curve: lichtcurve loodrecht op de lengterichting van het armatuur Rode curve: lichtcurve evenwijdig met de lengterichting van het armatuur

20 Luminantie Luminantie (Engels: luminance) is een maat voor de helderheid van een ruimtelijk uitgestrekt oppervlak (lichtbron of reflecterend oppervlak) Eenheid: candela per vierkante meter In een eerste benadering kan men stellen dat onze ogen luminanties waarnemen Contrast wordt veroorzaakt door verschillen in luminantie

21 Luminantie Verband tussen lichtstroom, lichtsterkte, verlichtingssterkte en luminantie

22 Radiantie en luminantie Enkele typische luminatiewaarden:

23 Radiantie en luminantie Enkele opmerkingen: Een oppervlak dat een constante luminantie heeft, m.a.w. dat er vanuit alle mogelijke kijkrichtingen even helder uitziet, noemt men een Lambertiaans oppervlak (reflectie) of een Lambertiaanse straler (lichtbron). Luminatie kan gemeten worden met een luminantiemeter. Dit toestel is uitgerust met een lensoptiek die moet scherp gesteld worden op het oppervlak waarvan men de luminantie wil meten. Het is een beeldvormend toestel. Berekenen van verlichtingsterkte (op bijvoorbeeld een tafel) veroorzaakt door een grote lichtbron met gekende luminantie is meestal ingewikkeld.

24 Kleuren zien Licht met een zeker spectrum wordt door een bron uitgezonden en belicht een voorwerp (dit spectrum wordt bepaald door de bron). Het voorwerp zal de verschillende golflengten van het invallende spectrum in meer of mindere mate reflecteren (reflectantie (Engels: reflectance): een eigenschap van het voorwerp). Gereflecteerd licht met een spectrum dat het product is van het bronspectrum en de reflectantie bereikt het oog. Cellen in de retina reageren op het lichtspectrum en sturen signalen naar de hersenen. Na verwerking van de signalen worden we ons bewust van een kleur Kleur is dus géén eigenschap van een voorwerp! Kleur ontstaat in de hersenen!

25 Gecorreleerde kleurtemperatuur van een lichtbron Voorwerpen zenden thermische straling uit als functie van hun temperatuur (infrarood, zichtbaar licht, ultraviolet, ) Ideaal geval: zwarte lichaamsstraling (Engels: black body radiation) Voorbeelden: gloeilamp, elektrische kookplaat, zonlicht, De kleur van het voorwerp verandert als functie van de temperatuur van het voorwerp: roodgloeiend, witheet, enz

26 Gecorreleerde kleurtemperatuur (CCT) van een lichtbron De kleur van zwarte lichaamsstraling op een chromaticiteitsdiagram als functie van de temperatuur van het zwart lichaam: Planckse locus (Engels: Planckian locus) Een lichtbron die een kleur heeft die overeenkomt met de kleur van een zwarte straler op een bepaalde temperatuur T heeft een gecollereerde kleurtemperatuur T (Engels: collerated colour temperature, CCT)

27 Gecorreleerde kleurtemperatuur (CCT) van een lichtbron De CCT is niet noodzakelijk de echte temperatuur van de lichtbron! (vb.: wel bij gloeilamp, niet bij fluorescentielamp) Als de kleur van de lichtbron niet op de Planckse locus licht wordt er toch een CCT gedefinieerd via isotemperatuur lijnen (kleur die het meest lijkt op zwarte straling bij een bepaalde T)

28 Gecorreleerde kleurtemperatuur (CCT) van een lichtbron CCT<3300K warm wit CCT>5300K koud wit Daartussen: neutraal wit Pas op! CCT hoog: koud licht! CCT laag: warm licht!

29 Gecorreleerde kleurtemperatuur (CCT) van een lichtbron De Kruithof curve: Geeft aan welke combinaties van verlichtingssterkte en CCT door de meeste mensen als aangenaam worden ervaren. Grote verlichtingssterkte: hogere CCT gewenst Kleine verlichtingssterkte: lagere CCT gewenst

30 De kleurweergave index (CRI) van een lichtbron De appel wordt als rood waargenomen bij verlichting met een bepaalde lichtbron. Wat gebeurd er als men de appel verlicht met een andere lichtbron?

31 De kleurweergave index (CRI) van een lichtbron Hetzelfde voorwerp wordt verlicht met telkens een lichtbron met een ander spectrum. De kleurwaarneming is telkens anders! (kleur is geen eigenschap van het voorwerp)

32 De kleurweergave index (CRI) van een lichtbron De kleurweergave index (Engels: Colour Rendering Index, CRI) is een getal dat aangeeft in welke mate de kleurweergave van voorwerpen verlicht met een bepaalde lichtbron afwijkt van de kleurweergave bij verlichting met een referentielichtbron. Referentielichtbron: halogeenlamp. CRI=100 (halogeen, referentie) CRI<80 minder goede tot slechte kleurweergave CRI>80 goede kleurweergave (noodzakelijk voor de meeste toepassingen) CRI>90 zeer goede kleurweergave (wenselijk, soms noodzakelijk) Opmerking: CRI werkt niet goed voor LEDs! Code op TL-lampen: 35W/830 CRI: tussen 80 en 90 CCT: 3000K

33 CRI en CCT van een lichtbron Effect van CRI en CCT

34 Dank u voor uw aandacht!