Basic Creative Engineering Skills

Transcriptie

1 Fotometrie 1

2 Voor het beschrijven van eigenschappen en specificaties van licht en lichtbronnen bestaan gestandaardiseerde begrippen en eenheden. CIE Commission Internationale de l Eclairage 2

3 Vermogen [watt] Lichtstroom [lumen] Lichtopbrengst [lumen/watt] Lichtsterkte [candela] = [lumen/steradiaal] Verlichtingssterkte [lux] = [lumen/meter 2 ] Luminantie [candela/meter 2 ] 3

4 Vermogen (Watt) 4

5 Het begin: energie (elektrisch, chemisch, kernenergie, etc.) Lichtbron: Vermogen P in Watt. Watt is energie (Joule) per seconde : [J/s] Omzetting naar elektromagnetische straling. Zonlicht (kernenergie): 47 % zichtbaar licht 46 % warmtestraling 43 % nabij infrarood 7 % langgolvig infrarood 7 % ultra-violette straling 5

6 P [W/m] violet rood Basic Creative Het totale vermogen van de uitgestraalde energie P (in Watt) is de integraal (som) van het vermogen per golflengte P (totale oppervlakte). P = P. d 0 d. P P 6

7 Lichtstroom 7

8 De lichtstroom is de totale hoeveelheid zichtbaar licht die een lichtbron per seconde uitstraalt. Eenheid is lumen [lm] Door de ooggevoeligheidskromme is het niet handig om uit te drukken in Watt: dezelfde hoeveelheid vermogen is in rood namelijk minder helder dan in groen. Lichtstroom is een gewogen grootheid, de energie in het rood of blauw telt niet zo zwaar als in het groen. 8

9 P [W/m] violet rood Basic Creative Het spectrum wordt a.h.w. vermenigvuldigd met de ooggevoeligheidskromme (V ). Afspraak (CIE) : 1 Watt =555nm = 683 lumen Fotometrisch stralingsequivalent continu = 683 P. V. d 0 9

10 Dus 1 Watt stralingsvermogen van 555 nm levert een lichtstroom op van 683 lumen. Bij 600 nm levert diezelfde 1 Watt vermogen nog maar 430 lm. Bij 500 nm: 220 lm. Lichtbron Vermogen Lichtstroom Opbrengst LED (rood) 0,1 W 5 lm 50 lm/w Gloeilamp 40 W 480 lm 12 lm/w TL (kleur 33) 40 W 3000 lm 75 lm/w Natrium 135 W lm 100 lm/w 10

11 Lichtopbrengst 11

12 Van een lichtbron kan berekend worden hoe groot de lichtstroom is per hoeveelheid toegevoerde energie: lichtopbrengst. (ook wel aangeduid als specifieke lichtstroom ) Voor een gloeilamp is dat Voor een halogeenlamp is dat Voor een kwiklamp is dat Voor een TL Lamp is dat Voor een led-lamp is dat lm/w lm/w lm/w lm/w lm/w 12

13 Lichtsterkte 13

14 Een lamp geeft niet in elke richting evenveel licht. Daarom wordt lichtsterkte gedefinieerd. Lichtsterkte = Lichtstroom per Ruimtehoek I = d /d I = / (als constant over ) De eenheid van lichtsterkte is de candela [cd] Lichtstroom ( ) in lumen [lm] Ruimtehoek ( of ) in steradialen [sr] 1 candela = 1 lumen/steradiaal 14

15 Ruimtehoek = oppervlak / straal 2 = A / r 2 De totale ruimte rond een punt omvat 4 [sr]. Oppervlak hele bol = 4. r 2 => = 4. r 2 / r 2 = 4 [sr] 15

16 Hier geldt: S = 2 R 2 (1 - cos ) 2 R S Dat betekent voor de ruimtehoek van een kegel met tophoek 2 : = S / R 2 dus: = 2 (1 - cos ) 16

17 Een hele slimme gloeilamp van 500 W heeft een lichtopbrengst van 20 lm/w. De lichtsterkte is in alle richtingen even groot, behalve bij de voet, daar wordt in een kegelvormige gebied (hele tophoek 30 ) geen licht uitgezonden. Hoe groot is de lichtsterkte buiten deze schaduw? 17

18 Totale lichtstroom: = = lm Tophoek schaduwkegel is 30 Ruimtehoek schaduwkegel: = 2.(1 - cos 15 ) = 0,214 sr Lichtstroom wordt uniform verdeeld over: Ruimtehoek bol - ruimtehoek kegel 4 - = 4-0,214 = 12,35 sr Lichtsterkte: /12,35 = 809,6 cd 18

19 De lichtsterkte als functie van positie. Meestal wordt een lichtstroom van 1000 lumen verondersteld; dus uit het diagram valt af te leiden hoe groot de lichtsterkte is per 1000 lumen in een bepaalde richting. Het diagram is meestal rotatie-symmetrisch, maar niet altijd! Voorbeeld van 50 W / 25 PAR 20 van Philips. Lichtopbrengst ca. 23 lm/w 1- Wat is I max? 2- Wat is de ruimtehoek van de lichtkegel? 19

20 Verlichtingssterkte 20

21 Tot nu toe is alleen naar licht gekeken dat van een lichtbron afkomt. De verlichtingssterkte E zegt iets over de hoeveelheid licht die op een object valt. E = opvallende lichtstroom / oppervlak E = d /ds E = / S lumen / m 2 = lux (als constant is over oppervlak) 21

22 Als op een vlak van 1 m 2 precies 1 lumen aan licht valt, is de verlichtingssterkte van dat vlak gelijk aan 1 lux: E = 1 lux. Enkele voorbeelden Wolkenloze dag Nachts bij volle maan In de schaduw onder balkon Kaars op 1 meter afstand Goede kantoorverlichting Goede huiskamerverlichting ± lux ± 0,25 lux ± lux ± 1 lux ± 800 lux ± 500 lux 22

23 De verlichtingssterkte kan gemeten worden met een luxmeter. Deze bestaat uit een geijkte fotogevoelige cel. Bij een luxmeting kan gekozen worden voor meten met of zonder diffuus kapje mét: indirect licht wordt ook meegewogen. zonder: alleen direct invallend licht wordt gemeten. 23

24 totaal P = lichtopbrengst [lm/w] P in Watt Niet zichtbaar Niet zichtbaar totaal in lumen I in candela [lm/sr] object [lm] ( = I d ) E gem = object / S in lux [lm/m 2 ] 24

25 Luminantie 25

26 De luminantie L is een grootheid waarmee de helderheid van een lichtgevend voorwerp of vlak wordt aangegeven. I Schijnbaar oppervlak S = S cos S L α = Lichtsterkte / schijnbaar oppervlak onder hoek α L α = di/ds L α = I α / S cos α cd/m2 (als S constante eigenschappen heeft) 26

27 Een helder object is als het ware een grote verzameling van lichtbronnen (zo n object heet ook wel secundaire lichtbron ). Iedere m 2 van die lichtbron heeft een bepaalde lichtsterkte. De helderheid of luminantie van het object kan variëren met de hoek waaronder je het object ziet. Zon cd/m 2 Pijngrens cd/m 2 Bewolkte hemel 300 cd/m 2 Gezichtsdrempel 0, cd/m 2 Computermonitor cd/m 2 27

28 Er zijn verschillende soorten reflectie, onder meer diffuse spiegelende reflectie. Bij diffuse reflectie wordt licht naar alle kanten toe verspreid. De luminantie zal dan in alle richtingen hetzelfde zijn. Bij spiegelende of gemengde reflectie is de luminantie afhankelijk van de hoek waaronder wordt gekeken. NB. De reflectiefactor geeft de verhouding tussen de opvallende lichtstroom en de gereflecteerde lichtstroom: = gereflecteerd / opvallend 28

29 object [lm] L = I / S cos [cd/m 2 ] S: constante eigenschappen E gem = object / S [lux] 29

30 Factoren die in de praktijk bepalen wat de verlichtingssterkte in een ruimte is: Reflectiecoëfficiënt van de reflector Transmissiecoëfficiënt van glas en lenzen Dus ook de schoonheid van reflectoren en glas Vorm van de ruimte Reflectiecoëfficiënt van muren Men spreekt wel eens van het ruimte rendement 30

31 Fotometrische grondwet 31

32 Verband tussen lichtsterkte I van een puntbron en de verlichtingsterkte E op een nabij gelegen vlak. Lichtbron h R E = I. cos R 2 I 32

33 Als de puntbron in alle richtingen dezelfde lichtsterkte I bezit (bolsymmetrisch) geldt: E = I. cos 3 h 2 E h 33

34 Verlichtingsformule 34

35 De algemene verlichtingsformule geeft het verband tussen de luminantie L van een vlak en de verlichtingssterkte E in een punt P. Lichtvlak V Luminantie L R V beslaat vanuit P een ruimtehoek E = L. cos. P Eigenlijk: de = L. cos.d 35