TEMAT: POMIAR LUMINANCJI MATERIAŁÓW O RÓśNYCH WŁAŚCIWOŚCIACH FOTOMETRYCZNYCH

Transkrypt

1 Grupa: Elektrotechnika, Studia stacjonarne, II stopień, sem. 1. wersja z dn aboratorium Techniki Świetlnej Ćwiczenie nr 2. TEMAT: POMIAR UMIACJI MATERIAŁÓW O RÓśYCH WŁAŚCIWOŚCIACH FOTOMETRYCZYCH Opracowanie wykonano na podstawie następującej literatury: 1) J. Bąk, W.Pabjańczyk: Podstawy techniki świetlnej. Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź ) W. śagan: Podstawy techniki świetlnej. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa ) S. Kaczmarek, P. Młodzikowski: Projekt i wykonanie dydaktycznego stanowiska do pomiaru luminancji (praca zespołowa). Praca dyplomowa inŝynierska, politechnika poznańska, Poznań PODSTAWOWE WIADOMOŚCI uminancja uminancję elementu ds powierzchni w danym kierunku określa się stosunkiem światłości di tej powierzchni w danym kierunku do pola rzutu tej powierzchni na płaszczyznę prostopadłą do danego kierunku (do powierzchni pozornej elementu ds) rysunek1. uminancja określa gęstość powierzchniową światłości w danym kierunku. di ds cos [ cd / m 2 ] (1) uminancja jest wielkością fotometryczną, na którą reaguje bezpośrednio narząd wzroku. Odnosi się do wraŝenia jaskrawości powierzchni. Dwie powierzchnie róŝniące się luminancją sprawiają wraŝenie róŝnej jaskrawości w tych samych warunkach oświetleniowych. uminancję uznaje się za fizyczną miarę jaskrawości. I ds Rys. 1. uminancja elementu ds powierzchni świecącej. 1

2 Pomiar luminancji Pomiaru luminancji powierzchni moŝna dokonać bezpośrednio za pomocą miernika luminancji. ajprostszy miernik luminancji składa się z luksomierza oraz przystawki optycznej ograniczającej kąt bryłowy widziany przez przetwornik fotoelektryczny. Kąt fotometrowania zaleŝy od otworu w przesłonie przystawki oraz od ogniskowej obiektywu. Zwykle są to mierniki o jednej wielkości kąta pomiarowego. Wybór powierzchni pomiarowej następuje poprzez układ muszka szczerbinka. Przykładowy wygląd miernika luminancji składającego się z luksomierza i przystawki optycznej przedstawiono na rysunku 2. Rys. 2. Wygląd miernika luminancji złoŝonego z luksomierza i przystawki optycznej. W profesjonalnych miernikach luminancji układ optyczny wbudowany jest we wnętrze miernika. Jest bardziej rozbudowany i umoŝliwia zmianę kąta fotometrowania. Wybór pola pomiarowego jest precyzyjny i osoba wykonująca pomiar widzi w okularze miernika wybraną powierzchnię pomiarową w postaci ciemnego koła lub prostokąta na tle rzeczywistego otoczenia. Przykładowy wygląd miernika luminancji z wbudowanym układem optycznym przedstawiono na rysunku 3. Rys. 3. Wygląd miernika luminancji z wbudowanym układem optycznym Właściwości fotometryczne materiałów Ze względu na charakterystyczne cechy fotometryczne moŝna wyróŝnić trzy podstawowe rodzaje odbicia strumienia świetlnego od powierzchni: odbicie kierunkowe (zwierciadlane), odbicie rozproszone (lambertowskie, dyfuzyjne), odbicie kierunkowo rozproszone, Odbicie kierunkowe - jest to odbicie bez rozproszenia, dla którego rozbieŝność wiązki promieni padających i odbitych od powierzchni jest taka sama. Promień padający i odbity oraz normalna do powierzchni leŝą w jednej płaszczyźnie oraz kąty padania i odbicia względem normalnej są takie same.odbicie rozproszone - jest to odbicie we wszystkich kierunkach w obrębie kąta przestrzennego 2π, bez występowania w skali makroskopowej odbicia kierunkowego.odbicie kierunkowo rozproszone - jest to odbicie częściowo kierunkowe i częściowo rozproszone. Podstawową i rozpoznawalną cechą kaŝdego charakteru odbicia strumienia świetlnego jest kształt bryły fotometrycznej światła odbitego. 2

3 a) b) c) ρ Rys. 4. Wygląd przestrzennego rozsyłu światła dla odbicia: a- kierunkowego, b- rozproszonego, c- kierunkowo rozproszonego. Bardzo waŝną cechą odbicia dyfuzyjnego jest stała, niezaleŝna od kierunku obserwacji luminancja powierzchni rozpraszającej (rys. 5). const Własność ta wynika bezpośrednio z prawa amberta. (2) Prawo amberta (prawo kosinusowe) Światłość powierzchni idealnie rozpraszającej zmienia się z kosinusem kąta zawartego pomiędzy danym kierunkiem, a normalną do powierzchni. Dlatego teŝ: I S cos I I m cos I cos I m m const S cos S (3) (4) Rys. 5. uminancja i rozsył światłości powierzchni odbijającej światło w sposób rozproszony uminancję powierzchni odbijającej strumień świetlny w sposób rozproszony, zgodnie z prawem amberta, określić moŝna na podstawie natęŝenia oświetlenia na rozpatrywanej powierzchni oraz współczynnika odbicia światła tej powierzchni (zaleŝność 5). ρ E π (5) 3

4 2. PRZEBIEG ĆWICZEIA a stanowisku pomiarowym, którego wygląd przedstawiono na rysunku 6, wyznaczyć luminancję badanych próbek w funkcji zmian kąta obserwacji dla ustalonego połoŝenia źródła oświetlającego próbki. Ponadto dla próbek odbijających światło w sposób rozproszony wyznaczyć współczynniki odbicia. Rys. 6. Schemat stanowiska pomiarowego do pomiaru luminancji powierzchni o róŝnych własnościach refleksyjnych. Pomiary luminancji próbek wykonać w jednej płaszczyźnie pomiarowej. Wskazane przez prowadzącego próbki umieścić kaŝdorazowo na stoliku pomiarowym tak, aby geometryczny środek powierzchni próbki pokrywał się z geometrycznym środkiem stolika. Przy załączonym źródle światła oświetlającym badaną powierzchnię zmierzyć luksomierzem wartość natęŝenia oświetlenia E oraz sprawdzić równomierność natęŝenia oświetlenia na badanej powierzchni. aleŝy zadbać o to, aby na oświetlanej próbce, w badanej płaszczyźnie, występowała stała wartość natęŝenia oświetlenia. Poprzez obrót ramienia wraz z zamocowaną przystawką do pomiaru luminancji odczytać wskazania miernika. Pomiary naleŝy wykonać w zakresie kątów od 80 0 do co 5 0 ( - kąt pomiędzy połoŝeniem ramienia układu pomiarowego, a normalną do powierzchni badanej próbki). Wyniki pomiarów zanotować w zamieszczonej tabeli. Sporządzić wykresy względnej zmiany luminancji w funkcji zmian kąta dla kaŝdej badanej próbki ( / 0 f() ). Przeprowadzić klasyfikację badanych próbek ze względu na właściwości refleksyjne. astępnie dla powierzchni charakteryzujących się odbiciem rozproszonym przeprowadzić pomiar luminancji w kierunku normalnej do powierzchni w kilku punktach badanej próbki. Zmianę punktu pomiarowego na powierzchni badanego materiału naleŝy uzyskać poprzez zmianę połoŝenia środka próbki względem geometrycznego środka stolika pomiarowego. Wyniki pomiarów zanotować w zamieszczonej tabeli. a podstawie zaleŝności (5) wyznaczyć wartość współczynnika odbicia światła. Dla powierzchni charakteryzujących się odbiciem kierunkowym ustawić źródło światła tak, aby znajdowało się w płaszczyźnie obrotu ramienia. W zakresie zmian kąta od 0 0 do 80 0 co 2,5 0 wyznaczyć zmiany luminancji. Wyniki pomiarów zanotować w zamieszczonej tabeli. Sporządzić wykres f(). Przeprowadzić analizę uzyskanych wyników. 4

5 3. TABEA POMIARÓW Wyznaczanie luminancji powierzchni materiału w zaleŝności od kąta obserwacji r badanej próbki: Opis badanej próbki: PołoŜenie źródła światła względem płaszczyzny pomiarowej: atęŝenie oświetlenia na powierzchni badanej próbki: E lx / 0 [-] -80,0 5,0-75,0 10,0-70,0 15,0-65,0 20,0-60,0 25,0-55,0 30,0-50,0 35,0-45,0 40,0-40,0 45,0-35,0 50,0-30,0 55,0-25,0 60,0-20,0 65,0-15,0 70,0-10,0 75,0-5,0 80,0 0 - / 0 [-] 5

6 Wyznaczanie luminancji powierzchni o odbiciu kierunkowym w zaleŝności od kąta obserwacji przy oświetleniu próbki źródłem światła znajdującym się w płaszczyźnie pomiaru luminancji r badanej próbki: Opis badanej próbki: PołoŜenie źródła światła względem płaszczyzny pomiarowej: atęŝenie oświetlenia na powierzchni badanej próbki: E lx 0 42,5 2,5 45,0 5,0 47,5 7,5 50,0 10,0 52,5 12,5 55,0 15,0 57,5 17,5 60,0 20,0 62,5 22,5 65,0 25,0 67,5 27,5 70,0 30,0 72,5 32,5 75,0 35,0 77,5 37,5 80,0 40,0-6

7 Wyznaczanie współczynnika odbicia światła dla materiałów o odbiciu rozproszonym r badanej próbki: Opis badanej próbki: PołoŜenie źródła światła względem płaszczyzny pomiarowej: r punktu pomiarowego 1 śr E [lx] ρ [-]