Podstawy nauki o świetle Podstawy teoretyczne. Autorzy: ISR _ Uniwersytet w Coimbrze Lipiec 2017

Transkrypt

1 Podstawy teoretyczne Autorzy: ISR _ Uniwersytet w Coimbrze Lipiec 2017

2 Podstawy teoretyczne Czym jest światło? Maxwell określa światło, jako promieniowanie elektromagnetyczne składające się z fal emitowanych od źródła i rozchodzących we wszystkich kierunkach. Albert Einstein, w swojej teorii względności odkrył, że prędkość fal promieniowania elektromagnetycznego C, czyli również prędkość światła jest największą możliwą prędkością i wynosi prawie 3x10^8 m/s. Prędkość światła/fal promieniowania elektromagnetycznego c = λ. f λλ długość fali f częstotliwość liczba cykli na sekundę, określana w hercach (Hz) 2

3 Podstawy teoretyczne Czym jest światło? Max Planck przyjął, że energia promieniowania E jest emitowana w pojedynczych niewidocznych porcjach, nazywanych kwantami. Energia promieniowania electromagnetycznego E = h. cc λλ h = stała Planck a ( m/s). Dzięki teorii Planck a wywiodła, że im krótsza jest fala, tym większą niesie energię promieniowania. 3

4 Podstawy teoretyczne Spektrum elektromagnetyczne Rosnąca długość fali Rosnąca energia Długość fali (m) Promienie gamma Promienie X UV podczerwień mikrofale Częstotliwość (s -1 ) widzialne 4

5 Podstawy teoretyczne Oko, w jaki sposób reaguje na światło Tęczówka Ciało rzęskowe Twardówka Naczyniówka Siatkówka oka Dołek środkowy Źrenica Dysk optyczny martwe miejsce Naczynie krwionośne Rogówka Soczewka Więzadła Nerw wzrokowy 5

6 Podstawy teoretyczne Widmowa czułość oka krzywa fotopowa V(λ), według CIE Czułość oka jest znacząco różna dla fal o rożnych długościach, o takiej samej energii Długość fali (nm) W świetle dziennym, oko jest około 20 razy bardziej czułe na fale świetlne o długości 555 nm (żółto-zielone) niż na fale o długości 700 nm (ciemnoczerwone) lub 450 nm (niebieskofioletowe). CIE - INTERNATIONAL COMMISSION ON ILLUMINATION. 6

7 Podstawy teoretyczne Widmowa czułość oka krzywa fotopowa V(λ), według CIE Źródło światła, które emituje zielone światło z mocą 1 W, będzie spostrzegane jako znacznie jaśniejsze, niż inne źródło o takiej samej mocy, emitujące światło czerwone, gdyż oko jest bardziej czule w paśmie światła zielonego. Długość fali (nm) CIE - INTERNATIONAL COMMISSION ON ILLUMINATION. 7

8 Podstawy teoretyczne Wielkości i jednostki fotometryczne Strumień światła Światłość Natężenie światła Luminancja Reflektancja 8

9 Podstawy teoretyczne Strumień światła (F) Ilość światła emitowana przez źródło w czasie jednej sekundy Jednostką jest Lumen (lm) Symbol: Ф Tę wartość często podaje się w katalogach z danymi technicznymi lamp, tabelach danych i na opakowaniach lamp. 9

10 Podstawy teoretyczne Światłość (I) Jest to ilość światła emitowanego w jednostce czasu w określonym kierunku i pod określonym kątem Ω = (S/r²) Jednostką jest kandela (cd) II = Ф ΩΩ 10

11 Podstawy teoretyczne Strumień światła jest miarą całkowitej mocy światła padającego, natomiast światłość jest miarą całkowitej mocy światła padającego w określonym kierunku i pod stałym kątem jednostkowym. Całkowity strumień światła, F Światłość, I 11

12 Podstawy teoretyczne Skuteczność świetlna lampy Skuteczność świetlna lampy jest to iloraz generowanego strumienia światła i zużywanej mocy elektrycznej; wyrażany jest w lumenach na wat (lm/w), im większa jest ta wartość, tym lepsza jest skuteczność lampy.. SSSSSSSSSSSSSSS śwwwwwwwwwwwwww MMMMMM eeeeeeeeeeeeeeeeeeeeee = Skuteczność świetlna (lm/w) 12

13 Podstawy teoretyczne Natężenie światła (E) Jest to ilość światła lub strumień światła padająca na jednostkę powierzchni. Jednostką iluminancji jest Lux (lx). EE = Ф AA Oświetlana powierzchnia Strumień światła padającego na powierzchnię Natężenie światła (lux) wartości typowe Lato jasny dzień Zachmurzenie nieba Oświetlone biuro Pokój hotelowy lub salon Światło Księżyca, czyste niebo lux lux 500 lux 100 lux 0,25 lux 13

14 Podstawy teoretyczne Luminancja (L) Luminancja obiektu lub powierzchni emitującej światło jest to ilość światła (I) emitowanego przez jednostkę widocznej powierzchni Aa w określonym kierunku. Jednostka jest kandela na metr kwadratowy (cd/mm 22 ). L = I A a Powierzchnia Słońca 1,650x10^6 cd/m 2 Żarówka 7,000,000 cd/m 2 Błękitne /zachmurzone niebo 2,000 / 80,000 x10^3 cd/m 2 Lampa fluorescencyjna 5,000 15,000 cd/m 2 Biurko 100 cd/m 2 Powierzchnia ulicy (światło uliczne) cd/m 2 14

15 Podstawy teoretyczne Kontrast (kontrast luminancyjny) określany jest jako różnica barwy i jasności obiektu oraz tła za tym obiektem, w tym samym polu widzenia Każdy istotny szczegół zadania wizualnego musi wyróżniać się barwą lub jasnością od swojego otoczenia i tła, aby mógł być dostrzegany. Widzialność osiąga maksimum, gdy kontrast luminancyjny (i kontrast barwny, jeśli ma miejsce) szczegółów jest najsilniejszy wobec tła. 15

16 Podstawy teoretyczne Terminologia związana z oświetleniem i jednostki miar Wielkość i symbol Jednostka Symbol Opis Strumień światła (F) lumen lm Światłość (I) kandela cd Skuteczność oświetlenia lumen na watt lm/w Natężenie światła (E) lux lx Ilość światła emitowanego przez lampę Strumień światła w określonym kierunku Efektywność energetyczna: strumień światła na wat strumień światła padającego na daną powierzchnię luminancja (L) kandela na metr kwadratowy cd/mm 2 Postrzegalna jasność powierzchni Reflektancja Procent % ρ Stosunek ilości światła padającego do odbitego 16

17 Odbicie i absorpcja światła Odbicie światła 17

18 Odbicie i absorpcja światła Odbicie światła Skład widmowy Kąt padania / odbicia Rodzaj powierzchni W normalnych warunkach, tylko część padającego na daną powierzchnię światła ulega odbiciu; Ilość odbitego światła zależy od rodzaju powierzchni, kąta padania światła oraz jego składu widmowego. Refleksyjność zawiera się w przedziale od kilku procent (lub mniej) dla bardzo ciemnych powierzchni, jak czarny aksamit, do ponad 90% dla aluminium, srebra i niektórych rodzajów białych farb 18

19 Odbicie i absorpcja światła Rozróżnia się trzy rodzaje odbicia światła: lustrzane, rozproszone i mieszane. Lustrzane (zwierciadlane): Reflektory, zwłaszcza posiadające krzywiznę, są bardzo powszechnie stosowane w sytuacjach gdzie wymagane jest precyzyjne nakierowanie światła, jak np. reflektory, punktowce, oświetlenie dróg, wewnętrzne oświetlenia kierunkowe. Tego rodzaju reflektory mogą stanowić elementy systemu oświetlenia lub pracować samodzielnie. Występuje w przypadku gładkich powierzchni (stojąca woda, wypolerowane szkło). Kąt padania światła równy jest kątowi jego odbicia. 19

20 Odbicie i absorpcja światła Odbicie rozproszone: Występuje w przypadku powierzchni w pewnym stopniu nieregularnych. Padające światło jest odbijane we wszystkich kierunkach. 20

21 Odbicie i absorpcja światła Odbicie mieszane: Odbicie rozproszone: jest to zasadniczo odbicie lustrzane, ale światło odbite przybiera formę rozbieżnych. Powszechnie znanym przykładem jest mokra jezdnia. Powstaje również na powierzchniach pomarszczonych, kutych, trawionych, zmatowiałych. Odbicie spotęgowane: jest to odbicie rozproszone, posiadające szczególny składnik odbijany w kierunku lustrzanym. Powierzchnie pomalowane matowo, powierzchnie kamienne, suche jezdnie, reprezentują taki sposób odbijania światła. 21

22 Odbicie i absorpcja światła Absorpcja (pochłanianie) 1. Taki scenariusz dotyczy materiału, który może być przezroczysty i równocześnie półprzezroczysty Gdy światło pada na taką powierzchnię, to nie odbita frakcja strumienia światła przebiega przez obiekt. 22

23 Odbicie i absorpcja światła Absorpcja (pochłanianie) 2. Światło nieodbite zostaje zaabsorbowane i zanika pod powierzchnią Światło pochłonięte przez powierzchnię zostaje natychmiast zamienione na ciepło; Udział światła zaabsorbowanego (pochłoniętego) na powierzchni zależy od rodzaju materiału, kąta padania światła i jego długości fali; 23

24 Odbicie i absorpcja światła Przykład: Czerwona powierzchnia odbija światło czerwone, ale absorbuje większość pozostałych barw Suma transmisji, odbicia i absorpcji = 100% 24

25 Światło naturalne i sztuczne Jak powstaje światło? Istnieje w naturze i jest dostarczane przez Słońce, gwiazdy, błyskawice itd.. Można je również wytwarzać sztucznie, na rożne sposoby 25

26 Światło naturalne i sztuczne Światło naturalne: Światło pochodzące z obiektów naturalnych. Głównym źródłem światła naturalnego jest Słońce. 26

27 Światło naturalne i sztuczne Światło sztuczne: Istnieją trzy podstawowe źródła światła sztucznego: 1 Źródła żarowe: żarówki wolframowe, żarowe z włóknem i halogenowe 2 Lampy wyładowcze: fluorescencyjne, wysoko- i niskociśnieniowe 3 Światła na bazie półprzewodników: LED-y i OLED-y (organiczne diody luminecsencyjne) Wszystkie te rodzaje są dostępne w rożnych postaciach i technologiach. 27

28 Światło i barwy Światło białe jest mieszaniną wielu barw. Światło pochodzące z promiennika ciepła Słońca lub lampy żarowej można rozszczepić na pełny zakres barw spektralnych: czerwona, pomarańczowa, żółta, zielona, niebieska i fioletowa. Nie występują wszystkie barwy widmowe, a tam gdzie występują wszystkie, to mogą pojawiać się w różnych proporcjach. Gdy białe światło pada na powierzchnię, to na ogół nie wszystkie jego składniki barwowe ulegną odbiciu w taki samym stopniu. Zielona powierzchnia odbije światło z zielonego pasma widma, ale zaabsorbuje czerwoną i niebieską. Po zmieszaniu świateł barwnych, w efekcie zawsze uzyska się światło jaśniejsze niż dla poszczególnych składowych. 28

29 Światło i barwy Światło białe Koszulka wygląda na czerwoną Szorty wyglądają na niebieskie 29

30 Światło i barwy Trzy podstawowe barwy widma widzialnego: czerwony (Red), zielony (Green) i niebieski (Blue), znane są, jako barwy podstawowe (RGB), po zmieszaniu ich, uzyskamy światło białe! Red, Green oraz Blue (RGB): Barwy podstawowe żółty, magenta i cyjan: Barwy wtórne każda stanowi mieszaninę dwóch barw podstawowych. Barwy dopełniajace: po zmieszaniu z barwą podstawową, której nie zawierają, dają barwę białą. 30

31 Światło i barwy Ciało doskonale czarne: pochłania światło w sposób doskonały. Absorbuje całe promieniowanie elektromagnetyczne (światło) które na niego pada, nie odbijając niczego. Aby pozostawać w stanie równowagi, musi emitować promieniowanie w takiej samej ilości, w jakiej je pochlania. Jest idealnym źródłem promieniowania cieplnego. Energia jest wypromieniowywana nie tylko w paśmie widzialnym, ale również w podczerwieni i, w przypadku temperatur powyżej 3000 K, również w paśmie UV. Wraz ze wzrostem temperatury, maksimum strumienia energii promienistej przesuwa się w kierunku krótszych fal (niebieskie pasmo widma). Pomiędzy 3700 K i 7600 K, maksimum przypada na pasmo widzialne 31

32 Światło i barwy Temperatura barwowa ciala czarnego: Temperatura barwowa promieniującego ciała czarnego dokładnie określa widmo promieniowania i w ten sposób stwarza odbiór wzrokowy barwy światła. Przyjęło się określenie temperatury barwowej światla w K (kelvinach): K = Widmo barwowe ciała czarnego zawiera się w granicach 800 K to K. Płomień świecy (promieniujące cząsteczki zawierające węgiel o temperaturze około 2,000 K) emituje światło żółte. Włókno żarówki (temperatura około K) jest żółto-białe, a Słońce w południe (temperatura około 5800 K) jest białe. Im niższa jest temperatura barwowa, tym cieplejsza (bardziej przesunięta ku czerwieni) jest barwa światła i tym większa jest ilość emitowanego promieniowania podczerwonego. Im wyższa jest temperatura barwowa, tym zimniejsze (bardziej niebieskie) jest światło i tym większa jest ilość emitowanego promieniowania ultrafioletowego (UV). 32

33 Światło i barwy Chromatyczność Chromatyczność jest jedną z wartości charakteryzujących barwę światła. Chromatyczność obejmuje odcień i nasycenie światła, pomijając trzeci wymiar postrzegania przez człowieka, czyli jasność, która nie jest właściwością źródła światła, tylko obiektów. Chromatyczność jest zatem uproszczeniem rozkładu mocy widma, opartym na modelach ludzkiego zmysłu wzroku opracowanych dla określonego pola widzenia. Chromatyczność jest również wykorzystywana do pomiarów różnic barw, zarówno pomiędzy dwoma lub więcej źródłami lub dla jednego źródła w funkcji czasu (stabilność barw). 33

34 Światło i barwy Chromatyczność nternational Committee on Illumination (CIE) opracował i poddał standaryzacji różne wykresy chromatyczności: CIE 1931 (x, y) wykres chromatyczności, nadal często używany dla określania chromatyczności; CIE 1976 (u', v') wykres chromatyczności bardziej jednolity i z tego względu lepszy do określania różnic w barwach oraz przesunięciach widmowych (Δu'v ). 34

35 Światło i barwy Wykresy chromatyczności, takie jak CIE 1931 (x, y), przedstawiony na rysunku obok, wykorzystuje się do cyfrowego określania barwy światła. Barwne tło jest potrzebne tylko dla odniesienia wizualnego, gdyż wykresy chromatyczności nie dotyczą jasności. Liczby na obwodzie oznaczają długość fali światła monochromatycznego w nanometrach, dla określonych współrzędnych. Barwy na zewnątrz obszaru zabarwionego są niewidoczne dla człowieka. Wykres chromatyczności może być wykorzystany do dopasowania barw. Na tej ilustracji, źródła światła o chromatycznościach wskazanych za pomocą niebieskich i czerwonych kółek można mieszać dla uzyskania barwy oznaczonej przez X. 35

36 Światło i barwy Temperatura barwowa, CCT, oraz Duv Temperatura barwowa stanowi ważny składnik tego, w jaki sposób jest postrzegane światło nominalnie białe - zimne (niebieskość) lub ciepła (żółć). CCT (Correlate Colour Temperature) odnosi się wartościowo do wyglądu danego źródła światła w porównaniu do teoretycznego wyglądu teoretycznego ciała doskonale czarnego, ogrzanego do wysokiej temperatury. Ciało czarne, w miarę podnoszenia jego temperatury, staje się czerwone, pomarańczowe, żółte i ostatecznie niebieskie. Parametr CCT dla źródła światła, podany w kelwinach (K) to temperatura, do której rozgrzane ciało czarne w jak najdokładniejszy sposób upodobni się barwowo do danego źródła światła. Charakteryzuje wygląd emitowanego światła, a nie barwę oświetlanych obiektów. 36

37 Światło i barwy Duv jest miarą określającą odstęp pomiędzy chromatycznością danego źródła światła i chromatycznością dla promieniowania ciała doskonale czarnego, przy takiej samej wartości CCT. ujemna wartość Duv wskazuje na to, że źródło plasuje się poniżej położenia (wartości) dla ciała czarnego, które daje fioletowaty odcień. dodatnia wartość Duv wskazuje na to, że źródło plasuje się powyżej położenia (wartości) dla ciała czarnego, które daje zielonkawy odcień. Łącznie, dana wartość CCT i wartość Duv odpowiadają określonej parze współrzędnych chromatyczności. 37

38 Światło i barwy Fragment wykresu chromatyczności CIE 1960 (u, v), ukazuje izolinie dla stałej wartości CCT, prostopadłe do pozycji krzywej dla ciała czarnego na tym konkretnym wykresie chromatyczności. Dla danej wartości CCT, źródło mające dodatnią wartość Duv posiada chromatyczność plasującą się ponad odnośną wartością dla ciała czarnego (które wygląda bardzie zielonkawo), podczas gdy źródło o ujemnej wartości Duv posiada chromatyczność poniżej wartości właściwej dla ciała czarnego ( wyglądającego nieco różowo). 38

39 Światło i barwy W wyniku wykreślenia w układzie współrzędnych x-y wartości promieniowania ciała czarnego w rożnych temperaturach, w obrębie trójkąta CIE, uzyskuje się krzywą odniesienia dla ciała czarnego. Przesuwając się wzdłuż tej krzywej odniesienia dla ciała czarnego, od prawej do lewej, przesuwamy się od promieniowania o niskiej temperaturze barwowej (światło czerwono-białe) w kierunku promieniowania o wyżej temperaturze barwowej (niebiesko-białe światło). W przeciwieństwie do promienników ciepła, białe światło ze źródeł światła takich jak gazowe lampy wyładowcze i lampy połprzewodnikowe mogą umiejscawiać się w dowolnym, losowym punkcie barwowym, w pewnej odległości od krzywej odniesienia dla ciała czarnego. 39

40 Światło i barwy ANSI C określa zakresy chromatyczności związane z zadanymi CCT dla źródeł światła nominalnie białego, zgodnie z wykresem chromatyczności CIE 1976 (u', v'). Każda para wartości reprezentuje zakres chromatyczności, tak wiec źródła o takim samym nominalnym widmie projektowym nie muszą być identyczne w rzeczywistości 40

41 Światło i barwy Wykres chromatyczności CIE 1976 (u, v ) wykorzystuje się również do obliczania Δu'v', która jest miarą rożnicowej zmiany barwy. Ważne jest to, że Δu'v' stanowi tylko miarę wielkości różnicy, a nie wskazuje jej kierunku. 41

42 Światło i barwy Wygląd barwy a temperatura barwowa Na wygląd barwy źródła światła emitującego określony rodzaj światła białego, znaczący wpływ ma skład widmowy tego światła i może on być scharakteryzowany za pomocą skorelowanej temperatury barwowej. ZIMNIEJSZY CIEPEJSZY Długość fali, nm Spektralne składowe energii lampy żarowej (2800 K). Długość fali, nm Spektralne składowe energii światła dziennego (5000 K). 42

43 Światło i barwy Wygląd barwy a temperatura barwowa Źródła światła, takie jak gazowe lampy wyładowcze i lampy działające w oparciu o półprzewodniki, maja widmo nieciągłe w odróżnieniu od ciągłego widma lampy żarowej. Długość fali, nm Długość fali, nm Skorelowana temperaturę barwowa stosuje się w taki sam sposób, w jaki temperaturę barwową stosuje się dla promienników ciepła. W ten sposób, gazowa lampa wyładowcza lub lampa półprzewodnikowa mająca duży udział czerwieni w widmie, a zatem niska skorelowaną temperaturę barwową, będą emitować światło wyglądające jako cieplejsze, podczas gdy źródło światła białego o większym udziale pasma niebieskiego, a zatem o wyższej skorelowanej temperaturze barwowej, będzie miało wygląd zimniejszy. 43

44 Światło i barwy Wygląd barwy a temperatura barwowa Skorelowaną temperaturę barwową stosuje się również do klasyfikacji grupowe temperatur barwowych / wyglądu światła. Temperatura barwowa < Wygląd barwy Ciepłe białe (żółtawe) Neutralne białe > Zimne białe (niebieskawe) 44

45 Światło i barwy Oddawanie barw Przez oddawanie barw określa się zdolność źródła światła białego do dokładnego ukazywania barw obiektu. Wyraża się go przez wskaźnik ogólnego renderowania barw CRI zawierający się w przedziale od 0 do 100, gdzie 100 oznacza najlepszą jakość (wartość 100 zapewnia światło dzienne). Znakomite rederowanie barw zapewniają lampy posiadające CRI powyżej 90, jakie są potrzebne np. w klinikach i szpitalach, obiektach opieki zdrowotnej, muzeach, teatrach, punktach inspekcji/kontroli/doboru barw i w niektórych sklepach. Ogólnie, CRI powyżej 80 uważa się za wystarczający dla dokładnej oceny barw w większości pomieszczeń wewnętrznych. 45

46 Światło i barwy Oddawanie barw CRI 92+ CRI około 80 46

47 Światło i barwy Oddawanie barw R9 Specjalne wskaźniki oddawania barw, określane symbolami od R9 do R14 są indywidualnie oparte o jeden z sześciu specjalnych wzorców (próbek) barw. Nie stosuje się ich do obliczeń CRI, ale można je stosować, w razie potrzeby, do analizy uzupełniającej. Próbka barwowa silnie czerwona TCS09 i jej miara wierności odwzorowania R9 ma szczególne znaczenia, ponieważ odwzorowanie nasyconej barwy czerwonej jest szczególnie istotne, między innymi, dla oceny wyglądu odcieni skóry, mięsa, ryb, warzyw i owoców, gdyż w tych przypadkach, ocena wzrokowa jest szczególnie podatna na niedokładne odwzorowanie barwy czerwonej. 47