7. Specjalne pomiary świetlne (pomiary w kuli Ulbrichta; pomiar współczynnika luminancji; pomiary przepuszczalności; pomiary świetlne projektorów); Fotometria fotograficzna http://www.if.pwr.wroc.pl/~wozniak/ Miejsce konsultacji: pokój 18/11 bud. A-1; terminy: patrz strona www
Radiometria a fotometria przypomnienie Natężenie promieniowania I e [W/sr] Natężenie źródła światła I (światłość) [cd] Strumień promieniowania e [W] Strumień świetlny [lm] Radiancja Luminancja L (luminancja energetyczna) (jasność wizualna) [W/m 2 /sr] [nt]=[cd/m 2 ] Irradiancja (Natężenie napromienienia) [W/m 2 ] Natężenie oświetlenia [lx]
Specjalne pomiary świetlne Pomiar świetlnych parametrów materiałów. JAKICH PARAMTRÓW?? Współczynnik odbicia Współczynnik przepuszczania Współczynnik pochłaniania Współczynnik luminancji i pochodne
Charakterystyka świetlna materiałów Współczynnik odbicia stosunek strumienia świetlnego odbitego do strumienia padającego: () to widmowy współczynnik odbicia 0 0 e V e V d d Odbicie może nastąpić w sposób kierunkowy, rozproszony bądź mieszany.
Charakterystyka świetlna materiałów Współczynnik przepuszczania stosunek strumienia świetlnego przepuszczonego do strumienia padającego: () to widmowy współczynnik przepuszczania 0 0 e V e V d d Przepuszczanie może nastąpić w sposób kierunkowy, rozproszony bądź mieszany.
Charakterystyka świetlna materiałów Współczynnik pochłaniania stosunek strumienia świetlnego pochłoniętego do strumienia padającego: a() to widmowy współczynnik pochłaniania 0 0 e V e V d d Współczynniki odbicia, przepuszczania i pochłaniania związane są dość oczywistą zależnością: 1
Charakterystyka świetlna materiałów Współczynnik luminancji próbki jest określony stosunkiem luminancji L w określonym kierunku wysyłania światła do luminancji L w powierzchni doskonale rozpraszającej i doskonale odbijającej lub przepuszczającej przy tych samych warunkach oświetlenia: Wskaźnik luminancji l to stosunek luminancji L próbki przy określonym kierunku obserwacji do natężenia oświetlenia na próbce. l L L w L Wskaźnik rozpraszania to stosunek średniej arytmetycznej wartości luminancji przy kątach promieniowania 20 i 70 do luminancji przy kącie promieniowania 5 przy prostopadłym padaniu światła. L20 L 2L 5 70
Sprawności źródeł światła Sprawność energetyczna iloraz strumienia energetycznego wyemitowanego przez źródło do mocy, którą zużyto do jego wytworzenia: e e P d Skuteczność świetlna iloraz strumienia świetlnego wyemitowanego przez źródło do mocy, którą zużyto do jego wytworzenia: K m e P V d Całkujemy po obszarze promieniowania widzialnego! Sprawność optyczna promieniowania stosunek strumienia energetycznego wyemitowanego przez źródło w zakresie widzialnym do strumienia 780nm energetycznego całkowitego. d O e 380nm 0 e d
Specjalne pomiary świetlne Świetlne parametry materiałów są na ogół zależne od: a) Widmowego składu światła (w większości przypadków odnoszą się do normalnego iluminantu A); b) Sposobu padania światła; przeważnie mierzy się je przy padającym prostopadle świetle quasirównoległym; c) Kierunku wypromieniowywania; d) Wartości kąta rozwarcia padającej i ocenianej wiązki światła; e) Stanu polaryzacji światła; f) Grubości warstwy próbek; g) Temperatury; h) Stanu powierzchni próbek.
Pomiary świetlnych parametrów materiałów Pomiary w kuli Ulbrichta przy kierunkowym padaniu światła Strumienie świetlne, występujące w równaniach definicyjnych współczynników odbicia i przepuszczania, wyznacza się na ogół za pomocą kuli Ulbrichta, specjalnie do tego przygotowanej. Pomiary mogą być wykonywane zarówno metodą porównawczą jak i metodą podstawienia. W metodzie porównawczej próbka i wzorzec znajdują się jednocześnie w różnych otworach kuli, a w metodzie podstawienia umieszcza się je kolejno w tym samym otworze.
Pomiary w kuli Ulbrichta przy kierunkowym padaniu światła Urządzenie pomiarowe: Kula zawiera 6 dających się zamykać otworów; ich średnice są nieduże, maksymalnie D/10 a nawet D/50 dla otworu 5 (D średnica kuli). We wnętrzu kuli między otworami 3 i 6 umieszcza się nie przepuszczającą światła przesłonę 11 (średnica 0,25D). Kulę można obracać wokół osi 13 i wokół punktu 12. Wąska wiązka światła, wychodząca z układu oświetlającego 7-8-9, pada na otwór, który jest w danym przypadku otworem wejściowym kuli. Średnicę oświetlonej części próbki lub wzorca dobiera się jako max. 2/3 średnicy otworu.
Pomiary w kuli Ulbrichta przy kierunkowym padaniu światła Pomiar współczynnika odbicia przy kierunkowym padaniu światła Próbka znajduje się przy otworze 2 a wzorzec odbicia (ciało o znanym współczynniku odbicia) przy otworze 4. Wiązka światła wchodzi do kuli przez otwór 1 i pada na próbkę albo na wzorzec albo na otwór 3. Otwór 5 jest zamknięty a otwór 3 otwarty. Za pomocą fotometru znajdującego się w otworze 6 mierzy się natężenie oświetlenia X (gdy światło pada na próbkę), W (światło pada na wzorzec) i rozpr (światło pada na wolny otwór 5 ) albo wartości proporcjonalne do tych natężeń oświetlenia. Szukany współczynnik odbicia otrzymuje się z zależności: X X W rozpr rozpr
Pomiary w kuli Ulbrichta przy kierunkowym padaniu światła Pomiar współczynnika przepuszczania przy kierunkowym padaniu światła Próbkę ustawia się przy otworze 2. Otwory 1, 3 i 5 są zamknięte, otwór 4 jest wolny. W otworze 6 znajduje się miernik, który mierzy względne natężenie oświetlenia X (światło przechodzi przez próbkę), O (światło przechodzi przez wolny otwór 4 ). Oba natężenia oświetlenia są proporcjonalne do odpowiednich strumieni świetlnych (przechodzącego i padającego). Szukany współczynnik przepuszczania obliczymy z zależności: X X O
Pomiary w kuli Ulbrichta przy rozproszonym padaniu światła Pomiar współczynnika odbicia przy rozproszonym padaniu światła Teraz kula Ulbrichta ma inaczej rozmieszczone otwory: otwór na próbkę 1 ma dużą średnicę (d 1 0,4D) a średnica otworu pomiarowego 2 jest mniejsza (d 2 0,1D). Przesłona 4 (0,75d 1 ) nie dopuszcza światła odbitego bezpośrednio od próbki do otworu pomiarowego. Lampa pomocnicza 3 (jej światło nie może bezpośrednio padać na otwory 1 i 2, stąd kolejna przesłona) wywołuje w kuli w przybliżeniu równomierną luminancję. W otworze pomiarowym mierzy się względne natężenie oświetlenia O (pomiar bez próbki), X (pomiar z próbką) i W (pomiar z wzorcem o znanym współczynniku odbicia W ). Szukany współczynnik odbicia otrzymuje się z zależności: X X W O O W X W Hm, sprawdzić wzór!
Pomiary w kuli Ulbrichta przy rozproszonym padaniu światła Pomiar współczynnika przepuszczania przy rozproszonym padaniu światła Urządzanie pomiarowe jest takie same, jak przy wyznaczaniu współczynnika przepuszczania przy kierunkowym padaniu światła, ale źródłem światła jest teraz nie układ odwzorowujący ale źródło rozproszone, np. druga kula! Może to być też półkula z mlecznego materiału, oświetlona od tyłu kilkoma lampami tak, że będzie ona miała w kierunku próbki we wszystkich punktach jednakową luminancję i której rozkład widmowy promieniowania odpowiada wymaganemu rodzajowi światła (z reguły iluminant A). Jeśli X jest natężeniem oświetlenia przy padaniu światła na próbkę w otworze 2 a O przy padaniu na wolny otwór 4, to szukany współczynnik przepuszczania: X X O
Pomiary współczynnika odbicia Pomiar współczynnika odbicia metoda Taylora Pomiar współczynnika odbicia jest także możliwy bez stosowania wzorca. Układ pomiarowy jest również realizowany w kuli Ulbrichta. Światło pada wprost na próbkę 3. Między próbką a fotometrem 2 znajduje się przesłona 4 odcinająca światło bezpośrednio odbite od próbki. Dla mierzonego natężenia oświetlenia mamy wtedy: X k Następnie kulę obraca się wokół osi 1-1 tak, żeby wiązka światła padająca przez drugi otwór wejściowy trafiała bezpośrednio na ścianę kuli, przy czym okno pomiarowe nie jest teraz zasłonięte przed bezpośrednim światłem. Dla mierzonego natężenia oświetlenia mamy teraz: k k Stąd szukany współczynnik: X X k X
Pomiary współczynnika odbicia przy odbiciu kierunkowym Przy odbiciu kierunkowym współczynnik odbicia można wyznaczyć za pomocą opisanych poprzednio układów, ale można też wyznaczyć go prosto za pomocą pomiarów dwu luminancji lub światłości. Mierzy się przy tym luminancję powierzchni świecącej najpierw z zastosowaniem mierzonego elementu (pozycja I ), a następnie bezpośrednio (pozycja II, lustro 2 wyjęte). Stosunek obu tych wartości jest bezpośrednio współczynnikiem odbicia. 1 fotometr w pozycji I lub II 2 mierzony obiekt ( lustro ) 3 źródło o stałej luminancji (np. oświetlona od tyłu płytka mleczna)
Pomiary współczynnika luminancji DF: Współczynnik luminancji to stosunek luminancji L w określonym kierunku wysyłania światła do luminancji L w powierzchni doskonale rozpraszającej. L L W W celu wyznaczenia współczynnika luminancji wyznacza się luminancję próbki w zadanym kierunku i luminancję wzorca o znanym współczynniku luminancji w takich samych warunkach oświetlenia i obserwacji. Kąty aperturowe 2 1 i 2 2 powinny być wystarczająco małe (mniejsze od 3).
Pomiary przepuszczalności układu optycznego Przepuszczalność układu optycznego jest zależna od strat absorpcji i odbicia. Straty absorpcyjne w zakresie widzialnym widma są stosunkowo małe według danych Riecka i Veerbeka, nie są większe od 0,28%/1cm grubości szkła. Spore są natomiast straty na powierzchniach granicznych powietrze-szkło. Fresnel podał formuły dla współczynnika odbicia dla powierzchni granicznej dwóch przezroczystych ośrodków o współczynnikach załamania n 1 i n 2 jako: 2 2 sin tg 2 2 sin tg gdzie i są kątami padania i załamania. Dla przypadku prostopadłego padania światła równanie się upraszcza: n n 2 2 n1 n Z kolei uwzględnienie polaryzacji światła mocno komplikuje powyższe równania Pozostawiam Studentom znalezienie tych formuł! 2
Pomiary przepuszczalności układu optycznego Pomiar przepuszczalności z zastosowaniem kuli Ulbrichta Wypromieniowywana z wzorca 1 równoległa wiązka światła wpada do kuli Ulbrichta 5 najpierw bezpośrednio, a potem przez badany obiekt 2. Detektor 3 jest zasłonięty przesłoną 4 względem miejsca na ścianie kuli oświetlonego bezpośrednio wiązką wchodzącą. Przepuszczalność przedmiotu mierzonego jest przeważnie zależna od długości fali. Dlatego oświetlająca wiązka światła musi mieć dobrze zdefiniowany rozkład widmowy a powłoka wewnątrz kuli powinna być nieselektywna.
Pomiary przepuszczalności układu optycznego Pomiar przepuszczalności obiektywów za pomocą dwu pomiarów luminancji Metoda opisana przez ulera. Mierzy się najpierw luminancję równomiernie świecącej powierzchni a potem luminancję obrazu tej powierzchni, wytworzoną przez mierzony obiektyw. Oczywiście, nie można w ten sposób mierzyć soczewek ujemnych choć da się wykonać pomiar pośredni, przy wykorzystaniu układu skupiającego o większej mocy.
Pomiary świetlne rzutników Moc świetlną rzutnika charakteryzuje się za pomocą strumienia świetlnego użytecznego tzn. strumienia docierającego z obiektywu rzutnika do ekranu. Jest on określony zależnością: u gdzie s oznacza średnie natężenie oświetlenia na ekranie a S oświetloną powierzchnię ekranu. s S Do scharakteryzowania mocy projektora należy oprócz tego podać jeszcze kilka parametrów: typ lampy i obiektywu użytych podczas pomiaru, kształt wycięcia w przesłonie, równomierność oświetlenia ekranu oraz nagrzewanie diapozytywu lub błony.
Pomiary świetlne rzutników Obliczanie strumienia świetlnego użytecznego Można oszacować użyteczny strumień świetlny z zależności geometrycznych. Źródło światła 1 jest odwzorowane za pomocą kondensora 2 na obiektywie 4, który z kolei odwzorowuje na ekranie 5 równomiernie oświetlony diapozytyw 3, znajdujący się przy kondensorze. Wypromieniowany z przezrocza 3 do obiektywu 4 strumień świetlny wynosi: 2 LO AO sin 1 O przy czym L O to luminancja w okienku o polu A O równa luminancji źródła światła L Z. L G
Pomiary świetlne rzutników Obliczanie strumienia świetlnego użytecznego cd. 2 LO AO sin 1 L O G Wielkość G zależy tylko od powierzchni okienka oraz otworu względnego d/f obiektywu. sin 2 1 4 r 2 2 d d 2 4 d 4 2 f d f 2 (dla dużych odległości od ekranu, r równa się f) Ostatecznie, uwzględniając różne straty można podać dla strumienia świetlnego użytecznego u formułę: u L Z A O k 1 k 2 k 3 d 2 f d 2 4 f Współczynnik strat k 1 obejmuje straty odbicia i absorpcji na drodze promieni oświetlających, k 2 straty na przesłonie, k 3 straty odbicia i pochłaniania na drodze promieni odwzorowanych.
Pomiary świetlne rzutników Pomiar strumienia świetlnego użytecznego Zmierzone wartości strumienia świetlnego przy użyciu kilku lamp tego samego rodzaju zwykle wykazują różnice, uwarunkowane tolerancjami produkcyjnymi źródeł światła. Aby otrzymać wyniki pomiarowe, które możliwie mało zależą od tolerancji lamp, zaproponowano w DIN 15748 aby pomiary wykonywać z wybranymi lampami pomiarowymi. Lampy te, których żarniki mogą mieć wymiary utrzymane z dokładnością do 5%, są zasilane napięciem, przy którym wypromieniują 75% wymaganego według katalogu strumienia świetlnego. Wobec tego użyteczny strumień świetlny równy jest: 4 u 3 śr S śr jest średnią arytmetyczną natężenia oświetlenia dostatecznie dużej liczby punktów pomiarowych, rozłożonych równomiernie na oświetlonym polu.
Pomiary świetlne projektorów Zgodnie z definicją DIN 5037 projektor jest oprawą, która za pomocą środków optycznych tak skupia część całkowitego strumienia wypromieniowywanego ze źródła światła, że w ograniczonym kącie bryłowym wywołuje znacznie większe światłości, niż wywołane przez same źródło. Pomiar światłości Zadanie skupienia światłości realizowane jest w projektorach najczęściej za pomocą luster, np. parabolicznych (CZMU?). Gdy w ognisku takiego zwierciadła znajduje się punktowe źródło światła, wszystkie promienie wychodzące z lustra są równoległe do osi projektora. Ponieważ jednak źródło światła ma wymiary skończone, projektor wykazuje pewne rozproszenie, wysyłając wiązkę rozbieżną o różnych wartościach światłości pod różnymi kątami. Największa światłość projektora: I LSk max Przy czym L to luminancja źródła światła, S skuteczna powierzchnia projektora, k współczynnik strat (odbicie od lustra, pochłanianie, cień oprawki).
Pomiary świetlne projektorów I LSk max Jak wynika z powyższej zależności, projektor działa jak źródło światła, którego powierzchnia świecąca ma luminancję prawie równą luminancji żarnika lampy, ale o większej powierzchni, więc jego światłość też jest odpowiednio większa! A CO Z ZASADĄ ZACHOWANIA NRGII? Równanie powyższe odnosi się tylko do maksymalnej światłości zmniejszanie światła w kierunku krawędzi następuje tym szybciej im większe są wymiary projektora w stosunku do wymiarów źródła. Światłość I można obliczyć/zmierzyć zgodnie z prawem odległości z natężenia oświetlenia, mierzonego w dostatecznie dużej odległości.
Pomiary świetlne projektorów Mierzony rozkład światłości można przedstawić wykreślnie w układzie biegunowym lub prostokątnym. Ponieważ kąt rozproszenia jest zwykle bardzo mały, dogodniejszy jest ten drugi. W większości przypadków wystarczy podać rozkład światłości w jednej płaszczyźnie, przechodzącej przez oś projektora. Przy większych odchyleniach od symetrii obrotowej należy podać rozkład światłości w kilku charakterystycznych płaszczyznach.
Pomiary świetlne projektorów Każdy projektor wykazuje pewne rozproszenie uwarunkowane wymiarami źródła światła. Przy stałym kącie rozwarcia i stałej odległości ogniskowej lustra, rozproszenie wzrasta ze wzrostem wymiarów źródła. Przy stałym kącie rozwarcia i stałych wymiarach źródła, rozproszenie zmniejsza się wraz ze wzrostem ogniskowej. Dla scharakteryzowania skupienia służy przeważnie płaski (lub bryłowy) kąt rozproszenia. [Dla kąta płaskiego:] Jest on ograniczony dwoma kierunkami promieniowania przyporządkowanymi określonej światłości. Kąt ten można otrzymać zarówno z rozkładu światłości, jak i luminancji lub natężenia oświetlenia. Światłości wewnątrz kąta rozproszenia muszą być równe lub większe od wybranych światłości najczęściej przyjmuje się połowę lub jedną dziesiątą kąta rozproszenia, w granicach którego światłości wynoszą połowę lub jedną dziesiątą danej światłości.
Pomiary świetlne projektorów W projektorach rozróżnia się trzy rodzaje sprawności: 1) Sprawność oprawy: iloraz strumienia świetlnego całkowitego projektora i strumienia świetlnego całkowitego źródła 2) Sprawność użyteczna: iloraz strumienia świetlnego użytecznego projektora i strumienia całkowitego źródła światła 3) Stopień skupienia projektora: iloraz strumienia świetlnego użytecznego i strumienia całkowitego projektora Z B U Z U B C Z U Z U C
Fotometria fotograficzna Do celów fotometrycznych można wykorzystać związek między zaczernieniem S warstwy fotograficznej a naświetleniem H. Rozwinięta na tej zasadzie fotometria fotograficzna znalazła m.in. zastosowanie w astronomii i spektroskopii. ch, zapomniałem Naświetlenie to iloczyn natężenia oświetlenia i czasu trwania oświetlenia: Jednostka: luksosekunda H t dt Zadanie fotometrii fotograficznej polega na tym, aby na podstawie zaczernienia albo przepuszczalności warstwy wywnioskować o szukanej wielkości świetlnej. Co ogólnie łatwe nie jest, bo niby znany jest związek między zaczernieniem a naświetleniem, ale naświetlenie zależy od wielu czynników, np. czasu naświetlania, rozkładu widmowego promieniowania, rodzaj warstw światłoczułych a także wpływ wywoływania.
Fotometria fotograficzna Aby uniezależnić się od wpływów tych różnych czynników, metody fotometryczno-fotograficzne powinny opierać się nie na bezwzględnych pomiarach zaczernienia ale na pomiarach porównawczych, np. wnioskowanie o równych naświetleniach z równych zaczernień sąsiednich miejsc kliszy. Krzywe zaczernienia mają wobec tego podrzędne znaczenie zamiast tego, poza obszarem zajmowanym przez badane światło, nanosi się zaczernienia porównawcze np. za pomocą klina szarego. Metody fotometryczno-fotograficzne wymagają żmudnej techniki a przy tym umożliwiają osiągnięcie tylko stosunkowo małych dokładności. Mają jednak tę zaletę, że można nimi objąć bardzo słabe i bardzo krótkotrwałe zjawiska świetlne. Poza tym w krótkim czasie można ustalić dużą liczbę mierzonych wartości (np. rozkład luminancji dużych powierzchni). Pomiar i ocena wyników są od siebie czasowo niezależne i to również zaleta takich pomiarów.