81
Radiometria, fotometria, színmérés A radiometria az optikai sugárzást fizikai mennyiségek formájában határozza meg. A fotometria ezt a sugárzást az átlagos emberi megfigyelő látására jellemző színképi függvény alapján értékeli. A színmérés a színészleléshez kíván objektíven mérhető mennyiségeket rendelni.

Radiometria, fotometria, színmérés

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Radiometria, fotometria, színmérés. A radiometria az optikai sugárzást fizikai mennyiségek formájában határozza meg. A fotometria ezt a sugárzást az átlagos emberi megfigyelő látására jellemző színképi függvény alapján értékeli . - PowerPoint PPT Presentation

Citation preview

Page 1: Radiometria, fotometria, színmérés

Radiometria, fotometria, színmérés

• A radiometria az optikai sugárzást fizikai mennyiségek formájában határozza meg.

• A fotometria ezt a sugárzást az átlagos emberi megfigyelő látására jellemző színképi függvény alapján értékeli.

• A színmérés a színészleléshez kíván objektíven mérhető mennyiségeket rendelni.

Page 2: Radiometria, fotometria, színmérés

Elektromágneses sugárzás

• optikai sugárzás: 100 nm – 1 mm hullámhosszú elektromágneses sugárzás

• látható sugárzás: 380 nm – 780 nm• fény: a látható sugárzás által kiváltott

észlelet

Page 3: Radiometria, fotometria, színmérés

Elektromágneses színkép

Page 4: Radiometria, fotometria, színmérés

Radiometriai segédmennyiségek

P

d d térszög:

a sugárkúp által a gömbfelületből kimetszett terület és a gömbsugár négyzetének hányadosa:

d=dA/r2

Page 5: Radiometria, fotometria, színmérés

Színképfüggő mennyiségek hullámhossz függés: X()szűrő áteresztés

színképi eloszlás:

dX/d X Katódsugár-csöves monitorfényporainak színképi eloszlás

Page 6: Radiometria, fotometria, színmérés

Radiometriai mennyiségekMegnevezés Term Jele Egysége

sugárzott energia

radiant energy

Q joule, 1 J 1 kgm2s-2

sugárzott teljesítmény

radiant flux vagy F watt (Js-1)

besugárzás irradiance E Wm-2

sugárerősség radiant intensity

I Wsr-1

sugársűrűség radiance L Wm-2sr-1

Page 7: Radiometria, fotometria, színmérés

Radiometriai mennyiségek összefüggései

sugárzott teljesítmény

, F watt (Js-1)

teljesítmény eloszlás

d/d Wm-1

sugárzott energia

Q joule, 1 J 1 kgm2s-2

besugárzás E d /dA E Wm-2

sugárerősség I d /d I Wsr-1

sugársűrűség L d2/(ddAcos)

L Wm-2sr-1

tΦQ d

Page 8: Radiometria, fotometria, színmérés

Besugárzás

d

d A

E d /dA

Page 9: Radiometria, fotometria, színmérés

Sugárerősség, pontszerű forrás

d

Pd

I

I d /d

Page 10: Radiometria, fotometria, színmérés

Sugársűrűség

d A

n

d

L

A sugárzó felület dA felületeleme által a felület normálisától (n) szögre elhelyezkedő irányban, a d elemi térszögben kibocsátott d sugáráram

L d2/(ddAcos) ,spektrális sugársűrűség:

L dL /d = d3 /(ddAcosd)

Page 11: Radiometria, fotometria, színmérés

Távolságtörvény (inverse square law)

• d Id• d dA2/d

2

• d /dA2 E2 (Id)/dA2 (IdA2)/(dA2d2)

= E2 I / d2

d

P

d

d

Ad 2

Page 12: Radiometria, fotometria, színmérés

Általánosított távolságtörvény

d

A

A 2d

n 1

d

1

2

1

n 2

dE2 (L cos 1 cos 2dA1) / d2

Page 13: Radiometria, fotometria, színmérés

Lambert sugárzó Lambert radiator

• sugársűrűsége szögfüggetlen:L() L(,) const.

d A

n

d

L

P

d

Page 14: Radiometria, fotometria, színmérés

Lambert (reflektáló) felület

• egyenletesen diffúzan reflektáló felület• nincs tükrös reflexiója• reflexiós együttható: = refl/ be

• refl = be cos .a r• a reflektált sugársűrűség irányfüggetlen:

Lrefl (d)= const.

Page 15: Radiometria, fotometria, színmérés

Lambert reflektáló

• megvilá-gítás: E

• visszavert sugárzás, a sugár-sűrűség irány-független:

felület normálisa

reflektáló felület

beesõ sugárnyaláb

visszavert sugár

sugársûrûségivektor

E

L

Page 16: Radiometria, fotometria, színmérés

Fotometria

• az optikai sugárzást a látószerv színképi érzékenységének megfelelően értékeli

• vizuális alapkísérlet: fényinger egyenlőség

ö s s z e h a s o n l í t ó s u g á r f o r r á s

s z í n e s v i z s g á l ó s u g á r f o r r á s

Page 17: Radiometria, fotometria, színmérés

Villogásos fotometria

• világosságészlelet egyenlőség meghatározása bizonytalan

• két fényingert felváltva juttatva a szembe, frekvenciát növelve, előbb szűnik meg a színkülönbség észlelet, mint az intenzitás észlelet (10 – 20 Hz-es tartomány)

Page 18: Radiometria, fotometria, színmérés

Villogásos fotométer elvi felépítése

3 6 41

s u g á r z á s m é r õv iz s g á la n d ó s u g á r z á sf o r r á s a

k ö r s z e k t o r

f é n y r e k e s z

m o t o r

m o n o k r o m á t o r

ö s s z e h a s o n lí t ó s u g á r z á sf o r r á s a

m e g f ig y e lõ s z e m e

f é lig á t e r e s z t õt ü k ö r

t ü k ö r

Page 19: Radiometria, fotometria, színmérés

Láthatósági (visibility) függvények

• Nemzetközi Világítástechnikai Bizottság (Comission Internationale d‘Éclairage, CIE) 1924-ben szabványosította a V(l)-görbét (világosban, fotopos látás)

• 1954-ben a V’(l)-görbét (sötétben, szkotopos látás)

Page 20: Radiometria, fotometria, színmérés

Láthatósági függvények

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

hullámhossz, nm

rel.

érz

ék

en

ysé

g V( V'( )

Page 21: Radiometria, fotometria, színmérés

A fotometria kísérleti alapja

• szimmetria: ha AB, akkor BA; • tranzitivitás: ha AB és BC, akkor AC; • arányosság: ha AB, akkor aAaB; • additivitás: ha AB, CD és (A+C)(B+D), akkor

(A+D)(B+C)

itt A, B stb. fényinger (stimulus): a sugársűrűség és a láthatósági függvény adott hullámhosszon vett értékének szorzata: pl. ALV() , általánosítva a sugárzás teljesítmény-eloszlását írhatjuk: SV().

Page 22: Radiometria, fotometria, színmérés

A fotometria alapjai

• a fenti összefüggések alapján a monokromatikus komponenseket összegezhetjük:

)(VS

nm780

nm380

eV d

)(, Vk

ez adja a fotometria és radiometria kapcsolatát

Page 23: Radiometria, fotometria, színmérés

A fotometria alapjai

• Nappali (fotopos) látás: V() , csapok közvetítik

• sötétben (szkotopos) látás: V’() , pálcika-látás; szembíbor (rhodopsin), additivitás és proporcionalitás fennáll:

,

780

380

''e

nm

nm

v k

d)('V

Page 24: Radiometria, fotometria, színmérés

Fotometriai mennyiségek és egységek - 1

• k és k’ konstansok:

nm780

nm380

m d

)()(, VK ev

ahol Km = 683 lm/W alapján definiálhatjuk a fényáram egységét a lument. De a fényerősség egysége, a kandela az alapegység.

K’m = 1700 lm/W

Fényáram jele:lm, egysége a lumen.

Page 25: Radiometria, fotometria, színmérés

Fotopos, mezopos, szkotopos fotometria

2

fotoposszkotopos mezopos

-5 -4 -3

lg( cd/m² )

0-2 -1 1 43 5 6

Page 26: Radiometria, fotometria, színmérés

Fotometriai mennyiségek és egységek - 2

• fényerősség a pontszerű fényforrásból adott irányban, infinitezimális térszögben kibocsátott fényáram és a térszög hányadosa:

d

dI v

v

jele: cd, egysége: kandela, 1 cd = 1 lm/sr

Page 27: Radiometria, fotometria, színmérés

A kandela definiciója

• A kandela fényerősség SI egysége: azon

540.1012 Hz frekvenciájú

monokromatikus sugárzást kibocsátó

fényforrás fényerőssége adott irányban,

amelynek sugárerőssége ebben az

irányban 1/683 W/sr.”

Page 28: Radiometria, fotometria, színmérés

A fényáram származtatása a fényerősségből

1 m

1 c d f é n y e r õ s s é g ûp o n t s z e r û f é n y f o r r á s

= 1 s r

1 m

2

Page 29: Radiometria, fotometria, színmérés

Fénysűrűség

• a dA1 felületelemet elhagyó (azon áthaladó vagy arra beeső) és adott irányt tartalmazó d térszögben sugárzott dF fényáramnak, valamint az elemi térszögnek és a felületelem adott irányra merőleges vetülete szorzatának hányadosa:

11

2

cos

AΩL v

v

d

dA1

d2

egysége:cd/m2, jele: Lv

Page 30: Radiometria, fotometria, színmérés

Megvilágítás

• Az adott pontot tartalmazó felületelemre beeső fényáramnak és ennek a felületelemnek a hányadosa

2dd AE v /

egysége: lux, jele:lx; 1 lx = 1 lm/m2

Page 31: Radiometria, fotometria, színmérés

Kontraszt, kontrasztviszony• kontraszt:

ahol– Lt a jel (target)

fénysűrűsége– Lb a háttér

(background) fénysűrűsége

• kontrasztviszony:

b

bt

L

LLc

b

tv L

Lc

Page 32: Radiometria, fotometria, színmérés

Hatásfok, fényhasznosítás

• sugárzási hatásfok, jel: a sugárzó sugárzott és felvett teljesítményének hányadosa

• sugárforrás fényhasznosítása, egysége: lm/Wa kibocsátott fényáram és a sugárzó által felvett teljesítmény hányadosa

Page 33: Radiometria, fotometria, színmérés

Fényforrások fényhasznosítása

Fényforrás típusa Fényhasznosítás (lm/W)Hagyományos izzólámpa 14,4Halogén izzólámpa 17Kompakt fénycső 85Nagynyomású fémhalogén lámpa

90

Nagynyomású Na-lámpa 116Kisnyomású Na-lámpa 206

LED (világító dióda) 80 - 200

Page 34: Radiometria, fotometria, színmérés

Mezopos fotometria

• CAD laboratóriumokban és irányító központokban előforduló számítástechnikusi feladat

• útvilágítás• 3 cd/m2 és 10-3 cd/m2 közötti fénysűrűség

tartomány• szem színképi érzékenysége V(l)-tól V’(l)

felé tolódik el.

Page 35: Radiometria, fotometria, színmérés

Szkotopos, mezopos és fotopos tartomány

2

fotoposszkotopos mezopos

-5 -4 -3

lg( cd/m² )

0-2 -1 1 43 5 6

Page 36: Radiometria, fotometria, színmérés

Láthatósági függvények

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

hullámhossz, nm

rel.

érz

ék

en

ysé

g V( V'( )

Page 37: Radiometria, fotometria, színmérés

Fényhasznosítás változása

L, lámpa: cd/m2 Na cd/m2 Hg• Fotopos: 0,05 0,05• Mezopos: 0,028 0,061• Szkotopos:0,01 0,07• Különbség világosság észlelet és

részletfelismerés között!

Page 38: Radiometria, fotometria, színmérés

A szín fogalma

• A „szín” fogalmát kiegészítés nélkül ne használjuk! - inger vagy észlelet– színészlelet - pszichológiai fogalom– színinger - pszichofizikai fogalom– radiometria - fizikai fogalom– fotometria - a színinger egyik dimenziója

Page 39: Radiometria, fotometria, színmérés

Színmérés

• A szín észlelet, agyunkban keletkezik• számszerű leírás: színinger, mely az

észleletet kiváltja• színinger-megfeleltetés• színinger keltés:

– additív színkeverés : monitor– szubtraktív színkeverés: színes film, nyomtató

Page 40: Radiometria, fotometria, színmérés

Színkeverés

Additív szubtraktív színkeverés

Page 41: Radiometria, fotometria, színmérés

Az additív színmegfeleltetés alapkísérlete

ö s s z e h a s o n l í t óf é n y f o r r á s o k

v i z s g á l a n d ó f é n y f o r r á s

i n t e n z i t á s t s z a b á l y o z óf é n y r e k e s z

Page 42: Radiometria, fotometria, színmérés

Additív színingerkeverés

• Additivitás:

Ha

C1R1(R)+G1(G)+B1(B)

C2R2(R)+G2(G)+B2(B)

akkor

CR(R)+G(G)+B(B),

ahol R= R1+ R2, G= G1+ G2, B= B1+ B2,

Page 43: Radiometria, fotometria, színmérés

Additív színingerkeverés

• Proporcionalitás

Ha

C1R1(R)+G1(G)+B1(B)

akkor

aC1aR1(R)+aG1(G)+aB1(B)

Page 44: Radiometria, fotometria, színmérés

Additív színkeverés - Grassmann törvények

• Minden színinger létrehozható 3 egymástól független színinger additív keverékeként. A függetlenség alatt azt értjük, hogy a három színinger közül egyik sem hozható létre a másik kettő additív keverékeként.

• Színegyezés létrehozásához csak a választott alapszíninger a lényeges, a színképi összetétele nem.

• Az egyes színingerek erősségének folyamatos változtatásának hatására az eredő színinger is folyamatosan változik.

Page 45: Radiometria, fotometria, színmérés

Színinger-összetevők vagy tristimulusos értékek

drSkR )(

dgSkG )(

dbSkB )(

Page 46: Radiometria, fotometria, színmérés

Színinger-megfeleltető függvények (colour matching functions)

-0,15-0,10

-0,050,000,050,10

0,150,200,250,30

0,350,40

350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

hullámhossz, nm

rgb

szí

ne

gye

zte

tő f

g.

R( )G( )B( )

)(),(),( bgr

Page 47: Radiometria, fotometria, színmérés

CIE 1931 színingermérő rendszer

Page 48: Radiometria, fotometria, színmérés

CIE XYZ színinger összetevők

dzSkZdySkYdxSkX )(;)(;)(780

380

780

380

780

380

önvilágítók (monitor): k = 683 lm/W

)()( Vy

Page 49: Radiometria, fotometria, színmérés

CIE XYZ trirtimulusos érték (színinger-összetevők),

önvilágítók (fényforrások)

dzSkZdySkYdxSkX )(;)(;)(780

380

780

380

780

380

))(),(),(( zyx a színinger-megfeleltető függvények

Az y függvény azonos a V(l) függvénnyel,

k = 683 lm/W

Page 50: Radiometria, fotometria, színmérés

szín(inger-) vagy színességi koordináták

ZYX

Xx

ZYX

Yy

Page 51: Radiometria, fotometria, színmérés

Szín(inger-) vagy színességi diagram

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

x

y

2000 K4000 K

7000 K

100 000 K

400 nm450 nm

475 nm

500 nm

510 nm

520 nm

540 nm

560 nm

580 nm

600 nm

650 nm

B

G

R

• R, G, B: katódsugár-csöves monitor alap-színingerei

• Planck sugárzók vonala

Page 52: Radiometria, fotometria, színmérés

A színes-ségi dia-gram színes ábrája

Page 53: Radiometria, fotometria, színmérés

Másodlagos sugárzók (nem önvilágítók) színmérése

dxSkX )()()(

dySkY )()()(

dzSkZ )()()(

d

1

)()( ySk

ahol

S(l) a megvilágító sugárforrás színképi teljesítményeloszlása

r(l) a minta spektrális reflexiója

Page 54: Radiometria, fotometria, színmérés

Szabványos sugárzáseloszlások és fényforrások

• CIE A sugárzáseloszlás • CIE D65 sugárzáseloszlás • további napplai sugárzáseloszlások,

grafikus iparban: D50• CIE A fényforrás• CIE D65 szimulátor

Page 55: Radiometria, fotometria, színmérés

CIE A- és D65 sugárzáseloszlás színképe

Page 56: Radiometria, fotometria, színmérés

CIE 1931 és 1964 színingermérő rendszer

• 2°-os látószög: CIE 1931• 10°-os látószög: CIE 1964

val101010 )(),(),( zyx

X10(), Y10(), Z10() színinger összetevők

számítása

Page 57: Radiometria, fotometria, színmérés

CIE 1931 és 1964 szabványos színingermérő

észlelők

wavelength, nm

0,00E +00

5,00E -01

1,00E +00

1,50E +00

2,00E +00

2,50E +00

350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850

x10

y10

z10

x2

y2

z2

Page 58: Radiometria, fotometria, színmérés

MacAdam ellipszisek

• The CIE x,y diagram színinger-megkülön-böztetési ellipszisek-kel

Page 59: Radiometria, fotometria, színmérés

Egyenletes színességi skálájú diagram

• u' = 4X / (X+15Y+3Z) = 4x / (-2x+12y+3)

• v' = 9Y / (X+15Y+3Z) = 9y / (-2x+12y+3)

• u = u' , v = (2/3)v'

• CIE 1976 u,v színezeti szög:

• huv = arctg[(v' - v'n) / (u' - u'n)] = v* / u*

• CIE 1976 u,v telítettség:

• suv = 13[(u' - u'n)2 + (v' - v'n)2]1/2

Page 60: Radiometria, fotometria, színmérés

u’,v’ színességi diagram

u '

v'

0

0 ,1

0 ,2

0 ,3

0 ,4

0 ,5

0 ,6

0 0 ,1 0 ,2 0 ,3 0 ,4 0 ,5 0 ,6 0 ,7 0 ,8 0 ,9 1

S n

C

h u v

4 0 0

4 5 0

5 0 0

5 5 06 0 0

6 5 0

7 0 0

Page 61: Radiometria, fotometria, színmérés

Különböző hőmérséklet fogalmak

• Valódi hőmérséklet

• Sugárzási hőmérséklet

• Eloszlási hőmérséklet

• színhőmérséklet

– Korrelált színhőmérséklet

Page 62: Radiometria, fotometria, színmérés

Fényforrások színi jellemzése

• Fény(forrás) színinger-mérése– színhőmérséklet– korrelált színhőmérséklet

• Színvisszaadás– Az észlelt felület-szín függ a megvilágító

színképi teljesítményeloszlásától• színi áthangolódás: von Kries törvény, Bradford

transzformáció, leírás az észleletet követő színrendszerben

Page 63: Radiometria, fotometria, színmérés

A színmetrika további kérdései

• CIE 1931 és 1964 színingermérő rendszer• metameria• egyenlőközű színterek• színatlaszok• színmegjelenési modellek • színvisszaadás

Page 64: Radiometria, fotometria, színmérés

Korrelált színhőmérséklet• Azonos korrelált színhőmérsékletű vonalak (az u,v-

diagramban merőlegesek a Planck görbére)

Page 65: Radiometria, fotometria, színmérés

ISO-temperature lines in u,v diagram

Page 66: Radiometria, fotometria, színmérés

Színi áthangolódás - 1

Page 67: Radiometria, fotometria, színmérés
Page 68: Radiometria, fotometria, színmérés
Page 69: Radiometria, fotometria, színmérés

Von Kries színi áthangolódási törvény

• Fiziológiai alapszíninger-rendszerben dolgozunk• Ahhoz, hogy az adott megvilágító (Rw, Gw, Bw) esetén az

R, G, B-vel jellemzett szín• a referencia megvilágító (Rrw, Grw, Brw) alatt ugyanolyan

színészleletet hozzon létre• a minta jellemzői a referencia megvilágító esetén Rr, Gr, Br

a következőképen számítandók: Rr=(Rrw/ Rw)*R, Gr=(Grw/Gw)*G, Br=(Brw/Bw)*B

Page 70: Radiometria, fotometria, színmérés

Két sugárzó színképe, melyek színingerpontja azonos

Spetrális teljesítményeloszlás

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900

hullámhossz, nm

rel.

telje

sítm

ény

Page 71: Radiometria, fotometria, színmérés

A két sugárzó színpontja és a velük megvilágított minta színpontjai

0.328

0.330

0.332

0.334

0.336

0.338

0.340

0.342

0.300 0.350 0.400

x

y

D65

3-line

Page 72: Radiometria, fotometria, színmérés

Színvisszaadási index

• Minták színmegjelenése összehasonlítva ideális fényforrással történő

megvilágítás alatt látható színmegjelenéssel

• Ideális fényforrás, a vizsgálandóval azonos korrelált

színhőpmérsékletű:

– 5000 K alatt: Planck sugárzó

– 5000 K felett nappali (Daylight) sugárzáseloszlás

• Minták: 8 + 5 Munsell színminta

• von Kries színi áthangolódás

• Színinger-különbség U*,V*,W* térben

• Ri =100-DEi, Ra = S(Ri )/8, i= 1 ... 8

Page 73: Radiometria, fotometria, színmérés

A színvisszaadás számítás folyamatábrája

Ref.illuminant

Test

source

Equal

CCT

test sourceU*V*W* transf.

Test smpls.

illum.

test smpl.

CIE

XYZ

Test smpls.

illum.

ref. illum.

XYZ

U*V*W*

Colour

diff.

Chrom.

adapt.

CRA

CRI

Page 74: Radiometria, fotometria, színmérés
Page 75: Radiometria, fotometria, színmérés

Színinger-megfeleltetés

• R = SR()

• G = SG()

• B = SB()

drSkR )(

dgSkG )(

dbSkB )(

Page 76: Radiometria, fotometria, színmérés

Additív színegyeztetés

Fennáll a• disztributivitás, • additivitás és • proporcionalitás törvénye

Összehasonlító színingerek:• vörös:700 nm• zöld: 546 nm• kék: 435 nm

Page 77: Radiometria, fotometria, színmérés

Alapszínek

• R = 1 lm 700 nm vörös,

• G = 4,5907 lm 546,1 nm zöld

• B = 0,0601 lm 435,8 nm kék

Page 78: Radiometria, fotometria, színmérés

CIE A sugárzáseloszlás

151, )1(),(

2

T

c

e ec

TL

201 2 hcc

Km1001200007694381( 22 ),,/ khcc o

sJ106266 34 ,h

J/K1001200006583801 23 ),,(k

ahol: c0 = 299792458 +/- 1,2 m/s

Page 79: Radiometria, fotometria, színmérés

Lambert cosinus törvény

R

R sin d Rd

Page 80: Radiometria, fotometria, színmérés

Lambert sugárzó fénysűrűsége független a ,

szögtől

cosddsindcosdcosd

d2

2211 ALR

AAL

mivel a gömb felületén: dA2 = R sin R d

és az elemi térszög: d = sin d d

a vetített térszög pedig: dp = sin d d cos

A féltérbe kisugárzott össz-fényáram: M = / dA

Page 81: Radiometria, fotometria, színmérés

A féltérbe kisugárzott fényáram:

2

0

2/

0

ddcossinLM

Lambert sugárzó esetén:

LLdLM

2/

0

2/

0

2sin2

12cossin2