Upload
gabriel-kinney
View
34
Download
8
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
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.
Elektromágneses sugárzás
• optikai sugárzás: 100 nm – 1 mm hullámhosszú elektromágneses sugárzás
• látható sugárzás: 380 nm – 780 nm• fény: a látható sugárzás által kiváltott
észlelet
Elektromágneses színkép
Radiometriai segédmennyiségek
P
d d térszög:
a sugárkúp által a gömbfelületből kimetszett terület és a gömbsugár négyzetének hányadosa:
d=dA/r2
Színképfüggő mennyiségek hullámhossz függés: X()szűrő áteresztés
színképi eloszlás:
dX/d X Katódsugár-csöves monitorfényporainak színképi eloszlás
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
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
Besugárzás
d
d A
E d /dA
Sugárerősség, pontszerű forrás
d
Pd
I
I d /d
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)
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
Általánosított távolságtörvény
d
A
A 2d
n 1
d
1
2
1
n 2
dE2 (L cos 1 cos 2dA1) / d2
Lambert sugárzó Lambert radiator
• sugársűrűsége szögfüggetlen:L() L(,) const.
d A
n
d
L
P
d
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.
Lambert reflektáló
• megvilá-gítás: E
• visszavert sugárzás, a sugár-sűrűség irány-független:
felület normálisa
reflektáló felület
beesõ sugárnyaláb
visszavert sugár
sugársûrûségivektor
E
L
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
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)
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
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)
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'( )
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().
A fotometria alapjai
• a fenti összefüggések alapján a monokromatikus komponenseket összegezhetjük:
)(VS
nm780
nm380
eV d
)(, Vk
ez adja a fotometria és radiometria kapcsolatát
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
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.
Fotopos, mezopos, szkotopos fotometria
2
fotoposszkotopos mezopos
-5 -4 -3
lg( cd/m² )
0-2 -1 1 43 5 6
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
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.”
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
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
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
Kontraszt, kontrasztviszony• kontraszt:
ahol– Lt a jel (target)
fénysűrűsége– Lb a háttér
(background) fénysűrűsége
• kontrasztviszony:
b
bt
L
LLc
b
tv L
Lc
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
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
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.
Szkotopos, mezopos és fotopos tartomány
2
fotoposszkotopos mezopos
-5 -4 -3
lg( cd/m² )
0-2 -1 1 43 5 6
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'( )
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!
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
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
Színkeverés
Additív szubtraktív színkeverés
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
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,
Additív színingerkeverés
• Proporcionalitás
Ha
C1R1(R)+G1(G)+B1(B)
akkor
aC1aR1(R)+aG1(G)+aB1(B)
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.
Színinger-összetevők vagy tristimulusos értékek
drSkR )(
dgSkG )(
dbSkB )(
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
CIE 1931 színingermérő rendszer
CIE XYZ színinger összetevők
dzSkZdySkYdxSkX )(;)(;)(780
380
780
380
780
380
önvilágítók (monitor): k = 683 lm/W
)()( Vy
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
szín(inger-) vagy színességi koordináták
ZYX
Xx
ZYX
Yy
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
A színes-ségi dia-gram színes ábrája
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
Szabványos sugárzáseloszlások és fényforrások
• CIE A sugárzáseloszlás • CIE D65 sugárzáseloszlás • további napplai sugárzáseloszlások,
grafikus iparban: D50• CIE A fényforrás• CIE D65 szimulátor
CIE A- és D65 sugárzáseloszlás színképe
CIE 1931 és 1964 színingermérő rendszer
• 2°-os látószög: CIE 1931• 10°-os látószög: CIE 1964
val101010 )(),(),( zyx
X10(), Y10(), Z10() színinger összetevők
számítása
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
MacAdam ellipszisek
• The CIE x,y diagram színinger-megkülön-böztetési ellipszisek-kel
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
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
Különböző hőmérséklet fogalmak
• Valódi hőmérséklet
• Sugárzási hőmérséklet
• Eloszlási hőmérséklet
• színhőmérséklet
– Korrelált színhőmérséklet
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
A színmetrika további kérdései
• CIE 1931 és 1964 színingermérő rendszer• metameria• egyenlőközű színterek• színatlaszok• színmegjelenési modellek • színvisszaadás
Korrelált színhőmérséklet• Azonos korrelált színhőmérsékletű vonalak (az u,v-
diagramban merőlegesek a Planck görbére)
ISO-temperature lines in u,v diagram
Színi áthangolódás - 1
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
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
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
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
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
Színinger-megfeleltetés
• R = SR()
• G = SG()
• B = SB()
drSkR )(
dgSkG )(
dbSkB )(
Additív színegyeztetés
Fennáll a• disztributivitás, • additivitás és • proporcionalitás törvénye
Összehasonlító színingerek:• vörös:700 nm• zöld: 546 nm• kék: 435 nm
Alapszínek
• R = 1 lm 700 nm vörös,
• G = 4,5907 lm 546,1 nm zöld
• B = 0,0601 lm 435,8 nm kék
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
Lambert cosinus törvény
R
R sin d Rd
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
A féltérbe kisugárzott fényáram:
2
0
2/
0
ddcossinLM
Lambert sugárzó esetén:
LLdLM
2/
0
2/
0
2sin2
12cossin2