ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα. Φωτοτεχνία. Ενότητα 1: Εισαγωγή στη Φωτομετρία

Transcript

1 ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Φωτοτεχνία Ενότητα 1: Εισαγωγή στη Φωτομετρία Γεώργιος Χ. Ιωαννίδης Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών ΤΕ

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2

3 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3

4 Εισαγωγή (1) Το φώς είναι ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που γίνεται αντιληπτή από τον ανθρώπινο οφθαλμό Ισχύει ότι: όπου : v = λ f v : Η ταχύτητα μετάδοσης του κύματος (m/s) λ : Το μήκος κύματος (m) f : Η συχνότητα του κύματος (Hz) V km/s για το κενό η τον αέρα 4

5 Εισαγωγή (2) Όλες οι ακτινοβολίες του ορατού φάσματος προκαλούν την εντύπωση του λευκού φωτός Ιώδες Κυανό Πράσινο Κίτρινο Πορτοκαλί Κόκκινο 5

6 Εισαγωγή (3) Ο οφθαλμός αντιλαμβάνεται το φως με την βοήθεια φωτοανιχνευτών που υπάρχουν στον αμφιβληστροειδή χιτώνα και είναι : α) τα κωνία β) τα ραβδία Με την βοήθεια φωτοχημικών αντιδράσεων και βιοηλεκτρικών μεταβολών παράγονται σήματα τα οποία μεταφέρονται στον εγκέφαλο 6

7 Εισαγωγή (4) Τα κωνία (7 millions) είναι ευαίσθητα σε υψηλά επίπεδα φωτός (κατά την διάρκεια της ημέρας) Είναι υπεύθυνα για την οπτική οξύτητα Είναι υπεύθυνα για την αντίληψη των χρωμάτων (υπάρχουν τρεις τύποι εξειδικευμένα στο μπλε πράσινο και κόκκινο φως ) Τα ραβδία (120 millions) ενεργοποιούνται σε χαμηλά επίπεδα φωτός (περιέχουν τη χημική ουσία ροδοψίνη) Είναι υπεύθυνα για την όραση σε χαμηλό φωτισμό 7

8 Εισαγωγή (4) Τα κωνία (7 millions) είναι ευαίσθητα σε υψηλά επίπεδα φωτός (κατά την διάρκεια της ημέρας) Είναι υπεύθυνα για την οπτική οξύτητα Είναι υπεύθυνα για την αντίληψη των χρωμάτων (υπάρχουν τρεις τύποι εξειδικευμένα στο μπλε πράσινο και κόκκινο φως ) Τα ραβδία (120 millions) ενεργοποιούνται σε χαμηλά επίπεδα φωτός (περιέχουν τη χημική ουσία ροδοψίνη) Είναι υπεύθυνα για την όραση σε χαμηλό φωτισμό 8

9 Τύποι Όρασης Φωτοπική όραση: (όραση σε συνθήκες ημέρας) Σκοτοπική όραση: αστέρια) (όραση σε συνθήκες νύχτας φως από τα Μεσοπική όραση: (ενδιάμεση όραση) 9

10 Ευαισθησία Οφθαλμού Ο συντελεστής φασματικής ευαισθησίας V λ (καθαρός αριθμός από 0 έως 1 ) καθορίζει την ευαισθησία του οφθαλμού συναρτήσει του λ (μήκος κύματος) 10

11 Σχεδιάγραμμα (1) V λ Mήκος κύματος λ(nm) 11

12 Μέλαν Σώμα (1) Είναι ένα σώμα που απορροφά όλη την ακτινοβολία που προσπίπτει πάνω του για κάθε λ (μήκος κύματος) Το μέλαν σώμα απορροφά όλες τις ακτινοβολίες δεν αντανακλά τίποτα και εκπέμπει τη μεγίστη δυνατή ακτινοβολία σε όλα τα μήκη κύματος και σε όλες τις διευθύνσεις 12

13 Μέλαν Σώμα (2) Το φάσμα ακτινοβολίας του εξαρτάται μόνο από την θερμοκρασία του Όλα τα πραγματικά σώματα εκπέμπουν ακτινοβολία (σε μηδενική θερμοκρασία) Ορίζεται ο συντελεστής εκπομπής (ε) ενός σώματος ως ε = Ακτινοβολουμένη ενέργεια από το σώμα Ακτινοβολουμένη ενέργεια από το μέλαν σώμα στην ίδια Τ (θερμοκρασία) Οπότε για το μέλαν σώμα ε = 1 για κάθε άλλο σώμα ε < 1 13

14 Φωτομετρικά Μεγέθη (1) Στερεά γωνία (Solid Angle) r ds dθ Κ r Ορισμός επίπεδης γωνίας Στοιχειώδης γωνία ds dθ = r Καθαρός αριθμός Τόξο στο οποίο βαίνει η γωνία dθ Η ακτίνα κύκλου του οποίου τόξο είναι το ds 14

15 Φωτομετρικά Μεγέθη (2) r θ θ = s = r = 1 r r rad ή ακτίνιο K r Στην ειδική περίπτωση όπου S = 2πr (περίμετρος) Τότε : = 2π rad ή

16 Φωτομετρικά Μεγέθη (3) Για τις ανάγκες της φωτομετρίας επεκτείνεται η έννοια της επίπεδης γωνίας και ορίζεται η στερεά γωνία r dω dα dω = στοιχειώδης στερεά γωνία dα = στοιχειώδης επιφάνεια που αποκόπτεται από τη σφαίρα ακτίνας r r 2 = μονάδα μέτρησης στερακτίνιο (Sr) επίσης καθαρός αριθμός dω = dα r 2 16

17 Φωτομετρικά Μεγέθη (4) Όταν η αποκοπτώμενη επιφάνεια είναι Α (μη στοιχειώδης) τότε ορίζεται η στερεά γωνία ω ως : ω = Α Όταν Α = r 2 τότε : ω = r2 = 1 (Sr) r 2 Ειδική περίπτωση Α = 4πr 2 ( επιφάνεια σφαίρας) r 2 Ω = 4πr2 = 4π (Sr) r 2 (Η συνολική στερεά γωνία που περικλείει μια σφαίρα) Όταν μια πηγή ακτινοβολίας εκπέμπει σε όλες τις κατευθύνσεις τότε η αντίστοιχη στερεά γωνία που περικλείει την ακτινοβολία είναι: 4π (Sr) 17

18 Φωτεινή Ροή (1) Μια πηγή ακτινοβολίας εκπέμπει ενέργεια που είναι κατανεμημένη ανομοιόμορφα στο φάσμα εκπομπής και εξαρτάται από το λ (μήκος κύματος) Η κατανομή της εκπομπής καθορίζεται από ένα μέγεθος που καλείται φασματική ενέργεια ακτινοβολίας W λ 18

19 Φωτεινή Ροή (2) 19

20 Φωτεινή Ροή (3) Οπότε η ενέργεια W που θα εκπέμπεται από μια πηγή ακτινοβολίας θα είναι: dw(λ) = W λ dλ όταν το α λ b, λ (για συγκεκριμένο φάσμα) Στην περίπτωση του ορατού φωτός 380 λ 780 (nm) οπότε: 20

21 Φωτεινή Ροή (4) Ο ανθρώπινος οφθαλμός δεν διακρίνει την ακτινοβολία του ορατού φάσματος με την ιδία ευαισθησία αλλά εξαρτάται από το Vλ όποτε : Q = Φωτεινή ενεργεία όπως την αντιλαμβάνεται ο ανθρώπινος οφθαλμός Ορίζεται ως Φωτεινή Ροή (luminous flux)φ η φωτεινή ενέργεια Q που εκπέμπει μια φωτεινή πηγή σε χρόνο dt προς τον χρόνο αυτό δηλ: (lm) lumen μονάδα μέτρησης 21

22 Φωτεινή ένταση (1) Φ2 W2 W1 Για διαφορετική στερεά γωνία W (W1, W2) Mεταφέρεται διαφορετική ποσότητα φωτεινής ροής Φ (Φ1, Φ2) Φ1 22

23 Φωτεινή ένταση (2) dw Εάν dφ η φωτεινή ροη που εκπέμπεται εντός στοιχειώδους γωνίας dw τότε ορίζεται το μέγεθος της Φωτεινής Έντασης (luminous intensity) I ως εξής : dφ Το Ι είναι διανυσματικό μέγεθος 23

24 Φωτεινή ένταση (3) Εάν η ροη Φ είναι σταθερή εντός γωνίας ω τότε : Μονάδα μέτρησης : Εάν γνωρίζουμε την συνάρτηση του I (ω) τότε : Οπότε : Φ = Η φωτεινή ροη που εκπέμπεται εντός γωνίας Ω 24

25 Διαγράμματα κατανομής Φωτεινής Έντασης (1) Το φωτιστικό είναι αναρτημένο στην κανονική του θέση Η κατακόρυφος που διέρχεται από το κέντρο συμμετρίας του ΦΣ με κατεύθυνση αυτή προς την οποία φωτίζει αποτελεί το σημείο αναφοράς και αντιστοιχεί στην γωνία 0 Η οριζόντια επιφάνεια που διέρχεται το κέντρο συμμετρίας του ΦΣ αντιστοιχεί στις γωνίες 90 και

26 Διαγράμματα κατανομής Φωτεινής Έντασης (2) Διάγραμμα πολικής κατανομής της φωτεινής έντασης του φωτιστικού σώματος Τα πολικά διαγράμματα σχεδιάζονται για λαμπτήρες 1000lm φωτεινής ροής 26

27 Επίπεδα Μέτρησης Ι (1) Η φωτεινή ένταση ΦΣ μετράται σε ένα σύνολο τυποποιημένων επιπέδων Σύμφωνα με την CIE και την CENELEC (ENB032 1) έχουμε τα παρακάτω επίπεδα μέτρησης: 1. Επίπεδα Α 2. Επίπεδα B 3. Επίπεδα C 27

28 Επίπεδα Μέτρησης Ι (2) Τα επίπεδα C κυρίως χρησιμοποιούνται: C 180 C 90 C 270 Φωτομετρικό κέντρο C 0 γ = 108 Αντιωρολογιακά από 0 έως 180 γ = 90 γ = γ

29 Επίπεδα Μέτρησης Ι (3) 29

30 Διάγραμμα Πολικής Κατανομής C90 C0 C90 C 270 CO C

31 Διάγραμμα Καρτεσιανής Κατανομής C90 C0 CO C 180 C90 C

32 Ένταση Φωτισμού dφ = η στοιχειώδης ροη προσπίπτει κάθετα στο επίπεδο του ds (da) dφ Ένταση Φωτισμού ή Φωτισμός Eπιφάνειας da d da 1lux 1lm 2 1m ds ή da = Στοιχειώδης επιφάνεια 32

33 H Ένταση Φωτισμού ή Φωτισμός Eπιφάνειας Δεν είναι χαρακτηριστικό της φωτεινής πηγής Εξαρτάται από την πηγή, το χώρο και τα χαρακτηριστικά του Σε περίπτωση που σταθερή ροη Φ προσπίπτει κάθετα σε επιφάνεια εμβαδού S τότε: Σε περίπτωση που η ροη δεν είναι σταθερή (ομοιόμορφα κατανεμημένη) σε επιφάνεια S και η συνολική τιμή της είναι Φ τότε ορίζεται η μέση τιμή της έντασης φωτισμού Eave 33

34 Λαμπρότητα (1) Δυο φωτεινές πηγές με την ίδια φωτεινή ένταση I αλλά με διαφορετικές διαστάσεις δεν φαίνονται το ίδιο φωτεινές Η πηγή με τη μικρότερη επιφάνεια φαίνεται πιο φωτεινή 34

35 Λαμπρότητα (2) Οι πραγματικές πηγές δεν είναι σημειακές Ετερόφωτη πηγή Ι L Oρίζεται η λαμπρότητα (Luminance) μιας επιφάνειας ως: To L : Εξαρτάται άμεσα από την ανάκλαση της επιφάνειας Πρόκειται για διανυσματικό μέγεθος Αυτό το μέγεθος γίνεται αντιληπτό από τον οφθαλμό 35

36 Λαμπρότητα (3) Παρατηρητής Ο Io Παρατηρητής Α α Ια S Ο παρατηρητής Ο βλέπει κάθετα την επιφάνεια (ετερόφωτη η αυτόφωτη πηγή) εμβαδού S όποτε η λαμπρότητα είναι : Ιο η φωτεινή ένταση κάθετα στην επιφάνεια S 36

37 Λαμπρότητα (4) Ο παρατηρητής Α βλέπει υπό γωνία α (σε σχέση με την κάθετη στην επιφάνεια S) οπότε στην ουσία βλέπει επιφάνεια Sα και όχι S Επίσης η φωτεινή ένταση προς την κατεύθυνση παρατήρησης του α είναι Iα Όποτε η λαμπρότητα κατά την κατεύθυνση παρατήρησης του α είναι : 37

38 Ανάκλαση Απορρόφηση Μεταφορά (1) Όταν το φως προσπίπτει σε μια επιφάνεια τότε μπορεί: Ένα τμήμα του να ανακλαστεί Ένα τμήμα του να απορροφηθεί από την επιφάνεια Ένα τμήμα του να μεταφερθεί δια μέσω της επιφάνειας αυτής 38

39 Ανάκλαση Απορρόφηση Μεταφορά (2) Οπότε ορίζονται ο συντελεστής ανάκλασης ρ, ο συντελεστής απορρόφησης α, και ο συντελεστής μεταφοράς τ Συγκεκριμένα : Όπου: Φ: Η προσπίπτουσα φωτεινή ροή Φp: Η ανακλώμενη φωτεινή ροή Φα: Η απορροφούμενη φωτεινή ροή Φτ: Η μεταφερόμενη φωτεινή ροή Φp + Φα + Φτ = Φ Οπότε : ρ + α + τ = 1 39

40 Είδη ανάκλασης (1) Κανονική Ανάκλαση γ = γ Νομός της κανονικής ανάκλασης Διαχέουσα Ανάκλαση Το φως διαχέεται ομοιόμορφα προς όλες τις κατευθύνεις χωρίς να προτιμά κάποιες κατευθύνσεις γ γ Λεία και στιλπνή επιφάνεια π.χ. λευκός καθαρός τοίχος 40

41 Είδη ανάκλασης (2) Ημιδιαχέουσα Ανάκλαση Το φως διαχέεται αλλά όχι ομοιόμορφα Μικτή Ανάκλαση Ενδιάμεση κατάσταση μεταξύ κανονικής και διαχέουσας ανάκλασης Ανοιχτόχρωμη επιφάνεια με πτυχές π.χ. στιλπνή και καθαρή μεταλλική επιφάνεια 41

42 Τέλος Ενότητας