Curs 7 Noţiuni de fotometrie

Lumina Spectrul de lumină corespunde unei părţi a spectrului radiaţiei electro­magnetice, având lungimi de undă cuprinsă între 380 şi 760 nm (fig.). Spectrul radiaţiilor vizibile reprezintă un eşantion foarte redus din întregul spectru, care mai cuprinde radiaţiile , radiaţii Röntgen, radiaţii infraroşii, radiaţii ultraviolete ş.a. Radiaţiile din spectrul 380  760 nm determină o senzaţie fiziologică specifică asupra ochiului uman, numită lumină. Ochiul uman prezintă senzaţii diferite pentru diferite lungimi de undă. Aceste senzaţii diferite sunt numite culoare (tabelul1). În cazul în care lumina cuprinde întreg spectrul al radiaţiilor vizibile ochiul sesizează culoare albă.

Fig. 1  Spectrul undelor electromagnetice. Radiaţii cosmice, Raze γ Raze Röntgen Ultraviolet Lumină Infraroşu Microunde Unde decimetrice Unde ultrascurte Unde scurte Unde medii Unde lungi 380 400 450 500 550 600 650 700 750 λ [nm] Fig. 1  Spectrul undelor electromagnetice. Violet Bleu Verde Galben Roşu

Lungimea de undă nm Culoarea 380  430 Violet 430  485 Bleu 485  570 Verde 570  600 Galben 600  610 Portocaliu 610  760 Roşu

Mărimi şi unităţi fotometrice Toate corpurile având o temperatură peste 0 K radiază energie. Însă numai radiaţiile care sunt observate de către ochiul uman corespund energiei luminoase. Fiecare sursă de lumină emite o anumită energie luminoasă W. Energia luminoasă nu este o mărime obiectivă, fiind energia unei radiaţii electromagnetice dar validată subiectiv de către ochiul uman. Energia radiată în unitatea de timp (puterea radiată) şi validată de către ochiul uman se defineşte ca fiind fluxul luminos 

Unitatea de măsură, lumenul (lm), corespunde unui flux luminos emis de o sursă monocromatică cu lungimea de undă de 555, 5 nm (f = 540,01541012 Hz) şi care consumă 1/683 W. Altfel spus, rezultă un flux de 1 lm în cazul unei transformări ideale a puterii de 1/683 W, absorbită de o sursă de lumină care emite o radiaţie monocromatică cu lungimea de undă de 555, 5 nm (galben). Toate celelalte mărimi fotometrice se raportează la fluxul luminos. Fluxul luminos defineşte caracteristicile energetice ale surselor de lumină şi este utilizat pentru determinarea randamentului şi eficienţei luminoase a surselor de lumină şi a instalaţiilor de iluminat.

Sensibilitatea spectrală. Dacă o sursă de lumină emite o putere spectrală p (fig.), ochiul uman „observă” în mod diferit fiecare lungime de undă. Sensibilitatea spectrală a ochiului uman depinde nu numai de puterea spectrală ci, în mare măsură, şi de compoziţia spectrală a luminii. Ochiul uman nu recepţionează în mod egal toate radiaţiile luminoase. Maximul spectrului luminos  al ochiului uman se află la 555,5 nm unde sensibilitatea spectrală k prezintă o valoare unitară  p 380 555 760 λ [nm] Sensibilitatea spectrală.

Fluxul luminos  poate fi determinat din relaţia Eficienţa luminoasă  a unei surse de lumină reprezintă raportul dintre fluxul luminos  emis de sursă şi puterea absorbită din reţeaua electrică P de către sursa de lumină

Intensitatea luminoasă. Intensitatea luminoasă I a unei surse de lumină (fig.), în direcţia , se defineşte ca fiind fluxul luminos  emis în direcţia , raportat la unghiul solid  în care are loc emisia (densitatea spaţială a fluxului luminos în direcţia ) Intensitatea luminoasă determină cantitatea de lumină emisă într-o anumită direcţie, fiind dependentă în special de suprafeţele reflectante care asigură orientarea luminii (de exemplu, un reflector). Q Iα ΔΩ r α θ ΔA Intensitatea luminoasă.

în care I0 este valoarea indicată de constructorul sursei de lumină. Valoarea reală a intensitătii luminoase, pentru o sursă de lumină, cu un flux total , rezultă din relaţia în care I0 este valoarea indicată de constructorul sursei de lumină. 110 100 90 80 70 60 50 40 120 130 140 160 180 160 140 130 120 30 20 10 0 10 20 30 30 90 120 150 180 210 240 270 300 cd I  Fig. 2.4  Curba fotometrică pentru o sursă de lumină.

Luminanţa L este o măsură a senzaţiei de strălucire a unei suprafeţe care emite sau reflectă lumină, asupra ochiului uman, determinând fenomenul de orbire. Luminanţa L este mărimea fotometrică de bază, care este receptată de ochiul uman, fiind definită ca raportul dintre intensitatea luminoasă şi suprafaţa emiţătoare (fig.) în care  este unghiul de observare şi determină aria suprafeţei vizibile a suprafeţei luminoase Unitatea de măsură este candela/m2 [cd/m2].

Legile fotometrice Legile fotometrice prezintă relaţia dintre nivelul de iluminare E într-un punct al suprafeţei de lucru (nivel de iluminare punctual) şi intensitatea luminoasă I a unei surse de lumină, distanţa r faţă de sursa de lumină şi unghiul de incidenţă  a razei luminoase.

Legea pătratelor distanţelor arată că nivelul de iluminare pe o suprafaţă este invers proporţional cu pătratul distanţei dintre sursa de lumină şi suprafaţă iluminată

Legea cosinusurilor Arată că nivelul de iluminare pe o suprafaţă este direct proporţional cu cosinusul unghiului de incidenţă Nivelul de iluminare maxim rezultă în cazul incidenţei perpendiculare a razei luminoase pe suprafaţa iluminată.

Legea pătratelor distanţelor. α θ r1 r2 Legea pătratelor distanţelor. θ2 θ1 r Legea cosinusurilor. dA

Legea lui Lambert dImax = dIαcosα. se referă la suprafeţele luminoase difuze şi uniform radiante, prezentând astfel valori ale luminanţei egale în toate direcţiile În cazul surselor care respectă legea lui Lambert dImax = dIαcosα.

Metoda punct cu punct pentru surse punctiforme Pentru o sursă punctiformă S (fig.), nivelul de iluminare EP într-un punct P pe suprafaţa orizontală H poate fi determinat din relaţia  d h r S I  Fig. 2.30  Sursă punctiformă. l L P H factorul de menţinere p

Metoda punct cu punct pentru surse liniare Utilizarea lămpilor fluorescente tubulare permite realizarea, în luminatul exterior şi în cel interior, a unor surse linare. P x dx l A B A B M M dImax h    dI B b a r Fig. 2.33  Surse liniare de lumină.

Calulul surselor plane prin metoda punct cu punct Pentru iluminatul locurilor de muncă sau a altor spaţii pot fi utilizate tavanul luminos sau panourile luminoase. Pentru a determina nivelul de iluminare într-un punct P (fig.), care corespunde proiecţiei unui colţ al sursei dreptunghiulare (cele mai întâlnite forme de asemenea surse luminoase), se calculează nivelul de iluminare dEP, determinat de un element de suprafaţă dA şi apoi se integrează pe toată suprafaţa sursei de lumină. Pentru sursele luminoase dreptunghiulare, în mod obişnuit, se poate utiliza legea lui Lambert (luminanţa în toate direcţiile este constantă L = constant) şi se poate scrie

Calculul surselor luminoase dreptunghiulare . x y h y + dy b A x x + dx P  a M B C D dI  Calculul surselor luminoase dreptunghiulare .

Surse de lumina pentru aparatele optice Curs 8 Surse de lumina pentru aparatele optice

Tipuri de surse Orice sistem aflat in stare de plasma reprezinta o sursa de lumina O alta metoda de obtinere a surselor de lumina consta in marimea energiei caracteristice a unui corp peste o anumita limita, incepand de la care electronii pot sa efectueze tranzitii liber-liber, legat-liber si legat-legat. Surse de lumina pot fi considerate unele corpuri care pot reflecta o mare parte din lumina primita de la sursele de lumina reale

Soarele Poate fi aproximat din punct de vedere optic cu un radiator negru, la temperatura de 6000Kin centrul sau si aproximativ 5000K la limita fotosferei Atmosfera pamanturlui este un mediu relativ opac, destul de neomogen si cu un indice de refractie foarte variabil in conditii normale de presiune si temperatura densitatea aerului este ρ=0.0012928 g/cm2 iar numarul de molecule dintr-un metru cub este 2.688*1025

Distributia spectrala a puterii radiante solare la nivelul marii

Lampile cu incandescenta Sursele cel mai des intalnite la aparatura optica sunt becurile Avantaje: Cost relativ scazut Simplitatea functionarii Varietatii dimensionale foarte mari Alcatuire Filament de wolfram(rezistor) Balon de sticla sau de cuart Capetele sunt scoase afara folosind treceri metal-sticla

Caracteristicile becurilor Radiatia becurilor electrice poate fi estimata pe baza faptului ca, peste intreaga regiune vizibila a spectrului de radiatie, un filament de wolfram poate fi aproximat printr-un corp cenusiu cu emisivitatea de 40-50% Radianta totala Radianta spectrala

Efectele datorate variatiei tensiunii Utilizarea becului electric la o tensiune mai mare decat cea normala duce la cresterea rapida a intensitatii luminoase insa timpul de viata al becului scade mult Efectele variatiei tensiunii pot fi determinate cu ajutorul formulelor, dar si din tabele

Variatia diferitelor marimi caracteristice Marimile notate cu indice zero corespund valorilor nominale

Lampi incandescente cu halogen Se folosesc in pozitie orizontala Au forma tubulara Deoarece temperatura la care ajunge sticla este mult mai mare se foloseste cuartul pentru fabricarea balonului

Plasma luminescenta Obtinerea plasmei luminescente se face prin: Metoda rezistiva Metoda capacitiva Metoda inductiva

Schema pentru obtinerea plasmei

Alte tipuri de plasme Plasma de arc- daca sursa de descarcare permite curenti de cativa amperi atunci catodul se incalzeste la rosu , iar descarcarea devine descarcare in arc Plasma de scanteie-daca distanta dintre electrozi, presiunea gazului si sursa de alimentare se aleg convenabil atunci in spatiul catod anod apare plasma de scanteie

Lampi cu descarcare de arc de zirconiu Sursa de lumina punctiforma Spotul luminos pentru o lampa de 2 W este de numai 0.125 mm, iar pentru o lampa de 300 W este de numai 2.5 mm

Flashul electric (plasma de scanteie) Furnizeaza luminescente de pana la 400000 cd/mm2 comparativ cu soarele care ofera 1500 cd/mm2 Faze mai importante: Formarea canalului de descarcare electrica Cresterea rapida a temperaturii plasmei si a curentului de descarcare electrica –apox 10-7 s, temperatura putand ajunge la 50000K Descarcarea completa a condensatorului Emiterea radiatiei de postluminescenta

Lampile fluorescente Se bazeaza pe actiunea radiatiei plasmei unei descarcari electrice asupra luminoforului cu care este acoperit tubul de descarcare O lampa fluorescenta obisnuita se obtine printr-o descarcare electrica de joasa presiune si la curenti mici de descarcare intr-o atmosfera de vapori de mercur si pri folosirea primei linii de rezonanta a mercurului-253,7 nm Stratul de fosfor cu care este acoperit tubul de descarcare converteste radiatia ultravioleta, data de plasma descarcarii, in radiatie din domeniul vizibil

Led light-emitting diode - insemna dioda emitatoare de lumina Culoarea luminii emise depinde de compozitia si de starea materialului semiconductor folosit, si poate fi in spectrul infrarosu, vizibil sau ultraviolet. Pe langa iluminare, LED-urile sunt folosite din ce în ce mai des într-o serie mare de dispozitive electronice.

Avantajele becurilor LED durata de viata foarte mare - pana la 50.000 ore rezistente eficienta superioara consum redus de energie lumina rece

Dezavantajele becurilor LED pretul  lumina directionala - becurile LED produc lumina directionala. Datorita faptului ca lumina nu este imprastiata pe 360 grade, la inceputurile lor, erau dificil de utilizat pentru sistemele de iluminat. Problemele au fost insa eliminate insa prin folosirea unor becuri cu mai multe diode LED si un sistem de lentile care imprastie lumina aidoma becurilor incadescente.