Wykad 1

(1)

Techniki świetlne

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak, prof. uczelni Katedra Optyki i Fotoniki

Wydział Podstawowych Problemów Techniki Politechniki Wrocławskiej

http://www.if.pwr.wroc.pl/~wozniak/

https://eportal.pwr.edu.pl/course/view.php?id=8328 Miejsce konsultacji: pokój 27 bud. A-1

Wykład 1

Promieniowanie elektromagnetyczne; podstawowe pojęcia,

wielkości i jednostki techniki świetlnej; oko i widzenie

(2)

Podstawowe pojęcia

Radiometria – dział fizyki i metrologii zajmujący się ilościowymi pomiarami energii promieniowania i wielkości fizycznych z nią związanych.

Technika świetlna to dziedzina nauki i techniki zajmująca się zagadnieniami wytwarzania światła, formowania rozsyłu światła w przestrzeni, mierzenia światła i barwy oraz stosowania światła w celu oświetlania.

Zbliżoną dziedziną jest fotometria, która również zajmuje się pomiarami energii promieniowania, ale jedynie w aspekcie wpływu na wrażenia wzrokowe w oku ludzkim (z uwzględnieniem czułości spektralnej oka).

(3)

Podstawowe pojęcia

Promieniowanie

(radiacja)

–

zjawisko

wysyłania

lub

przenoszenia energii za pomocą fal elektromagnetycznych.

Rodzaje promieniowania:

- Cieplne (termiczne, temperaturowe, inkadescentne) – źródłem są ciała rozgrzane do określonej temperatury;

- Luminescencyjne (w tym: chemiluminescencja, elektroluminescencja, fotoluminescencja, sonoluminescencja, termoluminescencja, tryboluminescencja) – następstwo przejścia atomu lub cząsteczki z wyższego do niższego stanu energetycznego.

(4)

Podstawowe pojęcia

Prędkość rozchodzenia się fal elektromagnetycznych wynosi w próżni: c=2,99776 ∙108 _m/s

A w powietrzu praktycznie tyle samo… Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Cechą charakterystyczną promieniowania jest długość fali



lub jej częstotliwość f, związane ze sobą przed prędkość:



=c/f

I, choć wielkością niezmienniczą jest częstotliwość, częściej używa się długości, wyrażanej w nanometrach bądź mikrometrach!

(5)

Podstawowe pojęcia

Źródła światła mogą promieniować jako: - monochromatyczne;

- heterochromatyczne; - ciągłe.

Rozkład widmowy danego źródła to zależność określonej cechy ilościowej (najczęściej mocy, ale też strumienia itp.) od długości fali.

(6)

Parametry energetyczne

charakteryzujące promieniowanie elektromagnetyczne

PRZYPOMNIENIE?!

Ilość energii promienistej Q – ilość energii wysłanej przez źródło. [J]

Każdy rodzaj promieniowania elektromagnetycznego niesie ze sobą pewną energię, związaną z mocą źródła tego promieniowania.

Gęstość widmowa energii Q_ – ilość energii wypromieniowywanej przez źródło dla danej długości fali:



d

dQ

(7)

Parametry energetyczne

charakteryzujące promieniowanie elektromagnetyczne

Moc promienista P – moc przenoszona lub dostarczona przez

promieniowanie. Tożsamym pojęciem jest strumień energetyczny



_e :

dt

dQ

P





_e



Moc promienista może być obliczona jako suma (całka) widmowych gęstości mocy tworzących rozkład widmowy promieniowania:

 











0



d

e e

(8)

Parametry energetyczne

charakteryzujące promieniowanie elektromagnetyczne

Mocy promienistej nie należy utożsamiać z mocą źródła światła – ta ostatnia to moc pobierana (dostarczana do źródła, np. w postaci energii elektrycznej), a zwykle część mocy jest przez źródło tracona!

Sprawność źródła promieniowania



to iloraz mocy wypromieniowanej przez to źródło do mocy przez nie pobranej:

P

e





(9)

Parametry energetyczne

charakteryzujące promieniowanie elektromagnetyczne

Energia promienista może być w tym samym czasie wysyłana w różnych kierunkach przestrzeni przez źródło.

Natężenie promieniowania I_e charakteryzuje gęstość kątową strumienia energetycznego w określonym kierunku przestrzeni:



d

I

_e





e

Analogicznie jak poprzednio, można wprowadzić monochromatyczne natężenie promieniowania:



d

dI

I

_e_,



e [W/sr]

(10)

Parametry energetyczne

charakteryzujące promieniowanie elektromagnetyczne

Promieniujące źródło rozciągłe może mieć różną moc w różnych punktach swojej powierzchni.

Egzytancja energetyczna M_e charakteryzuje gęstość powierzchniową strumienia energetycznego:

dS

d

M

_e





e

I znowu, można wprowadzić monochromatyczną gęstość powierzchniową mocy (monochromatyczną egzytancję):



d

dM

M

_e_,



e [W/m2_]

(11)

Parametry energetyczne

charakteryzujące promieniowanie elektromagnetyczne

Najogólniej: promieniujące źródło rozciągłe może też promieniować różnie z różnych fragmentów powierzchni i w różnych kątach bryłowych.

Luminancja energetyczna L_e charakteryzuje stosunek natężenia promieniowania I_e do (pozornej wielkości) powierzchni promieniującej:

'

dS

dI

L

_e



e

I znowu, można wprowadzić monochromatyczną luminancję energetyczną:



d

dL

L

_e_,



e [W/(sr∙m2_)]

(12)

Parametry energetyczne

charakteryzujące promieniowanie elektromagnetyczne

Oprócz wielkości charakteryzujących źródło, często interesuje nas opis ilościowy promieniowania, padającego na oświetlaną powierzchnię (detektor).

Natężenie napromienienia E_e opisuje wielkość strumienia energetycznego padającego na napromieniowywaną powierzchnię:

Analogicznie, można wprowadzić monochromatyczne natężenie napromienienia:



d

dE

E

_e_,



e [W/m2_]

dA

d

E

_e





e

(13)

Podstawowe pojęcia,

wielkości i jednostki techniki świetlnej

Promieniowanie elektromagnetyczne, obejmujące całe spektrum długości fal, w poszczególnych swych zakresach w różny sposób oddziałuje na człowieka.

ciepło

światło

stymulacja

różnych

funkcji życiowych

Opis ilościowych cech promieniowania nie może być w pełni podstawą rozróżniania i wartościowania efektów jego działania w poszczególnych zakresach promieniowania elektromagnetycznego!

(14)

Podstawowe pojęcia,

wielkości i jednostki techniki świetlnej

Specyfika narządów ludzkich zmysłów powoduje, że informacja

„energetyczna” o promieniowaniu niewiele powie o efekcie, jakie

to promieniowanie wywoła u człowieka.

PRZYKŁAD: Natężenie napromienienia danej powierzchni wynosi 100 W/m2_.

Co wiadomo? NIC.

Ani efektu, jakie to promieniowanie wywoła (światło? ciepło? ciężka choroba? wzruszenie ramion?)

Ani informacji o intensywności tego efektu (oślepi? spali? nikt nic nie zauważy?)

(15)

Podstawowe pojęcia,

wielkości i jednostki techniki świetlnej

Skuteczność

wywoływania

wrażeń

świetlnych

przez

promieniowanie elektromagnetyczne?!

FAKT 1:

Oko człowieka jest wrażliwe na promieniowanie elektromagnetyczne z zakresu 380 do 780 nm.

FAKT 2:

Rozkład intensywności wrażeń wywoływanych w oku przez poszczególne długości fali jest różny.

WNIOSEK:

Skuteczność wywoływania wrażeń (świetlnych) przez promieniowanie w oku człowieka nie jest stała – jest funkcją długości fali.

(16)

Podstawowe pojęcia,

wielkości i jednostki techniki świetlnej

Względna

skuteczność

świetlna

promieniowania

monochromatycznego V

_

Jest to stosunek mocy promienistej _e(_max) dla wybranej długości fali _max do mocy promienistej _e() dla danej długości fali , które w określonych warunkach fotometrycznych wywołują wrażenie świetlne o tej samej intensywności. Wartość długości fali _max została dobrana tak, aby największa wartość V_ wyniosła 1.





 



 e e

V





max

(17)

Podstawowe pojęcia,

wielkości i jednostki techniki świetlnej

Wartość względnej skuteczności świetlnej promieniowania

monochromatycznego wyznaczono eksperymentalnie już w 1924 r.

Okazało się, że czułość widmowa oka jest bardziej złożona – względna skuteczność świetlna zależy od stanu adaptacji wzroku do panującego poziomu oświetlenia. Wiemy, że wynika to z innego poziomu czułości dwóch rodzajów receptorów w oku.

(18)

Podstawowe pojęcia,

wielkości i jednostki techniki świetlnej

Krzywa czułości skotopowa została wyznaczona eksperymentalnie dopiero w roku 1951. Nie ma ona większego znaczenia praktycznego, gdyż warunki widzenia skotopowego odpowiadają minimalnemu poziomowi jasności występującemu przy pełnej ciemności, w warunkach laboratorium fotometrycznego.

Krzywa czułości fotopowa jest charakterystyką naturalną – podejmowane były próby jej opisu matematycznego:

 

178 14 , 557 1 exp 14 , 557 0185 , 1 ' _                 V

(19)

Podstawowe pojęcia,

wielkości i jednostki techniki świetlnej

Kąt bryłowy

DEFINICJA: Kątem bryłowym  o biegunie w punkcie B nazywa się część przestrzeni ograniczonej powierzchnią stożkową o wierzchołku w punkcie B. Miarą kata bryłowego jest iloraz pola powierzchni płata, który jest wycinany ze sfery o środku w punkcie B przez boczna powierzchnie stożka oraz kwadratu promienia tej sfery:

Maksymalny wymiar kąta bryłowego odpowiada stożkowi o połówkowym kącie przywierzchołkowym równym 180. Wówczas płat kulisty zmienia się w powierzchnię sfery i kąt bryłowy (pełny) wynosi 4 steradianów.

2

R

dA

d





(20)

Podstawowe pojęcia,

wielkości i jednostki techniki świetlnej

Strumień świetlny

To podstawowa wielkość fotometryczna, odpowiednik mocy w radiometrii. Strumień świetlny  to wielkość fotometryczna wyprowadzona od strumienia energetycznego na podstawie oceny promieniowania za pomocą odbiornika, którego względna czułość widmowa odpowiada czułości widmowej oka przystosowanej do jasności:

 









K

_m _e_

V



d



K_m jest tzw. fotometrycznym równoważnikiem promieniowania. Wynika on z definicji podstawowego wzorca fotometrycznego.

Jest to stosunek strumienia świetlnego do odpowiedniego strumienia energetycznego dla długości fali odpowiadającej największej czułości oka: V(=555nm)=1.

Jeśli strumień świetlny mierzy się w lumenach a strumień energetyczny w watach, to:

K_m=683 lm/W.

(21)

Podstawowe pojęcia,

wielkości i jednostki techniki świetlnej

Strumień świetlny

Rodzaj źródła światła

Strumień świetlny [lm]

Żarówki

1-20 000

Świetlówki

100-5000

Lampy wysokoprężne

2000-200 000

(22)

Podstawowe pojęcia,

wielkości i jednostki techniki świetlnej

Skuteczność świetlna

Każde źródło termiczne ma pewną sprawność przetwarzania dostarczanej mocy (zwykle elektrycznej) na moc promieniowania a także sprawność przetwarzania mocy promieniowania na strumień świetlny.

Skuteczność świetlna promieniowania K jest to stosunek

strumienia świetlnego



do odpowiadającego mu strumienia

energetycznego



_e

:

_{ }



     



  d d V K K e e m e

(23)

Podstawowe pojęcia,

wielkości i jednostki techniki świetlnej

Skuteczność świetlna

Najbardziej popularnym parametrem jest jednak inna wielkość – zdolność przetwarzania dostarczonej mocy (np. elektrycznej) na strumień świetlny.

Skuteczność świetlna źródła światła jest to stosunek strumienia

świetlnego wypromieniowywanego ze źródła do mocy do niego

dostarczonej:

P







(24)

Podstawowe pojęcia,

wielkości i jednostki techniki świetlnej

Skuteczność świetlna źródła światła

Rodzaj źródła światła Skuteczność świetlna źródła [lm/W]

Żarówki wolframowe 8-12 Żarówki halogenowe 20-25

LED (2003) 20-100?!

Lampy żarowe 30

Wysokoprężne lampy rtęciowe 50

Świetlówki 70-100

Lampy halogenkowe 80

Wysokoprężne lampy sodowe 100-120 Niskoprężne lampy sodowe 200 Robaczek świętojański: ok. 400lm/W! CZEMU?

(25)

Podstawowe pojęcia,

wielkości i jednostki techniki świetlnej

Skuteczność świetlna źródła światła

A jak wyglądałaby skuteczność świetlna ciała doskonale czarnego w różnych temperaturach?

Maksymalną skuteczność ok.

95lm/W osiąga się dla

temperatury ok T=7000K. Ale np. żarówki wolframowej tak się rozgrzać nie da! Dla temperatury topnienia wolframu (3650K) można by osiągnąć 54lm/W.

(To czemu w tabelce było tylko 8-12?)

(26)

Podstawowe pojęcia,

wielkości i jednostki techniki świetlnej

Światłość w danym kierunku I(,) punktowego źródła światła lub elementu powierzchni niepunktowego źródła to iloraz elementarnego strumienia świetlnego d, wypromieniowywanego we wnętrze nieskończenie małego stożka obejmującego dany kierunek, oraz kąta bryłowego d tego stożka:











d

I

,





O światłości można mówić, gdy źródło światła traktuje się jako punktowe – kryterium jest stosunek geometrycznych rozmiarów źródła i jego odległości od odbiornika.

(27)

Podstawowe pojęcia,

wielkości i jednostki techniki świetlnej

Światłość to inaczej „gęstość kątowa strumienia świetlnego”. Im mniejszy kąt bryłowy, w którym promieniuje źródło, tym większa światłość.

Światłość

PRZYKŁAD: Lustrzany, paraboidalny reflektor samochodowy, wyposażony w żarówkę halogenową H4 (55W, 1100lm).

Światłość samej żarówki wynosi średnio 87,6 cd.

Światłość układu żarówka-reflektor osiąga na osi reflektora około 50 000 cd. Światłość jest wielkością charakteryzującą przede wszystkim źródła światła i oprawy oświetleniowe. Ale podana definicja odnosi się też do elementu powierzchni odbijającej strumień świetlny!

(28)

Podstawowe pojęcia,

wielkości i jednostki techniki świetlnej

Orientacyjne wartości światłości przykładowych źródeł światła i niektórych opraw oświetleniowych

Światłość

Źródło lub oprawa Światłość [cd]

Diodowy wskaźnik sygnałowy 0,01-0,5

Żarówka 100W 100

Świetlówka 18W 150

Typowa oprawa nasufitowa 1200 Reflektor samochodowy (światła drogowe) 100 000

(29)

Podstawowe pojęcia,

wielkości i jednostki techniki świetlnej

Luminancja danego punktu P powierzchni świecącej w danym kierunku (,) to iloraz elementarnej światłości I(C,), jaką cechuje się nieskończenie małe otoczenie dS punktu P w tym kierunku, oraz pola pozornej powierzchni dS’ tego otoczenia , widzianego z tego kierunku:

Luminancja

















cos

,

'

,

dS

C

dI

dS

C

dI

C

L



cd/m2

(30)

Podstawowe pojęcia,

wielkości i jednostki techniki świetlnej

Luminancja cechuje zarówno materiały samoświecące jak i świecące światłem odbitym.

Luminancja

Luminancja określa gęstość powierzchniową światłości emitowanej w danym kierunku.

Luminancja jest spośród wielkości fotometrycznych pojęciem najbliższym odczucia wizualnego jaskrawości – ale jednak jest ona wielkością obiektywną, podczas gdy np. odczucie jaskrawości jest np. funkcją stanu adaptacji oczu (czyli też: jaskrawości otoczenia).

PRZYKŁAD:

Światła samochodowe widziane w jasny, słoneczny dzień i nocą.

Można jednak na podstawie wrażenia jaskrawości porównywać i wartościować luminancje dwóch obiektów, jeśli znajdują się one w tym samym otoczeniu.

(31)

Podstawowe pojęcia,

wielkości i jednostki techniki świetlnej

Wartości luminancji niektórych obiektów świecących

Luminancja

Obiekt Luminancja [cd/m2_]

Tarcza słoneczna 1 600 000 000 Żarówka halogenowa (włókno) 20 000 000

Świetlówka 10 000

Księżyc 5 000

Błękit nieba 5 000

Monitor komputera (białe pole) 200 Powierzchnia oświetlonej kartki 100 Elewacja iluminowanego budynku 12 Dobrze oświetlona jezdnia 2

(32)

Podstawowe pojęcia,

wielkości i jednostki techniki świetlnej

O ile luminancja określa, w przypadku przedmiotów oświetlanych, ilościowe cechy światła odbitego od powierzchni, o tyle natężenie oświetlenia informuje wyłącznie o ilościowych cechach światła padającego na daną powierzchnię.

Natężenie oświetlenia

DEF 1: Natężenie oświetlenia E w danym punkcie powierzchni jest to iloraz elementarnego strumienia świetlnego d



padającego na powierzchnię dS, stanowiącą otoczenie tego punktu, oraz jej wartości.

DEF 2: Natężenie oświetlenia E w danym punkcie powierzchni jest to suma działania wiązek świetlnych o luminancji L(C,), które z obszaru półprzestrzeni widzianej z danego punktu oświetlają ten punkt powierzchni.

ALBO:





















2

cos

,

d

C

L

dS

d

E

(33)

Podstawowe pojęcia,

wielkości i jednostki techniki świetlnej

Obie definicje są równoważne, ale DEF 1 lepiej odnosi się do sytuacji, gdy źródło oświetlające powierzchnię S jest na tyle małe, że jego odległość od punktu P jest dużo większa od rozmiarów źródła światła. DEF 2 dotyczy przypadku, gdy punkt P jest oświetlony przez dużą, przestrzenną powierzchnię o znanym rozkładzie luminancji (np. nieboskłon).

(34)

Podstawowe pojęcia,

wielkości i jednostki techniki świetlnej

Natężenie oświetlenia

(35)

Podstawowe pojęcia,

wielkości i jednostki techniki świetlnej

Podane definicje natężenia oświetlenia odnosi się do przypadku ogólnego i jest określone w punkcie, a więc formalnie nie ma sensu mówić o orientacji otoczenia tego punktu względem oświetlającego źródła. W życiu codziennym natomiast zwykle obserwujemy natężenia oświetlenia pewnych płaszczyzn, które są zorientowane

pionowo albo poziomo.

Natężenie oświetlenia

Wprowadzono więc pojęcia: poziomego E_h

(horyzontalnego) i pionowego E_v (wertykalnego) natężenia oświetlenia w danym

punkcie jako parametry określające stan oświetlenia. dS d E  



cos

/

E

dS

d

E

_h









sin

/

E

dS

d

E

_v







(36)

Podstawowe pojęcia,

wielkości i jednostki techniki świetlnej

PRZYKŁAD:

Dla punktowego źródła światła, np. żarówki wiszącej wysoko nad powierzchnią stołu, wyznaczymy obie składowe natężenia oświetlenia korzystając z prawa odwrotności kwadratów odległości (prawa Lamberta-Beera):

Natężenie oświetlenia horyzontalne i wertykalne

I E E_h E_v h 



cos

sin

₂ 2 2







h

I

r

I

E

_v



3 2 2

cos

h

I

r

I

E

_h





2 2 2

cos

h

I

r

I

E



(37)

Podstawowe pojęcia,

wielkości i jednostki techniki świetlnej

W praktyce często chcemy wyznaczyć natężenie oświetlenia od źródła (oprawy) o typowym kształcie (o dużej symetrii).

Natężenie oświetlenia

PRZYKŁAD: natężenie oświetlenia pochodzące od półsfery o stałej luminancji L(C,).













2

1 

cos

d





2 

sin



d



L

d

L

d

L

d

L

E















  





2 0 2 0 2

2 sin

cos

sin

2 cos

Natężenie oświetlenia pochodzące od półsfery o stałej luminancji L(C,) nie zależy od promienia tej sfery!

Ze względu na stałość luminancji, można ją wyłączyć spod całki; dodatkowo można związać kąt bryłowy  z kątem wierzchołkowym stożka świetlnego.

(38)

Podstawowe pojęcia,

wielkości i jednostki techniki świetlnej

Poprzedni przykład można tez uogólnić na przypadek nieskończenie wielkiej płaszczyzny oświetlającej o stałej luminancji – oświetla ona punkt pod sobą tak jak półsfera, ponieważ w obu przypadkach otacza ten punkt półprzestrzeń o stałej luminancji!

Natężenie oświetlenia

WNIOSEK Jeśli np. trzeba obliczyć luminancję, jaką powinien mieć sufit, aby przy jego wykorzystaniu jako źródła światła pośredniego, uzyskać na płaszczyźnie stołu natężenie oświetlenia E, wystarczy podzielić wymaganą wartość E przez  i otrzymać wynik w postaci luminancji.

(39)

Podstawowe pojęcia,

wielkości i jednostki techniki świetlnej

W technice świetlnej nie luminancja (która formalnie jest „pełniejszą” charakterystyka źródła!) ale właśnie natężenie oświetlenia stało się wielkością normującą poziom wymagań oświetleniowych.

Natężenie oświetlenia

DLACZEGO? Aby określić wymagania w postaci luminancji, musielibyśmy znać ilościowe i geometryczne cechy odbicia światła od oświetlonych powierzchni pomieszczenia – tego wymagania nie można stawiać źródłom światła, bo jest to od nich niezależne i wynika np. z efektu projektu architektonicznego obiektu, rodzaju materiałów użytych do wykończenia powierzchni itp.

Praktyka pokazuje, że w określonych sytuacjach nie wystarcza podać natężenia oświetlenia na płaszczyźnie poziomej (pionowej). W specyficznych sytuacjach nie można wręcz określić stałych płaszczyzn, na których powinny być spełnione określone wymagania natężenia oświetlenia. PRZYKŁADY: oświetlenia na boisku piłkarskim (nie oglądamy boiska, ale piłkę i zawodników!), scenie estrady.

(40)

Podstawowe pojęcia,

wielkości i jednostki techniki świetlnej

Dla tych specyficznych sytuacji wprowadzono pojęcia:

Natężenie oświetlenia

Cylindryczne natężenie oświetlenia E_Z w danym punkcie to średnie pionowe natężenie oświetlenia obliczone (zmierzone) w tym punkcie dla chwilowych położeń pionowych płaszczyzn w trakcie ich pełnego obrotu wokół pionowej osi przechodzącej przez ten punkt:

    n E d E E n i i V V Z





_   1 2 0 2 1 _ _   

Pólcylindryczne natężenie oświetlenia E_HZ w danym punkcie to średnie pionowe natężenie oświetlenia obliczone w tym punkcie dla chwilowych położeń pionowych płaszczyzn w trakcie ich półobrotu wokół pionowej osi przechodzącej przez ten punkt:

    n E d E E n i i V V HZ





     1 2 2 1 _ _    

Sferyczne natężenie oświetlenia E_O w danym punkcie to średnie pionowe natężenie oświetlenia obliczone w tym punkcie dla chwilowych położeń pionowych płaszczyzn zawierających dany punkt:

sr O Ld L E   4 4   



(41)

Podstawowe pojęcia,

wielkości i jednostki techniki świetlnej

Przykłady uzyskiwanych wartości natężenia oświetlenia w oświetleniu naturalnym i sztucznym:

Natężenie oświetlenia

Obiekt oświetlenia E [lx]

Powierzchnia Ziemi oświetlona Słońcem 50.000-100.000 Powierzchnia Ziemi oświetlona

zachmurzonym niebem w listopadzie

2000 Powierzchnia Ziemi przy świetle Księżyca 0,25 Dobrze oświetlone stanowisko do

czytania/pisania

500 Nawierzchnia jezdni oświetlona sztucznie 30 Murawa stadionu piłkarskiego na

potrzeby transmisji TV

(42)

Podstawowe pojęcia,

wielkości i jednostki techniki świetlnej

Kontrast (w subiektywnym znaczeniu) to różnica w wyglądzie dwóch części pola widzenia oglądanych równocześnie lub kolejno.

Kontrast

Definicja subiektywna, więc powodem obserwowanej różnicy może być zarówno

luminancja jak i barwa (albo obie jednocześnie).

Kontrast (w znaczeniu obiektywnym) jest definiowany różnie, najczęściej jako: T T ob L L L K   Lob to luminancja obiektu

L_T to luminancja tła (otoczenia)

Ta definicja ma sporo wad: kontrast może być dodatni i ujemny (i możemy otrzymać dwie różne wartości, w zależności od tego, co przyjmujemy za tło, a co za obiekt) a skala jest różna w zależności od tego, czy oceniamy obiekt jaśniejszy na ciemniejszym tle (duże zmiany kontrastu) czy obiekt ciemniejszy na tle ciemnym (małe zmiany kontrastu).

(43)

Podstawowe pojęcia,

wielkości i jednostki techniki świetlnej

Wspomnianych wad nie ma inna definicja kontrastu:

Kontrast

1 2 2 1

L

K





Ten wzór daje „symetryczną” wartość kontrastu zawartą między -1 a 1.

(Co oznaczają L₁ i L₂, to chyba oczywiste?!)

Bywają jeszcze inne formalne określenia kontrastu, np.:

Przyjęto więc zasadę, że w przypadku podawania wartości kontrastu cytuje się wzór, według którego jest liczony!



₁ ₂



1 2

2

1 L

L

K





1 2

L

K



(44)

Podstawowe pojęcia,

wielkości i jednostki techniki świetlnej

Analogicznie do definicji egzytancji promienistej, egzytancją M w danym punkcie powierzchni promieniującej jest iloraz elementarnego strumienia świetlnego wypromieniowywanego z elementarnego pola dA otaczającego dany punkt oraz powierzchni tego pola:

Egzytancja, naświetlenie

dA

d

M





Jednostką jest lm/m2_{, ale NIE luks!}

Naświetlenie H to gęstość powierzchniowa ilości światła dQ

padającego na elementarną powierzchnię dA ALBO:

jest to suma po czasie iloczynów chwilowych wartości natężenia oświetlenia E(t) w danym punkcie oraz

czasu trwania t: dA dQ H 

 

t dt E H t



 0

Pojęcie naświetlenia jest używane w dziedzinach, w których światło działające przez pewien okres czasu wywołuje określone reakcje chemiczne.

(45)

Podstawowe pojęcia,

wielkości i jednostki techniki świetlnej

(46)

Oko i widzenie

(47)

Oko i widzenie

Receptory światła na siatkówce, czyli czopki i pręciki, ich budowa, wielkość, rozmieszczenie, czułość: BYŁO!

(48)

Oko i widzenie

Proces widzenia:

Światło (energia!) Fotoreceptor

(czopek, pręcik)

Fotorecepcja: zmiany konfiguracji fotopigmentów (np. rodopsyny)

Transdukcja – kaskada reakcji chemicznych, w wyniku których powstaje wtórny mechanizm regulujący przepływ jonów (wzmocnienie) Komórki dwubiegunowe) komórek zwojowych Impulsy nerwowe Pobudzanie i hamowanie Ośrodkowy układ nerwowy)

(49)

Oko i widzenie

Pole widzenia to część przestrzeni dostrzegana przy jedno- lub obuocznym widzeniu, przy nieruchomej osi wzroku.

Zakres pola widzenia określa się podając współrzędne kątowe γ najdalej oddalonego kątowo kierunku od osi wzroku, w różnych płaszczyznach C przechodzących przez oś wzrokową.

(50)

Oko i widzenie

Pole widzenia jednego oka jest niesymetryczne, ze względu na nos, łuk brwiowy, policzki. Pole widzenia obuocznego jest symetryczne i można w nim wyodrębnić część wspólną dostrzeganą przez parę oczu i fragmenty pól widzenia dostrzegane przez każde oko osobno.

Pole widzenia obuocznego jest owalne. W płaszczyźnie poziomej dostrzegane są obiekty położone w oddaleniu kątowym od osi wzroku o 90. W płaszczyźnie pionowej w górę dostrzega się obiekty oddalone kątowo o 60 , a w dół o 70.

(51)

Oko i widzenie

Poprzedni rysunek przedstawiał pole widzenia bez rozróżniania obszaru widzenia pręcików i czopków.

Można też pokazać pole widzenia odbioru barw czyli tzw. linie graniczne dostrzegania kolorów. Okazuje się, że pola dostrzegania barw zajmują różną powierzchnię pola widzenia: największą dla barwy żółtej i niebieskiej,

mniejszą dla czerwonej a

(52)

Oko i widzenie

Adaptacja wzroku to właściwość oka polegająca na możliwości dostosowania do luminancji z zakresu od 10-6_cd/m2 _{do 10}5_cd/m2_.

Proces ten wynika z bezwładności oka, w jego czasie właściwości wzroku ulegają zmianie na skutek dużych zmian poziomu oświetlenia siatkówki.

Adaptacja umożliwia stałą wydolność wzrokową w zakresie luminancji od 100 cd/m2 _{do 10.000 cd/m}2_.

Proces adaptacji, będący funkcją

czasu, zależy wyraźnie od

luminancji na początku i końcu adaptacji.

(53)

Oko i widzenie

Adaptacja do ciemności to proces, w którym luminancja

zmienia się od wartości większej do mniejszej.

Jeśli oko jest zaadaptowane do widzenia dziennego pełna adaptacja do ciemności (np. po wejściu do ciemnego pomieszczenia) zajmuje nawet ponad godzinę!

Czas adaptacji do ciemności zależy od natężenia i okresu wcześniejszego stanu adaptacji.

Pozbawiony pręcików dołek środkowy ma ograniczone możliwości widzenia w ciemności, zaś jego adaptacja jest jednofazowa. Pozostała część siatkówki przeprowadza proces adaptacyjny dwufazowo:

– szybkie zwiększanie czułości czopków;

– po osiągnięciu maksimum czułości czopków powolne zwiększanie czułości (oślepionych wcześniej) pręcików.

(54)

Oko i widzenie

Adaptacja do ciemności

(55)

Oko i widzenie

Adaptacja do jasności to proces, w którym luminancja zmienia

się od wartości mniejszej do większej.

Adaptacja do jasności zajmuje tylko kilka sekund.

• Po nagłym zwiększeniu natężenia oświetlenia pręciki zostają oślepione i od razu zaczyna się zmniejszanie czułości czopków

• Stąd światło w pierwszej chwili razi nas mocno, lecz po kilku minutach wzrok adaptuje się do jasności

(56)

Oko i widzenie

Proces adaptacji wzroku jest procesem złożonym, na

który składa się kilka zjawisk:

- Zmiana wielkości źrenicy (0,3 sek na zwężanie i 1,5 sek na rozszerzanie), - Adaptacja nerwowa (poniżej 1 sek),

- Adaptacja fotochemiczna (czopki – 1015 min, pręciki – do 60 min),

- Adaptacja przejściowa (częściowe przystosowanie się do zmienionych warunków oświetlenia).

(57)

Oko i widzenie

Olśnienie

Olśnienie to stan w procesie widzenia związany z odczuciem niewygody lub zmniejszeniem dolności wykonywania pracy wzrokowej, w wyniku nadmiernego poziomu luminancji w polu widzenia lub niewłaściwego rozkładu luminancji w czasie lub przestrzeni.

Ze względu na warunki powstawania olśnienia dzieli się na:

- Olśnienie bezpośrednie (jaskrawy obiekt położony jest w tym samym kierunku co obiekt obserwowany);

- Olśnienie pośrednie (jaskrawy obszar występuje w polu widzenia, ale w pewnej odległości kątowej od kierunku obserwacji);

- Olśnienie odbiciowe (w polu obserwacji występują obrazy odbitych źródeł światła o znacznej luminancji).

(58)

Oko i widzenie

Olśnienie

Ze względu na skutki, olśnienia dzieli się na:

- Przykre – zależy głównie od luminancji w polu widzenia; spowodowane jest zbyt dużym kontrastem między sąsiadującymi obszarami na siatkówce w sytuacji, gdy w polu widzenia wystąpi obiekt o skrajnie dużej luminancji;

- Przeszkadzające – zależy głównie od natężenia oświetlenia w płaszczyźnie oka obserwatora; duży strumień świetlny rozpraszany jest w oku, przez co cała siatkówka zyskuje luminancje rozproszoną i maleje je czułość;

- Oślepiające – najsilniejszy rodzaj tego szkodliwego zjawiska; jest ono tak silne, że przez pewien czas żaden zauważalny obiekt nie może być dostrzeżony ze względu na występowanie w polu widzenia bardzo dużych wartości luminancji i natężenia oświetlenia.

(59)

Oko i widzenie