Curs 7 Noiuni de fotometrie Lumina Spectrul de

Curs 7 Noţiuni de fotometrie

Lumina • Spectrul de lumină corespunde unei părţi a spectrului radiaţiei electro magnetice, 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 (tabelul 1). În cazul în care lumina cuprinde întreg spectrul al radiaţiilor vizibile ochiul sesizează culoare albă.

Viol et Verd e Bleu 380 400 450 500 550 600 650 Gal ben 700 Roş u 750 λ [nm] Lumină Radiaţii cosmic e, Raze γ Raze Röntge n Ultravi olet Infraroşu Unde Microu Unde decime ultrasc Unde trice urte. Unde medii scurte Unde lungi 10 12 10 10 8 10 6 10 4 10 2 100 102 104 106 108 λ [m] Fig. 1 Spectrul undelor electromagnetice.

Lungimea de undă nm Culoare a 380 430 Violet 430 485 Bleu 485 570 Verde 570 600 Galben 600 610 Portocal iu 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.

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 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 I a unei surse de lumină (fig. ), în direcţia , se defineşte ca fiind fluxul luminos emis în direcţia , raportat la unghiul solid în care 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 Q (de exemplu, un reflector). Iα α r ΔΩ θ ΔA Intensitatea luminoasă.

• Valoarea reală a intensitătii luminoase, pentru o sursă de lumină, cu un flux total , rezultă din relaţia în care I 0 este valoarea indicată de constructorul sursei de lumină. 110 120 130 140 160 180 160 140 130 120 110 100 90 80 70 60 100 80 60 90 120 150 180 50 90 30 I 210 240 70 60 50 270 40 300 cd 30 20 10 20 30 Fig. 2. 4 Curba fotometrică pentru o sursă de lumină. 40

• 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/m 2 [cd/m 2].

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.

Iα Iα α r 1 r 2 α θ r θ θ 1 θ 2 d. A Legea pătratelor distanţelor. Legea cosinusurilor.

Legea lui Lambert • 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 d. Imax = d. Iα 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 S I h r L H l d P Fig. 2. 30 Sursă punctiformă. 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. l x dx M A B d. Imax r b h h B A M a P Fig. 2. 33 Surse liniare de lumină. B

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 d. EP, determinat de un element de suprafaţă d. A 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

y a D C y + dy y b M d. I A x x + dx h P Calculul surselor luminoase dreptunghiulare. B x

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, legat liber si 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 6000 Kin centrul sau si aproximativ 5000 K 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/cm 2 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: 1. Cost relativ scazut 2. Simplitatea functionarii 3. 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 Ø Se folosesc in pozitie orizontala Ø Au forma tubulara Ø 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 Ø Plasma de arc daca sursa de descarcare permite curenti de cativa amperi atunci catodul se incalzeste la rosu , iar descarcarea devine descarcare in arc Ø 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/mm 2 comparativ cu soarele care ofera 1500 cd/mm 2 Faze mai importante: 1. Formarea canalului de descarcare electrica 2. Cresterea rapida a temperaturii plasmei si a curentului de descarcare electrica –apox 10 7 s, temperatura putand ajunge la 50000 K 3. Descarcarea completa a condensatorului 4. 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.