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Technische Universität BerlinFachgebiet Lichttechnik, Sekr. E6Einsteinufer 1910587 Berlin
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Grundlagen der Lichttechnik I
S. Aydınlı
Raum: E 203Tel.: 314 23489
Grundlagen der LichttechnikEinführung
1.1 Wesen des Lichtes / Elektromagnetische StrahlungOptische Strahlung / UV-, sichtbare und IR-Strahlung
1.2 Monochromatische Strahlung / das Spektrum (Strahlungsfunktion)
1.3 Strahlung und Licht / V(λ)-Kurve / SI-Basiseinheiten /Lichtstärke (cd) / Km= 683 lm/W
1.4 Spektrale, strahlungsphysikalische und lichttechnischeGrößen
1.4.1 Strahlungsfluss (W) / Lichtstrom (lm)1.4.2 Strahlungsausbeute / Lichtausbeute (lm/W)1.4.3 Photometrisches Strahlungsäquivalent (lm/W)1.4.4 Strahlstärke / Lichtstärke1.4.5 Strahldichte / Leuchtdichte1.4.6 Bestrahlungsstärke / Beleuchtungsstärke
Grundlagen der Lichttechnik1.5 Farbe / Farbreiz / Lichtfarbe / Körperfarbe
1.5.1 Farbmaßzahlen / Farbart: Farbton und Sättigung / Helligkeit
1.5.2 Normfarbwertanteile x und y / Farbtafel / Farbort x, y
1.5.3 Ähnlichste Farbtemperatur Tcp
1.5.4 Allgemeiner Farbwiedergabeindex Ra
Sehen: Sinnesempfindung / Lernprozess / Erkennen
Sehen: Sinnesempfindung / Lernprozess / Erkennen
Sehen: optische Wahrnehmung /Interpretation
Sehen: Wahrnehmung und Erkennen
Wesen des LichtesWellentheorie Korpuskulartheorie(Huygens) (Newton)Brechung, Beugung Photoelektrischer EffektAusstrahlung des Lichtes Photon, Energiequanten
λ
Weg
AI
+-
---
+++
Wellenlänge: λ [nm]Frequenz: f [1/s = Hz] (Anzahl der Wellen pro s)Geschwindigkeit λ ⋅ f = v = c
Wesen des Lichtes
Wellentheorie(Huygens)Brechung, BeugungAusstrahlung des Lichtes
Wellenlänge: λ [nm]Frequenz: f [1/s = Hz] (Anzahl der Wellen pro s)Geschwindigkeit λ ⋅ f = c
Wellenlänge λ: 1m1 mm = 10-3 m1 μm = 10-6 m 1 nm = 10-9 m = 10-6 mm
Wesen des Lichtes
Dualismustheorie(Max Planck)
Elektromagnetische Wellen
Qph die Energie des Photons
h das Plancksche Wirkungsquantumh = 6,626176 ⋅ 10-34 Ws2
f die Frequenz
fhQph ⋅=
fc ⋅= λ0
co = 300.000 km/s λ0c
hQph ⋅=
Elektromagnetische Strahlung
ν
Spektrale Farben
Regenbogen
Das Spektrum einer L-Lampe
Optische Strahlung
Linienspektrum
Kontinuierliches Spektrum
Gemischtes Spektrum
LL-Spektren
Tageslichtphasen
Raumwinkel
Ω = Ak / r2 [sr]
Der volle Raumwinkel ergibt sich zu:
srsrr
r ππΩ 442
2
==
Akr
Ebener und Raumwinkel
Ω = A / r2 srmit A = 1 m2 und r = 1 mΩ = 1 sr
α = b / r rad mit b =1 m und r = 1 mα = 1 rad
α = 2 π rad ⇒ 360°
Ω = 4 π sr
SI-Basiseinheiten und Candela cd
Lichtstärke Candela cd
Die Candela ist die Lichtstärke in einer bestimmten Richtung einer Strahlungsquelle, welche monochromatische Strahlung der Frequenz540 ⋅ 1012 Hertz (λ = 555 nm) aussendet, und deren Strahlstärke in dieser Richtung 1/683 Watt durch Steradiant beträgt.
Ie= 1 / 683 W/sr
I= 1 cd = 1 lm/sr
Km= I / Ie = 683 lm / W
λ = 555 nm
ΔΩ
Relative spektrale Hellempfindlichkeitsgrade des menschlichen Auges für Tages- V(λ) und Nachtsehen V(λ´)
Monochromatische Strahlung und Strahlungsfunktion
Monochromatische Strahlung: Strahlung einer Wellelänge
Spektrale Größen: (bezogen auf Wellenlänge, deshalb eine Funktion der Wellenlänge)
Generelle Beschreibung: Xeλ
{z.B. Φe λ [W ⋅ nm-1 ], spektraler Strahlungsfluss (spektrale Strahlungsleistung)}
Strahlungsfunktion Sλ: relative spektrale Verteilung (spektrale Zusammensetzung) der Strahlung einer Lichtquelle
Definition der strahlungsphysikalischen Größen
Strahlungsphysikalische Größen:
λλ
λλλ Δ⋅= ∑
=
2
1
ee XX z.B. für Globalstrahlung: λ1=300 nm
λ2=3000 nm
λλ
λλλ Δ⋅Φ=Φ ∑
=
2
1
ee
z.B. Strahlungsfluss (Strahlungsleistung) [W]
Φeλ Spektrale Strahlungsleistung
in W/nm
Definition der lichttechnischen Größen Lichttechnische Größen:
λλλ
λ Δ⋅⋅⋅= ∑=
)(780
380VXKX
nm
nmeme
V( λ): Relativer spektraler Hellempfindlichkeitsgrad des menschlichen Auges für Tagessehen
Km = 683 lm/W: Maximalwert des photometrischen Strahlungsäquivalenten
λ1 = 380 nm
λ2 = 780 nm
λλλ
λ Δ⋅⋅Φ⋅=Φ ∑=
)(780
380VK
nm
nmem
z.B. Lichtstrom (Lichtleistung) [lm] (Lumen)
Φeλ Spektrale Strahlungsleistung
in W/nm
Strahlungsphysikalische und lichttechnische Größen
P: Elektrische Anschlussleistung einer künstlichen Lichtquelle [W]
strahlungsphysikalische lichttechnische
Größen
Strahlungsfluss (Strahlungsleistung) Lichtstrom
Φe [W] Φ [lm] (Lumen)
Strahlungsausbeute Lichtausbeute
ηe = Φe / P [1] η = Φ / P [lm/W]
Photometrisches Strahlungsäquivalent
K = Φ / Φe [lm/W]
Lichtstrom
Strahlstärke Lichtstärke
Ie = ΔΦe / ΔΩ [W/sr] I = ΔΦ /Δ Ω [lm/sr=cd]
ΔΩ
ΔΦ bzw. ΔΦe
I bzw. Ie
Lichtstärke
Strahldichte Leuchtdichte
Le = Ie / A ⋅ cos ε [W/(sr ⋅ m2)] L = I / A ⋅ cos ε [cd/m2]
ΔΦ bzw. ΔΦe
I bzw. Ie
ΔΩ
εA
L bzw. Le
Leuchtdichte
Bestrahlungsstärke Beleuchtungsstärke
Ee = ΔΦe,ein / ΔA [W/m2] E = ΔΦein /ΔA [lm/m2=lx]A: Fläche [m2]
ΔA
ΔΦe,ein bzw. ΔΦein
Beleuchtungsstärke
Farbumstimmung
Farbe
Farbvalenz
Farbreiz: Φλ
Farbmaßzahlen: Farbart: - Farbton (Buntton)
- Buntheit (Sättigung)
Helligkeit
Lichtfarbe Körperfarbe
Φλ = Sλ Φλ = Sλ ⋅ β(λ)
Normspektralwertfunktionen x(λ), y(λ) und z(λ) für den 2°-Beobachter nach CIE
CIE Farbmaßzahlen: Normfarbwerte X, Y und Z
( )∑ Δ⋅⋅Φ⋅=λ
λ λλxkX
( )∑ Δ⋅⋅Φ⋅=λ
λ λλykY
( )∑ Δ⋅⋅Φ⋅=λ
λ λλzkZ
( ) ( )λλ y,x ( )λzund : Normspektralwertfunktionen
(von der CIE festgelegt)
ZYXXx
++=
ZYXYy
++=
ZYXZz
++=
Normfarbwertanteile:
x + y + z = 1
x, y ⇒ Farbart (Farbort auf der Farbtafel)
Helligkeit: Lichtfarben ⇒ I, L, Φ
Körperfarben ⇒ Hellbezugswert A = 100 ⋅ β
CIE Farbmaßzahlen: Normfarbwerte X, Y und Z
( ) λλλ Δ⋅⋅Φ⋅= xkX
( ) λλλ Δ⋅⋅Φ⋅= ykY
( ) λλλ Δ⋅⋅Φ⋅= zkZ
Normfarbwertanteile:
x, y ⇒ Farbort der Spektralfarben; Kurvenzug der Farbtafel
ZYXYy
++=
ZYXXx
++=
( )( ) ( ) ( )λλλ
λzyx
xx++
= ( )( ) ( ) ( )λλλ
λzyx
yy++
=
Normfarbtafel
Unbunt:
x = 0,3333
y = 0,3333
Kurvenzug des Planckschen Strahlers
Tcp : ÄhnlichsteFarbtemperaturEiner Lichtquelle
Einteilung der Lichtfarben nach Tcp
5000K <= Tcp.tageslichtweiß (tw)
3300 K <= Tcp < 5000 K undneutralweiß (nw)
Tcp < 3300 K,warmweiß (ww)
Ähnlichste Farbtemperatur TcpLichtfarbe
Farbwiedergabe
Farbwiedergabestufen nach allgemeinem Farbwiedergabeindex Ra
20 <= Ra < 404
40 <= Ra < 603
60 <= Ra < 702B
70 <= Ra < 802A
80 <= Ra < 901BRa >= 901A
Ra-BereichStufe
Der allgemeine Farbwiedergabeindex Ra
∑=
⋅=8
181
iia RR
14 TestfarbenTestlichtquelle mit Tcp
Bezugslichtquelle:Planck‘scher Strahler (Tcp<=5000 K)Tageslichtphasen (Tcp>5000 K)
Spezieller Farbwiedergabeindizes Ri