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