Eenheden van Licht Basisbegrippen In de dagelijkse praktijk wordt men vaak geconfronteerd met licht en verlichting aangezien voor de mens het oog één der belangrijkste zintuigen is. Het is dan ook wenselijk dat de ingenieur enig inzicht heeft in de factoren die invloed hebben op een goed gebruik van licht in diverse omstandigheden. We denken hierbij aan verlichting in de werkplaats, in de woning, op de straat enz. Met het toenemend gebruik van allerhande beeldschermen, die aan de gebruiker informatie op de één of andere manier moeten verstrekken, soms met getrouwe weergave van grijswaarden of kleuren, neemt de complexiteit van een ergonomisch verlichtingsprobleem toe. Bij dit alles zijn de eigenschappen van het menselijk visiesysteem van groot belang Basisbegrippen Energetische en fotometrische grootheden Het menselijk oog

Inleiding Licht = EM-straling die (bijna) zichtbaar is voor menselijk oog: Zichtbaar licht Infra-rood (IR) Ultra-violet (UV) Licht wordt meestal gedefinieerd als elektromagnetische straling waarvan de frequentie in de buurt ligt van het frequentiebereik dat zichtbaar is voor het menselijk oog. Men onderscheidt daarom, naast zichtbaar licht, infrarood licht (lagere frequentie) en ultraviolet licht (hogere frequentie).

Het elektromagnetisch spectrum TV - radio I.R. U.V. röntgen g -straling kosmische straling rood oranje geel groen blauw violet Zichtbaar licht: 380 - 760 nm 700 400 500 600 l (nm) f (Hz) l (m) 1 10-2 10-4 10-8 10-6 10-12 10-10 1020 1018 1016 1014 1012 1010 108 Radar Men bemerkt dat het menselijk oog slechts gevoelig is voor een klein gebied van dit spectrum, namelijk voor golflengtes van 380 tot 760 nm. Dit zijn gemiddelde waarden die afhankelijk zijn van de waarnemer en van de verlichtingssterkte. In de optica is men vooral geïnteresseerd in het infrarode, zichtbare en ultraviolette gebied, dit wil zeggen van een golflengte van 10 nm tot 105 nm.

Basisgrootheden (1) Er bestaan een aantal verschillende eenheden, naargelang de discipline, waarmee de frequentie van licht gekarakteriseerd wordt. De frequentie zelf is natuurlijk de meest ondubbelzinnige. Nochtans wordt ze vrij weinig gebruikt, wellicht omdat de betrokken getallen zeer groot zijn : typisch 1014 Hz of 100 THz (TeraHertz). De meest gebruikelijke grootheid is golflengte, gedefinieerd als de afstand die het (sinusoïdale) licht aflegt gedurende 1 periode van de sinus. De golflengte afhangt van de brekingsindex van het materiaal omdat de lichtsnelheid in het materiaal ervan afhangt. Omdat daardoor de golflengte verandert (terwijl de frequentie uiteraard constant blijft) als het licht zich voortplant van het ene naar het andere materiaal, gebruikt men meestal de vacuüm golflengte, d.i. de golflengte die het licht zou hebben mocht het in vacuüm (met brekingsindex 1) propageren. Deze vacuüm golflengte wordt meestal zonder meer golflengte genoemd.

Basisgrootheden (2) Een andere maat voor frequentie is de foton-energie. Licht heeft naast zijn golfkarakter ook een deeltjeskarakter. Het bestaat uit elementaire quanta, fotonen genaamd. Deze hebben een energie E die evenredig is met de frequentie. Deze kan uitgedrukt worden in Joule, maar het is meer gebruikelijk de eenheid elektron-Volt te gebruiken (1eV = 1.602 10-19 J). Tenslotte wordt in de spectroscopie ook vaak de reciproke grootheid van (vacuüm) golflengte gehanteerd, golfgetal genaamd. Deze grootheid wordt meestal uitgedrukt in 1/cm en drukt dus uit hoeveel golflengtes er in 1 cm zitten.

Spectrum van een “licht”-bron Fe(l) monochroom t l Fe(l) lijnenspectrum t In praktijk komt een zuiver sinusoïdale straling niet voor, maar bezit iedere straling een bepaalde bandbreedte en spreekt men van zijn spectrale verdeling. l Fe(l) continu spectrum t l

Energetische grootheden (1) Hoeveelheid straling (Radiant Energy) notatie: Qe eenheid: Joule Stralingsstroom (Radiant Flux) hoeveelheid straling die per tijdseenheid door een oppervlak gaat notatie: Fe eenheid: Watt De retina is het lichtgevoelig deel van het oog en is samengesteld uit twee soorten lichtgevoelige zenuwcellen : de staafjes en de kegeltjes. De lichtindruk is het gevolg van een chemische reactie in deze zenuwcellen. De kegeltjes zorgen voor het zien bij normale verlichting (fotopisch zicht) en zijn kleurgevoelig. In feite bestaan er drie soorten kegeltjes, nl. : - deze gevoelig voor het rood : maximum bij 580 nm - deze gevoelig voor het groen : maximum bij 540 nm - deze gevoelig voor het blauw : maximum bij 440 nm Bij lage lichtintensiteit worden de kegeltjes ongevoelig en nemen de staafjes hun taak over : men spreekt van nachtzicht of scotopisch zien. De staafjes zijn niet kleurgevoelig maar veel gevoeliger voor het licht dan de kegeltjes. Het overgangsgebied tussen fotopisch en scotopisch zien wordt mesopisch zien genoemd.

Energetische grootheden (2) Stralingssterkte (Radiant Intensity) stralingsstroom in een gegeven richting per eenheid van ruimtehoek (enkel puntbron) notatie: Ie eenheid: Watt / steradiaal dFe dW

Energetische grootheden (3) Radiantie (Radiance) Stralingssterkte van een elementair oppervlakje in een gegeven richting per schijnbare oppervlakte notatie: Le eenheid: Watt / str.m2 stralend oppervlak dS  dFe dSeff dW

Energetische grootheden (4) Stralingsemittantie (Radiant Exitance) Stralingsstroom uitgestraald per elementaire oppervlakte notatie: Me eenheid: Watt / m2 stralend oppervlak dS dFe

Energetische grootheden (5) Bestralingssterkte (Irradiance) Stralingsstroom ontvangen per elementaire oppervlakte notatie: Ee eenheid: Watt / m2 bestraald oppervlak dS dFe

Energetische grootheden (6) hoeveelheid straling Qe [Joule] stralingssterkte Ie [Watt/str] radiantie Le [Watt/str.m2] stralingsemittantie Me [Watt/m2] bestralingssterkte Ee [Watt/m2] stralingsstroom Fe [Watt] puntbron stralend oppervlak bestraald

Spectrale dichtheid Grootheid per golflengte-interval notatie: index S vb. Spectrale dichtheid van stralingsstroom

Het menselijk oog 2 soorten lichtgevoelige zenuwcellen in het netvlies kegeltjes 3 soorten (rood, groen, blauw) goed bij normale verlichting = fotopisch zicht staafjes 1 soort belangrijk bij weinig licht = scotopisch zicht retina oogzenuw pupil iris (diafragma) blinde vlek lens

Ooggevoeligheidskrommen staafjes (scotopisch zicht) kegeltjes (fotopisch zicht)  V’() max = 500nm V() 540nm 580nm 440nm 555nm 1 genormeerd op 1 De gevoeligheid van het menselijk oog voor licht is sterk afhankelijk van de golflengte van dit licht. Na uitgebreide proeven op een groot aantal personen is men in 1933 tot een internationaal aanvaarde spectrale ooggevoeligheidskromme gekomen. Bij fotopisch zicht heeft deze kromme een maximum bij 550 nm (eigenlijk is deze kromme een gewogen gemiddelde van de spectrale gevoeligheidskromme van de drie soorten kegeltjes). Zo zal bijvoorbeeld 2 Watt licht met golflengte van 610 nm even helder lijken als 1 Watt met golflengte van 550 nm.

Fotometrische grootheden (1) Fotometrisch: rekening houden met responsie van het menselijk oog. Lichtstroom (Luminous Flux) notatie: F eenheid: lumen Dankzij de spectrale ooggevoeligheidskromme kan men van de (objectieve) energetische grootheden overgaan naar de fotometrische grootheden die rekening houden met de responsie van het menselijk oog. met

Fotometrische grootheden (2) Lichtsterkte (Luminous Intensity) lichtstroom in een gegeven richting per eenheid van ruimtehoek (enkel puntbron) notatie: I eenheid: candela = lumen / str dF dW

Fotometrische grootheden (3) Luminantie (Luminance; brightness) lichtsterkte van een elementair oppervlakje in een gegeven richting per schijnbare oppervlakte notatie: L eenheid: nit = candela / m2 lichtgevend oppervlak dS  dF dSeff dW

Fotometrische grootheden (4) Emittantie (Luminous Exitance) Lichtstroom uitgestraald per elementaire oppervlakte notatie: M eenheid: lumen / m2 lichtgevend oppervlak dS dF

Fotometrische grootheden (5) Verlichtingssterkte (Illuminance) Lichtstroom ontvangen per elementaire oppervlakte notatie: E eenheid: lux = lumen / m2 belicht oppervlak dS dF

Energetisch vs. Fotometrisch Stralingsstroom Fe Stralingssterkte Ie Radiantie Le Stralingsemittantie Me Bestralingssterkte Ee Fotometrisch Lichtstroom F Lichtsterkte I Luminantie L Emittantie M Verlichtingssterkte E met

Berekening van de verlichtingssterkte Puntbron ruimtehoek lichtstroom dF op dS Verlichtingssterkte E van het oppervlak Loodrechte inval (q=0) puntbron dS belicht oppervlak dW q h D

Berekening van de verlichtingssterkte Geen puntbron Luminantie L lichtstroom dF in dW Verlichtingssterkte dE op dS’ Totale verlichtingssterkte E bron dS’ belicht oppervlak dW q’ D q dS

Verlichtingssterkte retina ifv. luminantie bron Lichtstroom uit dS op S’ dSeff wordt afgebeeld op dS’’ Lichtstroom op dS’’ Verlichtingssterkte op retina bron dS’’ D dS oog h dW dW’’ S’ q Onafhankelijk van afstand D!!!!!!!

lichtgevend oppervlak Wet van Lambert Lambert-oppervlak: Voorbeelden: - Vele incoherente bronnen, zoals zon, gloeilamp… - ruwe, diffuus reflecterende oppervlakken Lichtsterkte van dS Lichtstroom uit dS Emittantie van oppervlak L(q,f) = constant L(0) L(q) I0 I(q) q dS lichtgevend oppervlak

Verlichtingssterktes Zomerzon 100000 lux Winterzon 10000 lux Zonsopgang 500 lux Volle maan 0.25 lux Gevoeligheid retina 10-9 lux Gevoeligheid ISO-400 film 10-2 lux (belichting 1 seconde)

Aanbevolen verlichtingssterktes Oog werkt optimaal vanaf 10000 lux Daglicht 1000-100000 lux Kunstlicht Kantoren: 500-1000 lux Zeer precies werk: 1000-5000 lux Woonruimte (plaatselijk): 500-1000 lux Woonruimte (algemeen): 50-100 lux

Luminanties Zon 1.65 109 cd/m2 Maan 2.5 103 cd/m2 Gloeidraad van gloeilamp 7 106 cd/m2 TL-lamp 8 103 cd/m2 LED 104 - 106 cd/m2 Laser (1W - groen) 1015 cd/m2 Wit papier (80% reflectie - 400 lux) 102 cd/m2 nodig voor fotopisch zicht (kegeltjes) > 1 - 10 cd/m2 nodig voor scotopisch zicht (staafjes) > 0.01 - 0.1 cd/m2

Voorbeelden Projectors light output in lumen www.barco.com Lamps luminous intensity in cd www.osram.com Flat panel displays brightness in cd/m2