Grundviden om Belysning ISR og Energy piano 30 Sep 2018
Indhold 1. Hvad er Lys 2. Fotometriske størrelser oh enheder 3. Naturlig og Kunstig belysning 4. Lys og Farve 2
Hvad er Lys (1)? Maxwell beskriver lys som elektromagnetisk stråling, som består af bølger, der bevæger sig fra kilden ud i alle retninger. Albert Einstein fandt i i sin relativitetsteori at hastigheden af elektromagnetisk stråling c (og dermed også for lys) er den højest mulige hasighed på 3x10 8 m/s. Hastigheden af lys/elektromagnetisk stråling c = λ x f λ Bølgelængden f Frekvensen antal cycles per sekund udtrykt i Hertz (Hz) Via teorien om elektromagnetisk bølger er det ud over lysets hastighed også muligt at beregne og forudsige aspekter som refektion, transmision, brydning, interferans og polarisering af lyset. 3
Hvad er lys? (2) Max Planck forudsatte energien (E) af strålingen udsendes i diskret usynlige portioner kaldet quanta. Energi af elektromagnetisk stråling E = h. c λ h λ f Planck s konstant (6.626 10 34 J s). Bølgelængden Frekvensen (Hz) Fra Planck s theori kan vi lære jo kortere bølgelængde jo højere energi for strålingen. De forklarer, at der ikke er problemer forbundet med radiobølger med lange bølgelængder (og lav energi); mens vi skal være forsigtige med de energifyldte korte bølgelængder: ultraviolet stråling (UV), X-stråling og gamma stråling. 4
Hvad er Lys (3) Elektromagnestisk Spektrum Det menneskelige øje kan kun opfatte en meget lille del af den elektromagnetiske stråling I området 380 760 nanometer. Bølgelængderne I det synlige spektrum giver forskellige farver. Det hvide lys (fra solen eller en lyskilde) består af et miks af alle synlige bølgelængder. Source: Cyberpysics.co.uk 5
Hvad er Lys (4) Hvordan ser vi lys? Øjet indfanger lyset; mens hjernen fortolker, hvad vi ser. Iris regulere via skiftende diameter, hvor meget lys, der kommer ind i øjet. Hornhinden beskytter sammen med tåreområdet øjet - også første refractive element. Linsen fokusere lyset ind på nethinden. Via den ciliære muskel ændrer linsen form afhængig af om man ser kort eller langt. Nethinden modtager lysbilledet. stave giver scotopic (nat) syn. Tappe giver Fotopisk (dag) syn. På dette lille område ser vi flest detaljer Kommunikation af information fra nethinden til hjernen 6
Hvad er Lys (5) Spektral følsomhed (Fotopisk vision) Fotopisk vision V(λ) (CIE) CIE - INTERNATIONAL COMMISSION ON ILLUMINATION Øjets følsomhed varierer meget med bølgelængden (ved konstant energi). Kurven kaldes V(λ) kurven. Ved dagslys-lystyrke er øjet omkring 20 gange mere følsomt overfor lys med en bølgelængde på 555 nm (gul-grøn) end 700 nm (dyb rød) eller 450 nm (violet-blå). En 1W grøn lyskilde vil således opfattes meget lysere end en 1W rød lyskilde. For en lyskilde skal energien såvel spektrum tages I betragning. 7
2. Fotometriske størrelser og enheder (1) Lysmængde Lys-intensitet Lysstyrke Luminans Reflektans 8
2. Fotometriske størrelser og enheder (2) Lysmængde (F) Mængden af lys udstrålet fra lyskilden. Enhed Lumen (lm) Symbol Ф Lysmængden specificerer ikke i hvilken retning lyset udsendes. Lysmængde skal angives lyskilde-specifikationen i katalog, på data sider og på indpakningen. Energieffektivitet = Lysmængde Effektforbrug (lm/w) 9
2. Fotometriske størrelser og enheder (3) Lys Intensitet (I) Mængden af lys udsendt per sekund i en specifik retning og kegle vinkel Ω = (S/r²) I v1 Enheden er candela (cd) I v2 Ω I I = Ф Ω 10
2. Fotometriske størrelser og enheder (4) Lysstyrke også kaldet Illuminans (E) Mængde lys der falder på en enhed af af et overfladeareal. Enhed Lux (lx = lm/m 2 ). Lysmængde der rammer overfladen E = Ф A Lysstyrke eksempler (lux) Overflade areal der rammes af lyset Sommer klar dag Overskyet dag Kontorbelysning Hotel rum Måneskin klar himmel 100 000 lux 5 000 lux 500 lux 100 lux 0,25 lux 11
2. Fotometriske størrelser og enheder (5) Luminans (L) Hvad vi ser fra belyste overflader som bøger, vægge eller vejoverflader er lyset reflekteret fra dem. Vi ser således ikke illuminansen men luminanse; eller rettere luminans variationerne i synsretningen. Luminansen vil være en andel af illuminansen. En hvid overflade reflekterer mere end en sort, og luminansen er større (vigtig design-parameter). Luminansen for en lys-udsendende ting eller overflade er lysintensiteten (I) udsendt per enhed af arealet eller overfladen A a i en specifik retning. Enheden er candela per kvadratmeter (cd/m 2 ). Lyskilde Luminans (cd/m 2 ) L = I A a Sol overfladen 1.650.000.000 Glødepære 7.000.000 Overskyet himmel 80.000.000 Lysstofrør 5.000 15.000 Kontor skrivebord 100 Vejoverflade (vejbelysning) 0,5 2,0 12
2. Fotometriske størrelser og enheder (6) Kontrast (Luminans Kontrast) Forholdet mellem luminans for et lyst område af interesse og af det tilstødende mørkere område. Hver kritisk detalje i en visuel opgave skal afvige i lysstyrke eller farve fra den omgivende baggrund for at blive set. Synligheden er maksimal, når luminanskontrasten (og farvekontrasten, hvis der anvendes farver) af detaljer i forhold til baggrunden er størst. 13
2. Fotometriske størrelser og enheder (7) Reflektion Spektral sammensætning af lyset Indfaldsvinkel Type af overflade Under normal forhold vil kun en andel af lyset, der falder på en overflade, blive reflektert; Mængden af reflekteret lys afhænger af typen af overflade, indfaldsvinklen og den spektrale sammensætning af lyset Mængden af reflektion kan variere fra få procent for mørke overflader (fx. sort fløjl) til over 90% for lyse overflader (fx. aluminium, sølv eller hvidmalet). Source: http://www.lighting.philips.com/main/education/lightinguniversity/lighting-university-browser/video/light-reflection-andabsorption.html 14
2. Fotometriske størrelser og enheder (8) Spejlende Reflektion: α i α r α i α r Sker på en jævn overflade (stille vand, poleret glas) Indfaldsvinklen er lig med reflektionsvinklen Reflektorer, specielt kurvede, er meget populære når præcis lysstyring kræves, fx. Projektører, spots, vejbelysning og indendørsarmaturer. Disse reflektorer kan være en del af armaturet eller integreret i lyskilden. Diffus Reflektion: Optræder hvis overfladen har en vist grad af uregelmæssighed. Det indfaldende lys vil blive reflekteret i alle retninger. Source: http://www.lighting.philips.com/main/education/lighting-university/lightinguniversity-browser/video/light-reflection-and-absorption.html 15
2. Fotometriske størrelser og enheder (9) Mikset Reflektion: Spredt reflektion: Det er essentielt en spejlende reflektion; men den sker i en spredende vinkel, fx. en våd vejoverlade eller en bølget, ujævn, ætset eller plettet overflade. Forbindelsesreflektion: Det er en diffus refleksion med en stærk komponent af spejling, fx. matfarvede overflader, sten og tørre vejoverflader. 16
2. Fotometriske størrelser og enheder (10) Absorbtion Summen af 1) reflektion, 2) transmission, og 3) absorption = 100% Når lyset falder på gennemsigtigt eller gennemskinnelig overflademateriale bliver det ikke-reflekterede lys trans mitteret eller absorberet d.v.s. forsvinder i overfladen (omdannet til varmeenergi). Transmissionen afhænger af materiale, lysets indfaldsvinkel og lysets bølgelængder. Rødt transparent materiale transmitterer kun den røde del af spektrum; mens den resterende del absorberes. Source: http://www.lighting.philips.com/main/education/lighting-university/lighting-universitybrowser/video/light-reflection-and-absorption.html 17
2. Fotometriske størrelser og enheder (11) - RESUME Størrelse og symbol Enhed Enhed Symbol Forklaring Lysmængde (F) Lumen lm Lysmængde fra lyskilde Lys Intensitet (I) Candela cd Lysintensitet Energieffektivitet Lumen per Watt lm/w Energieffektivitet Lysstyrke (E) Lux lx Lysmængde på en given overflade Luminans (L) Candela per kvadrat meter cd/m 2 Opfatte lyshed for en overflade Reflektans % ρ Forhold mellem reflekteret og indfaldende lys 18
3. Naturlig og Kunstig Belysning Lys udsendes fra naturlige kilder som sol (hovedkraften), stjerner og lyn Lys kan skabes kunstig på en række måder 19
4. Lys og Farve (1) Hvidt Lys Hvidt lys er skabt af en blanding af farver. Lys fra en termisk udstråler solen eller glødepæren kan separeres i de spektrale farver rød, orange, gul, grøn, blå og violet. Ikke alle spektrale farver optræder for alle lyskilder og de optræder i forskelllig størrelse. Når hvidt lys rammer en overflade vil alle farver ikke blive reflekteret på samme måde. En grøn overflade vil reflektere lys fra den grønne del af spektrum samt absorbere rød og blå. En blanding af farvet lys vil være lysere end de enkelte komponent-farver. 20
4. Lys og Farve (2) Primære og Sekundære Farver Primære farver: Rød, Grøn og Blå (RGB) Mix giver hvidt lys Sekundære farver: Gul, Magenta og Cyan, som hver er et mix af to primære farver. Komplementære farver Par af farver der kombineret annulerer hinandens farve (hvid), samt give den største kontrast ved siden af hinanden 21
4. Lys og Farve (3) - Black-Body Radiator Black-body radiator: Det er en perfekt absorberer, som absorberer al elektromagnetisk stråling (lys), som rammer den uden at reflektere noget. For at forblive i ligevægt skal den udstråle stråling i samme takt, som den absorberer den. Ideal kilde til termisk stråling. Kurven viser den spektrale effekt fordeling for forskellige farvetemperaturer. Energi udstråles ikke kun i det synlige område, men også i det infrarøde område og for temperaturer over 3000 K også i det ultraviolet område Med stigende temperatur skifter den maksimale del af strålingen mod kortere bølgelængder (den blå del af spektret). Mellem 3700 K og 7600 K er max værdien i det synlige område. Source: http://www.xrite.com/service-support/please_explain_the_term_black_body_curve 22
4. Lys og Farve (4) - Farvetemperatur Strålingen repræsenterer en omdannelse af en masses termiske energi til elektromagnetisk energi og kaldes derfor termisk stråling. Temperaturen for black-body radiatoren bestemmer spektrum for strålingen og dermed den opfattede lysfarve. Den udtrykkes i K (Kelvin): K = + 273 Farve fra black-body radiator fra 800 K til 12200 K Source: wikipedia Flamme for sterinlys (glødende kulpartikler, 2,000 K) - gult lys. Glødepærer (2700-2800 K) - gyldent lys Sol midt på dagen (5800 K) - køligt hvidt lys. Jo lavere temperatur jo mere rødlig farve og højere indhold af IR stråling Jo højere temperatur jo mere blålig farve og højere indhold af UV stråling. Source: https://en.wikipedia.org/wiki/black-body_radiation 23
4. Lys og Farve (5) farvetemperatur Mindre end 3300 K Farve opfattelse Varm (gullig) hvid 3300 K 4500 K Neutral hvid Mere end 4500 K Kold (blålig) hvid 24
4. Lys og Farve (6) - Lysfarve og Spektrum Varm hvid Kold hvid Spektrum for glødepære (2800 K). Spektrum for sollys midt på dagen (5000 K). Mere diskontinuære spektra Eksempel på spektrum for lysstofrør. Eksempel på spektrum for LED Source: Phillips Lighting University 25
4. Lys og Farve (7) - Farvegengivelse Farvegengivelse definerer hvid lyskilders evne til at gengive farvede ting korrekt. Det måles typisk med CRI (Colour Rendering Index) med en skala fra 0 til 100, hvor 100 er bedst (gives af dayslys). CRI > 90 er fremragende og anvendes på hospitaler, sundhedsklinikker, museer, teatrer, farve-inspektion/valg, tøjbutikker m.v. CRI > 80 er tilfredsstillende for de fleste indendørs aktiviteter. CRI er beregnet på grundlag af gengivelsen af 8 farver. I supplerende analyser måles desuden typisk 6 specialfarver: R9 - R14. Det er fundet at den kraftig røde del spektrum for LED lyskilder i mange tilfælde er for lav, hvor det anbefales at R9 > 0. 26
4. Lys og Farve (8) - Kromacitet Kromaticitet er en metode til at karakterisere lysfarven. Kromaticitet inkluderer farve-nuancer og mætning, men ikke den tredje dimension af menneskets vision (lyshed), som er en størrelse for objekter (ikke for lyskilder). Kromaticitet er en forenkling af spektralfordelingen og er baseret på modeller af et menneskelige syn udviklet for et specifikt synsfelt. Kromaticitet anvendes også til at måle farveforskel mellem to eller flere lyskilder (farvetolerance) eller for en lyskilde over tid (farve stabilitet/vedligehold). Forskellige kromaticitet diagrammer er udviklet og standardiseret af CIE: CIE 1931 (x, y) kromaticitet diagram anvendes stadig ofte til at specificere kromaticiteten; CIE 1976 (u', v') kromaticitet diagram er mere ensartet og derfor bedre til at bestemme farve forskel eller farve skift (Δu'v ). 27
4. Lys og Farve (9) Kromaticitet diagram CIE 1931 CIE 1931 (x, y) kromaticitet diagram anvendes til at give en numerisk specifikation for en lysfarve. Den farvede baggrund er kun en visuel reference, da kromaticitet diagrammmer ikke inkluderer lyshed. Numrene langs kanten indikerer bølgelængden af monokromatisk lys for koordinaterne i nanometer. Farver udenfor det området er ikke synlige for mennesker. Kromaticitets diagrammet kan anvendes til farve-matching. I denne illustration, kan lyskilder med kromaticitet indikeret med blå og røde cirkler kan mikses til matching i X. Source: https://energy.gov/eere/ssl/downloads/led-color-characteristics-0 28
4. Lys og Farve (10) Kromaticitet diagram CIE 1931 Ved at afbilde x-y koordinater for en blackbody radiator ved forskellige temperaturer i CIE farve trianglen fremkommer en kurvet line kaldet black-body locus. Bevægelse fra højre til venstre på blackbody locus sker fra lave farvetemperaturer (rødt-hvidt lys) til radiatorer med høj farvetemperatur (blå-hvidt lys). Der er tegnet linjer med konstant farvetemperatur (iso-farvetemperatur linjer) Ved først at måle kramaticitet koordinaterne for en lyskilde og så følge iso-farvetemperatur linjen til black-body locus kan farvetemperaturen bestemmes. Source: Wikipedia I kontrast til termiske radiatorer, vil det hvide lys fra lyskilder som lysstofrør eller LED korrespondere til et punkt med en afstand til black-body locus. 29
4. Lys og Farve (11) CCT og Duv CCT (Correlated Colour Temperature) for en lyskilde er temperaturen ved hvilken den opvarmede black- body marcher farven for lyskilden. Efterhånden som black-body bliver varmere bliver den rød, orange, gul, hvid, og til slut blå. CCT karakteriserer farven af den udsendte lys ikke af de belyste objekter. Duv er et mål der kvantificerer afstanden mellem kromaciteten for en given lyskilde og black-body radiatoren med samme CCT. Linjerne vinkelrette på black-body locus har konstant CCT. En negativ Duv indikerer at lyskilden under black-body locus med et lilla skær. En positiv Duv indikerer at lyskilden er over black-body locus med et grønligt skær. En specifik CCT og Duv korresponderer til et specifik par af kromacitet koordinater. Source: US DoE 30
4. Lys og Farve (12) - CIE 1976 (u, v ) Diagram ANSI C78.377-2015 definerer kromaticitet områder associeret med CCT punkter for nominelle hvide lyskilder sources, hvor CIE 1976 (u', v') kromaticitet diagram anvendes. Hver bin repræsenterer et kromacitet område, hvor nogle lyskilder med samme nominelle CCT matcher måske ikke. Source: https://energy.gov/eere/ssl/downloads/led-color-characteristics-0 31
4. Lys og Farve (13) - CIE 1976 (u, v ) The CIE 1976 (u, v ) kromaticitet diagram anvendes også til at udregne Δu'v', som er et mål for farve forskel eller farve skift. Δu'v' er kun et mål for hvor stor forskellener; men angiver IKKE retningen. Source: https://energy.gov/eere/ssl/downloads/led-color-characteristics-0 32