Elementos de Fotometria

Transcrição

1 EPUSP - Guido Stolfi 1 / 70 Elementos de Fotometria PTC2547 Princípios de Televisão Digital Guido Stolfi EPUSP

2 Tópicos Abordados Emissão de Luz Corpo Negro Descarga em Gás Fluorescência Junções em Semicondutores Medição da Luz Propriedades Descritivas da Luz Funções de Luminosidade Grandezas Fotométricas Exemplos de Situações Fotométricas Fotometria de Sistemas Ópticos EPUSP - Guido Stolfi 2 / 70

3 Tópicos Abordados Lâmpadas Rendimento luminoso Detectores de Luz Térmicos Quânticos Fotometria de Sistemas Ópticos EPUSP - Guido Stolfi 3 / 70

4 EPUSP - Guido Stolfi 4 / 70 Emissores de Luz

5 Radiação Emitida por um Corpo Negro Aquecido EPUSP - Guido Stolfi 5 / 70 Equação de Planck: P( ) 5 2c hc e 2 kt h 1 N( ) 4 e 2c hc kt 1 W T P 4 T h = 6, Js (Planck) = 5, W/m 2 K 4 (Stefan-Boltzmann)

6 Emissão de Fótons de um Corpo Negro Aquecido EPUSP - Guido Stolfi 6 / 70

7 Emitância Espectral da Luz Solar EPUSP - Guido Stolfi 7 / 70 Densidade Espectral de Potência da Energia Radiante Solar Incidente na Superfície da Terra (ao nível do mar)

8 Emitância Visível da Luz Solar EPUSP - Guido Stolfi 8 / 70

9 Luz Incandescente EPUSP - Guido Stolfi 9 / 70 Emitância de Corpo Negro a 3000 K (A) e de 1 cm 2 de Tungstênio a 3000 K (B e B')

10 Colorimetria de um Corpo Negro Aquecido EPUSP - Guido Stolfi 10 / 70

11 Iluminantes Padrão CIE A = Corpo Negro a 3200 o K (obsoleto) C = Luz do dia (obsoleto) D50 a D75 = Luz do dia 5000 ~ 7500 o K CIE = Commission Internationale d Eclairage EPUSP - Guido Stolfi 11 / 70

12 Emitância Espectral para Lâmpadas a Gás (a)lâmpada de Mercúrio; (b) Mercúrio com revestimento fosforescente; (c) Idem com revestimento aprimorado; (d) Lâmpada de Sódio/Tálio/Índio/Iodo; (e) Sódio de Alta Pressão EPUSP - Guido Stolfi 12 / 70

13 Coordenadas de Cromaticidade para Lâmpadas de Gás EPUSP - Guido Stolfi 13 / 70 0,9 0,8 0,9 0,8 0,7 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Lâmpada de Sódio Alta Pressão x = y = Lâmpada de Sódio/Tálio/Índio/Iodo x = y = 0.405

14 Emissão por Fluorescência EPUSP - Guido Stolfi 14 / 70 Conversão de energia incidente (elétrons, fótons ultravioleta) em luz visível Cristais inorgânicos (ex.: CdS, Y 2 O 2 S, ZnS, ZnSiO 4, Y 2 O 3 ) Dopados com ativadores (Ag, Cu, Al, Eu, Tb, Mn) Conhecidos como Fósforos ; P1, P2, P45...

15 Características de Fósforos EPUSP - Guido Stolfi 15 / 70

16 Primários Usados em Cinescópios (NTSC) EPUSP - Guido Stolfi 16 / 70

17 Coordenadas de Cromaticidade dos Primários (NTSC e P22) EPUSP - Guido Stolfi 17 / 70

18 Lâmpadas Fluorescentes EPUSP - Guido Stolfi 18 / 70 Lâmpadas Fluorescentes: Branca Fria Normal (esq.) e com melhoria de reprodução de cores (dir).

19 Emissão de Luz por Junções pn EPUSP - Guido Stolfi 19 / 70 Diodo LED (Light Emitting Diode) Fótons são emitidos quando elétrons perdem energia ao cruzarem barreira de potencial

20 Materiais para Diodos LED EPUSP - Guido Stolfi 20 / 70 Material Barreira de Potencial (ev) Comprimento de Onda (nm) GaAs GaAs 0.6 P Al 0.35 Ga 0.65 As GaAs 0.35 P GaAs 0.2 P GaAs 0.1 P GaP:N GaP SiC

21 Emitância Espectral de LED s EPUSP - Guido Stolfi 21 / 70

22 Colorimetria de LED s RGB LED Nichia NSCM315C EPUSP - Guido Stolfi 22 / 70

23 LED s RGB para Sistemas de Visualização EPUSP - Guido Stolfi 23 / 70 Cluster de LED s para Outdoor

24 LED Branco EPUSP - Guido Stolfi 24 / 70

25 LED de Alto Brilho EPUSP - Guido Stolfi 25 / 70 Estrutura fotônica superficial para aumento de eficiência no acoplamento luminoso entre o LED e o ar (Luminous Devices, Inc.)

26 LED Orgânico (OLED) Emissor eletroluminescente com material orgânico posicionado entre dois eletrodos Diversidade de comprimentos de onda disponíveis Baixas tensões de operação Baixo consumo de energia Alta velocidade de resposta Simplicidade de fabricação Emissão omnidirecional Desvantagens: elevado custo dos materiais, baixa durabilidade EPUSP - Guido Stolfi 26 / 70

27 EPUSP - Guido Stolfi 27 / 70 Grandezas Fotométricas

28 Propriedades Descritivas da Luz EPUSP - Guido Stolfi 28 / 70 Físicas Psicofísicas Subjetivas Densidade Espectral Comprimento de Onda Dominante Tonalidade de Cor Seletividade Pureza de Excitação Saturação Radiância Luminância Brilho Coeficiente de Transmissão ou Reflexão Transmitância Refletância Luminosas Claro/Escuro Potência Radiante Fluxo Luminoso Intensidade de Luz

29 Grandezas Subjetivas x Objetivas Brilho (Luminância) P() Tonalidade (Comprimento de Onda Dominante) P() Saturação (Pureza Espectral) P() EPUSP - Guido Stolfi 29 / 70

30 Funções de Luminosidade EPUSP - Guido Stolfi 30 / 70 Função de Luminosidade Fotópica Função de Luminosidade Escotópica

31 Funções de Luminosidade EPUSP - Guido Stolfi 31 / 70

32 Grandezas Fotométricas EPUSP - Guido Stolfi 32 / 70 Fluxo Luminoso: F K m F P d Lumens F K P m Função de Luminosidade 683 Lumens / Watt Watts / nm

33 Grandezas Fotométricas EPUSP - Guido Stolfi 33 / 70 Intensidade Luminosa: F I Candelas F Fluxo em Lumens Ângulo Sólido em esteroradianos F

34 Grandezas Fotométricas EPUSP - Guido Stolfi 34 / 70 Iluminamento: E F S 2 Lumens / m ou Lux S á rea sobre a qual incide o fluxo F

35 Grandezas Fotométricas, I F S 1, B 1 S 2, B 2 d 2 d 1 O iluminamento é inversamente proporcional ao quadrado da distância entre a fonte e a superfície iluminada EPUSP - Guido Stolfi 35 / 70

36 Níveis de Iluminamento Recomendados EPUSP - Guido Stolfi 36 / 70 Ambiente ou Atividade Iluminamento (Lux) Iluminamento Máximo da Luz Solar até Montagem / Inspeção Industrial Muito Detalhada ~ Mesa de Operação Cirúrgica ~ Leitura de Textos Manuscritos 500 ~ Sala de Cirurgia ~ Sala de Aula 300 ~ 600 Leitura de Textos Impressos 200 ~ 1000 Montagem / Inspeção Industrial: Simples 200 ~ 500 Sala de Estar 100 ~ 200 Mínimo Absoluto para Segurança Visual 5 ~ 50

37 Grandezas Fotométricas EPUSP - Guido Stolfi NHK 37 / 70 Luminância: F I B Acos Acos 2 ( Lumens / sterad./ m ) Acos área projetada Candelas do objeto / m 2 ou nits

38 Grandezas Fotométricas EPUSP - Guido Stolfi NHK 38 / 70 Luminância não varia com a distância entre objeto e observador

39 Luminâncias de Alguns Objetos EPUSP - Guido Stolfi 39 / 70 Superfície do Sol ao meio-dia 1,65 x 10 9 Objeto branco ideal exposto ao sol Lâmpada fluorescente ~ Lua cheia Céu nublado ~ Céu claro ~ Tela de TV 200 ~ 300 Tela de Cinema 40

40 Grandezas Fotométricas EPUSP - Guido Stolfi 40 / 70 Iluminamento Retinal: i l B Trolands B Luminância em nits l diâmetro da pupila em mm( 2 a 8)

41 Grandezas Fotométricas EPUSP - Guido Stolfi 41 / 70 Transmitância: Transmitância : t Densidade: P P o D P P o log t log Po P Radiância recebida através do objeto Radiância recebida com o objeto removido

42 Grandezas Fotométricas EPUSP - Guido Stolfi 42 / 70 Refletância: r P P o P P o Radiância Radiância recebida recebida do objeto com objeto substituído por difusor padrão

43 Grandezas Fotométricas Refletância do Difusor Padrão: I φ I cos( φ) B D 1 E EPUSP - Guido Stolfi 43 / 70

44 Exemplo: Projeção, I F S, B d Área da Tela: S = 15 m 2 ; Refletância: = 0,9 ; Distância: d = 20 m Ângulo sólido do feixe de projeção: = S / d 2 = 0,038 esteroradianos Iluminamento necessário para obter Luminância B = 40 nits na tela: B = E 1/ E = B / = 140 Lux = 140 Lumens / m 2 Fluxo luminoso fornecido pelo projetor: F = E S = 2100 Lumens Intensidade Luminosa do projetor: I = F / = candelas EPUSP - Guido Stolfi 44 / 70

45 Contraste EPUSP - Guido Stolfi 45 / 70 Relação entre Luminâncias Máxima e Mínima de uma imagem (contraste simultâneo) Relação entre Luminâncias em imagens não simultâneas (contraste seqüencial) Percepção visual: 1000:1 máx; 100:1 aceitável Situações típicas: Cinema: 80:1 (simultâneo); 1000:1 (seqüencial) Televisão (ambiente doméstico): 20:1

46 Exemplo: Contraste em uma Tela de Projeção E M B P Refletância da tela: = 0,9 Luminância da tela devida à projeção: B P = 40 Nits Luminância residual devida ao iluminamento ambiente: B R = E 1/ Iluminamento ambiente máximo para contraste de 1000:1 : B R / B P = 1000 B R = 0,04 Nits E M = B R / = 0,14 Lux EPUSP - Guido Stolfi 46 / 70

47 Situações Fotométricas Fluxo Luminoso (Lumens) Intensidade Luminosa (candelas) Iluminamento (Lux) Potência Elétrica (W) S Iluminamento Retinal (Trolands) Luminância (Nits) EPUSP - Guido Stolfi 47 / 70

48 EPUSP - Guido Stolfi 48 / 70 Lâmpadas

49 Variação das Características de Lâmpadas Incandescentes com a Tensão EPUSP - Guido Stolfi 49 / 70

50 Rendimento Luminoso de Algumas Lâmpadas EPUSP - Guido Stolfi 50 / 70 Tipo de Lâmpada Potência Vida Útil Lumens / Watt Incandescente Comum 100 W 750 h 17,5 Incandescente Alta Pot W h 23,7 Incandescente Halógena W h 23,4 Fluorescente Comum 40 W h 76,2 Fluorescente Compacta 13 W h 69,2 Fluorescente HO 110 W h 80,9 LED Branco Alto Brilho 2 W h 100 Sódio Alta Pressão 400 W h 118,8 Sódio Baixa Pressão 180 W h 183,3

51 Limites para o Rendimento Luminoso Luz Monocromática: 683 Lumens / W ( ~ 550 nm ) Luz branca (emitância espectral uniforme): ~220 Lumens / W EPUSP - Guido Stolfi 51 / 70

52 Fidelidade de Reprodução Cromática EPUSP - Guido Stolfi 52 / 70 2 objetos com refletâncias espectrais diferentes Iluminação com lâmpada de vapores metálicos

53 Luminância de Referência Recomendação SMPTE para Monitores de Vídeo para Estúdios: Luminância (branco 100%) = 103 nits Cromaticidade: CIE D65 SMPTE : Society of Motion Picture and Television Engineers EPUSP - Guido Stolfi 53 / 70

54 EPUSP - Guido Stolfi 54 / 70 Detectores de Luz

55 Detectores Térmicos EPUSP - Guido Stolfi 55 / 70 Termopilha: Associação de termopares em série Tensão linear com a potência incidente Banda larga

56 Detectores Térmicos EPUSP - Guido Stolfi 56 / 70 Sensor Piroelétrico: Sensor é um capacitor com dielétrico operando próximo à temperatura de Curie Variação de capacitância com temperatura é convertida em tensão Sensível a variações de intensidade (AC) Alarmes infravermelhos passivos (PIR)

57 Detectores Térmicos EPUSP - Guido Stolfi 57 / 70 Bolômetro: Temperatura do absorsor é medida com termistor Alta sensibilidade, não linear Uso em câmeras termométricas Banda larga

58 Detectores Quânticos EPUSP - Guido Stolfi 58 / 70 Fotoresistor: Resistência depende da luz incidente Ex.: LDR, CdS Alta sensibilidade, baixa velocidade, não linear

59 Detectores Quânticos EPUSP - Guido Stolfi 59 / 70 Fotocélula (Fotomultiplicadora): Corrente depende da intensidade da luz incidente Alta sensibilidade, alta velocidade, linear

60 Detectores Quânticos EPUSP - Guido Stolfi 60 / 70 Características de Fotomultiplicadora (Hamamatsu R636-10)

61 Detectores Quânticos EPUSP - Guido Stolfi 61 / 70 Fotodiodo: Corrente depende da intensidade da luz incidente Bateria Solar Baixa sensibilidade, alta velocidade, linear Sensor para câmeras ópticas

62 Detectores Quânticos EPUSP - Guido Stolfi 62 / 70 Fotodiodo de Silício Sensibilidade espectral

63 Fotometria de Sistemas Ópticos EPUSP - Guido Stolfi 63 / 70 Ou E Bf T y F E BT 4F 2 4 cos T Transmitância da Lente f F Abertura da Lente d f Distância focal da Lente Ângulo entre objeto e eixo óptico B=Luminância do Objeto d E=Iluminamento da Imagem x y

64 Exposição de Filme Fotográfico D EPUSP - Guido Stolfi 64 / ,5 1 0, Log Exposição E = Et (iluminamento tempo de exposição)

65 Filme Positivo Colorido EPUSP - Guido Stolfi 65 / 70

66 Tarefa do Fotógrafo EPUSP - Guido Stolfi 66 / 70 - Ajustar a Exposição E de modo que a distribuição das luminâncias na cena esteja compreendida na região linear do sensor P B B T, F, E,t D Recursos: - Tempo de Exposição - Abertura da lente - Filtros Neutros - Iluminação Log E

67 Limite de Reciprocidade EPUSP - Guido Stolfi 67 / 70 E = Et (Iluminamento Tempo de Exposição) Vale dentro de uma determinada faixa de tempos de exposição (típico: ¼ a 1/1000 de segundo).

68 Terra vista da Lua EPUSP - Guido Stolfi 69 / 70

69 EPUSP - Guido Stolfi 70 / 70 Foto: Deep Space Climate Observatory (NASA / NOAA) Julho / 2015