Fakulteta za elektrotehniko Univerze v Ljubljani
Laboratorij za razsvetljavo in fotometrijo
Izbirni predmet - 10142
Svetlobna tehnika
Fizikalne osnove svetlobe
predavatelj
prof. dr. Grega Bizjak, u.d.i.e.
Svetloba
Svetloba - skrivnostna in fascinantna
spremljevalka človekove zgodovine
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
2
Kako deluje vid?
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
3
Stari Grki
4
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
“Tipalna teorija”
Evklid in Ptolomej
5
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
“Sevalna” teorija
Aristotel in Galen
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
6
Arabski svet
Ob prelomu
prvega
tisočletja je
največ znanja
nakopičenega v
Egiptu, ki je
takrat že
arabski.
7
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
Vid je povezan s svetlobo
Alhazen (Abu-'Ali Al-Hasan ibn Al-Hasan ibn Al-Haytham)
arabsko:
‫أﺑﻮ ﻋﻠﻲ اﻟﺤﺴﻦ ﺑﻦ اﻟﺤﺴﻦ ﺑﻦ اﻟﻬﻴﺜﻢ‬
(Kitab al-Manazir,
De Aspectibus, 1021)
8
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
Zahodni svet 17. stoletja
V 17. stoletju se
ne sprašujejo
več
“Kako vidimo?”
temveč že
“Kaj je svetloba?”
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
9
Teorija delcev
Sir Isaac Newton na podlagi
Gassendijevega dela 1637
postavi teorijo delcev.
10
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
Valovna teorija
Christiaan Huygens 1690 objavi valovno teorijo.
Pred njim je svetlobo kot valovanje opisal
že Hooke 1660.
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
11
Valovanje ali tok delcev
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
12
Če bi svetloba bila valovanje...
...bi se morala širiti tudi za oviro
(uklon).
13
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
Če bi svetloba bila tok delcev...
…bi morala dva curka svetlobe, ki se
križata, medsebojno delovati drug
na drugega, tako
kot dva curka
vode.
14
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
Kdo ima prav?
Kdo je imel prav, še danes ne vemo
čisto natančno. Je pa res, da je
imela teorija delcev predvsem
zaradi slavnejšega “očeta” v 17.
stoletju precej več privržencev kot
teorija valovanja, ki je do leta 1800
skoraj niso omenjali.
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
15
Elektromagnetno valovanje
James Maxwell; 1862:
Elektromagnetno
valovanje
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
16
Svetloba kot del EM valovanja
Teorija
elektromagnetnega valovanja
pojasni skoraj vse lastnosti svetlobe.
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
17
Svetloba kot del EM valovanja
Heinrich Hertz: Fotoelektrični
učinek?
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
18
Kvantna teorija svetlobe
Max Planck: Kvantna teorija.
19
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
Končno!
Albert Einstein razloži fotoelektrični
efekt (foton).
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
20
Kvantna elektrodinamika
Dualnosti delcev -vsak
delec tudi določene
valovne lastnosti.
Kvantna
elektrodinamika.
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
21
Svetloba kot del EM spektra
22
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
Svetloba kot del EM spektra
23
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
Svetloba kot del EM spektra
1.000.000 nm
IB-C
3.000 nm
1.400 nm
IR-B
IR-A sevanje
360-400 nm
UV-A žarki
315 nm
UV-B
280 nm
UV-C
100 nm
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
760-830 nm
Vidna svetloba
24
Svetloba kot del EM spektra
Vidna svetloba zajema področje od
približno 380 do približno 780 nm.
25
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
Pojavi ob širjenju svetlobe
lom,
zrcalni in totalni odboj,
razklon,
vpijanje,
razprševanje,
odsevanje,
presevanje,
interferenca,
uklon in
polarizacija.
26
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
Hitrost svetlobe
Hitrost svetlobe v vakuumu je
299.792.458 m/s
ogledalo
rotirajoče
ogledalo
vir svetlobe
premik zaradi
rotacije ogledala
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
27
Hitrost svetlobe
Razmerje med
hitrostjo svetlobe
v vakuumu in
mediju podaja
lomni količnik.
28
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
Lomni količnik
c
n=
v
c … hitrost svetlobe v vakuumu
v … hitrost svetlobe v mediju
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
Zrak
Voda
Glicerin
Olje
Steklo
Kremen
Cirkonijev silikat
Diamant
Svinčev sulfid
1,0003
1,33
1,47
1,515
1,52
1,66
1,92
2,42
3,91
29
Lom svetlobe
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
30
Lom svetlobe
n1 ⋅ sin θ1 = n2 ⋅ sin θ 2
n…lomni količnik
n1<n2
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
n1>n2
31
Zrcalni odboj svetlobe
Vpadni in odbojni kot sta enaka.
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
32
Totalni odboj svetlobe
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
33
Totalni odboj
34
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
Totalni odboj
ELDACON tehnologija (Siteco)
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
35
Razklon svetlobe
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
36
Vpijanje svetlobe
Med prehajanjem svetlobe skozi
snov, se del energije svetlobe
“izgubi”.
Snov svetlobo vpije.
Ta energija se se lahko pretvori v:
•toploto
•sevanje z drugo valovno dolžino
•električno energijo
•kemično energijo
37
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
Razprševanje svetlobe
38
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
Vpijanje svetlobe
i = i0 ⋅ e −α ⋅d
i0 … začetna jakost
α … vpojni faktor (f(λ))
d … dolžina poti
Možno je, da ima α negativno vrednost.
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
39
Razpršeno presevanje svetlobe
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
40
Razpršeno presevanje svetlobe
voda
laser
čista voda
voda in 1/600 mleka
voda in 1/150 mleka
voda in 1/60 mleka
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
voda in 1/30 mleka
čisto mleko
41
Razpršeno odsevanje svetlobe
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
42
Interferenca svetlobe
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
43
Interferenca svetlobe
Konstruktivna interferenca - seštevanje
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
Destruktivna interferenca - odštevanje
44
Uklon svetlobe
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
45
Polarizacija svetlobe
Polarizirana
svetloba
niha samo v
eni smeri.
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
46
Polarizacija svetlobe
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
47
Merjenje svetlobe
RADIOMETRIJA.
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
48
Energija in moč, ki jo oddaja vir
Sevalni tok ali fluksu
(radiant flux),
predstavlja energijo, ki
jo vir izseva v enoti
časa.
Φe sevalni tok (W)
49
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
Jakost sevanja
Jakosti sevanja
(radiant intensity).
Sevalni tok v enoti
prostorskega kota.
φ
e
Ie jakost sevanja (W/sr) I e = ω
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
50
Prostorski kot
ω=
A
r2
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
Razmerje med
površino
krogelnega izseka
in polmerom
krogle.
Enota je steradian
(sr).
51
Obsevanost
Obsevanost
(irradiance)
Merilo za ploskovno
gostoto sevalnega
toka.
φe
Ee =
A
Ee obsevanost (W/m2)
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
52
Sevalnost
Sevalnost
(radiance)
Jakost sevanja določene
ploskve pod določenim
kotom.
I
Le =
e
A ⋅ cosθ
Le sevalnost (W/sr m2)
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
53
Za konec
• Svetloba se obnaša včasih kot valovanje
včasih pa kot tok delcev.
• Svetloba je elektromagnetno valovanje z
lastnostmi valovanja in toka delcev.
• Vidna svetloba zajema valovne dolžine
od približno 340 nm do približno 830 nm
(odvisno od posameznika).
• S fizikalnim merjenjem svetlobe se
ukvarja radiometrija.
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
54
… in še:
Vprašanja?
Svetlobna tehnika: Fizikalne osnove svetlobe
55