Guido Stolfi 1 / 55 Elementos de Fotometria PTC2547 - Televisão Digital Guido Stolfi – 2013.
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Guido Stolfi 1 / 55
Elementos de Fotometria
PTC2547 - Televisão Digital
Guido Stolfi – 2013
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Guido Stolfi 2 / 55
Elementos de Fotometria
• 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
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Radiação Eletromagnética Emitida por um Corpo Negro Aquecido
1
2)(
5
2
kThce
hcP
Equação de Planck:
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Emissão de Fótons de um Corpo Negro Aquecido
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Luz Incandescente
Emitância de Corpo Negro a 3000 K (A) e de 1 cm2 de Tungstênio a 3000 K (B e B')
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Emitância Espectral da Luz Solar
Densidade Espectral de Potência da Energia Radiante Solar Incidente na Superfície da Terra (ao nível do mar)
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Emitância Visível da Luz Solar
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Colorimetria de um Corpo Negro Aquecido
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Guido Stolfi 9 / 55
Iluminantes Padrão CIE
A = Corpo Negro a 3200 oK (obsoleto)C = Luz do dia (obsoleto)D50 a D75 = Luz do dia 5000 ~ 7500 oK
CIE = Commission Internationale d’Eclairage
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Variação das Características de Lâmpadas Incandescentes com a Tensão Aplicada
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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
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Coordenadas de Cromaticidade para Lâmpadas de Gás
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
Lâmpada de Sódio Alta Pressão x = 0.468 y = 0.459
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
Lâmpada de Sódio/Tálio/Índio/Iodo x = 0.317 y = 0.405
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Lâmpadas Fluorescentes
Lâmpadas Fluorescentes: Branca Fria Normal (esq.) e com melhoria de reprodução de cores (dir).
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Emissão por Fluorescência
• Conversão de energia incidente (elétrons, fótons ultravioleta) em luz visível
• Cristais inorgânicos (ex.: CdS, Y2O2S, ZnS, ZnSiO4,
Y2O3)
• Dopados com ativadores (Ag, Cu, Al, Eu, Tb, Mn)
• Conhecidos como “Fósforos”; P1, P2, P45...
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Características de “Fósforos”
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Primários Usados em Cinescópios (NTSC)
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Guido Stolfi 17 / 55
Coordenadas de Cromaticidade dos Primários (NTSC e P22)
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Guido Stolfi 18 / 55
Emissão de Luz por Junções pn
• Diodo LED (Light Emitting Diode)
• Fótons são emitidos quando elétrons perdem energia ao cruzarem barreira de potencial
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Guido Stolfi 19 / 55
Materiais para Diodos LED
Material Barreira de Potencial (eV)
Comprimento de Onda
(nm)GaAs 1.43 910
GaAs0.6P0.4 1.91 650
Al0.35Ga0.65As 1.93 645
GaAs0.35P0.65 2.09 635
GaAs0.2P0.8 2.16 600
GaAs0.1P0.9 2.21 583
GaP:N 2.26 568
GaP 2.26 555
SiC 2.99 480
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Emitância Espectral de LED ‘s
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Guido Stolfi 21 / 55
Colorimetria de LED’s RGB
LED Nichia NSCM315C
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Guido Stolfi 22 / 55
LED Branco
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LED de Alto Brilho
Estrutura fotônica superficial para aumento de eficiência no acoplamento luminoso entre o LED e o ar (Luminus Devices, Inc.)
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Guido Stolfi 24 / 55
Grandezas Fotométricas
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Guido Stolfi 25 / 55
Propriedades Descritivas da Luz
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
TransmitânciaRefletânciaLuminosas
Claro/Escuro
Potência Radiante
Fluxo Luminoso Intensidade de Luz
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Grandezas Subjetivas x Objetivas
Brilho(Luminância)
P()
Tonalidade(Comprimento deOnda Dominante)
P()
Saturação(Pureza Espectral)
P()
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Funções de Luminosidade
Função de Luminosidade Fotópica Função de Luminosidade Escotópica
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Guido Stolfi 28 / 55
Funções de Luminosidade
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Guido Stolfi 29 / 55
Grandezas Fotométricas
Fluxo Luminoso:
nmWattsP
WattLumensK
deLuminosidadeFunçãoF
LumensdPFKF
m
m
/
/683
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Guido Stolfi 30 / 55
Grandezas Fotométricas
Intensidade Luminosa:
IF
Candelas
F Fluxo em Lumens
Ângulo Sólido em esteroradianos
F
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Guido Stolfi 31 / 55
Grandezas Fotométricas
Iluminamento:
EF
SLumens m ou Lux
S á rea sobre a qual incide o fluxo F
/ 2
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Guido Stolfi 32 / 55
Grandezas Fotométricas
NHK
Luminância:
objetodoprojetadaáreaA
msteradLumens
nitsoumCandelasA
I
A
FB
cos
)/./(
/coscos
2
2
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Guido Stolfi 33 / 55
Grandezas Fotométricas
Iluminamento Retinal:
i l B Trolands
B Luminância em nits
l diâmetro da pupila em mm a
0 785
2 8
2.
( )
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Guido Stolfi 34 / 55
Grandezas Fotométricas
Transmitância:
removidoobjetoocomrecebidaRadiânciaP
objetodoatravésrecebidaRadiânciaP
PP
tDDensidade
PP
tciaTransmitân
o
o
o
loglog:
:
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Guido Stolfi 35 / 55
Grandezas Fotométricas
Refletância:
padrãodifusorporosubstituídobjetocomrecebidaRadiânciaP
objetodorecebidaRadiânciaP
P
Pr
o
o
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Guido Stolfi 36 / 55
Grandezas Fotométricas
Refletância do Difusor Padrão:
EB
φII
D
φ
1
)cos(
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Guido Stolfi 37 / 55
Situações Fotométricas
S
Fluxo Luminoso (Lumens)
Potência
Elétrica (W)
Iluminamento (Lux)
Luminância (Nits)
Iluminamento Retinal (Trolands)
Intensidade Luminosa (candelas)
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Guido Stolfi 38 / 55
Exemplo: Projeção
• Área da Tela: S = 15 m2 ; Refletância: = 0,9 ; Distância: d = 20 m
• Ângulo sólido do feixe de projeção: = S / d2 = 0,038 esteroradianos
• Iluminamento necessário para obter Luminância B = 40 nits na tela:– B = E 1/ E = B / = 140 Lux = 140 Lumens / m2
• Fluxo luminoso fornecido pelo projetor: – F = E S = 2100 Lumens
• Intensidade Luminosa do projetor: – I = F / = 56000 candelas
S, BF
, I
d
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Guido Stolfi 39 / 55
Rendimento Luminoso de Algumas Lâmpadas
Tipo de Lâmpada Potência Vida Útil Lumens / Watt
Incandescente Comum
100 W 750 h 17,5
Incandescente Alta Pot.
1.000 W 1.000 h 23,7
Incandescente Halógena
1.000 W 2.000 h 23,4
Fluorescente Comum 40 W 20.000 h 76,2
Fluorescente Compacta
13 W 10.000 h 69,2
Fluorescente HO 110 W 12.000 h 80,9
LED Branco Alto Brilho
2 W 100.000 h 100
Sódio Alta Pressão 400 W 24.000 h 118,8
Sódio Baixa Pressão 180 W 25.000 h 183,3
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Guido Stolfi 40 / 55
Limites para o Rendimento Luminoso
• Luz Monocromática:– 683 Lumens / W ( ~ 550 nm )
• Luz branca (emitância espectral uniforme):– ~220 Lumens / W
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Guido Stolfi 41 / 55
Fidelidade de Reprodução Cromática
2 objetos com refletâncias espectrais diferentesIluminação com lâmpada de vapores metálicos
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Guido Stolfi 42 / 55
Níveis de Iluminamento Recomendados
Ambiente ou Atividade Iluminamento (Lux)
Iluminamento Máximo da Luz Solar até 100.000
Montagem / Inspeção Industrial Muito Detalhada
5.000 ~ 10.000
Mesa de Operação Cirúrgica 5.000 ~ 10.000
Leitura de Textos Manuscritos 500 ~ 2.000
Sala de Cirurgia 1.000 ~ 2.000
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
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Guido Stolfi 43 / 55
Luminâncias de Alguns Objetos
Superfície do Sol ao meio-dia 1,65 x 10 9
Objeto branco ideal exposto ao sol 31.800
Lâmpada fluorescente 6.000 ~ 14.000
Lua cheia 7.600
Céu nublado 3.000 ~ 7.000
Céu claro 2.000 ~ 6.000
Tela de TV 200 ~ 300
Tela de Cinema 40
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Guido Stolfi 44 / 55
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
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Contraste
• 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
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Exemplo: Contraste em uma Tela de Projeção
• Refletância da tela: = 0,9
• Luminância da tela devida à projeção: BP = 40 Nits
• Luminância residual devida ao iluminamento ambiente: BR = E 1/
• Iluminamento ambiente máximo para contraste de 1000:1 :– BR / BP = 1000 BR = 0,04 Nits EM = BR / = 0,14 Lux
BP
EM
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Fotometria de Sistemas Ópticos
x y
do ObjetoB=Luminância
E=Iluminamentoda Imagem
d
EBf T
y F
2
2 2
4
4cos T Transmitância da Lente
F Abertura da Lentef
df Distância focal da Lente
Ângulo entre objeto e eixo óptico
EBT
F
4 2Ou
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Exposição de Filme Fotográfico
0
0,5
1
1,5
2
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Log Exposição
D
E = Et (iluminamento tempo de exposição)
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Filme Positivo Colorido
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Tarefa do Fotógrafo
- Ajustar a Exposição E de modo que a distribuição das luminâncias na cena esteja compreendida na região linear do sensor
B
PB
D
Log E
Recursos:- Tempo de Exposição- Abertura da lente- Filtros Neutros- Iluminação
T, F, E ,t
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Limite de Reciprocidade
E = Et (Iluminamento Tempo de Exposição)
Vale dentro de uma determinada faixa de tempos de exposição
(típico: ¼ a 1/1000 de segundo).
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Laerte
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Terra vista da Lua