E P U S P
Elementos de Fotometria
PTC2547 – Princípios de
Televisão Digital
E P U S P
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
E P U S P
Tópicos Abordados
• Lâmpadas
– Rendimento luminoso
• Detectores de Luz
– Térmicos
– Quânticos
E P U S P
Emissores de Luz
- Corpo Negro
- Descarga em Gás
- Fluorescência
- Junções em Semicondutores
E P U S P
Radiação Emitida por um Corpo Negro Aquecido
1
2
)
(
5
2
kT
hc
e
h
c
P
Equação de Planck:
1
2
)
(
4
hc
kT
e
c
N
4
T
P
W
T
E P U S P
E P U S P
Emitância Espectral da Luz Solar
E P U S P
E P U S P
Luz Incandescente
Emitância de Corpo Negro a 3000 K (A) e de 1 cm
2
de
Tungstênio a 3000 K (B e B')
E P U S P
E P U S P
Iluminantes Padrão CIE
A = Corpo Negro a 3200
o
K (obsoleto)
E P U S P
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 P U S P
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 0,8Lâmpada de Sódio/Tálio/Índio/Iodo
x = 0.317 y = 0.405
E P U S P
Emissão por Fluorescência
• 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)
E P U S P
E P U S P
E P U S P
E P U S P
Lâmpadas Fluorescentes
Lâmpadas Fluorescentes: Branca Fria Normal (esq.) e com melhoria de
reprodução de cores (dir).
E P U S P
Emissão de Luz por Junções pn
• Diodo LED (Light Emitting Diode)
• Fótons são emitidos quando elétrons perdem energia ao
cruzarem barreira de potencial
E P U S P
Materiais para Diodos LED
Material
Barreira de Potencial (eV)
Comprimento de
Onda (nm)
GaAs
1.43
910
GaAs
0.6
P
0.4
1.91
650
Al
0.35
Ga
0.65
As
1.93
645
GaAs
0.35
P
0.65
2.09
635
GaAs
0.2
P
0.8
2.16
600
GaAs
0.1
P
0.9
2.21
583
GaP:N
2.26
568
GaP
2.26
555
SiC
2.99
480
E P U S P
E P U S P
Colorimetria de LED’s RGB
E P U S P
LED’s RGB para Sistemas de Visualização
E P U S P
E P U S P
LED de Alto Brilho
Estrutura fotônica superficial para aumento de eficiência no
acoplamento luminoso entre o LED e o ar (
Luminous Devices, Inc
.)
E P U S P
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
E P U S P
Fotometria
- Propriedades Descritivas da Luz
- Funções de Luminosidade
- Grandezas Fotométricas
E P U S P
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
Transmitância
Refletância
Luminosas
Claro/Escuro
E P U S P
Grandezas Subjetivas x Objetivas
Brilho
(Luminância)
P( )Tonalidade
(Comprimento de
Onda Dominante)
P( )Saturação
(Pureza Espectral)
P( )E P U S P
Funções de Luminosidade
E P U S P
E P U S P
Grandezas Fotométricas
Fluxo Luminoso:
nm
Watts
P
Watt
Lumens
K
de
Luminosida
de
Função
F
Lumens
d
P
F
K
F
m
m
/
/
683
E P U S P
Grandezas Fotométricas
Intensidade Luminosa:
I
F
Candelas
F
Fluxo em Lumens
Ângulo Sólido em esteroradianos
E P U S P
Grandezas Fotométricas
Iluminamento:
E
F
S
Lumens m
ou Lux
S
á rea sobre a qual incide o fluxo F
E P U S P
Grandezas Fotométricas
S
2
, B
2
F
, I
d
2
d
1
S
1
, B
1
E P U S P
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
E P U S P
Grandezas Fotométricas
Luminância:
objeto
do
projetada
área
A
m
sterad
Lumens
nits
ou
m
Candelas
A
I
A
F
B
cos
)
/
.
/
(
/
cos
cos
2
2
E P U S P
Grandezas Fotométricas
E P U S P
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
E P U S P
Grandezas Fotométricas
Iluminamento Retinal:
i
l B Trolands
B
Luminância em nits
l
diâmetro da pupila em mm
a
0 785
2
8
2
.
(
)
E P U S P
Grandezas Fotométricas
Transmitância:
removido
objeto
o
com
recebida
Radiância
P
objeto
do
através
recebida
Radiância
P
P
P
t
D
Densidade
P
P
t
cia
Transmitân
o
o
o
log
log
:
:
E P U S P
Grandezas Fotométricas
Refletância:
padrão
difusor
por
o
substituíd
objeto
com
recebida
Radiância
P
objeto
do
recebida
Radiância
P
P
P
r
o oE P U S P
Grandezas Fotométricas
Refletância do Difusor Padrão:
E
B
φ
I
I
D
φ
1
)
cos(
E P U S P
Exemplo: Projeção
•
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 / = 56000 candelas
S, B
F
, I
E P U S P
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
E P U S P
Exemplo: Contraste em uma Tela de Projeção
• 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
B
P
E
M
E P U S P
Situações Fotométricas
S
Fluxo Luminoso
(Lumens)
Potência
Elétrica (W)
Iluminamento
(Lux)
Luminância
(Nits)
Iluminamento Retinal
(Trolands)
Intensidade
Luminosa
(candelas)
E P U S P
Lâmpadas
- Características
- Rendimento Luminoso
E P U S P
E P U S P
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
E P U S P
Limites para o Rendimento Luminoso
• Luz Monocromática:
–
683 Lumens / W ( ~ 550 nm )
• Luz branca (emitância espectral uniforme):
E P U S P
Fidelidade de Reprodução Cromática
2 objetos com refletâncias espectrais diferentes
Iluminação com lâmpada de vapores metálicos
E P U S P
Luminância de Referência
• Recomendação SMPTE para Monitores de Vídeo para Estúdios:
– Luminância (branco 100%) = 103 nits
– Cromaticidade: CIE D65
E P U S P
Detectores de Luz
- Térmicos
- Quânticos
E P U S P
Detectores Térmicos
Termopilha:
• Associação de termopares em
série
• Tensão linear com a potência
incidente
E P U S P
Detectores Térmicos
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)
V + + +-E P U S P
Detectores Térmicos
Bolômetro:
• Temperatura do absorsor é medida com termistor
• Alta sensibilidade, não linear
• Uso em câmeras termométricas
• Banda larga
E P U S P
Detectores Quânticos
Fotoresistor:
• Resistência depende da luz
incidente
• Ex.: LDR, CdS
• Alta sensibilidade, baixa
velocidade, não linear
E P U S P
Detectores Quânticos
Fotocélula (Fotomultiplicadora):
• Corrente depende da
intensidade da luz incidente
• Alta sensibilidade, alta
E P U S P
Detectores Quânticos
E P U S P
Detectores Quânticos
Fotodiodo:
• Corrente depende da
intensidade da luz incidente
• Bateria Solar
• Baixa sensibilidade, alta
velocidade, linear
E P U S P
Detectores Quânticos
Fotodiodo de Silício
Sensibilidade
espectral
E P U S P
Fotometria de Sistemas Ópticos
- Equação da Objetiva
- Luminância x Iluminamento
- Exposição
E P U S P
Fotometria de Sistemas Ópticos
f
S
S
1
1
1
2
1
Equação Fundamental da Objetiva:
f
= Distância Focal
d
= Diâmetro da Lente
F
= f /d = Abertura da Lente
Objeto
Imagem Real
d
E P U S P
Fotometria de Sistemas Ópticos
Exemplo:
Sensor de 1/2” 16:9
Diagonal: ½” = 12,7 mm
Altura: 5,9 mm
Largura: 10,6 mm
Distância Focal = 35 mm
Abertura da Lente = 2
Campo de Visão Angular no infinito:
H = 17,2 graus
V = 9,6 graus
f
h
H2
arctan
2
E P U S P
Tipos de Objetivas
Teleobjetiva:
Conjunto de lentes com distância focal
equivalente maior que a dimensão da objetiva
Grande-Angular:
Objetiva com distância focal menor do que uma
lente normal à mesma distância do sensor
Macro:
Objetiva dimensionada para objetos próximos
(imagem projetada é maior que o objeto real)
Zoom:
Objetiva com distância focal variável (e campo de
visão angular idem)
E P U S P
Fotometria de Sistemas Ópticos
x
y
do Objeto
B=Luminância
d
E=Iluminamento
da Imagem
E
Bf T
y F
2 2 2
4
4
cos
T
Transmitância da Lente
F
Abertura da Lente
f
d
f
Distância focal da Lente
Ângulo entre objeto e eixo óptico
E
BT
F
4
2
E P U S P
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
= E
t
E P U S P
E P U S P
Tarefa do Fotógrafo
- Ajustar a Exposição
E
de modo que a distribuição das
luminâncias na cena esteja compreendida dentro da
região linear do sensor
B
P
B
D
Log
E
Recursos:
- Tempo de exposição
t
- Abertura da lente
F
- Filtros Neutros
T
- Iluminação da cena
B
T, F, B , t
E P U S P
Limite de Reciprocidade
E
= E
t
(Iluminamento Tempo de Exposição)
Vale dentro de uma determinada faixa de tempos de exposição
(típico: ¼ a 1/1000 de segundo).
E P U S P
E P U S P
