Bài giảng cơ sở kỹ thuật ánh sáng Nguyễn Thanh Phương

3/21/17 CƠ SỞ KỸ THUẬT ÁNH SÁNG TS Nguyễn Thanh Phương Bộ môn Quang học Quang điện tử Chương  1 Những  khái  niệm  cơ  bản  về  ánh  sáng I.1 Lịch sử phát triển KTAS 3/21/17 I.1 Lịch sử phát triển KTAS I.1 Lịch sử phát triển KTAS 3/21/17 I.1 Lịch sử phát triển KTAS Chương  1 Những  khái  niệm  cơ  bản  về  ánh  sáng I.1 Lịch sử phát triển KTAS I.2 Khái niệm ánh sáng 3/21/17 I.2  Khái niệm ánh sáng Ánh  sáng  là  g ì? Sóng? Hạt? A  long  time  ago  …… n Aristotle  (384  -­ 322  B.C.),  an  ancient  Greek  thinker,  thought   that  we  saw  the  world  by  sending  “something”  out  of  our  eye and  that  reflected  from  the  object n In  Plato’s  time  (427  – 347  B.C.),  the  reflection  of  light  from   smooth  surfaces  was  known  He  was  also  a  Greek   n The  ancient  Greeks  (about  200  A.D.)  also  first  observed  the   refraction  of  light  which  occurs  at  the  boundary  of  two   transparent  media  of  different  refractive  indices 3/21/17 Thế  kỷ  17,  hai  nhà  khoa  học  đưa  ra  hai  quan  điểm   khác  nhau  về  ánh  sáng  tự  nhiên…… Ánh  sáng    hạt Khơng!   Ánh  sáng    sóng Isaac  Newton 1643  -­ 1727 Christian  Huygens 1629  -­ 1695 In  the  17th century,  some  p roperties  o f  light  were   well  known  already  F or  example: n Light  has  different  c olours n Light  can  travel  through   a  vacuum n Light  can  be  reflected  and   refracted,  these   processes  are  described  by  the  Laws  of  Reflection and  Laws  of  Refraction   10 3/21/17 Laws  of  Reflection n According  to  the  L aws  o f  Reflection,   angle  of  incidence  =  angle  of  reflection  (θi =  θr  ) Incident  light  ray Reflected  light  ray Normal θi θr 11 Laws  of  Refraction n Willebrord  Snell discovered  in  1621  that  when  a  wave   travels  from  a  medium  of  refractive  index,  n1  ,  to  one  of   different  refractive  index,  n2  , n1sin(θ1)  =  n2sin(θ2) This  relationship  is  c alled Snell’s  Law Incident  light  ray Normal θ1 n1 Interface n2 Light   bends   towards  the  normal  when   it   travels  from  an  optically  l ess  dense   medium   to  an  optically  more  dense  medium θ2 Refracted  light  ray 12 3/21/17 Newton  proposed   his  “particle  theory  of  light”   (or  “corpuscular  theory  of  light”)  to  explain   the  characteristics  of  light (source:  “Opticks”,  published  by  Isaac  Newton  in  1704) I  think  light  is  a  stream  of  tiny   particles,  called  Corpuscles  … 13 Particle  Theory Why  does  light   have  different   colours? n The  particles  of  different  c olours have   different  properties,   such  as  mass,  s ize     and  speed Why  can  light   travel  through   a  vacuum? n Light,  being  particles,  c an  naturally  pass  through   vacuum  (At  Newton’s  time,  no  known  wave  could   travel  through   a  vacuum.) 14 3/21/17 Why  does  light  travel  in  straight  lines? n A  ball  thrown   into  space  follows  a  c urved  path   because  of  gravity n Yet  if  the  ball  is  thrown  with  greater   and  greater   speed,  its  path  c urves  less  and  less n Thus,  billions  of  tiny  light  particles  of  extremely  low   mass  t ravelling  at  enormous  speeds  will  have  paths   which  are  essentially  s traight  lines   15 How  does  the  particle  theory  explain   the  Laws  of  Reflection? n The  rebounding   of  a  steel  ball  from   a  smooth  plate  is  s imilar  to  the   reflection  of  light  from  the surface  of  a  mirror   Steel  Ball Many   light   particles  i n  a  light  r ay Light Rebound Reflection Mirror 16 3/21/17 How   does  Newton's  particle  theory  explain  the  Laws  of   Refraction?   n A  cannon  ball  hits  the  surface  of  water,  it  is  acted  upon  by  a   “refracting”  force  which  is  perpendicular  to  the  water  surface   It  therefore  slows  down  and  bends  away  from  the  normal   Light  does  the  opposite  Newton  explained  this  observation   by  assuming  that  light  travels  faster  in  water,  so  it  bends   towards the  normal (What  was  the  problem  in  this  explanation?) n The  problem:   Does  light  really  travel faster  in  water? In  fact  n obody  could  measure   the  speed  o f  light  a t  the  time  o f   Newton  a nd  Huygens Air Cannon  ball Water Light 17 Why  does  a  prism  separates  a  beam   of   white  light  into  the  colours  of  the  rainbow? Why  does  red  light  refract  least  and  violet   light  refract  most? Newton’s   assumptions:   The  light   particles   of  different   colours  have   mass Red  light   particles  have   more  mass  than   violet   particles  All   light   particles   experience   the  same  refracting   force   when  crossing  an  interface Thus,  red  light   particles   with  more   inertia   will   be  refracted less  by  the  same  force  than   violet   light   particles   by  the  same  force       18 3/21/17 Let’s  see  how  Huygens  used  his  “wave   theory”  to  explain  the  characteristics  of   light  … (source: Treatise  on  light,  published  by  Huygens  in  1690) I  think  light  is  emitted  as   a  series   of  waves   in  a  medium  he  called   “aether” (“aether”  commonly  a lso  called  “ether”) 19 How  do  waves  propagate? P A  wave  s tarts  at  P  and  a  “wavefront”  W moves  outwards  in  all  directions After  a  time,  t,  it  has  a  radius  r,  s o  that   r  =  ct  if  c  is  the  s peed  of  the  wave   Each  point  on  the  wavefront  s tarts   a  s econdary  wavelet  These  s econdary   wavelets  interfere  to  form  a  new  wavefront   W’ at  time  t ’ 20 10 a,  Hệ  màu  RGB ủy ban chiếu sáng quốc tế CIE đa hệ thống ba màu sở RGB gồm: R (Red): λ = 700 nm; G (Green): λ = 546 nm; B (Blue): λ = 436 nm • Các màu gốc có liên quan đến khái niệm sinh học vật lý, dựa sở phản ứng sinh lý học mắt người ánh sáng Để xác định màu hệ thống này, cần phối hợp màu sơ cấp độ chói tơng đối cho tổng ba xạ tạo nên ánh sáng với ánh sáng đèn chuẩn tạo nªn => Phương S biểu thị màu xạ, độ lớn S biểu thị cường độ xạ => Biểu diễn màu độ chói cần khơng gian chiều, biểu diễn màu cần chiều ⇒ Biểu diễn màu cần toạ độ r g đủ -­ điểm (0,0) biểu diễn màu B -­ điểm (1,0) biểu diễn màu R -­ điểm (0,1) biểu diễn màu G -­ Điểm E (r=g=b=1/3) biểu diễn tính màu ánh sáng trắng chuẩn đẳng độ chói (màu ảo) G(0,1) B(0,0) R(1,0) • Các đường cong biểu diễn tỉ lệ màu để cộng lại cho màu có bước sóng khác đồng lượng Độ   chói λ = 436 nm: r = 0;; g = 0;; b = 0,29 λ = 600 nm: r = 0,34;; g = 0,06;; b=0 λ = 500 nm: r = -­0,07;; g = 0,08;; b = 0,05 Như hỗn hợp màu có bước sóng từ 435,8 đến 546,1 nm cần có màu đỏ với tỉ lệ âm ⇒ Ưu điểm: màu sở màu thực Nhược điểm: tỉ lệ âm số trường hợp Các hệ số r, g, b không cho biết độ chói quang thơng nguồn sáng (màu) b, H mu XYZ ể khắc phục nhc điểm hệ RGB ban chiÕu s¸ng qc tÕ CIE sư dơng hệ thống ba màu ảo XYZ nhận đợc từ hệ thèng RGB qua phÐp biÕn ®ỉi tun tÝnh cho: - Màu trắng W tổng hợp t l X:Y:Z = 1:1:1 - Thành phần Y xác định ®é chãi - Mét mµu bÊt kú S = xX + yY + zZ có thành phần x,y,z không âm Ma trận chuyển màu nh sau: &X # $Y ! = $ ! $% Z !" &2,77 1,75 1,13 # & R # $ ! $G ! , 59 , 06 $ !$ ! $% 0,06 5,59 !" $% B !" => W (R = G = B = 1) có thành phần X = Y = Z = 5,56 Để có màu λ cần phối hợp ba màu XYZ với tỉ lệ x, y, z hình bên Hàm y(λ) đường cong nhạy sáng photopic mắt Hàm x(λ) đặc trưng cho độ nhạy màu đỏ màu tía, hàm z(λ) phản ánh nhạy sáng với màu xanh Biểu diễn màu S: Véc tơ S cắt mặt phẳng đơn vị (nối điểm X=1, Y=1, Z=1) s gọi m tỉ số độ lớn S/s => x = X/m, y = Y/m, z = Z/m Vì s nằm mặt phẳng đơn vị nên: x+y+z = (X+Y+Z)/m = => X+Y+Z = m Như màu biểu thị điểm mặt phẳng đơn vị với toạ độ Các điểm biểu diễn màu sắc với λ khác tạo thành đường S(λ) mặt phẳng đơn vị Chiếu đường S(λ) lên mặt phẳng XOY ta đường đồ thị đo màu ü Để xác định đầy đủ sắc độ độ chói màu cần cho thông số x, y m Từ tính được: X = mx; Y = my; Z = m(1-x-y) Đôi để xác định màu người ta cho x, y, thành phần độ chói Y Khi đó: X = mx = (Y/y)x; Z = (Y/y)(1-x-y) Để xác định x, y màu có bước sóng khác nhau, dùng đồ thị đo màu ü Để xác định thông số từ nguồn xạ vật chiếu sáng có: -­ Phổ xạ nguồn sáng: S(λ) -­ Hệ số phản xạ vật chiếu sáng R(λ) -­ Hàm màu x (λ ) y (λ ) z (λ ) u X = k ∑ x(λ )S (λ ) R(λ ) l u Y = k ∑ y (λ )S (λ ) R(λ ) l u Z = k ∑ z (λ )S (λ ) R(λ ) l k = 100 u ∑ y (λ ) S (λ ) l ü Tìm độ màu: -­ Tìm độ màu màu đỏ M (màu đỏ), N (màu xanh cây) P (màu xanh da trời), độ tinh khiết : WN / 0,60 0,83 §é tinh khiÕt cđa N = = 0,755 = 0,546 WN ' / 0,83 0,60 N / 0,60 0,83 = 0,755 = 0,546 N ' / 0,83 0,60 WM / 0,325 §é tinh khiÕt cña M = = 0,461 WM ' / 0,32 WP / 0,11 §é tinh khiÕt cđa P = = 0,430 WP' / 0,17 ü Hồ màu: có màu: C1 (x1 = 0,25, y1 = 0,7)  C1 C2 (x1 = 0,1, y2 = 0,4) Độ chói C1 Y1 = 14 cd/m2;; C2 Y2 = 12 cd/m2 Giải: m1 = Y1/ y1 = 14/0,7 = 20 m2 = Y2/ y2 = 12/0,4 = 30 ⇒ C(x = 0,16, y = 0,52) Độ chói Y = Y1 + Y2 = 14 + 12 = 26 cd/m2  C   C2 ... vai trò ánh sáng KTAS 53 vai trò ánh sáng KTAS Health Communications Economy Environment   Social 54 27 3/21/17 CƠ  SỞ  KỸ  THUẬT   ÁNH  SÁNG TS Nguyễn Thanh Phương Bộ môn Quang học Quang điện... triển KTAS Chương  1 Những  khái  niệm cơ  bản  về ánh sáng I.1 Lịch sử phát triển KTAS I.2 Khái niệm ánh sáng 3/21/17 I.2  Khái niệm ánh sáng Ánh sáng  là  g ì? Sóng? Hạt? A  long  time... THỨC CƠ BẢN CỦA KTAS II.1 Bức xạ ánh sáng II.2 Các đại lượng đo ánh sáng 3/21/17 II.1 Bức xạ ánh sáng • Bức xạ điện từ (sóng điện từ): lan truyền điện từ trường không gian dạng sóng • Ánh sáng: