Guido Stolfi 1/52 Elementos de Fotometria Televisão Digital Guido Stolfi – 4 / 2008.

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Elementos de Fotometria

Televisão Digital

Guido Stolfi – 4 / 2008

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Radiação Eletromagnética Emitida por um Corpo Negro Aquecido

12)( 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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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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Coordenadas de Cromaticidade dos Primários (NTSC e P22)

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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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Materiais para Diodos LED

Material Barreira de Potencial (eV)

Comprimento de Onda

(nm)GaAs 1.43 910GaAs0.6P0.4 1.91 650Al0.35Ga0.65As 1.93 645GaAs0.35P0.65 2.09 635GaAs0.2P0.8 2.16 600GaAs0.1P0.9 2.21 583GaP:N 2.26 568GaP 2.26 555SiC 2.99 480

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Emitância Espectral de LED ‘s

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Colorimetria de LED’s RGB

LED Nichia NSCM315C

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LED Branco

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Grandezas Fotométricas

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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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Funções de Luminosidade

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Grandezas Fotométricas

Fluxo Luminoso:

nmWattsPWattLumensK

deLuminosidadeFunçãoF

LumensdPFKF

m

m

//683

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Grandezas Fotométricas

Intensidade Luminosa:

I F Candelas

F Fluxo em Lumens

Ângulo Sólido em esteroradianos

F

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Grandezas Fotométricas

Iluminamento:

E FS

Lumens m ou Lux

S á rea sobre a qual incide o fluxo F

/ 2

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Grandezas Fotométricas

NHK

Luminância:

objetodoprojetadaáreaAmsteradLumens

nitsoumCandelasA

IAFB

cos)/./(

/coscos

2

2

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Grandezas Fotométricas

Iluminamento Retinal:

i l B TrolandsB Luminância em nitsl diâmetro da pupila em mm a

0 785

2 8

2.

( )

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Grandezas Fotométricas

Transmitância:

removidoobjetoocomrecebidaRadiânciaPobjetodoatravésrecebidaRadiânciaP

PPtDDensidade

PPtciaTransmitân

o

o

o

loglog:

:

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Grandezas Fotométricas

Refletância:

padrãodifusorporosubstituídobjetocomrecebidaRadiânciaPobjetodorecebidaRadiânciaP

PPr

o

o

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Grandezas Fotométricas

Refletância do Difusor Padrão:

EB

φII

D

φ

1

)cos(

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Situações Fotométricas

S

Fluxo Luminoso (Lumens)

Potência Elétrica (W)

Iluminamento (Lux)

Luminância (Nits)

Iluminamento Retinal (Trolands)

Intensidade Luminosa (candelas)

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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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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

1 W 100.000 h 30

Sódio Alta Pressão 400 W 24.000 h 118,8

Sódio Baixa Pressão 180 W 25.000 h 183,3

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Limites para o Rendimento Luminoso

• Luz Monocromática:– 683 Lumens / W ( ~ 550 nm )

• Luz branca (emitância espectral uniforme):– ~220 Lumens / W

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Níveis de Iluminamento Recomendados

Ambiente ou Atividade Iluminamento (Lux)Iluminamento Máximo da Luz Solar até 100.000 Montagem / Inspeção Industrial Muito Detalhada

5.000 ~ 10.000Mesa de Operação Cirúrgica 5.000 ~ 10.000Leitura de Textos Manuscritos 500 ~ 2.000Sala de Cirurgia 1.000 ~ 2.000Sala de Aula 300 ~ 600Leitura de Textos Impressos 200 ~ 1000Montagem / Inspeção Industrial: Simples 200 ~ 500Sala de Estar 100 ~ 200Mínimo Absoluto para Segurança Visual 5 ~ 50

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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 ~

14.000Lua cheia 7.600 Céu nublado 3.000 ~ 7.000Céu claro 2.000 ~ 6.000Tela de TV 200 ~ 300Tela de Cinema 40

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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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Fidelidade de Reprodução Cromática

Ex.: Refletância de um Objeto

0

0,005

0,01

0,015

0,02

0,025

0,03

400 500 600 700 800

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

Coordenadas de Cromaticidadede iluminação RGB (LED’s)

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Fidelidade de Reprodução Cromática

Coordenadas de Cromaticidade (Luz Branca)

Coordenadas de Cromaticidade (Luz RGB)

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 0,80,0

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

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Colorimetria da Função de Luminosidade (!)

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

400 450 500 550 600 650 700 750 800

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

Emitância Espectral igual a V()… … Corresponde à cor verde (x = 0,398, y = 0,542 )

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Fotometria de Sistemas Ópticos

x y

do ObjetoB=Luminância

E=Iluminamentoda Imagemd

EBf Ty F

2

2 24

4cos T Transmitância da Lente

F Abertura da Lentefd

f Distância focal da Lente

Ângulo entre objeto e eixo óptico

E BTF

4 2Ou

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Exposição de Filme Fotográfico

00,5

11,5

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 filme

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