Elementos de Fotometria
Televisão Digital
Guido Stolfi – 4 / 2008
Guido Stolfi
1/52
Radiação Eletromagnética Emitida por um
Corpo Negro Aquecido
Equação de Planck:
2c 2 h
P( )  5 hc  kT
 e
1


Guido Stolfi
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Emissão de Fótons de um Corpo Negro
Aquecido
Guido Stolfi
3/52
Luz Incandescente
Emitância de Corpo Negro a 3000 K (A) e de 1 cm2 de
Tungstênio a 3000 K (B e B')
Guido Stolfi
4/52
Emitância Espectral da Luz Solar
Densidade Espectral de Potência da Energia Radiante Solar
Incidente na Superfície da Terra (ao nível do mar)
Guido Stolfi
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Emitância Visível da Luz Solar
Guido Stolfi
6/52
Colorimetria de um Corpo Negro Aquecido
Guido Stolfi
7/52
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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8/52
Variação das Características de Lâmpadas
Incandescentes com a Tensão Aplicada
Guido Stolfi
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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
Guido Stolfi
10/52
Coordenadas de Cromaticidade para Lâmpadas
de Gás
0,9
0,9
0,8
0,8
0,7
0,7
0,6
0,6
0,5
0,5
0,4
0,4
0,3
0,3
0,2
0,2
0,1
0,1
0,0
0,0
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
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).
Guido Stolfi
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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”
Guido Stolfi
14/52
Primários Usados em Cinescópios (NTSC)
Guido Stolfi
15/52
Coordenadas de Cromaticidade dos Primários
(NTSC e P22)
Guido Stolfi
16/52
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
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
Guido Stolfi
18/52
Emitância Espectral de LED ‘s
Guido Stolfi
19/52
Colorimetria de LED’s RGB
LED Nichia NSCM315C
Guido Stolfi
20/52
LED Branco
Guido Stolfi
21/52
Grandezas Fotométricas
Guido Stolfi
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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
Transmitância
Refletância
Luminosas
Claro/Escuro
Potência
Radiante
Fluxo Luminoso
Intensidade de
Luz
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Grandezas Subjetivas x Objetivas
Brilho
(Luminância)
P()

Tonalidade
(Comprimento de
Onda 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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25/52
Funções de Luminosidade
Guido Stolfi
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Grandezas Fotométricas
Fluxo Luminoso:
F  K m  F   P  d Lum ens
F    Função de Lum inosidade
K m  683 Lum ens/ Watt
P   Watts / nm
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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:
F
E
Lumens / m2 ou Lux
S
S  á rea sobre a qual incide o fluxo F
Guido Stolfi
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Grandezas Fotométricas
Luminância:
F
I
B

Candelas/ m 2 ou nits
  A cos A cos
( Lum ens/ sterad. / m 2 )
A cos  área projetadado objeto
Guido StolfiNHK
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Grandezas Fotométricas
Iluminamento Retinal:
i  0.785 l B Trolands
B  Luminância em nits
l  diâmetro da pupila em mm( 2 a 8)
2
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Grandezas Fotométricas
Transmitância:
P
Transm itância : t 
Po
Po
Densidade: D   logt  log
P
P  Radiância recebida através do objeto
Po  Radiância recebida com o objeto rem ovido
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Grandezas Fotométricas
Refletância:
P
r 
Po
P  Radiância recebida do objeto
Po Radiância recebida com objeto substituído por difusor padrão
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Grandezas Fotométricas
Refletância do Difusor Padrão:
I φ  I cos(φ)
BD 
1

E


Guido Stolfi
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Situações Fotométricas
Fluxo Luminoso
(Lumens)
Intensidade
Luminosa
(candelas)
Iluminamento
(Lux)
Potência
Elétrica (W)
S
Luminância
(Nits)
Iluminamento Retinal
(Trolands)
Guido Stolfi
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Exemplo: Projeção
, I
S, B
F
d
• 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
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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
1W
100.000 h
30
Sódio Alta Pressão
400 W
24.000 h
118,8
Sódio Baixa Pressão
180 W
25.000 h
183,3
LED Branco Alto Brilho
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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 Máximo da Luz Solar
Iluminamento (Lux)
até 100.000
Montagem / Inspeção Industrial Muito Detalhada
5.000 ~ 10.000
Mesa de Operação Cirúrgica
5.000 ~ 10.000
Leitura de Textos Manuscritos
Sala de Cirurgia
500 ~ 2.000
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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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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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
EM
B
P
•
•
•
•
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
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43/52
Fidelidade de Reprodução Cromática
0,03
0,9
0,8
0,025
0,7
0,6
0,02
0,5
0,015
0,4
0,3
0,01
0,2
0,005
0,1
0
400
0,0
500
600
700
Ex.: Refletância de um Objeto
800
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
Coordenadas de Cromaticidade
de iluminação RGB (LED’s)
Guido Stolfi
44/52
Fidelidade de Reprodução Cromática
0,9
0,9
0,8
0,8
0,7
0,7
0,6
0,6
0,5
0,5
0,4
0,4
0,3
0,3
0,2
0,2
0,1
0,1
0,0
0,0
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
Coordenadas de
Cromaticidade (Luz Branca)
0,8
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
Coordenadas de
Cromaticidade (Luz RGB)
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45/52
Colorimetria da Função de Luminosidade (!)
1,2
0,9
0,8
1,0
0,7
0,6
0,8
0,5
0,6
0,4
0,3
0,4
0,2
0,2
0,1
0,0
400
0,0
450
500
550
600
650
700
750
Emitância Espectral igual a V()…
800
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
… Corresponde à cor verde
(x = 0,398, y = 0,542 )
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Fotometria de Sistemas Ópticos
E
Ou
Bf 2 T
2
4y F
2
cos 4 
T  Transmitância da Lente
f
d
f  Distância focal da Lente
F  Abertura da Lente 
BT
E
4F 2
  Ângulo entre objeto e eixo óptico
E=Iluminamento
da Imagem
d
B=Luminância
do Objeto
x
y
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Exposição de Filme Fotográfico
2
D
1,5
1
0,5
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Log Exposição
E = Et
(iluminamento  tempo de exposição)
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48/52
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
PB
B
T, F, E ,t
D
Recursos:
- Tempo de Exposição
- Abertura da lente
- Filtros Neutros
- Iluminação
Log E
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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).
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51/52
Laerte
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52/52