Fabio Peron. Grandezze fotometriche. Sensibilità dell occhio umano. Sensibilità dell occhio umano

Transcript

1 Grandezze fotometriche Flusso luminoso caratteristica propria delle sorgenti luminose; Intensità luminosa caratteristica propria delle sorgenti luminose; Lezioni di illuminotecnica. Grandezze illuminotecniche Fabio Peron Università IUAV - Venezia Illuminamento Luminanza Radianza effetto su una superficie; caratteristica sia delle sorgenti illuminanti sia degli oggetti illuminati, considerati sorgenti secondarie. caratteristica sia delle sorgenti illuminanti sia degli oggetti illuminati, considerati sorgenti secondarie. 2 Sensibilità dell occhio umano Sensibilità dell occhio umano Con esperimenti effettuati su un gran numero di persone si è individuata la sensibilità spettrale relativa dell occhio umano. Si è definita una funzione che descrive la sensibilità media dell occhio umano a radiazioni con lunghezza d onda diversa, ma eguale energia. Tale funzione è detta fattore di visibilità V(λ) e rappresenta la quantificazione numerica della sensibilità visiva dell occhio umano medio. Nella visione fotopica, la sensibilità è massima alla radiazione centrale dello spettro, colore giallo-verde e lunghezza d onda pari a 555 nm, e decresce fino ad annullarsi man mano che ci si allontana. Per la visione scotopica, la massima sensibilità si sposta a 505 nm verso il verde. scotopica fotopica La curva di sensibilità complessiva 3 4

2 Sensibilità dell occhio umano Il fattore spettrale di visibilità V(λ) ci fa comprendere chiaramente la differenza tra radiazione e luce al centro della banda visibile (λ=0,555 mm) 1 W di radiazione produce 1 W di radiazione visibile cioè 1 W di luce Sensibilità dell occhio umano Il fattore spettrale di visibilità V(λ) ci fa comprendere chiaramente la differenza tra radiazione e luce In altra zona del visibile (per esempio λ=0,60 mm) 1 watt di radiazione produce 0,60 W di radiazione visibile cioè 0,60 W di luce 5 6 Sensibilità dell occhio umano Il fattore spettrale di visibilità V(λ) ci fa comprendere chiaramente la differenza tra radiazione e luce In altra zona ancora (per esempio λ=0,65 mm) 1 watt di radiazione produce 0,20 W di radiazione visibile cioè 0,20 W di luce Flusso luminoso Viene denominato flusso luminoso Φ la quantità di energia emessa, nell unità di tempo entro un angolo solido ω, da una sorgente luminosa, percepita come luce dall occhio. Il flusso è la traduzione in termini di emissione luminosa, di una potenza. 7 8

3 Fattore di visibilità e flusso luminoso Considerando una radiazione monocromatica per determinare l effetto luminoso bisogna pesare la sua potenza P(λ) con la sensibilità dell occhio umano ossia moltiplicarla per il corrispondente valore del fattore di visibilità K(λ). Si otterrà la luce corrispondente Φ(λ): Flusso luminoso 780 nm 780 nm Φ vis = P ( λ ) K ( λ ) dλ = K ( λ ) max P ( λ ) V ( λ ) dλ 380 nm 380 nm Φ (λ) = K(λ) P(λ) Il fattore di visibilità risulta definito a meno di una costante. Convenzionalmente per il valore massimo di K(λ) a μm, per visione fotopica, si assume un valore di 683 lm/w. Oltre al fattore di visibilità è utile definire il coefficiente di visibilità definito come: V (λ) = K(λ)/ K max dove: k max costante che converte i watt in lumen di potenza luminosa, il suo valore è di 683 lm/w come stabilito dalle convenzioni internazionali. Pλ potenza della radiazione energetica emessa. V(λ) fattore di visibilità che assume valore massimo 1 per λ=555 nm L unità di misura del flusso luminoso è il lumen (lm). Il flusso luminoso emesso da un sorgente può essere misurato in laboratorio, mediante uno strumento detto fotometro integratore o sfera di Ulbricht Misura del flusso luminoso Intensità luminosa Si definisce intensità luminosa, I, il rapporto tra il flusso luminoso infinitesimo emesso dalla sorgente in una data direzione e l angolo solido su cui si distribuisce. I = dφ dω L angolo solido si misura in steradianti (sr) ed è misurato dall area A (m 2 ) intercettata sulla sfera di raggio 1 m con centro nel vertice dell angolo solido: si dice pertanto ω =Asr. Sfera di Ulbricht: Raccoglie tutta la luce emessa da una lampada L unità di misura di questa grandezza è la candela (cd). La conoscenza dell intensità luminosa emessa da una sorgente nelle diverse direzioni consente di costruire il solido fotometrico

4 Solido fotometrico Solido fotometrico Un corpo luminoso emette luce in tutte le direzioni dello spazio. Se, per ogni direzione nello spazio, immaginiamo di rappresentare il vettore dell'intensità come un segmento uscente dalla sorgente, di lunghezza proporzionale al valore dell'intensità, otterremo tanti rette che, tutte insieme, rappresentano il solido fotometrico In alcuni casi le intensità (I c ) sono indicate per un flusso convenzionale di 1000lm, allora l intensità effettiva sarà: I = I c * φ /1000 Ad esempio se l immagine a fianco rappresentasse la curva fotometrica di una lampada ad incandescenza da 100W che emette un flusso luminoso di 1350 lm si avrà che I vale: I= 70 cd *1350/1000 =94,5 cd Curve fotometriche Misura dell intensità luminosa Il goniofotometro permette di misurare l intensità luminosa nelle diverse direzioni e di ottenere il solido fotometrico 15 16

5 Misura dell intensità luminosa illuminamento L illuminamento è il rapporto tra il flusso luminoso incidente su una superficie e l area della superficie stessa: E = dφ da goniofotometro L unità di misura è il lux (lx). Esso corrisponde all illuminamento prodotto dal flusso di un lumen distribuito in modo uniforme su di una superficie di un metro quadrato. Per misurare il valore degli illuminamenti su di una determinata superficie sono disponibili apparecchi chiamati luxmetri illuminamento illuminamento L illuminamento può essere espresso in lux (SI) oppure in foot-candle (Sistema anglosassone). giornata estiva soleggiata all aperto lx giornata estiva con cielo coperto lx E = dφ da vetrina bene illuminata buona illuminazione uffici 3000 lx 500 lx buona illuminazione sale da pranzo 200 lx buona illuminazione stradale 25 lx notte di luna piena 0,25 lx La corrispondenza tra lux [lx]) e foot-candle [fc] è la seguente: 1 lux = foot-candle 1 foot-candle = lux notte senza luna, solo con luce stellare 0,01 lx 19 20

6 Luminanza Luminanza La luminanza, L, in un punto di una superficie, in una certa direzione, è il rapporto tra l intensità luminosa emessa in quella direzione e la superficie emittente proiettata su un piano perpendicolare alla direzione stessa. L = di dacos α superficie del sole cielo in direzione sud cielo in direzione nord prato in giorno assolato foglio bianco ben iluminato cd/m cd/m cd/m cd/m2 100 cd/m2 Una fonte di luce (sorgente luminosa primaria) o una superficie illuminata (sorgente secondaria di luce) che emettono una determinata intensità luminosa in una data direzione sono caratterizzate da una luminanza. L unità di misura è la candela per metro quadrato (cd/m 2 ) che viene detto nit. lavagna illuminata strada ben illuminata 25 cd/m2 2 cd/m Misura dell illuminamento e della luminanza Radianza La radianza M di un punto di una superficie è il rapporto tra il flusso luminoso emesso da un elemento di superficie attorno a quel punto e l area dell elemento stesso. M dφ = da La radianza M è legata all illuminamento dal coefficiente di riflessione r della superficie considerata: M = r E Luxmetro Se r=1 ossia con superfici perfettamente riflettenti si ha: M = E. Luminanzometro L unità di misura della radianza è il lux s.b. (lux su bianco)

7 Riassumendo Riassumendo Simbolo Nome Espressione Unità di misura Φ Flusso luminoso K(λ) P(λ) lumen (lm) E Illuminamento dφ/da lux (lm/m 2 ) I Intensità luminosa dφ/dω candela (lm/sr) L Luminanza di/(da cosα) nit (cd/ m 2 ) M Radianza dφ/da lux s.b. (lm/ m 2 ) Grandezze fotometriche qualitative Temperatura di colore Oltrecheconlegrandezzevistelalucevienecaratterizzataanchecon alcuni parametri di tipo qualitativo, utili a descrivere la sensazione visiva percepita dal nostro occhio. Tali grandezze generalmente vengono utilizzate per caratterizzare le sorgenti di illuminazione artificiale e sono principalmente: Il colore associato ad una data radiazione può essere determinato confrontandolo con quello della radiazione emessa da un corpo nero. La temperatura in gradi Kelvin a cui occorre portare il corpo nero affinché emetta una radiazione di colore uguale a quella della radiazione emessa dalla sorgente in esame rappresenta la misura di tale colore, ed è detta temperatura di colore (CCT) della sorgente. La temperatura di colore, che rappresenta la temperatura del corpo nero con l emissione più vicina a quella della sorgente considerata; di conseguenza descrive la sensazione di luce calda o fredda prodotta dalla tonalità della luce. Il concetto di corpo nero, che in natura non esiste, descrive un corpo che assorbe completamente tutte le lunghezze d onda della luce incidente ed irradia le stesse se adeguatamente riscaldato. La resa cromatica, che descrive quanto una luce artificiale alteri o meno il colore degli oggetti illuminati (indica cioé la fedeltà con cui la luce fornita da una sorgente artificiale riesce a riprodurre i colori reali, ossia la luce naturale). Sul diagramma cromatico CIE si può inserire la curva che rappresenta le coordinate tricromatiche della radiazione emessa da un corpo nero a diverse temperature

8 la temperatura di colore è la grandezza che caratterizza il colore della luce corrisponde al colore dell emissione di un corpo nero portato a quella temperatura Temperatura di colore 30 Temperatura di colore Vari esperimenti hanno dimostrato che l apparato visivo dell uomo percepisce come luce di tonalità bianca la luce che ha una temperatura di colore di circa K, corrispondente alla luce del sole in pieno giorno. Al di sopra e al di sotto di questo valore, la tonalità è giudicata rispettivamente fredda o calda. La CIE (Pubblication n 29.2 del 1986) classifica la tonalità della luce in tre gruppi: Gruppo di tonalità Tonalità Temperatura di colore (K) 1 Calda (W) < Interm edia (I) Fredda ( C) > K 2700 K 4500 K 6500 K K 31

9 Per non essere polli. Stessa scena diversa temperatura di colore Per non essere polli. Se vi invitassero a mangiare un asado.

10 Quale preferireste mangiare. luce naturale 2700 K La scelta della temperatura di colore è importante, ma attenzione lampade diverse con stessa temperatura di colore possono dare risultati diversi 3200 K 4500 K Temperatura di colore K K K K luce fredda o calda? 2000 tonalità calda tonalità neutra tonalità fredda quale temperatura di colore? 6500

11 Il colore della luce naturale è diverso da quello della luce artificiale 2700 K K Temperatura di colore di diverse sorgenti Temperatura di colore correlata Sorgente Temperatura di colore [K] Cielo sereno Cielo coperto Sole a mezzogiorno 5250 Sole all'alba 1600 Lampade ad incandescenza Lampade fluorescenti Candele steariche

12 Temperatura di colore correlata Temperatura di colore correlata Poiché lo spettro del corpo nero è uno spettro continuo cioè composto da un emissione ordinata di tutte le lunghezze d onda del visibile la definizione di temperatura di colore è rigorosa solo per le lampade a incandescenza per estendere il significato della grandezza anche a lampade con spettri non continui si parla allora di temperatura di colore correlata TCC Temperatura di colore correlata Temperatura di colore correlata Stessa temperatura di colore corrisponde a stesso effetto cromatico? 4500 K 47

13 Temperatura di colore correlata Temperatura di colore correlata 3000 K Diagramma di Kruithof Determinati accoppiamenti tra temperatura di colore e livello di illuminamento raccolgono consensi e giudizi di soddisfazione dei fruitori. Esiste una correlazione proposta da Kruithof dopo accurate sperimentazioni che hanno evidenziato come: basse temperature di colore richiedono bassi livelli di illuminamento; alte temperature di colore richiedono elevati illuminamenti. La spiegazione del maggior gradimento è da ricercare nel fatto che la piena funzionalità del nostro apparato visivo si realizza in condizioni in qualche modo analoghe a quelle che si verificano con la luce del sole. Al crepuscolo l illuminamento può variare nell intervallo compreso tra 500 e 100 lux, mentre la temperatura di colore della luce è di circa K. In pieno giorno, i livelli di illuminamento possono arrivare a lux e la temperature di colore a K. Diagramma di Kruithof resa dei colori innaturale Buona resa dei colori Colori sfocati o freddi Con il diagramma conoscendo il livello di illuminamento richiesto si può determinare il tipo di sorgente illuminante più opportuna

14 La capacità di una luce di rendere il colore, si misura paragonando i colori degli oggetti illuminati dalla luce in esame con quelli che si ottengono con una lampada campione che riproduce l illuminazione naturale. Questo sistema di valutazione è definito Indice di Resa Cromatica CRI (Color Rendering Index). Esso stabilisce quanto una luce artificiale alteri o meno il colore degli oggetti illuminati. Il valore massimo, 100, fa riferimento ad una luce prodotta da una lampada ad incandescenza campione, valori più bassi mostrano rese cromatiche via via peggiori. lo stesso quadro illuminato con luce bianca (sopra) magenta (sopra a destra) gialla (in basso a destra) 53 La capacità di una luce di rendere il colore, si valuta paragonando i colori degli oggetti illuminati dalla luce in esame con quelli che si ottengono con una lampada campione che riproduce l illuminazione naturale. Secondo la normativa CIE, vengono illuminati 14 predefiniti campioni di colori con una sorgente di riferimento e con la sorgente che si vuole caratterizzare. Mediante uno spettrofotometro si determina oggettivamente la media degli scostamenti cromatici che si verificano nelle due letture

15 La resa cromatica Ra di una lampada viene calcolata valutando con un colorimetro lo scostamento ΔE che si produce nel colore di un certo numero (8 oppure 14) di tinte campione prefissate dalla normativa CIE. Δ R E i = 2 2 [( ΔL) + ( Δx) + ( Δy i E i ) 2 ] 1/ = 100 4, 6 Δ Ra = 4 1 R i Lampada CCT (K) CRI X Y Alogena , Fluorescente bianco freddo ,373 0,385 Fluorescente bianco caldo ,436 0,406 Fluorescente De Luxe bianco freddo Fluorescente De Luxe bianco caldo ,376 0, ,440 0,403 Fluorescente luce diurna ,316 0,345 Vapori di mercurio ,326 0,390 Vapori di mercurio corretti ,373 0,415 Vapori di mercurio con alogenuri ,396 0,390 Sodio alta pressione ,519 0, La CIE ha classificato le lampade in base alla resa cromatica definendo dei gruppi utilizzati dai costruttori nella descrizione dei prodotti in commercio. In ogni caso valori elevati ( %) significano che la sorgente permette una percezione dei colori corretta mentre valori di CRI inferiori all 80 % significano che la sorgente fornisce una percezione dei colori distorta. Gruppo CIE CRI Tonalità Applicazioni consigliabili Applicazioni accettabili 1A CRI > 90 tutte comparazione colori, esami clinici, pinacoteche 1B 80 < CRI < 90 calda intermedia case, alberghi, ristoranti, uffici, ospedali, scuole e negozi intermedia fredda industrie tessili, grafiche, di meccanica fine 2 60 < CRI < 80 tutte edifici industriali scuole, uffici 3 40 < CRI < 60 industrie pesanti edifici industriali 4 20 < CRI < 40 industrie pesanti 59 Ra>90 80<Ra<90 Ra>80 Gamma dell'indice di resa del colore normativa attuale per ambienti museali Sorgenti luminose Lampade ad alogeni Lampade incandescenza Lampade fluorescenti a cinque bande Lampade fluorescenti a tre bande Lampade ad alogenuri Lampade al sodio del tipo a luce bianca Campi di applicazione Dipinti, arazzi, affreschi, tappeti Mosaici, intarsi lapidei e marmorei, vetri policromi. Oggetti monocromatici o a essi assimilabili, statue.

16 3000 K 4000 K 6500 K Altri indici cromatici Sarebbe opportuno, nel giudizio sulla qualità dell illuminazione, non basarsi solo sull, ma prendere in considerazione anche altri parametri quali ad esempio: Indice di discriminazione del colore (CDI): misura la capacità di una luce di far distinguere dello stesso colore il maggior numero di sfumature diverse. Una rosa vista sotto luce diurna Ra = 100 (massimo). La stessa rosa vista sotto lampada sodio bassa pressione Ra = 20 Indice di preferenza del colore (CPI): misura in modo statico la preferenza di gruppi campione nei riguardi della fedeltà di un colore riferito a determinati oggetti,ossialarispostacromatica aderente ai colori preferiti dalla maggior parte delle persone: nel caso dei cibi si preferisce quel colore che è ritenuto espressione di freschezza. 64

17 Caratteristiche delle sorgenti Caratteristiche delle sorgenti 65 66