Corso di Fotografia Centro Iniziative Sociali Roberto Borgheresi

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1 Corso di Fotografia Centro Iniziative Sociali Roberto Borgheresi

2 2 Principi Generali della Fotografia LE MISURAZIONI DELLA LUCE

3 3 LA LUCE QUALE ENERGIA MISURABILE Abbiamo visto che la luce è una forma di energia (energia elettromagnetica), che come tutte le forme di energia quando interagisce con la materia la trasforma. Questo principio di interazione luce/materia è quello sul quale si basa la fotografia, sia analogica (la trasformazione dei sali d argento) sia digitale (la variazione di campo elettrico nei fotodiodi). Essendo quindi la luce non un entità astratta ma una natura fisica, essa può essere misurata! La conoscenza delle tecniche di misurazione della luce, che si chiamano «Fotometria», sono fondamentali al fotografo per poter gestire in maniera corretta il processo fotografico motivo per il quale andiamo qui a studiarne i principi basilari.

4 4 Come per tutte le grandezze fisiche, per misurare la luce abbiamo bisogno di una serie di elementi. Questi sono: LA LUCE QUALE ENERGIA MISURABILE - un unità di misura; - una scala di misurazione; - uno strumento di misurazione. La luce può essere misurata nei suoi aspetti fondamentali, che sono: - l Intensità della Luce; - Il Colore della Luce.

5 5 LA RADIOMETRIA E FOTOMETRIA GENERALITA Per l ente fisico luce è attualmente accettata sia l approssimazione ondulatoria, sia l approssimazione corpuscolare. La prima interpreta la luce come una radiazione elettromagnetica con lunghezze d onda comprese tra 780 nm (limite del rosso) e 380 nm (limite del violetto). La seconda interpreta la luce come radiazione corpuscolare, caratterizzata da pacchetti energetici, chiamati fotoni, con energia compresa tra 3,1 ev (limite del violetto) e 1,55 ev (limite del rosso) ev = elettronvolt, unità di misura dell energia atomica e subatomica

6 6 LA RADIOMETRIA E FOTOMETRIA GENERALITA Il cosiddetto principio di complementarietà consente di ricorrere, secondo la convenienza, all una o all altra descrizione. Così, ad esempio, in ambito illuminotecnico si ricorre all interpretazione ondulatoria e si richiamano la lunghezza d onda λ, la frequenza f e lo spettro della radiazione luminosa, mentre nell ambito della sicurezza, quando si parla di radiazione ionizzante o non ionizzante, si ricorre (anche) all interpretazione corpuscolare (sapendo, ad esempio, che fotoni con energia superiore alla decina di ev possono dare luogo a effetti ionizzanti sul corpo umano).

7 7 LA RADIOMETRIA E FOTOMETRIA GENERALITA Quando si studiano e si misurano le proprietà fisiche della radiazione, quali l energia, si parla di radiometria; in tale ambito si descrivono le caratteristiche fisiche, strettamente oggettive, della radiazione luminosa. Quando si studiano e si misurano le sensazioni che la radiazione produce quando viene filtrata dall occhio umano, si parla di fotometria; in tale ambito si descrivono le sensazioni visive, soggettive - legate all intensità e al colore delle luci presenti nell ambiente - che l occhio trae dall ambiente stesso. Per quanto riguarda la Fotografia, le misurazioni che attengono alla luce sono, nella maggior parte, quelle relative alla Fotometria.

8 8 LA FOTOMETRIA - DEFINIZIONE La fotometria si occupa di quella porzione di radiazione elettromagnetica visibile all occhio umano. La risposta dell occhio umano agli stimoli visivi è soggettiva e varia da persona a persona ma a partire dal 1931 la Commission Internationale de l Eclairage ha definito uno standard, stabilendo la risposta tipo dell occhio umano alla luce e descritta dalla funzione di luminosità CIE 1931, la cui curva è mostrata nella figura accanto, chiamata anche Curva di Visibilità Normalizzata.

9 9 Si parla di curva di visibilità perché l occhio umano, che è un filtro per le radiazioni, fa in modo che radiazioni luminose con la stessa energia, ma di diversa lunghezza d onda (cioè di diversa frequenza) diano luogo a sensazioni visive con intensità diverse. Si parla di curva normalizzata perché l occhio di una persona è diverso, anche se di poco, da quello di un altra; la normalizzazione è un operazione, realizzata secondo precise prescrizioni (stabilite dalla Commission Internationale de l Eclairage CIE), che descrive le caratteristiche dell occhio umano medio.

10 10 La curva di visibilità normalizzata dell occhio umano rappresenta il coefficiente di visibilità in funzione della lunghezza d onda; dalla figura si vede che tale coefficiente ha valore massimo (cioè 1) quando la lunghezza d onda della radiazione ha la lunghezza di 555 nm (colore giallo- verde), mentre tende al valore minimo (cioè 0) quando la lunghezza d onda della radiazione si avvicina a 400 nm (limite del violetto) oppure a 800 nm (limite del rosso). Ciò significa ad esempio che una radiazione rossa e una radiazione verde di uguale potenza vengono percepite in modo diverso dall occhio, che ritiene quella verde molto più intensa di quella rossa. Le grandezze fotometriche misurano quindi la quantità di energia radiata nello spettro visibile non in maniera assoluta ma in maniera relativa rispetto alla sensibilità spettrale dell occhio CIE.

11 11 LA RADIOMETRIA E FOTOMETRIA GENERALITA Per quanto attiene la Fotometria, le misurazioni principali che si possono fare della luce possono dividersi in quelle che riguardano la sua forza, la sua energia, che sono: - l Intensità (luce rispetto alla fonte); - il Flusso (luce rispetto alla fonte); - l Illuminamento (luce rispetto allo spazio); - la Luminanza (luce rispetto ad un corpo); e quelle che riguardano il colore che sono: - la Resa Cromatica; - la Temperatura del Colore

12 L INTENSITA DELLA LUCE CONCETTI E TERMINOLOGIA

13 13 L INTENSITA DELLA LUCE L intensità della luce esprime la quantità e la concentrazione della luce, rapportata in una specifica direzione, irradiata in un secondo. L intensità della luce si indica con il simbolo «l». La sua unità di misura è la Candela, che si indica con il simbolo «cd». Nella realtà, specialmente per le fonti luminose artificiali, la luce irradiata viene irradiata in tutte le direzioni ma non con la stessa forza in ogni direzione: l intensità è la misurazione della forza d irradiazione nelle diverse direzioni. L equivalente idraulico sarebbe quanta acqua viene inviata in un cono da un ugello sprinkler.

14 14 L INTENSITA DELLA LUCE L intensità della luce misura l irradiazione verso un determinato punto della luce, prendendo in considerazione la sua fonte e non la distanza o l effetto che la luce avrà su un oggetto che andrà a colpire! La sua descrizione tecnica è: «la candela è l'intensità luminosa, in una certa direzione, di una sorgente che emette la radiazione monocromatica di frequenza 540 x 1012 Hz (555 nm) con intensità in quella direzione pari a 1/683 di Watt in un angolo solido unitario (Lo steradiante = sr).

15 15 ANGOLO SOLIDO In geometria un angolo solido è un'estensione allo spazio tridimensionale del concetto di angolo piano. L'unità di misura dell'angolo solido è lo steradiante. Immaginiamo una sfera con un raggio di un metro: sulla sua superficie ritagliamo una porzione di un metro quadro e poi uniamo i vertici di questo quadrato con il centro della sfera. Questa «piramide» è il nostro angolo solido unitario, detto appunto steradiante.

16 16 LA CURVA FOTOMETRICA La distribuzione della luce di una lampada o di un apparecchio illuminante può essere rappresentata dalla curva di distribuzione dell'intensità luminosa, nota come curva fotometrica. Essa si ottiene immaginando di porre la lampada o l'apparecchio illuminante supposti puntiformi al centro di un diagramma polare, rappresentando poi le intensità luminose nelle diverse direzioni del piano con frecce in scala (vettori) che escono come raggi dal centro. Unendo insieme le punte delle frecce si ottiene la curva fotometrica. Le curve di distribuzione dell'intensità luminosa servono soprattutto a definire le caratteristiche illuminotecniche degli apparecchi illuminanti.

17 17 Il FLUSSO LUMINOSO Il Flusso Luminoso esprime la quantità totale di luce emessa in tutte le direzioni. Esso non da nessuna informazione sulla qualità della luce ne sulla sua distribuzione nello spazio. L equivalente idraulico del flusso luminoso è dato dalla quantità totale di acqua emessa da un ugello sprinkler in una data unità di tempo (litri per minuto). Il flusso luminoso normalmente viene indicato con il simbolo «f» e la sua unità di misura è il Lumen (lm).

18 18 FLUSSO RADIANTE E FLUSSO LUMINOSO Il flusso radiante è la misura della potenza totale delle onde elettromagnetiche emessa in un secondo e si indica in Watt (W). Siccome l energia dei fotoni è inversamente proporzionale alla lunghezza d onda, i fotoni ultravioletti sono più energetici di quelli nel visibile o nell infrarosso. Il flusso luminoso è l analogo per la luce visibile e si misura in lumen.

19 19 DIFFERENZA FRA WATT E LUMEN Il Watt si riferisce alla misurazione radiometrica della luce. Esso non indica, come molti credono, la quantità di luce emessa bensì indica la quantità di energia consumata dalla sorgente. Alcune lampadine, come ad esempio quelle a LED, emettono gli stessi Lumen di una lampadina al tungsteno ma con un consumo di Watt notevolmente inferiore. Quindi per conoscere il flusso luminoso di una sorgente luminosa bisogna pensare in Lumen e non in Watt.

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21 21 A questo punto è facile definire il concetto di Efficienza Luminosa. Esso è il rapporto fra il Flusso Luminoso (Lumen) ed il Flusso Radiante (Watt). Alcuni esempi di indici di efficienza di varie fonti luminose: Filamento 14 lm per watt EFFICIENZA LUMINOSA Alogene 22 lm per watt con durata maggiore circa 3000 ore Fluorescenti (tipo neon) 90 lm per watt durata circa 8000 ore Alogenuri parametri simili alle fluorescenti Alogenuri vapori di sodio (luce giallastra) 180 lm per watt e durata ore

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23 23 L ILLUMINAMENTO L'illuminamento è una grandezza fotometrica risultato del rapporto tra il flusso luminoso (misurato in lumen) emesso da una sorgente e la superficie dell'oggetto illuminato. E quindi riferita all'oggetto illuminato e non alla sorgente. L'illuminamento è massimo quando la superficie è disposta perpendicolarmente ai raggi luminosi e diventa nullo quando i raggi sono paralleli alla superficie. L'unità di misura dell'illuminamento è il lux, che corrisponde all'illuminamento prodotto su una superficie perpendicolare ai raggi da una sorgente posta a 1 metro di distanza e che abbia l'intensità luminosa di una candela.

24 24 L ILLUMINAMENTO Alcuni dati di illuminamento per dare un'idea di quanto vale un lux: - la luce del Sole mediamente varia tra i lx (32 klx) e i lx (100 klx); - sotto i riflettori degli studi televisivi si hanno circa lx (1 klx); - in un ufficio luminoso si hanno circa 400 lx; - in un ufficio illuminato secondo l'attuale normativa europea Uni En vi sono 500 lx; - la luce riflessa della Luna piena è pari a circa 1 lx; - la luce di una stella luminosa è soltanto 0,00005 lx (50 µlx).

25 25 L ILLUMINAMENTO Al raddoppiare della distanza il lux diminuisce per il quadrato della distanza stessa.

26 26 L ILLUMINAMENTO Al raddoppiare della distanza il lux diminuisce per il quadrato della distanza stessa.

27 27 Lux e lumen sono due diverse misure, i lux sono unità di misura dell'illuminamento mentre i lumen sono unità di misura del flusso luminoso. Un flusso di 1000 lumen, concentrato su una superficie di un metro quadrato, illumina quel metro quadrato per 1000 lux. Tuttavia, gli stessi 1000 lumen, distribuiti su uno schermo di dieci metri quadrati, produce un'illuminazione di soli 100 lux. DIFFERENZA FRA LUMEN E LUX

28 28 STRUMENTO PER LA MISURAZIONE DELL ILLUMINAMENTO Da quanto abbiamo dello è facile comprendere che lo strumento per la misurazione dell illuminamento di un area o di un oggetto è l esposimetro a luce diretta.

29 29 Per luminanza si intende l'intensità luminosa emessa per ogni unità di una porzione di superficie in una specifica direzione. Viene misurata come la luce percepita dall'occhio umano. Si rappresenta con il simbolo «L» LA LUMINANZA In parole povere è la luce riflessa (o diretta) che raggiunge i nostri occhi. La visibilità di tutte le superfici e degli oggetti nel nostro campo visivo è correlata alla luminanza, i livelli di illuminamento non vengono percepiti. L'unità utilizzata è la Candela per metro quadro (cd/m2). Le superifci con diverse proprietà di riflessione avranno lo stesso illuminamento, ma cono luminanza diversa. Essa è anche influenzata dagli oggetti trasparenti o traslucidi che la luce attraversa prima di giungere ai nostri occhi.

30 30 LA LUMINANZA

31 31 LA LUMINANZA

32 32 DIFFERENZA FRA ILLUMINAMENTO E LUMINANZA ILLUMINAMENTO LUMINANZA

33 33 STRUMENTO PER LA MISURAZIONE DELLA LUMINANZA Da quanto abbiamo dello è facile comprendere che lo strumento per la misurazione dell illuminamento di un area o di un oggetto è l esposimetro a luce riflessa.

34 34 RIASSUNTIVO TRA INTENSITA, FLUSSO, ILLUMINAMENTO E LUMINANZA E LE LORO UNITA DI MISURA CARATTERISTICA TIPO DI RILEVAZIONE UNITA DI MISURA INTENSITA ALLA FONTE CANDELA FLUSSO ALLA FONTE LUMEN ILLUMINAMENTO NELLO SPAZIO LUX LUMINANZA OCCHIO UMANO LUMEN/CM 2

35 35 RIASSUNTIVO TRA LUMEN, CANDELA E LUX In conclusione, una tabella riassuntiva dei concetti di lumen, candela e lux.

36 36 LA MISURAZIONE DELLA LUCE: GLI ESPOSIMETRI Gli esposimetri al selenio hanno una sensibilità spettrale molto simi le a quella della pellicola pancromatica e non hanno bisogno di pile. Il selenio infatti, colpito dalla luce, genera una debole corrente elettrica proporzionale all intensità della luce stessa. Sono però poco sensibili alle basse intensità luminose. Ormai non si usano più.

37 37 LA MISURAZIONE DELLA LUCE: GLI ESPOSIMETRI Oggi si usano gli esposimetri al solfuro di cadmio ed al silicio, che hanno però un eccesso di sensibilità verso il rosso (più marcata per il silicio) e, se nella scena predominano i rossi o, per quelli TTL (dietro l obiettivo), se usati con un filtro rosso davanti all obiettivo, tendono a sottoesporre. Entrambi hanno bisogno di pile perché il solfuro di cadmio varia la propria resistenza elettrica proporzionalmente alla luce assorbita e quindi nel circuito viene a variare di conseguenza l intensità della corrente che circola.

38 38 LA MISURAZIONE DELLA LUCE: GLI ESPOSIMETRI Il silicio esposto alla luce emette una debole corrente elettrica che deve essere amplificata, e ciò richiede energia: una pila. La risposta del silicio è molto rapida ed è il sistema più usato nelle fotocamere. Quelle cosiddette al silicio blu, grazie all uso di filtri, hanno una sensibilità spettrale migliorata.

39 39 LA MISURAZIONE DELLA LUCE: GLI ESPOSIMETRI In fisica, congegni di questo tipo si chiamano trasduttori, cioè dispositivi che convertono dell energia (nel nostro caso l energia lumino sa) da una forma ad un altra, generalmente in segnali elettrici facilmente misurabili. Tanto per fare un parallelo: non è facile misurare la temperatura direttamente; un termometro a mercurio converte le variazioni di temperatura in variazioni di lunghezza della colonnina, queste sì facilmente misurabili.

40 40 LA MISURAZIONE DELLA LUCE: GLI ESPOSIMETRI Nelle vecchie macchine fotografiche analogiche era raro trovare un esposimetro incorporato. Quindi per misurare la giusta combinazione tempo/diaframma in funzione della luce presente nella scena si ricorreva alla propria esperienza o a tabelle indicative riportate nei foglietti di istruzioni che accompagnavano le pellicole!!

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