Fondamenti di illuminotecnica

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1 Fondamenti di illuminotecnica Corso di Fisica Tecnica Ambientale Scienze dell Architettura

2 Grandezze del moto oscillatorio E λ (μm) Periodo T (s) tempo occorrente per compiere una oscillazione frequenza (n di periodi contenuti in un secondo) f = 1/T (Hz o s -1 ) lunghezza d onda λ = c T = c /f (m) spazio percorso nel periodo T velocità della luce c = (m/s) ovvero km/s E = h f (J) Ampiezza o contenuto energetico dell oscillazione Con h = 6, (J s) unità di misura derivate 1 μm (micron) = 10-6 m 1 nm (nanometro) = 10-9

3 Il campo del visibile La luce è energia che si propaga nel vuoto sotto forma di onde elettromagnetiche alla velocità di circa km/s, ed è caratterizzata da lunghezza d onda comprese tra circa 0,38 μm e 0,78 μm ( nm), corrispondente al campo di visibilità dell occhio umano. 0,38 μm 0,78 μm

4 Sensibilità dell occhio L occhio umano presenta una diversa sensibilità in funzione della lunghezza d onda della radiazione, analoga alla sensibilità dell orecchio. Di questo fatto ce ne rendiamo conto a causa del diverso contenuto di energia necessario affinchè due radiazioni monocromatiche di diversa frequenza, producano la stessa sensazione di intensità luminosa: l occhio percepisce meglio la gamma dei colori intermedi del campo di visibilità. La misura della sensibilità dell occhio è fatta dalla relazione che lega il flusso luminoso al flusso energetico mediante il fattore di visibilità massimo K max = 680 lumen/watt ottenuto per 555 nm e corrispondente alla massima efficienza luminosa : fattore di visibilità relativa V(λ) = K(λ)/ K max

5 Curve di sensibilità relativa Il fattore di visibilità relativa per visione fotopica (diurna) (V) per visione scotopica (notturna) (V ) giorno notte Si ha V(λ) = 1 per 555 nm con visione fotopica (verde -giallo) per 507 nm con visione scotopica (azzurro-verde)

6 Relazione tra emissione termica e luminosa Se esaminiamo l emissione termica dei corpi neri in funzione della loro temperatura e lunghezza d onda vediamo che l area sottesa dal campo del visibile diminuisce al ridursi della temperatura fino a scomparire: c è quindi una relazione diretta tra flusso luminoso e flusso energetico.

7 Classificazione della luce delle lampade: la radiazione termica TEMPERATURA DI COLORE FREDDO T > 4000 K Luce diurna 6500 K Luce bianca 4000 K Luce bianca-calda 3000 K La classificazione della luce emessa dalle lampade è basata sulla determinazione della temperatura colore mediante l analogia con lo spettro cromatico emesso da un corpo nero portato ad una certa temperatura assoluta misurabile in kelvin (K). TEMPERATURA DI COLORE CALDO T < 4000 K

8 Temperatura colore per alcune tipiche sorgenti Temperatura colore di alcune sorgenti 1800 K Sole all alba 1900 K Fiamma di una candela K Sole al tramonto 2800 K Incandescenti tradizionali K Alogene K Cielo sereno/fluorescenti K Cielo coperto, nuvoloso/fluorescenti a luce diurna K Cielo blu terso del nord

9 Le grandezze fotometriche Grandezza Simbolo Unità di misura Abbreviazione Flusso luminoso Φ lumen lm Illuminamento E lux Lux Intensità luminosa I candela cd Luminanza L nit cd/m 2 Le relazioni che individuano le grandezze suddette sono relative a sorgenti luminose puntiformi ovvero di dimensioni piccole rispetto alla distanza: ad esempio il Sole rispetto alla Terra, una lampada in una stanza, ecc.

10 Illuminamento L'illuminamento è una grandezza fotometrica che esprime la quantità di luce che investe una determinata superficie o un determinato punto. L illuminamento è misurabile con uno strumento denominato luxmetro. Nel caso in cui si consideri una superficie, è corretto parlare di Illuminamento medio E = dφ/ds [lux]

11 Luminanza diretta L = ds di α (nit =1cd/m²) La luminanza può essere intesa come la quantità di luce che effettivamente colpisce i nostri occhi: la luminanza genera il processo fisiologico della visione ed è quindi la luce che effettivamente noi percepiamo. La luminanza diretta è legata alle sorgenti primarie.

12 Luminanza riflessa Molto frequente è anche il caso in cui si debba considerare la luminanza non di una sorgente luminosa ma di una superficie riflettente (sorgente secondaria) Le caratteristiche di riflessione dei materiali sono determinanti nell influenzare la luminanza La luminanza indiretta è legata alle sorgenti definite secondarie, ovvero agli oggetti che riflettono la luce.

13 Contrasto di luminanza Il contrasto indica il rapporto di luminanza tra l oggetto da visualizzare e il suo sfondo: C (contrasto) = 100 (L oggetto -L sfondo ) / L sfondo (%) i valori delle luminanze e i loro contrasti sono degli ottimi indicatori della qualità luminosa degli spazi. In generale: Se L sfondo > L oggetto allora 0 < C < 1 (esempio stampa nera su sfondo bianco) Se L sfondo < L oggetto allora 0 < C < ( esempio stampa bianca su sfondo nero) In seguito sono forniti i valori di C suggeriti dalla UNI

14 Efficienza luminosa L'efficienza di una sorgente luminosa è un parametro che valuta quanta energia elettrica sia effettivamente convertita in luce. E ff = Φ / W [Im / Watt]

15 La colorimetria La percezione del colore degli oggetti, così come l emozione che essi suscitano, è un fatto soggettivo e pertanto differente da individuo a individuo. Nel 1931, la CIE (Commission Internationale de l Éclairage - Commissione Internazionale di Illuminazione) pubblica una serie di tabelle delle emissioni luminose e delle risposte cromatiche di un osservatore medio, che sono ancora oggi il sistema di classificazione più usato.

16 Parametri dei colori La sensazione di colore che il cervello umano percepisce è il risultato della combinazione di tre componenti: - tono o tinta; legato alla lunghezza d onda dominante individua il colore dell oggetto (rosso, giallo, ecc.) - saturazione o purezza; è la vivacità del colore che appare più o meno definito distinguendosi dalla visione del grigio; - luminosità o luminanza; esprime l intensità luminosa nella direzione della visione. Con queste tre componenti siamo in grado di definire e di descrivere qualsiasi colore.

17 Radiazione eterocromatica Si dimostra che date tre radiazioni di lunghezza d onda d opportuna (radiazioni primarie RGB - Red Green Bleu) ) una radiazione qualunque è ottenibile con la somma algebrica delle tre radiazioni suddette opportunamente dosate (1 a legge di Grassman): tale legge è alla base del sistema di classificazione dei colori CIE

18 Sintesi additiva e colori fondamentali I colori fondamentali sono tre : rosso (R, 700 nm) L R (1 nit) verde (G, 546 nm), ), L G (4,59 nit) bleu (B, 436 nm) L B ( 0,06 nit) Con L luminanze dei tre colori fondamentali. Sommando o sottraendo i colori fondamentali ed i loro derivati si ottengono tutte le gamme dei colori con le diverse sfumature (grado di saturazione). I colori secondari sono; giallo (rosso+verde), magenta (blu+rosso) e ciano (blu+verde). Per ottenere la luce bianca possiamo usare anche solo due fonti di luce, in questo caso una deve essere di colore primario e l altra di colore secondario. Questi colori, in questo caso, sono detti complementari. verde (colore primario) + magenta (blu+rosso) = bianco.

19 Tonalità e saturazione tonalità saturazione NB da Word Colore di riempimento/ Altri colori/personalizzati Con la tonalità si definisce il colore stesso. Il colore è tanto più puro quanto più ha la larghezza di T (tonalità) stretta e le altre lunghezze d onda inesistenti. In pratica solo luce colorata generata da un laser si può definire come colore puro. Le variazioni di saturazione fanno apparire un colore più o meno chiaro.

20 Luminosità Più bassa è L (luminosità), più scura sarà la luce del colore: a parità di tonalità e saturazione, la tavolozza a sinistra presenta una più alta luminosità rispetto a quella di destra (150 contro 100).

21 Il triangolo dei colori o diagramma CIE E un triangolo nel quale i vertici corrispondono alle sensazioni di stimolo dei tre ricettori a colori rosso, verde e blu (RGB). Il baricentro del triangolo è spazio acromatico o bianco, avente coordinate x = y = 0,33. Soglia di percezione delle differenze negli stimoli e curva di visibilità

22 Coordinate tricromatriche e triangolo colori X = 37 Y = 163 Z = 94 X + Y + Z = 294 tonalità x = X/(X + Y +Z) = 37/294 = 0,12 y = Y/(X + Y +Z) = 163/294 = 0,55 z = 1 (0,12+0,55) = 0,33 saturazione Per il caso in esame il contributo alla sensazione luminosa dei colori primari è per il verde (55%), seguito dal bleu (33%) e dal rosso(12%)

23 Indice di resa cromatica (Ra) La buona resa dei colori da parte di una sorgente di luce artificiale è condizionata dal fatto che essa emetta tutti i colori dello spettro. Si assume che la resa dei colori è ottima quando gli oggetti sono osservati sotto luce diurna o con lampade ad incandescenza perché l occhio si adatta bene a questi due tipi di luci (luce solare). Le lampade a scarica danno invece luogo a numerose alterazioni dei colori. La CIE ha definito pertanto l indice di resa cromatica dei colori: èun valore numerico che raffronta la resa cromatica di una lampada con quella della luce diurna presa come campione e con indice 100 (massimo). Relazione tra indice di resa dei colori e classi di resa dei colori secondo UNI

24 Esempio di resa cromatica per una rosa Come appare alla luce del giorno (Ra 100) Come appare al di sotto di una lampada al sodio a bassa pressione (Ra < 20)

25 Le caratteristiche che vengono prese in considerazione (come interazione tra luce e un corpo) sono: riflessione, assorbimento, trasmissione. Interazione luce - oggetti Per la colorimetria si considera la luce riflessa o trasmessa dall oggetto per ogni lunghezza d onda dello spettro. In merito si ricorda che il colore degli oggetti è costituito dallo spettro della luce riflessa.

26 La riflessione Diffusore lambertiano I α = I n cos α Riflessione irregolare I n Iα α Riflessione diffusa Riflessione speculare

27 Percezione dei colori Radiazione riflessa rosso rosso giallo verde bleu a λ 0.8 giallo verde bleu Radiazione assorbita Corpo grigio Corpo rosso λ (μm)

28 Le sorgenti luminose Possono essere artificiali (lampade) o naturali (luce del sole). lampada La lampada Costituisce il cuore dell apparecchio ed è l effettiva SORGENTE LUMINOSA E la lampada il primo elemento che determina la QUANTITA e la QUALITA della luce Il tipo di lampada scelta influisce direttamente sulla PRESTAZIONE LUMINOSA

29 Tipologie di lampade INCANDESCENZA SCARICA TUNGSTENO IODURI METALLICI ALOGENE FLUORESCENTI FLUORESCENTI COMPATTE

30 Lampade fluorescenti compatte VANTAGGI COSTI CONTENUTI BASSI CONSUMI DURATA ELEVATA GAMMA CROMATICA SVANTAGGI DIMENSIONI SEMPRE IMPORTANTI RESA CROMATICA Spettro luminoso

31 Spettri delle sorgenti luminose fluorescenti TC-D Lampade fluorescenti compatte TC-D 26W Col 21 (4000 K) TC-D 26W Col 31 (3000 K) TC-D 26W Col 41 (2700 K) Alogena (2700 K)

32 VANTAGGI - BASSO COSTO MANUTENZIONE DIMENSIONI SVANTAGGI Lampade a incandescenza CONSUMO DURATA CALORE GAMMA CROMATICA Spettro luminoso

33 La qualità del progetto illuminotecnico Un impianto di illuminazione deve assicurare: un illuminamento adeguato al compito visivo; una buona uniformità di luce ovvero un giusto rapporto di luminanza tra zona di lavoro, le zone circostanti e lo sfondo; l eliminazione dell abbagliamento diretto o riflesso, ottenuto con sorgenti luminose a bassa luminanza e lampade opportunamente schermate; una resa di colori e una tonalità di luce (temperatura di colore) adatta al compito visivo.

34 Rapporto tra illuminamento e temperatura di colore

35 Valori raccomandati di illuminamento (UNI 10380)

36 Valori per il contrasto di luminanza X: ambienti dove è possibile controllare le riflessioni ovunque secondo UNI 10380; Y: ambienti dove è possibile controllare le riflessioni solo nelle zone prossime all area di lavoro; Z: ambienti dove non è possibile controllare le riflessioni.