grandezze illuminotecniche

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1 Grandezze fotometriche Flusso luminoso caratteristica propria delle sorgenti luminose; Lezioni di illuminotecnica grandezze illuminotecniche ntensità luminosa lluminamento Luminanza caratteristica propria delle sorgenti luminose; effetto su una superficie; caratteristica sia delle sorgenti illuminanti sia degli oggetti illuminati, considerati sorgenti secondarie. 1 Radianza caratteristica sia delle sorgenti illuminanti sia degli oggetti illuminati, considerati sorgenti secondarie. 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. l fattore spettrale di visibilità V(λ) ha un valore che varia da 0 a 1 ed è: massimo al centro della banda visibile nullo agli estremi della banda visibile

2 l fattore spettrale di visibilità V(λ) ci fa comprendere chiaramente la differenza tra radiazione e luce al centro della banda visibile (λ0,555 mm) 1 W di radiazione produce 1 W di radiazione visibile cioè 1 W di luce l fattore spettrale di visibilità V(λ) ci fa comprendere chiaramente la differenza tra radiazione e luce n altra zona del visibile (per esempio λ0,60 mm) 1 watt di radiazione produce 0,60 W di radiazione visibile cioè 0,60 W di luce l fattore spettrale di visibilità V(λ) ci fa comprendere chiaramente la differenza tra radiazione e luce n altra zona ancora (per esempio λ0,65 mm) 1 watt di radiazione produce 0,0 W di radiazione visibile cioè 0,0 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. l flusso è la traduzione in termini di emissione luminosa, di una potenza.

3 Luce 0 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): Φ (λ) K(λ) P(λ) l 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: Flusso luminoso 780nm 780nm Φvis P( λ) K( λ) dλ K( λ) max P( λ) V( λ) dλ 380nm 380nm dove: k max costante che converte i watt in lumen di potenza luminosa, il suo valore è di 683lm/W come stabilito dalle convenzioni internazionali. Pλ potenza della radiazione energetica emessa. V(λ) fattore di visibilità che assume valore massimo 1 per λ555 nm L unità di misura del flusso luminoso è il lumen (lm). l flusso luminoso emesso da un sorgente può essere misurato in laboratorio, mediante uno strumento detto fotometro integratore o sfera di Ulbricht. V (λ) K(λ)/ K max ntensità luminosa Si definisce intensità luminosa,, il rapporto tra il flusso luminoso infinitesimo emesso dalla sorgente in una data direzione e l angolo solido su cui si distribuisce. dφ dω L angolo solido si misura in steradianti (sr) ed è misurato dall area A (m ) intercettata sulla sfera di raggio 1 m con centro nel vertice dell angolo solido: si dice pertanto ω Asr. 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. 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

4 Esempio lluminamento n alcuni casi le intensità ( c ) sono L illuminamento è il rapporto tra il flusso luminoso incidente su una superficie e l area della superficie stessa: indicate per un flusso convenzionale di 1000lm, allora l intensità effettiva sarà: 10 c * φ /1000 Ad esempio se l immagine a fianco rappresenta la curva fotometrica di E dφ da una lampada ad incandescenza da W che emette un flusso 30 luminoso di 1350 lm si avrà che vale: 70 cd *1350/ ,5 cd 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. lluminamento lluminamento L illuminamento può essere espresso in lux (S) oppure in foot-candle (Sistema anglosassone). giornata estiva soleggiata all aperto lx giornata estiva con cielo coperto lx vetrina bene illuminata 3000 lx E dφ da buona illuminazione uffici buona illuminazione sale da pranzo 500 lx 00 lx buona illuminazione stradale 5 lx notte di luna piena 0,5 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

5 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. Una fonte di luce (sorgente luminosa primaria) od una superficie illuminata (sorgente secondaria di luce) che emettono una determinata intensità luminosa in una data direzione sono caratterizzate da una luminanza. L d dacosα L unità di misura è la candela per metro quadrato (cd/m ) che viene detto nit. Per misurare i valori della luminanza sono disponibili strumenti chiamati luminanzometri. l giusto equilibrio delle luminanze ha notevole importanza nella progettazione degli impianti di illuminazione interna e soprattutto esterna (piazze, strade, ecc.). 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. su p e rficie d e l so le cielo in direzione sud cd/m cd/m M dφ da cielo in direzione nord cd/m prato in giorno assolato.000 cd/m La radianza M è legata all illuminamento dal coefficiente di riflessione r della superficie considerata: foglio bianco ben ilum inato 100 cd/m M r E la v a g n a illu m in a ta stra d a b e n illu m in a ta 5 cd/m cd/m Se r1 ossia con superfici perfettamente riflettenti (bianche) si ha: M E. L unità di misura della radianza è il lux s.b. (lux su bianco).

6 Riassumendo Strumenti di misura Simbolo Nome Espressione Unità di misura colorimetro Φ Flusso luminoso K(λ) P(λ) lumen (lm) E lluminamento dφ/da lux (lm/m ) ntensità luminosa dφ/dω candela (lm/sr) L Luminanza d/(da cosα) nit (cd/ m ) Luminanzometro M Radianza dφ/da lux s.b. (lm/ m ) Luxmetro Strumenti di misura Strumenti di misura Sfera di Ulbricht goniofotometro

7 Strumenti di misura Grandezze fotometriche qualitative Oltrecheconlegrandezzevistelalucevienecaratterizzataancheconalcuni 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: 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. goniofotometro 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 del sole). Temperatura di colore l 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. Diagramma CE l 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. Sul diagramma cromatico CE 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 000 K 700 K 4500 K 6500 K 1000 K lo stesso quadro illuminato con luce bianca (sopra) magenta (sopra a destra) gialla (in basso a destra)

9 Temperatura di colore correlata luce naturale 700 K 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 300 K 4500 K Temperatura di colore 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 K K La CE (Pubblication n 9. del 1986) classifica la tonalità della luce in tre gruppi: K.000 K Gruppo di tonalità Tonalità Temperatura di colore (K) 1 Calda (W) < nterm edia () Fredda ( C) > tonalità calda tonalità neutra tonalità fredda

10 Temperature di colore di diverse sorgenti Sorgente Temperatura di colore [K] Cielo sereno Cielo coperto Sole a mezzogiorno 550 Sole all'alba 1600 Lampade ad incandescenza Lampade fluorescenti Candele steariche l 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.000 K. n pieno giorno, i livelli di illuminamento possono arrivare a lux e la temperature di colore a K. Con il diagramma conoscendo il livello di illuminamento richiesto si può determinare il tipo di sorgente illuminante più opportuna l diagramma di Kruithof ndice di resa cromatica resa dei colori innaturale 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 ndice di Resa Cromatica CR (Color Rendering ndex). Esso stabilisce quanto una luce artificiale alteri o meno il colore degli oggetti illuminati. Buona resa dei colori l valore massimo, 100, fa riferimento ad una luce prodotta da una lampada ad incandescenza campione, valori più bassi mostrano rese cromatiche via via peggiori. Colori sfocati o freddi

11 ndice di resa cromatica ndice di resa cromatica 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. Secondo la normativa CE, 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 il colore apparente dei 14 campioni e si calcola la media degli scostamenti cromatici che si verificano nelle due letture. 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 CE. Δ E i [( ΔL) + ( Δx) + ( Δy ) ] 1/ R , 6 Δ Ra 4 i E i 1 R i ndice di resa cromatica ndice di resa cromatica La CE ha classificato le lampade in base alla resa cromatica definendo dei gruppi utilizzati dai costruttori nella descrizione dei prodotti in commercio. Lampada CCT (K) CR 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 ,36 0,390 Vapori di mercurio corretti ,373 0,415 Vapori di mercurio con alogenuri ,396 0,390 Sodio alta pressione ,519 0,418 n ogni caso valori elevati ( %) significano che la sorgente permette una percezione dei colori corretta mentre valori di CR inferiori all 80 % significano che la sorgente fornisce una percezione dei colori distorta. Gruppo CE CR Tonalità Applicazioni consigliabili Applicazioni accettabili 1A CR > 90 tutte comparazione colori, esami clinici, pinacoteche 1B 80 < CR < 90 calda intermedia case, alberghi, ristoranti, uffici, ospedali, scuole e negozi intermedia fredda industrie tessili, grafiche, di meccanica fine 60 < CR < 80 tutte edifici industriali scuole, uffici 3 40 < CR < 60 industrie pesanti edifici industriali 4 0 < CR < 40 industrie pesanti

12 Gamma dell'indice di resa del colore normativa attuale per ambienti museali Altri indici cromatici Ra>90 80<Ra<90 Ra>80 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. Sarebbe opportuno, nel giudizio sulla qualità dell illuminazione, non basarsi solo sull ndice di resa cromatica, ma prendere in considerazione anche altri parametri quali ad esempio: ndice di discriminazione del colore (CD): misura la capacità di una luce di far distinguere dello stesso colore il maggior numero di sfumature diverse. ndice di preferenza del colore (CP): misura in modo statico la preferenza di gruppi campione nei riguardi della fedeltà di un colore riferito a determinati oggetti, ossia la risposta cromatica aderente ai colori preferiti dalla maggior parte delle persone: nel caso dei cibi si preferisce quel colore che è ritenuto espressione di freschezza. Caratteristiche delle sorgenti la costanza del colore

13 Di che colore è ora il cuscino? costanza del colore Questa zona appare rossa l occhio riconosce il colore del marmo come uguale e attribuisce le differenze alla luce Questa zona appare bianca inscurimento: cambiamento di colore dovuto alla luce qual è l effetto di tutto questo? con la luce possiamo trasformare, illudere, giocare... ma anche devastare

14 stesso oggetto diversa luce il colore della luce è descritto dallo spettro e dalla TCC nominalmente la TCC può essere uguale ma lo spettro diverso

15 Alcune applicazioni Alcune applicazioni Considerando una sorgente sospesa che emette il flusso luminoso φ uniforme distribuito su un angolo solido di 4 π, l intensità uniforme corrispondente risulta: dφ φ φ d ω 4π 1,56 Si può calcolare la luminanza corrispondente all intensità calcolata uniforme della sorgente sospesa. Si ammetta che la sorgente sia una sfera di raggio r perfettamente diffondente e area apparente πr. La luminanza risulta costante pari a: Se la sorgente viene posizionata su di una superficie riflettente si ottiene una intensità uniforme : dφ φ d ω π L d da πr φ 4π r Alcune applicazioni max L Una superficie con luminanza uniforme in tutte le direzioni si dice lambertiana. L intensità dell emissione nelle diverse direzioni deve compensare la variazione dell area vista che varia con il coseno dell angolo δ con la normale alla superficie: Alcune applicazioni γ r h P Considerando una sorgente puntiforme che emette con intensità nella direzione individuata dall angolo γ, l illuminamento sul punto P su di una superficie perpendicolare alla direzione della radiazione alla distanza r può essere valutato come segue: dφ d dω d da d E da da dar r δ A Lδ δ max cosδ Aapp max cosδ max Acosδ A Se la superficie non è perpendicolare alla direzione del fascio è necessario considerare la legge del coseno. Esprimendo r in funzione di h rh/cosγ si ottiene la relazione seguente: cos E r γ cos E r γ cos γ cos h γ 3 cos h γ