Illuminotecnica Fondamenti
Definizioni Illuminotecnica Studia i problemi attinenti all illuminazione artificiale e naturale per assicurare condizioni di benessere in relazione alla sensazione visiva. Fotometria Si occupa della misura della quantità di energia raggiante emessa da una sorgente o ricevuta da una superficie in relazione alle sensazioni prodotte nell individuo attraverso l occhio.
Definizioni Luce visibile l occhio umano percepisce radiazioni elettromagnetiche con lunghezza d onda nell intervallo = 0.38 0.78 µm. Un fascio di radiazioni luminose, caratterizzato da tutte le lunghezze d onda donda con gli stessi livelli di potenza, appare al nostro occhio come luce bianca.
Ottica geometrica La luce visibile quando interagisce con una lastra di materiale trasparente oppure una superficie opaca, traslucida o trasparente è soggetta a fenomeni di riflessione, rifrazione,assorbimento,trasmissione. Il fattore di riflessione, trasmissione, assorbimento di una superficie è il rapporto tra la quantità di luce riflessa, trasmessa, assorbita e la quantità di luce incidente. La riflessione può essere : speculare superficie speculare, angolo di incidenza uguale all'angolo di riflessione; diffusa superficie opaca, distribuzione uniforme in tutte le direzioni; mista combinazione di riflessione regolare e diffusa (la luce si distribuisce in tutte le direzioni, con maggiore intensità nella direzione della riflessione regolare).
Ottica geometrica La rifrazione della luce è la deviazione che i raggi luminosi subiscono nell interfaccia di separazione tra due mezzi trasparenti (ad esempio ariavetro). Quando un fascio di luce che incontra un prisma o un corpo trasparente, esso devia dal percorso iniziale. Se la luce è policromatica, essa si scompone nei colori dell'iride (caso del Prisma). Il valore dell'angolo di deviazione dipende sostanzialmente da una proprietà del mezzo (indice di rifrazione) e dall'angolo di incidenza del raggio luminoso sulla superficie. La rifrazione si definisce: -diretta, quando il mezzo (vetro, plastica) lascia passare gran parte del flusso luminoso; -diffusa, quando la luce uscente dal mezzo si diffonde in tutte le direzioni (materiale traslucido); -mista, quando la luce si diffonde secondo una direzione privilegiata.
Struttura e funzionamento dell occhio Il raggio luminoso attraversa il cristallino e l umor vitreo e incide sulla retina, dove sono presenti cellule fotosensibili, dette bastoncelli e coni. I bastoncelli (circa 125 milioni) sono responsabili della distinzione tra luce e buio, mentre i coni (circa 7 milioni) sono responsabili della distinzione dei colori.
Struttura e funzionamento dell occhio Nel processo di visione possiamo distinguere due diversi ambiti: Prestazione visiva Reale capacità dell occhio di assolvere alle funzioni visive. Alla prestazione visiva i sono collegate le seguenti proprietà: Acuità visiva Sensibilità al contrasto Velocità di percezione o visione Percezione cromatica Visione periferica
Struttura e funzionamento dell occhio Soddisfazione visiva Capacità dell occhio di interpretare gli stimoli esterni. Alla soddisfazione visiva sono collegate le seguenti proprietà: Adattamento Accomodamento Convergenza
Struttura e funzionamento dell occhio I segnali nervosi sono in parte elaborati nella retina che risulta, dal punto di vista fisiologico un vero e proprio tessuto celebrale. Retina centrale percezione dei dettagli, visione ad alta definizione, acuità visiva, perc. contrasto, perc. cromatica, visione fotopica. Retina periferica p percezione dello spazio circostante, visione a bassa definizione campo visivo, percezione del movimento,visione scotopica).
Sensazione visiva La sensazione visiva non dipende dalla quantità di energia raggiante che incide sulla retina, ma dalla potenza incidente e dalla lunghezza d onda. Lo spettro visibile va da = 0.38 0.78 µm e la massima sensibilità si ha per = 0.55 µm. Muovendosi verso gli estremi del campo visivo è necessario aumentare la potenza della radiazione (flusso energetico) per ottenere la stessa sensazione visiva. La potenza emessa per ogni singola lunghezza d'onda deve essere "pesata" " secondo la sensibilità dell'occhio aquella lunghezza d'onda. d A tale scopo è stata studiata la risposta dell'occhio alle radiazioni di varie lunghezze d'onda sia in condizioni di luce diurna (visione fotopica) sia in condizioni di minore intensità luminosa (visione scotopica). Il CIE ha codificato un occhio con una sensibilità media, risultato di una elaborazione statistica condotta su un gran numero di soggetti.
Sensazione visiva L osservatore percepirà come più intensa la luce a λ=0.55 μm, dove l'occhio presenta quindi massima sensibilità, mentre stimerà progressivamente meno intensalaluceconλ maggiore o minore. Muovendosi verso i due limiti inferiore (0.38 μm) ) esuperiore (0.78 μm) ) dello spettro visibile, iibil per ottenere una sensazione di equivalenza dei due fasci luminosi, occorrerà incrementare la potenza della radiazione. Per 0,38 μm<λ e superiore di 0,78 μm<λ non si avrà percezione visiva.
Sensazione visiva Per tenere conto della variabilità della sensazione visiva si introduce un coefficiente di visibilità V : V V max 0.55 Si introduce, inoltre, il fattore spettrale di visibilità o fattore di visibilità relativa dato dalla seguente relazione: v V 0. 55 V max
Sensazione visiva Curva A) -visione fotopica- percezione piena dei colori e delle differenze cromatiche -l andamento di v λ è indipendente dai livelli di potenza degli stimoli solo sopra un certo valore e cioè per luci piuttosto intense corrispondenti a buona illuminazione. Curva B) -visione scotopicaluci molto deboli e visione praticamente in bianco e nero-scarse illuminazioni (bassi valori di luminanza). Nota: nell impiantistica a luce artificiale si persegue la condizione di massimo comfort visivo in visione fotopica.
Sensazione visiva La curva di visibilità relativa può essere considerata come rapporto fra effetti prodotti da radiazioni di data lunghezza d onda rispetto a quella di massima sensibilità.
Flusso luminoso (φ, lm) Grandezze fotometriche È la quantità totale di energia luminosa emessa da una sorgente in un intervallo di tempo (potenza). Il flusso luminoso non da informazioni sulla qualità della luce, né sulla sua distribuzione nello spazio. Il flusso luminoso è la grandezza fotometrica che misura l intensità della sensazione luminosa legandola alla potenza dello stimolo. L unità Lunità di misura del flusso luminoso è il lumen (lm). Le lampade normalmente utilizzate in illuminotecnica hanno flussi che variano da poche centinaia di lm (lampade ad incandescenza di bassa potenza) ad alcune centinaia di migliaia di lm (lampade a scarica di grossa potenza per esterni).
Flusso luminoso (φ, lm) Grandezze fotometriche Per radiazioni monocromatiche può quindi scrivere: Per radiazioni policromatiche vale: ( ) V ( ) P( ) V m dp( v d d 0.78 ) m 0. 38 Dove φ è il flusso luminoso irradiato dalla sorgente (lm) V m è una costante che converte watt in lumen, il cui valore è convenzionalmente posto pari a 683 lm/watt v(λ) è il fattore di visibilità relativa φ(λ) è il flusso della radiazione monocromatica della sorgente
Flusso luminoso (φ, lm) Grandezze fotometriche
Grandezze fotometriche Intensità luminosa (I, cd) È il rapporto tra flusso luminoso ed angolo solido. E una grandezza fotometrica vettoriale che permette di calcolare la densità del flusso entro unconoidealechehailverticenellasorgenteecomeasselongitudinale la direzione di propagazione. E la densità di flusso luminoso in una assegnata direzione :
Intensità luminosa (I, cd) Grandezze fotometriche La Candela è l'intensità di una sorgente luminosa emessa nell'angolo solido di 1 sr, con λ=0,55 μm e di potenza pari a 1/683 W. L angolo solido unitario (1 sr) è dato dallo spazio racchiuso da un cono che ha il vertice nel centro di una sfera di raggio R e che intercetta una superficie S. K max 683 cd sr W lm W
Grandezze fotometriche Luminanza(L, cd/m 2 ) di un punto P di una superficie luminosa, osservata in una certa direzione, è data dal rapporto tra l intensità luminosa irradiata e la superficie emittente apparente (proiezione della superficie emittente sull ortogonale alla direzione). per L<10-3 cd/m 2 si ha visione scotopica per L>3 cd/m 2 si ha visione totalmente fotopica Altre unità di misura della luminanza di uso diffuso sono: -Nit(cd/m 2 )-Stilb(cd/cm 2 ).
Luminanza(L, cd/m 2 ) Grandezze fotometriche La luminanza è la grandezza illuminotecnica più direttamente correlata alla visione: essa tiene conto non solo della quantità di energia che raggiunge l'occhio, ma anche della sensazione di abbagliamento o di fastidio che essa può produrre. podu La luminanza quindi è un parametro importante nel calcolo illuminotecnico, in quanto se essa supera certi valori si crea il fenomeno dell abbagliamento
Luminanza(L, cd/m 2 ) Grandezze fotometriche
Grandezze fotometriche Illuminamento (E, lux) Esprime la quantità di luce che arriva su una superficie; esso si misura in lux (lumen/m 2 ) e si indica con la lettera E (un illuminamento di 1 lux corrisponde ad un flusso di 1 lumen su una superficie di 1 m 2 ). Il lux è definito anche come il flusso luminoso emesso da una sorgente luminosa (situata al centro di una sfera) con un intensità di 1 cd che illumina una superficie di 1 m 2.
Grandezze fotometriche Illuminamento (E, lux)
Grandezze fotometriche L espressione seguente consente di calcolare l la luminanza apartire da misure effettuate dalla parte dell osservatore (illuminamento). Nel caso in cui la direzione sotto cui l osservatore vede la superficie è ortogonale alla superficie stessa, altrimenti: L p de d cos
Grandezze fotometriche Radianza(M, lx s.b.) rappresenta la radiazione visibile emessa da una superficie riflettente ed è pari al prodotto dell illuminamento (E) ricevuto per il fattore di riflessione i della superficie i () (r): Se r=1 (superfici bianche perfettamente riflettenti) M=E Per superfici lambertiane (riflessione e trasmissione perfettamente diffuse) vale: M L
Grandezze fotometriche Tabella riassuntiva delle grandezze fotometriche
Grandezze fotometriche Calcolo dell illuminamento di una sorgente S in un punto P
Grandezze fotometriche Calcolo dell illuminamento di una sorgente S in un punto P Se sono presenti più sorgenti luminose si applica il principio di sovrapposizione degli effetti, per cui si può scrivere: L'illuminamento è un parametro fondamentale nel calcolo illuminotecnico; esso è una misura di quanto agevolmente l'occhio può vedere. Ad illuminamenti più elevati corrispondono funzioni visive più agevoli; in un magazzino sono sufficienti poche decine di lux; per lavori di precisione possono essere necessari anche migliaia di lux; normative e raccomandazioni prescrivono i livelli di illuminamento per le diverse destinazioni degli ambienti di lavoro.
Grandezze fotometriche Efficienza luminosa (E, lm/watt) rappresenta l efficienza di una lampada attraverso il rapporto fra il flusso luminoso (lm) emesso da una sorgente luminosa e la potenza elettrica assorbita (Watt). per lampade ad incandescenza è pari a circa 15 lm/w per lampade a mercurio 40 60 lm/w per lampade agli alogenuri60 100 lm/w per lampade al sodio ad alta pressione 70 150 lm/w per lampade al sodio a bassa pressione 100 180 lm/w
Grandezze fotometriche Il Solido Fotometrico e la Curva Fotometrica Il solido fotometrico rappresenta la figura geometrica delimitata da una superficie chiusa formata dal luogo dei punti estremi di segmenti aventi lunghezza proporzionale all'intensità luminosa e centro nella sorgente. La curva fotometrica è l intersezione del solido fotometrico con un piano passante per il centro (se il solido fotometrico presenta una simmetria di rotazione intorno ad un asse, risulta completamente t descritto da un'unica curva fotometrica). t
Colorimetria Definizione di Colore La sensazione visiva di colore è caratterizzata essenzialmente da tre aspetti: -tono/tinta è legato alla lunghezza d onda dominante e individua il colore con cui viene visto un oggetto; -purezza/saturazione rappresenta la quantità di dominante presente ed è la vivacità del colore che si differenzia dalla visione di grigio (una lunghezza d ondad monocromatica fornisce un colore puro; lo stesso colore può essere ottenuto con luci diverse ma la sua saturazione diminuisce); -luminanza/luminosità esprime l intensità luminosa nella direzione della visione (quantità di bianco).
Colorimetria La sensazione visiva, a differenza di quella uditiva, non permette di distinguere in un fascio luminoso policromatico le componenti monocromatiche. Il sistema CIE (Commission Internationale de Eclarage) adottato a partire dal 1931 definisce univocamente ed in modo matematico una radiazione luminosa dal punto di vista cromatico, attraverso la quantificazione di due coordinate numeriche. Il sistema CIE nasce dalla constatazione sperimentale che dalla combinazione di tre luci colorate (rosso, verde e blu) è sempre possibile ottenere un fascio luminoso che dia la stessa sensazione di colore di una luce qualsiasi.
I legge di Grassmann (1853) Colorimetria Una luce percepita come avente un certo colore (es. giallo) può effettivamente corrispondere a una luce monocromatica emessa a quella lunghezza d onda o a una sovrapposizione con opportune intensità di emissioni a diverse lunghezze d onda. - Sovrapponendo tre colori primari di opportune intensità Rosso (Red), Verde (Green) e Blu, (RGB) è possibile riprodurre qualunque sensazione di colore percepita dall occhio.
Colorimetria II legge di Grassmann Se lo stimolo cromatico viene incrementato di una quantità n, anche gli stimoli dei primari devono essere incrementati della stessa quantità. III legge di Grassmann Se si sommano due stimoli cromatici qualsiasi si ottiene un effetto equivalente anche sommando tra loro gli stimoli dei primari componenti
La percezione di un colore dipende da: Colorimetria parametri oggettivi (composizione spettrale della radiazione); parametri soggettivi (sensibilità dell occhio ad alcune radiazioni). Si rende necessaria la definizione di un sistema univoco di valutazione, per l importanza che il colore assume in ambito commerciale ed industriale. La CIE (Commissione Internazionale dell Illuminazione) ha introdotto il triangolo tricromatico per determinare le caratteristiche spettrali di sorgenti primarie normalizzate,capacidiriprodurretuttiicoloripermiscelaadditiva.daldiagramma tricromatico è possibile ricavare, note le coordinate del colore, la sua lunghezza d onda e la sua saturazione.
Colorimetria Il CIE ha definito tre colori fondamentali, con le seguenti caratteristiche: ROSSO (R) λ=700 nm L R =1 nit VERDE (V) λ=546,1 1 nm L V =4,5909 nit BLU (B) λ=435,8 nm L B =0,06012 nit Nellafigurasonorappresentatele quantità dei colori primari (R, V, B) necessarie per riprodurrelostimolo cromatico generato da quantità unitarie di energia di una radiazione generica di lunghezza d onda λ. In pratica le curve rappresentano la sensibilità dell osservatore medio al rosso, al verde ed al blu, rispettivamente. La curva y coincide con quella del fattore di visibilità in visione fotopica.
Indicata con f(λ) la funzione che Indicata con f(λ) la funzione che valuta lo stimolo della sensazione visiva (luminanza o radianza): Colorimetria
Colorimetria Vale sempre che x+y+z=1 quindi il colore potrà essere sempre individuato con due sole coordinate (normalmente x,y). Il diagramma colorimetrico CIE è una rappresentazione piana di uno stimolo di colore. In esso si riconoscono le aree dei colori fondamentali (nei tre vertici, blu, rosso e verde) e dei tre complementari (giallo, magenta e ciano). Il diagramma CIE è un triangolo equilatero, aicuiverticisonopostii trecoloriprimari-rosso,verdeeblu,appunto,indicaticomex,yez- considerati ipersaturi in modo da racchiudere nella propria configurazione la curva dei colori spettrali, evitando valori positivi o negativi delle coordinate. Il punto W, definito dalle coordinate x=y=z=0,333 rappresenta il"bianco di uguale energia" o punto acromatico di riferimento.
Diagramma CIE Colorimetria
Colorimetria Curva di Plank rappresenta il luogo del corpo nero,, ossia la curva delle coordinate tricromatiche caratteristiche della radiazione emessa da un corpo nero a diverse temperature. Retta Isprossimale Ogni punto di questa retta gode della proprietà di avere la stessa Temperatura di colore
Colorimetria Immaginiamo i di avere un campione rappresentato dal punto P (miscela equilibrata di rosso e verde,) con coordinate x=0,42 y=0,49 (z=0,09). 09) La dominante si ottiene congiungendo il punto P con il bianco di riferimento (x=y=z=0,33). L intersezione della retta con il perimetro fornisce la λ dominante (nel diagramma 570 nm); mentre il rapporto tra i segmenti CP e CD è la saturazione (nell esempio 0,76). Questo significa che per ottenere il colore scelto deve essere diluitoit il dominante con il 24% di bianco
Colorimetria La misura del Colore Il colorimetro consente di effettuare misure di colore sulle sorgenti luminose e sulle superfici colorate secondo il sistema CIE. Il colorimetro è costituito da una testa fotometrica da tre cellule fotoelettriche, ognuna delle quali ha una risposta che riproduce la curva di visibilità dell occhio umano secondo i tre colori fondamentali. Si hanno quindi tre risposte proporzionali ai tre colori. Le curve di risposta sono generalmente ottenute t mediante filtrii che posseggono appropriate caratteristiche di assorbimento. Il segnale può essere convertito dai fotorilevatori direttamente in coordinate tricromatiche oppure in temperatura di colore o indice di resa cromatica.
Colorimetria LaTemperatura T t di Colore (TC, K) èd definita it come la temperatura t di un corpo nero espressa in Kelvin che emette luce avente lo stesso colore della luce emessa dalla lampada (la luce rossastra ha una bassa temperatura di colore, la luce bluastra ha un elevata temperatura di colore). -il sole ha una TC di circa 6000 K -il filamento di una lampadina normale ha una TC di circa 2200 K -una lampada allo iodio ha una TC di circa 2500 K. TC (K) è un parametro che individua in modo oggettivo il colore della luce di una sorgente luminosa confrontata con la sorgente campione (il corpo nero). Dire che una lampada ha una TC di 3000 K, significa che il corpo nero, a questa temperatura, emette luce della stessa tonalità. A temperatura ambiente il corpo nero apparirà nero, sarà rosso ad 800 K, giallo a 3000K, bianco caldo a 4000K, bianco freddo a 5000K e azzurro a 8000K.
Colorimetria La TC è un parametro di importanza fondamentale nei casi in cui si intende abbinare la luce artificiale a quella naturale. Di seguito sono riportate le TC di alcune sorgenti luminose naturali: Luna 4100 K Sole a mezzo giorno (estate) 5300 / 5800 K Cielo coperto 6400 / 6900 K Cielo sereno blu intenso 10000 / 25000 K In funzione della TC le sorgenti luminose si dividono (classificazione CIE) in: Tonalità calda (TC<3300 K) cl. 1 abitazioni e alberghi Tonalità neutra (3300<TC<5300 K) cl. 2 ambienti comuni Tonalità fredda (TC>5300 K) cl. 3 uffici ed industria
Colorimetria La Temperatura di Colore rappresenta la sommatoria dell energia energia emessa su tutto lo spettro, possono esserci sorgenti con uguale TC ma distribuzione spettrale differente: ne deriva una diversa sensazione di colore Il diagramma di Kruithof mette in relazione la Temperatura di Colore ed i Livelli di Illuminamento (lx). L area Larea ombreggiata raccoglie le correlazioni giudicate soddisfacenti in termini di benessere.
Colorimetria L effetto Leffetto cromatico di una superficie dipende sia dal suo colore effettivo che dal tipo di sorgente luminosa. L indice di resa cromatica (IRC Colour Rendering Index) è la misura di quanto una sorgente luminosa è capace di rendere i colori. IRC è un numero che esprime in percentuale il rapporto tra la definizione cromatica di otto colori campioni illuminati da una sorgente qualsiasi e la definizione degli stessi illuminati da una sorgente campione di riferimento CIE. IRC è un fattore numerico ed ha indice 100. La resa cromatica è: -ottima con IRC tra 85 e 100 ottima con IRC tra 85 e 100 -buona con IRC tra 70 e 85 -discreta con IRC tra 50 e 70.
Colorimetria La luce solare alle 12 mostra grande uniformità, sia in termini di λ presenti che di potenza di ciascuna di esse In una lampada ad incandescenza c è ridotta emissione nella fascia bassa dello spettro (non sono ben resi i colori a dominante blu) In una lampada ad alogenuri metallici l emissione è ben bilanciata, ma sono presenti alcuni buchi su alcune radiazioni. Una lampada al sodio mostra un intensa concentrazione di energia nella parte giallo-verde dello spettro. Gli altri colori sono resi in maniera poco efficace
Colorimetria i