Grandezze fotometriche: note di illuminotecnica

Rubrica: Energia – Lighting

Titolo o argomento: Le grandezze della luce

Con il precedente articolo, Grandezze fotometriche, si sono introdotte le grandezze principali che descrivono la fotometria. Di seguito invece si riportano delle note che introducono all’illuminotecnica, ovvero alla scienza che studia l’illuminazione mediante luce solare o artificiale. Senza pretesa si intende trattare l’argomento solo a scopo di fornire un rapido memorandum dei concetti chiave che introducono alla suddetta disciplina.

Compito visivo, prestazione visiva e comfort visivo

Il compito visivo è la richiesta a carico del sistema visivo per svolgere una determinata attività (intesa come visione degli oggetti su cui si opera e della scena immediatamente circostante compresa nel campo visivo). In fase di progettazione dell’illuminazione il compito visivo da svolgere nell’ambiente (ad esempio di lavoro) viene determinato a priori in base alla destinazione d’uso dell’ambiente stesso.

La prestazione visiva consiste nella misura della velocità e della precisione con cui un determinato compito visivo viene eseguito. In altre parole si tratta dell’attitudine che una persona manifesta nel reagire quando i dettagli dell’oggetto della visione (compito visivo) entrano nello spazio di osservazione. Ciò dipende essenzialmente dalle capacità visive del soggetto (intese come acuità visiva: accomodazione, regolazione della luce incidente, convergenza dell’asse visivo, motilità oculare, senso cromatico, presenza di difetti visivi, adattamento), dalle caratteristiche del compito visivo e dalle caratteristiche dell’ambiente.

Per poter svolgere un compito visivo con la corretta efficienza funzionale è necessario rispettare delle condizioni che garantiscano il dovuto comfort. Affinché ogni oggetto coinvolto nell’osservazione sia percepito con sufficiente dettaglio dall’osservatore, occorre un livello adeguato di illuminamento, una sufficiente uniformità di illuminamento, una buona distribuzione delle luminanze, l’assenza di abbagliamento, una corretta direzionalità della luce ed una buona resa cromatica delle sorgenti e degli ambienti.

Livello di illuminamento, contrasto di luminanza e abbagliamento

Dall’illuminamento dipende una percezione più o meno corretta dei piccoli dettagli ad una data distanza (acuità visiva) e la velocità di percezione, ovvero il tempo richiesto per compiere un compito visivo. Apposite normative regolano i livelli di illuminamento e di uniformità di illuminamento su piani di lavoro e nei locali in relazione ai compiti visivi previsti (UNI 10380/A1 – UNI 10840 – UNI EN 12464-1 Ottobre 2004).

La differenza di luminanza, tra l’oggetto che fa parte del compito visivo e lo sfondo, permette all’occhio umano di vedere. Vi è quindi un constrasto (detto contrasto di luminanza) che permette di distinguere l’oggetto dallo sfondo. Quando tale contrasto risulta eccessivo si verifica il fenomeno dell’abbagliamento durante il quale l’occhio non riesce ad adattarsi e la visione risulta disturbata.

Colore di una luce e colore di un oggetto

Se una luce è monocromatica il suo colore dipenderà dalla frequenza della luce stessa, ma se una luce non è monocromatica il suo colore dipenderà dalla composizione spettrale, ovvero dalla distribuzione dell’energia radiante tra le diverse frequenze che la compongono. La colorimetria delle luci è additiva.

Il colore di un oggetto invece dipende dalle caratteristiche cromatiche della sorgente (potere emissivo spettrale) e dalle caratteristiche cromatiche dell’oggetto (riflessività spettrale o trasmissività spettrale) che a loro volta dipendono dai pigmenti che contiene. La colorimetria dei pigmenti è sottrattiva.

Composizione additiva delle luci Composizione sottrattiva dei pigmenti

La temperatura di colore (o temperatura cromatica) e la resa di colore

La temperatura di colore è la temperatura di un radiatore perfetto (corpo nero) che emette radiazione dello stesso colore della luce emessa dalla sorgente. Tale temperatura si misura in kelvin ed è un valore particolarmente utile in quanto incorpora in un solo numero le caratteristiche cromatiche di una sorgente (molto accurate nel caso delle sorgenti ad incandescenza, più approssimative nel caso delle sorgenti a scarica nei gas). Giusto per riportare alcuni esempi, la luce solare a mezzogiorno ha una temperatura di colore pari a 5500 kelvin, una lampada ad incandescenza da 100 Watt con bulbo diffusore ha una temperatura di colore di 2800 kelvin, una lampada ad incandescenza da 100 Watt “a luce diurna” ha una temperatura di colore compresa tra 3500 e 4000 kelvin.

La resa di colore viene misurata attraverso un indice denominato per l’appunto “indice di resa di colore Ra”, esso specifica le proprietà cromatiche delle sorgenti di luce sulla base del cambiamento di colore di un oggetto illuminato con la sorgente in esame rispetto a quando è illuminato con una sorgente standard. Un minimo cambiamento indica una buona resa di colore (indice Ra elevato), mentre un ampio cambiamento indica una pessima resa di colore (indice Ra basso). Come sorgente standard si può prendere in considerazione ad esempio la luce diurna con temperatura di colore maggiore di 5000 kelvin (secondo lo standard CIE – Commission Internationale de l’Éclairage – Commissione Internazionale per l’Illuminazione).

Fonti:
Lezioni e appunti universitari di Fisica Tecnica.
Enciclopedia UTET.
Strumenti utilizzati dall’autore per prove di laboratorio.

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Grandezze fotometriche

Rubrica: Energia – Lighting

Titolo o argomento: Le grandezze della luce

Approfittando del fatto che nell’ultimo mese ho avuto a che fare spesso con la luce (vedi il caso di studio: Monitoraggio e analisi delle prestazioni di un pannello fotovoltaico in condizioni tecniche e atmosferiche sfavorevoli) dedico con piacere due parole introduttive su quello che, non lo nascondo, anche per me è un nuovo piacevole tema di studio: le grandezze fotometriche e le grandezze radiometriche. Volgarmente si può affermare che le prime sono grandezze utili da conoscere se si sta cercando di comprendere cosa accade ad esempio manipolando l’illuminazione di un set video o fotografico ben curato (ma potrebbe trattarsi di un lampione stradale o di una lampadina di casa), le altre sono grandezze indispensabili per chi sta approcciando il mondo del fotovoltaico e desidera conoscere cosa ruota attorno alla radiazione solare. In realtà la differenza sostanziale sta nel fatto che le grandezze fotometriche sono direttamente utilizzabili in scienza del colore e quantificano l’emissione luminosa in grado di produrre una sensazione visiva nell’occhio umano, cosa che non accade con le grandezze radiometriche. Di seguito vi sono riportate le voci facenti parte delle grandezze fotometriche, il lettore più attento noterà il parallelismo con le descrizioni, i simboli e le unità di misura delle voci relative alle grandezze radiometriche (link in basso). Le prime fanno riferimento alla curva di risposta spettrale dell’occhio umano, le seconde fanno riferimento all’insieme ben più esteso che le ingloba, le radiazioni elettromagnetiche.

Flusso luminoso (o Potenza luminosa) – Φ, Lumen (lm)

Parte del flusso radiante Pr emesso nel campo del visibile e valutato secondo la risposta dell’occhio umano, ovvero secondo la curva del fattore di visibilità relativa v(λ) riferita all’osservatore medio internazionale della CIE (Commission Internationale de l’Éclairage – Commissione Internazionale per l’Illuminazione). Il flusso luminoso si indica con la lettera Φ e la sua unità di misura è il lumen (lm).

1 lumen = 1 candela · 1 steradiante
1 Watt (di Potenza radiante e “non” di Potenza elettrica) = 683 lumen* – Luce monocromatica λ=555 nm.

*Diverse sorgenti luminose generano diverse conversioni tra potenza radiante (Watt) e flusso luminoso (lumen).

Efficienza luminosa specifica

L’efficienza luminosa specifica consiste nel rapporto tra il Flusso luminoso e la Potenza elettrica, si indica con η e l’unità di misura è, ovviamente, lumen/Watt. Una lampada ad incandescenza il cui flusso luminoso è pari a 1400 lumen e la cui potenza elettrica vale 100 Watt, avrà un’efficienza luminosa specifica uguale a 14 lm/W mentre una lampada fluorescente da 2800 lumen e 40 Watt avrà un’efficienza pari a 70 lm/W.

Tungsten incandescent light bulb: 12.5-17.5 lm/W
Halogen lamp: 16-24 lm/W
Fluorescent lamp: 45-75 lm/W
LED lamp: 30-90 lm/W
Metal halide lamp: 75-100 lm/W
High pressure sodium vapor lamp: 85-150 lm/W
Low pressure sodium vapor lamp: 100-200 lm/W
Mercury vapor lamp: 35-65 lm/W

Flusso luminoso

Intensità luminosa – Iα, Candela (lm/sterad)

Flusso luminoso emesso dalla sorgente entro l’angolo solido dω attorno ad una data direzione. L’intensità luminosa si indica con Iα e la sua unità di misura è la Candela (cd = lm/sterad ovvero lumen su steradiante). Il valore pari a 1 candela rappresenta l’intensità luminosa emessa in una data direzione da una sorgente che genera una radiazione monocromatica con lunghezza d’onda λ=555 nm (giallo-verde, massimo della sensibilità per l’occhio umano) e con intensità radiante pari a 1/683 W/steradiante.

1 candela = 1 lumen / 1 sterad
L’angolo solido è un estensione, nello spazio tridimensionale, dell’angolo piano.

Intensità luminosa

Illuminamento – E, Lux (lm/m2)

L’illuminamento in un dato punto di una superficie è uguale al flusso luminoso incidente per unità di superficie ricevente. L’illuminamento si indica con E e la sua unità di misura è il Lux (lx = lm/m2). La legge dell’inverso del quadrato esprime l’illuminamento E, in un punto di un piano perpendicolare alla direzione di incidenza della luce, come il rapporto tra l’intensità luminosa I nella direzione del dato punto e il quadrato della distanza d tra sorgente luminosa puntiforme ed il punto stesso.

E = I / d2
1 Lux = 1 lumen / 1 m2 =  (1 candela · 1 steradiante) / 1 m2

Illuminamento

Luminanza – L, Nit (cd/m2)

La luminanza in un punto di una superficie, in una determinata direzione di vista, è il rapporto tra l’intensità luminosa emessa in quella direzione e la superficie emittente proiettata su un piano perpendicolare alla direzione stessa. La luminanza si indica con L e la sua unità di misura è il Nit (cd/m2) o, in alternativa, lo Stilb (cd/cm2).

1 Nit = 1 candela / 1 m2 =  (1 lumen / 1 sterad) · m-2

Illuminamento e Luminanza

Energia luminosa – Qv, Lumen per secondo (lm·s)

Energia trasportata dal flusso luminoso considerato, si indica con Qv e la sua unità di misura è il lumen per secondo.

1 lumen · secondo = 1 candela · 1 steradiante · secondo

Emettenza luminosa (luminosità) – Mv, Lux (lm/m2)

Indica il rapporto tra il flusso luminoso e l’unità di superficie emettente (al contrario dell’illuminamento che rapporta il flusso luminoso con l’unità di superficie ricevente), si indica con Mv e la sua unità di misura è, ovviamente, il lumen su metro quadro.

Fattore di trasmissione, fattore di riflessione e fattore di assorbimento

Degni di nota sono anche i fattori di trasmissione, riflessione e assorbimento. Il primo esprime il rapporto tra il flusso luminoso trasmesso attraverso un dato materiale ed il flusso luminoso incidente su di esso, il secondo esprime il rapporto tra il flusso luminoso riflesso da un dato materiale ed il flusso luminoso incidente su di esso ed il terzo esprime il rapporto tra il flusso luminoso assorbito dal materiale ed il flusso luminoso incidente.

Fonti:
Lezioni e appunti universitari di Fisica Tecnica.
Enciclopedia UTET.
Strumenti utilizzati dall’autore per il caso di studio precedentemente citato.

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