La luce:
Cenni storici
Fondamenti di Radiometria e
Fotometria
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La luce: cosa è?
•
Newton (1700): teoria corpuscolare
– La luce è composta da miriadi di particelle microscopiche
•
Huygens(1700): teoria ondulatoria
–
•
La luce è un’onda che si propaga nell’etere, ovvero una
vibrazione come il suono nell’aria
Esperimenti di Thomas Young (inizio 1800)
–
•
Sembrarono confermare che la luce è un’onda
Esperimenti di Michelson e Morley (1887)
–
2
Evidenziarono che l’etere non esiste e che la luce ha una velocità
costante rispetto al moto della terra da qualsiasi direzione
provenga. Quindi non può essere una vibrazione dell’etere
La luce: ipotesi ondulatoria
•
Un’onda può essere descritta tramite:
1. Ampiezza A: la differenza di livello tra picchi e valli
2. Lunghezza d’onda : la distanza tra due picchi successivi
3. Velocità v: se si muove rispetto ad un sistema di
riferimento (non è stazionaria)
4. Frequenza f: con
f =v/
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La luce: ipotesi ondulatoria
•
Faraday (1850)
– Ipotizzò che la luce fosse un’onda elettromagnetica
•
Maxwell (1864)
–
4
Descrisse il comportamento delle onde elettromagnetiche
La luce: polarizzazione
•
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Lungo la direzione di
propagazione può avvenire
che l’onda ruoti o compia
altri movimenti sul suo asse
La luce: spettro
•
•
•
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Una radiazione composta da una sola onda di
ampiezza e frequenza fisse è detta
monocromatica
Come le onde del mare anche la luce non è
composta da una sola onda ma dalla somma di
onde di ampiezze e frequenze differenti (somma di
onde monocromatiche)
Lo spettro descrive le ampiezze delle onde
monocromatiche di differenti frequenze che
compongono una radiazione
La luce: rappresentazione dello spettro
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Lo spettro della radiazione em
•L’intervallo della luce visibile è: 380 – 780 nm
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La luce
•
•
•
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Vari esperimenti (Kirchoff, Rayleigh, Wien,
Planck e poi Einstein) nella seconda metà del 1800
e all’inizio del 1900 mostrarono che considerare la
luce come onda e.m. non spiegava alcuni fenomeni
In alcuni casi la luce presenta un comportamento
corpuscolare
Heisenberg e Schroedinger (1920) posero le basi
della fisica quantistica. I fotoni come quanti di
luce.
La luce e la materia: radiometria
•
•
•
•
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Ai fini dello studio della interazione con la materia
si considera la luce come una radiazione elettro
magnetica (e.m)
Lo studio delle radiazioni e.m. è oggetto della
radiometria
La radiometria studia il trasferimento di energia
radiante tramite un insieme di grandezze fisiche
scalari (ovvero non vettoriali)
Queste grandezze sono funzioni della lunghezza
d’onda (grandezze spettrali)
La velocità della luce
• Nel vuoto la velocità della luce è costante in tutti i
sistemi di riferimento
• Si indica con c e vale 299.792.458 m/s (circa
300.000 km/s)
• Negli altri mezzi la velocità è inferiore e decresce al
crescere dell’indice di rifrazione
• L’indice di rifrazione di un mezzo è definito come
rapporto tra velocità nel vuoto e velocità nel mezzo:
n = c/v
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La luce: la rifrazione
•
La luce che colpisce un materiale può essere:
1.
2.
3.
Assorbita (trasformata in un’altra forma di energia: calore….)
Riflessa (diffusamente e/o specularmente)
Trasmessa (diffusamente e/o specularmente)
•
Trasmissione speculare: Rifrazione, governata
dalla legge di Snell: n1sen1  n2 sen 2
1
n1
2
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n2
- denso
n1 < n2
+ denso
La luce: la dispersione
•
•
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L’indice di rifrazione di
un materiale non è una
costante, ma è funzione
della lunghezza d’onda
n()
Onde di lunghezza
differente hanno un
angolo di rifrazione
diverso nello stesso
mezzo: arcobaleno!
Misurare la luce: l’angolo solido di
proiezione
•
•
L’angolo solido  è una regione conica di spazio
definito dal rapporto tra l’area della superficie
racchiusa sulla sfera ed il raggio2 della stessa
Si misura in steradianti
[sr]

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A
r
2
Misurare la luce: grandezze
radiometriche
•
Energia radiante: Qe()
[Joule]
•
dQe ( )
Flusso radiante:  e ( ) 
dt
[Watt]
•
•
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È una misura della variazione di energia nel tempo
Ad esempio può indicare quanta energia esce da
una sorgente nell’unità di tempo
Misurare la luce: grandezze
radiometriche
•
•
•
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d e (  )
Intensità radiante: I e ( ) 
d
[Watt/sr]
Descrive il flusso rispetto ad una direzione
È utilizzata per descrivere la forma della energia
che esce da una sorgente
Misurare la luce: grandezze
radiometriche
•
•
•
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Irradianza Ee
Uscita radiante Me
d e ( )
E e ( )  M e (  ) 
dA
[Watt/m2]
Descrive il flusso che arriva (E) o esce (M) da
un’area
È utilizzata per descrivere l’energia che arriva (o
lascia) una superficie
Misurare la luce: grandezze
radiometriche
•
Radianza:
–
–
–
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d  e ( )
Le ( ) 
ddA cos
2
[Watt/sr m2]
dA area della sorgente emittente
cosӨ dipende dall’angolo che la sorgente ha rispetto al ricettore
d dipende dalla dimensione del ricettore
Misurare la luce: fotometria
•
•
•
•
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Una radiazione e.m. come viene percepita da un
osservatore umano?
La valutazione visiva di uno stimolo radiometrico
è oggetto della fotometria.
La funzione di efficacia luminosa spettrale K()
valuta la sensibilità alle radiazioni e.m.
dell’osservatore umano medio
K() è stata misurata sperimentalmente su un
campione di soggetti umani e ottenuta come media
dei valori rilevati
Misurare la luce: fotometria
•
Efficacia luminosa spettrale K() :
–
–
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max sensibilità:
min sensibilità: BLU
GIALLO
ROSSO
Misurare la luce: fotometria
•
•
•
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Ad ogni grandezza radiometrica corrisponde una
grandezza fotometrica pesata dalla (ovvero
moltiplicata per) efficacia luminosa spettrale K()
Essendo K() uguale a zero al di fuori
dell’intervallo delle lunghezze d’onda visibili
(380÷780 nm) ne consegue che anche le
grandezze fotometriche sono definite solo tra 380 e
780 nm
Per convenzione si usa il pedice v (visivo) invece
del pedice e (energetico) della radiometria
Misurare la luce: fotometria
•
Ad esempio il flusso luminoso è dato da:
780
v 

380
e
( )  K ( )d
[lm]
•
E le altre:
•
•
•
•
•
Energia radiante – Energia luminosa
Qv [T (talbot)]
Intensità radiante – Intensità luminosa Iv
[cd]
Irradianza – Illuminamento
Ev
[lux]
Uscita radiante – Uscita luminosa
Mv
[lux]
Radianza – Luminanza
Lv
[lux/sr]
[cd/m2]
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Misurare la luce: valori totali
•
•
•
Le grandezze spettrali viste sono funzioni della lunghezza
d’onda
Sovente nelle misure e applicazioni industriali si usano
piuttosto i valori totali in cui si considera la quantità di
energia a prescindere dalla composizione spettrale e
quindi dalla lunghezza ‘onda
Radianza totale
Luminanza (totale)
Le   Le ( )d

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780
Lv   Le ( ) K ( )d
380
Misurare la luce: valori totali
•
Significato grafico del valore totale:
Le()
Le
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Misurare la luce: strumenti di misura
Luxmetro: misura
l’illuminamento
Fotometro: misura
l’intensità luminosa
Sfera di Ulbricht:
misura il flusso
luminoso
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Luminanzometro: misura
la luminanza
Misurare la luce: strumenti di
misura
Colorimetro
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