La luce e la sua misura
Prof. Gianpietro Cagnoli
ITIS “L. e A. Franchetti”
Citta’ di Castello
27 Nov. 2008
L’occhio e la visione
• 120·106 bastoncelli
• 6·106 coni di 3 tipi sensibili ai colori
27 Nov 2008
La luce e la sua misura
2 di 30
I colori - Fisica
27 Nov 2008
La luce e la sua misura
3 di 30
I colori - Percezione
• 3 tipi di coni sensibili a 3 bande diverse
• I colori percepiti sono il risultato della
composizione di stimoli
• Possiamo vedere piu’
colori di quelli presenti
nell’arcobaleno!!!!
Quali sono questi colori che
non sono nell’arcobaleno?
Marrone, Prugna, Violetto …
27 Nov 2008
La luce e la sua misura
4 di 30
Energia e Potenza della luce
• Come qualsiasi onda, anche la luce trasporta
Energia
• L’Energia e’ proporzionale al quadrato
dell’Ampiezza dell’onda, alla sua “Vastità” e
alla sua Lunghezza
• La Potenza dell’onda
e’ proporzionale al
quadrato dell’Ampiezza, alla sua Vastità, ed
alla sua Velocità
P = E/t
L’occhio e’ sensibile alla potenza della luce
che entra nella pupilla
27 Nov 2008
La luce e la sua misura
5 di 30
La sensibilita’ dell’occhio
27 Nov 2008
La luce e la sua misura
SENSIBILITA’ SPETTRALE RELATIVA
DELL’OCCHIO UMANO
780
627
589
566
495
380
V(l)
436
• Uguali potenze di luce a differenti lunghezze
d’onda l provocano sensazioni di diversa intensita’
6 di 30
Le curve
Fotopiche e Scotopiche
Fotopica = luminosita’ a livello normale, si vedono i colori
Scotopica = basso livello di luminosita’, assenza di colori
100%
90%
Fotopica
80%
Scotopica
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
350
27 Nov 2008
400
450
500
550
600
La luce e la sua misura
l [nm]
650
700
750
7 di 30
La Fotometria
• La Fotometria si occupa della misura della
luce in relazione agli effetti della percezione
visiva
• Si differenzia dalla Radiometria perche’
quest’ultima non tiene conto della percezione
visiva
quindi
• La Fotometria tiene conto della Fisiologia
umana
• La Radiometria tratta ugualmente tutte le
lunghezze d’onda
27 Nov 2008
La luce e la sua misura
8 di 30
Le grandezze fotometriche
CONSIDERANDO
L’EMISSIONE
CONSIDERANDO
LA RICEZIONE
a) Flusso luminoso f
a) Illuminamento E
b) Intensita’ luminosa I
c) Luminanza L
d) Indice di abbagliamento UGR
e) Temperatura di colore T
f) Indice di resa dei colori Ra
g) Efficienza luminosa h
27 Nov 2008
La luce e la sua misura
9 di 30
Il Flusso Luminoso
f-1
• Rappresenta la potenza totale emessa da
una sorgente luminosa
• Sarebbe misurata in Watt se l’occhio avesse
una sensibilita’ costante. E’ invece misurata in
lumen (lm)
• L’equivalenza e’ la seguente:
1 W = 683 lm
quando l = 555 nm
• 1 lm di giallo o 1 lm di verde o di luce bianca
producono lo stesso effetto visivo
• Una lampadina chiara da 60 W emette 650 lm
Il display del cellulare, circa 1 lm
27 Nov 2008
La luce e la sua misura
10 di 30
Il Flusso Luminoso
f-2
• Per misurare il f di una sorgente luminosa
bisogna usare la Sfera di Ulbricht
27 Nov 2008
La luce e la sua misura
11 di 30
L’Intensita’ I - 1
• Una lampadina emette la luce in tutte le
direzioni allo stesso modo, ma altre sorgenti,
come il display del cellulare emettono in
maniera disomogenea
• Si definisce allora una grandezza che e’ il
flusso emesso nell’unita’ di angolo solido
I=
27 Nov 2008
La luce e la sua misura
Df
Dw
12 di 30
L’Intensita’ I - 2
• L’Intensita’ luminosa e’ quindi
I=
Df
Dw
• L’unita’ di misura e’ la Candela (cd)
1 cd = 1 lm / 1 rad
• Esempio:
dato che l’angolo solido di una sfera e’ 4p rad,
la lampadina da 60 W di prima emette una
intensita’ I = 650 lm / 4p rad ≈ 52 cd
• Per un cono di angolo 2q, l’angolo solido vale:
w = 2p (1 – cos q)
27 Nov 2008
La luce e la sua misura
13 di 30
La Luminanza L - 1
• La Luminanza quantifica l’aggettivo “brillante”
• La Luminanza e’ la densita’ superficiale di
Intensita’ luminosa
L=
I
S
dove S e’ la superficie normale o efficace della
sorgente
S
27 Nov 2008
[L] = cd m-2 = nit
Lo schermo di un cellulare
ha una luminanza di circa
200 nit
La luce e la sua misura
14 di 30
La Luminanza L - 2
Come esempio di calcolo della luminanza
consideriamo una lampada a vapore di sodio ad
alta pressione con tubo di scarica cilindrico di
8 x 100 mm2 che emetta perpendicolarmente alla
superficie cilindrica un'intensità luminosa
I = 4000 cd.
La luminanza di questa superficie per un
osservatore posto nella stessa direzione è:
L = 4000 / (100 x 8) = 5 cd/ mm2 = 5 106 cd/m2.
27 Nov 2008
La luce e la sua misura
15 di 30
La Luminanza L - 3
Ordini di grandezza della luminanza:
• Superficie del sole 1.650.000.000 cd / m2
• Lampada fluorescente lineare 8.000 cd / m2
• Superficie della luna piena 2.500 cd / m2
• Strada a traffico veloce sotto illuminazione
artificiale circa 2 cd / m2
27 Nov 2008
La luce e la sua misura
16 di 30
L’Illuminamento E - 1
• Consideriamo ora l’unica grandezza che si
occupa della ricezione della luce
• L’Illuminamento E e’ la densita’ superficiale
di potenza ricevuta da una superficie S
E=
f/S
Sn
• [E] = lm / m2 = lux
27 Nov 2008
Sn=S cos q
S
q
La luce e la sua misura
17 di 30
L’Illuminamento E - 2
• L’Illuminamento segue la legge dell’inverso del
quadrato della distanza: Sn = w·d2
w
Sn
E = f/S = I·w/Sn=
= I·w/w·d2 =
= I/d2
• In estate, a mezzogiorno, in pieno sole: circa 100.000 lux
• In inverno, a mezzogiorno, all'aperto: circa 10.000 lux
• Luna piena con cielo senza nuvole: circa 0.25 lux
27 Nov 2008
La luce e la sua misura
18 di 30
L’abbagliamento UGR
• Il parametro UGR (Unified Glare Rating) cerca
di quantificare il fastidio creato dalle sorgenti
luminose che entrano nel nostro campo visivo
• L’idea espressa dal calcolo dell’UGR e’ la
seguente:
una sorgente e’ tanto piu’ fastidiosa quanto
piu’ alto e’ il contrasto con la luminosita’ di
fondo e quanto piu’ e’ al centro del nostro
campo visivo
27 Nov 2008
La luce e la sua misura
19 di 30
Calcolo dell’UGR
 1
UGR  8 log10 
 4  Lb

L w 
 2
p 
2
Lb = Luminanza di fondo espressa in cd·m-2
calcolata come Eind/p (E = illuminamento)
L = Luminanza delle sorgenti luminose
w = angolo solido delle sorgenti luminose
p = indice di posizione di Guth tanto piu’ grande
quanto piu’ la sorgente e’ ai margini del
campo visivo
27 Nov 2008
La luce e la sua misura
20 di 30
L’indice di posizione p
(formula forse sbagliata…)
Il calcolo di UGR, e quindi quello di p, si trovano nei
documenti UNI 11165 (2005) e CIE 117 (1995),
entrambi disponibili a pagamento
1
d2  A
 2
 0.12  (1  A)
p d  1.5  d  4.6
A
2
3

 0.18 s  0.01 s 

d
d 

e
d = distanza longitudinale tra l’occhio e la sorgente
s = distanza trasversale tra l’occhio e la sorgente
27 Nov 2008
La luce e la sua misura
21 di 30
Il calcolo di p
1
d2  A

 0.12  (1  A)
p d 2  1.5  d  4.6
s
O
V
A
2
3

 0.18 s  0.01 s 

d
d 
e
d
27 Nov 2008
La luce e la sua misura
22 di 30
Il grafico di p secondo Guth
V/d
O/d
27 Nov 2008
La luce e la sua misura
23 di 30
I valori raccomandati UNI
Massimo comfort 16 < UGR < 30 Massimo abbagliamento
27 Nov 2008
La luce e la sua misura
24 di 30
Dove siamo arrivati…
CONSIDERANDO
L’EMISSIONE
CONSIDERANDO
LA RICEZIONE
a) Flusso luminoso f
a) Illuminamento E
b) Intensita’ luminosa I
c) Luminanza L
d) Indice di abbagliamento UGR
e) Temperatura di colore T
f) Indice di resa dei colori Ra
g) Efficienza luminosa h
27 Nov 2008
La luce e la sua misura
25 di 30
La temperatura di colore T
• Sappiamo che le luci sono di diverso colore:
una lampadina normale produce una luce giallina
mentre un neon una luce bluastra
• La Temperatura di Colore T quantifica la tonalita’
di una sorgente luminosa
- da 3000 a 3500 K : colore bianco caldo;
- da 4000 a 5000 K : colore bianco neutro;
- da 5500 a 7000 K : colore bianco freddo.
• Si parla di temperatura perche’ a quelle
temperature un oggetto emette una luce tanto piu’
blu quanto piu’ e’ alta la temperatura
27 Nov 2008
La luce e la sua misura
26 di 30
Resa dei colori
Color Rendering Index
• Si usano 8 colori pastello (Test Color) e si misurano
gli spostamenti delle loro coordinate cromatiche
quando sono illuminati dalla luce da misurare
27 Nov 2008
La luce e la sua misura
27 di 30
Color Rendering Index Ra
• Se lo spostamento e’ nullo allora Ra =100
Significa che la lampada e’ ottima
Light source
CCT (K)
Ra
Low Pressure Sodium (LPS/SOX)
1800
~5
Clear Mercury-vapor
6410
17
High Pressure Sodium (HPS/SON)
2100
24
Coated Mercury-vapor
3600
49
Halophosphate Cool White fluorescent
4230
64
Tri-phosphor Warm White Fluorescent
2940
73
Halophosphate Cool Daylight Fluorescent
6430
76
Quartz Metal Halide
4200
85
Tri-phosphor Cool White fluorescent
4080
89
Ceramic Metal Halide
5400
96
Incandescent/Halogen Light Bulb
3200
100
27 Nov 2008
La luce e la sua misura
28 di 30
Efficienza luminosa h
• L’Efficienza Luminosa h e’ il rapporto tra il
flusso luminoso f prodotto da una lampada e
la potenza elettrica P che dobbiamo fornirgli
h=
f
[h] =
P
lm
W
• Le lampade ad incandescenza hanno un
rendimento di circa 12 lm/W
• Quelle al vapore di sodio a bassa pressione
hanno un rendimento di 200 lm/W
27 Nov 2008
La luce e la sua misura
29 di 30
Grazie per l’attenzione
e
BUON LAVORO !!
27 Nov 2008
La luce e la sua misura
30 di 30