Presentazione lez illuminotecnica def - unirc.it · La percezione della luce, le grandezze...

Elementi di illuminotecnica

Capitolo 1

La percezione della luce, le grandezze

fotometriche e la prestazione visiva

La luce

• La luce è energia radiante elettromagnetica che l’occhio umano riesce a percepire. E’ caratterizzata dalla lunghezza dell’onda λ e dalla sua frequenza ν, legate dalla relazione:

c = ν λ• “c” la velocità della luce nel vuoto (circa 300.000 km/s).

Spettro elettromagnetico

Spettro elettromagnetico

Spettro del visibile

La luce visibile dall’occhio umano è una piccola banda di lunghezze d’onda del campo elettromagnetico (10-12 metri -103 metri)

380 – 780 nm

�L’occhio ha una diversa sensibilitàalle radiazioni luminose alle varie lunghezze d’onda

�Esso associa a ogni lunghezze d’onda una sensazione di colore che va dal rosso al violetto

�

I raggi di piccola lunghezza d’onda (blu) vengono fortemente deviati e convergono un po’ prima della retina

Quelli di grande lunghezza d’onda (rosso) convergono un po’ dopo,

Quelli la cui lunghezza d’onda è circa 555 nm (giallo) formano un’immagine nitida direttamente sulla retina.

Meccanismo di rifrazione del raggio luminoso attrav erso l’occhio

• Le condizioni di visione notturna sono dovute ai “bastoncelli”, mentre

• La visione diurna avviene grazie ai “coni”.Coni e bastoncelli sono elementi sensoriali del sistema visivo che trasducono l’energia luminosa in impulsi elettrici.

Quindi:- I bastoncelli danno luogo a un processo di adattamento

al buio. L’adattamento da un ambiente luminoso a uno più buio o completamente privo di luce non è immediato (da qualche min a quasi 1 h).

- I coni sono responsabili dell’adattamento alla luce

Per spostamento di Purkinje si intende il cambiamento nella sensibilità dei colori dell’occhio, che avviene passando dalle ore soleggiate a quelle dell’alba e del tramonto e notturne. In pratica si passa dalla percezione visiva ad opera dei coni a quella dei bastoncelli.

I coni sono sono sensibili alle lunghezze d’onda del giallo-verde

I bastoncelli sono sensibili alle lunghezze d’onda del blu-verde

Spostamento di Purkinje

Le curve mostrano tale spostamento tra la visione diurna e quella notturna

Per quantificare la sensibilità visiva dell’occhio umano medio a radiazioni di diverse lungh. d’onda ma di pari energia si utilizza una funzione detta fattore di visibilità K(λ) il cui valore dipende da λ.

Fattore di visibilità K(λ)• K(λ) è definita in modo tale che date due potenze radiative P(λ1) e

P(λ2) relative a due radiazioni monocromatiche di diversa λ, le sensazioni visive da esse generate sono equivalenti se si verifica che:P(λ1)·K(λ1) = P(λ2)·K(λ2)K(λ) = Kmax per λ= 555 nmKmax = 683 lumen/Watt

lumen è l’unità di misura del flusso luminoso associato alla radiazione (energia luminosa che attraversa l’unità di superficie nell’unità di tempo)

Coefficiente di visibilità V (λ)

V (λ)= K (λ)/Kmaxper K (λ)=Kmax V(λ)= 1 λ)= 555nm

Curve di visibilità

in visione fotopica e

in visione scotopica

L’acuità visiva è la capacità dell’occhio di percepire e distinguere i dettagli degli oggetti.L’acuità è uguale ad 1 se l’occhio distingue due punti distanti tra loro 1 mm posti a 3.44 m dall’osservatore, quindi con un angolo di visuale αuguale ad 1.’

L’acuità visuale dipende dalla luminanza degli oggetti osservati, nonchéda quella dello sfondo.

Percezione visiva

Il campo visiva e l’acuità visiva

Le grandezze fotometriche


Flusso luminosoIntensità luminosa

Illuminamento

Radianza Luminanza

Grandezza caratteristiche della sorgente luminosa

Grandezza caratteristica dell’effetto prodotto dalla sorgente sull’oggetto

Grandezze caratteristiche sia della sorgente sia dell’oggetto illuminato che esso stesso sorgente secondaria (riflessione)

Flusso luminoso

Il FLUSSO LUMINOSO Φ è definito come l’energia luminosa che attraversa l’unità di superficie nell’unità di tempo.

Se usassimo un’analogia con il flusso di un fluido, il flusso corrisponderebbe ad una portata in l/s di una corrente.

Per radiazioni monocromatiche si può scrivere: Φλ

= K(λ)P(λ) [W]

Pertanto, se consideriamo una sorgente che emette una potenza Φλ

[W], il flusso luminoso Φl per sorgenti monocromatiche risulta:

Φl = Vλ Φλ [lumen]

dove Vλ è il coefficiente di visibilità (V λ= lumen/Watt [lm/W]).

Per sorgenti policromatiche :

λλλλφ d)(K

d)(dPnm780

nm380l ∫=

λλ

d)(dP potenza energetica emessa

per lunghezza d’onda.

Flusso luminoso

Essendo V=K/Kmax e Kmax = 683 lm/W si scrive

][)()(683

)()()(

780

380

780

380

max

780

380

lmdVd

dP

dVd

dPKdK

d

dP

nm

nm

nm

nm

nm

nm

l

∫

∫∫

=

===

λλλ

λλλ

λλλ

φ

• La sensibilità dell’occhio è massima per lunghezza d’onda di 555 nm in visione diurna.

• Una potenza pari a 1 Watt corrisponde alla lunghezza d’onda di 555 nm a 683 lumen

• Il flusso a λ = 555 nm vale:

Φλ =0,55 = 1 Watt flusso energeticoΦ = 683 lumen flusso luminoso

Flusso luminoso

INTENSITA’ LUMINOSA I rappresenta la quantità di flusso luminoso emessa in una specifica direzione.

Data una sorgente puntiforme, l’intensità luminosa ( I) esprime il flusso emesso da tale sorgente infinitesima, nell’angolo solido elementare ωωωω attorno ad una data direzione r.

ΙΙΙΙ = dΦΦΦΦ / dωωωω [candele]

dovedΦΦΦΦ = flusso luminoso emesso [lm]dωωωω= angolo solido [sr]ΙΙΙΙ = candela [cd]

• 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 completamentedescritto da un'unica curva fotometrica)

Spesso i solidi fotometrici presentano delle asimme trie rispettoad uno o più assi, in tal caso il solido è individuab ile mediante l’utilizzo di uno o più diagrammi polari piani, otte nuti intersecando il solido fotometrico con uno o più pia ni passanti per l’asse di simmetria. Si ottengono cosi le curve fotometriche .

curva fotometrica di una lampada ad incandescenza


ILLUMINAMENTO E rappresenta il flusso luminoso incidente su una superficie per unità di area della st essa (dS):

E = dΦΦΦΦ / dS [lux]

ILLUMINAMENTO

Nel caso di flusso lumino uniforme risulta:

][luxA

E lΦ=


La LUMINANZA L misura la luminosità e la quantità direzionale dell’intensità luminosa.

La luminanza di una sorgente nella direzione αααα viene definita dal rapporto tra l’intensità luminosa irradiata e la su perficie emittente apparente (proiezione della superficie emit tente sull’ortogonale alla direzione).

Per L <10-3cd/m 2 si ha visione scotopicaper L >3 cd/m 2 si ha visione totalmente fotopicaNit (cd/m2)

La luminanza è la grandezza illuminotecnica piùdirettamente correlata alla visione: essa tiene conto non solo della quantità di energia che raggiunge l'occhio, ma anche della sensazione di abbagliamento odi fastidio che essa può produrre.


La RADIANZA M rappresenta la quantità totale di flusso luminoso riflesso o trasmesso da una sorgente.

dAd

Mφ=

Se r è il coefficiente di riflessione della superfic ie si ha:M = ρρρρ E

Se r è uguale a 1 e ciò avviene per una superficie perfettamente riflettente (bianca) si ha: M = E

RADIANZA

L’unità di misura della radianza è lm/m2 (dimensionalmenteomogenea all’illuminamento).

Il flusso luminoso che viene considerato per misurare la radianza può però essere generato non solo da una riflessione (e quindi R = ρE ), ma anche da una trasmissione (R = τE)


GRANDEZZA

FOTOMETRICA

SIMBOLO ESPRESSIONE

MATEMATICA

UNITA’ DI

MISURA

Flusso luminoso Φ K(λ)P (λ) lumen [lm]

Intensità luminosa I dΦ/dω candela

[lm/sterad]

Illuminamento E dΦ/dA lux [lm/m2]

Luminanza L dI/dAcosα nit [cd/m2]

Radianza M dΦ/dA lux s.b. [lm/m2]

Proprietà ottiche dei materiali

Radiazione solare incidente su un corpo

• Un raggio luminoso che incide una superficie può essere RIFLESSO, ASSORBITO o TRASMESSO.

• Coefficiente di riflessione (ρ): [En. Riflessa /En. Incidente]

• Coefficiente di assorbimento (α): [En.assorbita/ En. Incidente]

• Coefficiente di trasmissione (τ): [En.trasmessa/En. Incidente]

ρ + α + τ =1

Riflessione speculare: Raggi riflessi mantenuti paralleli.

Angolo incidenza=Angolo riflessione

Riflessione diffusa: la luce riflessa si distribuisce in intensità e direzione descrivendo una superficie sferica tangente alla superficie (superfici lambertiane)


Definita ΦΦΦΦa la quota di flusso assorbito, si definisce FATTORE DI ASSORBIMENTO αααα, caratteristico del materiale in oggetto, il rapporto:

i

a

φφα =

Le superfici colorate hanno αααα<1 poichétrattengono la quota di energia delle radiazioni con lunghezza d’onda λλλλ che sono presenti nella luce incidente, ma non sono riflesse dalla superficie colorata.


Si definisce il FATTORE DI RIFLESSIONE ρρρρ come il rapporto tra flusso riflesso ΦΦΦΦr e flusso incidente ΦΦΦΦi:

i

r

φφρ =

Riflessione speculare

Riflessione mista

Riflessione diffusa


Il FATTORE DI TRASMISSIONE ττττ è dato dal rapporto tra flusso trasmesso ΦΦΦΦt e flusso incidente ΦΦΦΦi:

i

t

φφτ =

Nei materiali trasparenti la radiazione incidente s ubisce il fenomeno della rifrazione ottica che consiste nel cambiamento della traiettoria di propagazione ogni volta che si verifica un transito da un mezzo ad un altro.

n1 /n2 = sen αααα2/senαααα1

Legge di Snell (1591-1626):

In cui n1 ed n2 sono gli indici di rifrazione assoluti dei due mezzi, dati dal rapporto tra la velocità della luce nel vuoto c e la velocità della luce nel mezzo considerato c’. n1 = c/c’1 n2 =c/c’2

• L’indice di rifrazione è un rapporto di velocità e quindi è un numero adimensionale.

• La rifrazione dipende anche da λ: un raggio luminoso di lunghezza d'onda minore, subisce una rifrazione maggiore.

• L’indice di rifrazione assoluto di un mezzo è il rapporto della velocitàdella luce nel mezzo, rispetto alla velocità della luce nel vuoto, al quale si attribuisce indice di rifrazione n = 1.

• Indice di rifrazione dell’aria rispetto all’acqua= 1.33.

Rifrazione

Il primo mezzo è meno rifrangente del secondo

αi

αr

1)

2)

12

1 <=i

r

sen

sen

n

n

αα

αi

αr

1) Aria

2) vetro

αi

3) Aria

Una radiazione monocromatica che attraversa un mezzo trasparente di spessore finito (ad esempio una lastra di vetro) viene sottoposta a due rifrazioni consecutive.

Se le due superficie di interfaccia aria-vetro e vetro-aria sono fra loro parallele, si ottiene una semplice traslazione dei raggi che manterranno comunque la direzione originale

La prestazione visiva

Il concetto di prestazione visiva (visual performance ) fu introdotto da Weston nel 1949, intendendo con tale termine il rapporto tra il lavoro svolto ad un dato illumin amento e quello svolto con un livello di illuminamento ideal e. Di fatto Weston individuò una serie di fattori che influenzavano tale prestazione:

•luminanza e colore

•contrasti di luminanza e di colore tra il dettaglio e lo

sfondo

•dimensioni angolari e forma del dettaglio

•posizione del dettaglio nel campo visivo

•efficienza dell’apparato visivo dell’osservatore

•tempo di osservazione

•grado di attenzione

•difficoltà del compito visivo


Il CONTRASTO DI LUMINANZA C può essere espresso mediante l'equazione:• L2 è la luminanza dell'oggetto;• L1 è la luminanza dello sfondo.I contrasti di luminanza sono essenziali ai fini de lla percezione visiva perché senza un sufficiente valore di contrasto null a si può vedere. Il problema è però quello di ottenere un giusto equilib rio di luminanze.

1

12

L

LLC

−=

LIVELLI DI ILLUMINAMENTO per luoghi e attività e compiti visivi proposti dalla CIE nel 1987 in base agli stu di di Weston.


L’ABBAGLIAMENTO è uno dei fattori del progetto illuminotecnico che richiede più attenzione. È la condizione in cui, per effetto di luminanze mol to elevate o di differenze di luminanze troppo accentuate la percez ione visiva risulta difficile o si viene a creare un senso di "discomfo rt".

Si può determinare l’abbagliamento, ad esempio, in funzione dei valori di contrasto:•C = 2-2,5 valori di contrasto ottimali•C = 9-12 abbagliamento

METODO TABELLARE CIE

• A ciascuna lunghezza d’onda della radiazione luminosa compresa nel cosiddetto intervallo del visibile corrisponde una diversa sensazione visiva , la cui qualità è associata al concetto di colore .

• La luce bianca del sole è una miscela di tutte le radiazioni con lunghezze d’onda comprese nel visibile e di radiazioni che si trovano all’esterno di tale intervallo

Una sorgente luminosa viene caratterizzare dal punto di vista cromatico attribuendo alla sua luce una cosiddetta temperatura di colore correlata .

Si definisce “temperatura di colore ” la temperatura (espressa in Kelvin) di un corpo nero che emette luce dello stesso colore

Temperatura di colore


LA TEMPERATURA DI COLORE rappresenta il livello termico che deve raggiungere il corpo nero per generare luc e della stessa tonalità della luce prodotta dalla sorgente i n esame.

Diagramma di Kruithof

Cenni di colorimetria

La colorimetria è la scienza che classifica i colori . I primi studi in questa disciplina furono condotti da emine nti scienziati quali Isaac Newton, Thomas Young e James ClerkMaxwell. I sistemi oggi utilizzati per la valutazio ne oggettiva dei colori sono essenzialmente due:

- Il SISTEMA CIE (Commission Internationale pour l’Eclarage)

- Il SISTEMA MUNSELL

A livello italiano la denominazione ufficiale dei c olori è definita dalla NORMA UNI 9810:1991 . La sensazione visiva, a differenza di quella uditiv a, non permette di distinguere in un fascio luminoso policromatico le varie componenti monocromatiche. Per decomporre un fascio di radiazioni policromatiche nelle sue componenti si u tilizza uno strumento normalizzato denominato colorimetro.

SISTEMA CIE

• Qualunque colore può essere ottenuto attraverso la miscelazione di tre colori primari opportunamente scelti.

Le quantità X, Y e Z sono chiamate componenti tricromatiche e possono essere definite con rapporti adimensionali x, y, z , detti coordinate tricromatiche:

ZYXX

x++

=ZYX

Yy

++=

ZYXZ

z++

=

SISTEMA (RGB): X= RossoY= VerdeZ= Blu

La curva a campana è ottenuta congiungendo i punti rappresentativi delle radiazioni monocromatiche da 380 a 780 nm

SISTEMA CIE: Carta Cromatica (x;y)

• I colori viola e magenta si trovano sul segmento di retta che congiunge i due estremi liberi della parabola. •La zona centrale del diagramma rappresenta il bianco. •Tutti i colori reali si trovano all’interno della curva. • Miscelando quantità dei tre colori primari possono essere ottenuti tutti i colori

(colori spettrali ).

Questa classificazione definisce tre attributi dei colori:

• Tinta (Hue Scale): è la sensazione percepita che dà il nome al colore: giallo, rosso, blu. Sono previsti colori intermedi e unasuddivisione numerica degli stessi

• Valore di brillantezza (Value Scale): è una misura soggettiva dell’intensità percepita dell’oggetto riflettente, misurata su una scala che va da 0 (nero assoluto) a 10 (bianco perfetto);

• Croma o saturazione (Chrome) : è la pienezza o l’intensità del colore; per ogni colore sono definite delle classi, in numero variabile, di saturazione; il numero minimo di classi (10) è associato al colore blu, il numero massimo (18) al rosso.

SISTEMA DI MUNSELL

Scala del valore : dal basso verso l’alto si passa dal nero al bianco.

10 raggi su cui si individuano le 10 tinte fondamentali .

Ciascuna delle tinte fondamentali èa sua volta suddivisa in 10 sottotinte.

•Sul raggio di ciascuna tinta è riportata la scala del croma :

all’origine del raggio: il colore ha la saturazione minima, man mano che ci si allontana il valore di saturazione cresce.

SISTEMA DI MUNSELL

Ciascun colore viene individuato attraverso una sigla:Tinta-Brillantezza/Croma

ESEMPIO: 5P – 5/8 rappresenta il viola di tinta 5, Brillantezza 5 e Croma 8.

Presentazione lez illuminotecnica def - unirc.it · La percezione della luce, le grandezze...

Documents

Transcript of Presentazione lez illuminotecnica def - unirc.it · La percezione della luce, le grandezze...