Appunti di Illuminotecnica

Uniformità e illuminamento

L'uniformità è definita da due rapporti: l'indice di uniformità e l'indice di uniformità orizzontale. Per quanto riguarda l'illuminamento medio mantenuto, col passare del tempo il flusso emesso dalle sorgenti diminuisce. Le più durature sono le sorgenti fluorescenti, ciò dipende dall'invecchiamento delle lampade e accumulo di sporcizia. Em,man corrisponde quindi alla condizione massima di degrado prima della sostituzione, e per questa diminuzione di flusso, un impianto nuovo si sovra-illumina con un fattore F=1,25.

Aumentare Em,man

Em,man va aumentato se:

• Il c.v. è critico
• Per lavori di precisione
• Alta importanza o produttività
• Le capacità visive del lavoratore sono inferiori al normale
• Si lavora con dettagli molto piccoli
• Il tempo di svolgimento del lavoro è molto lungo

Il rapporto tra E e E corrisponde al fattore di manutenzione. M=E_man/(E_man*1,25).

Illuminamento e percezione visiva

Le aree dell'ambiente vengono suddivise in compito visivo, intorno del c.v., e sfondo del locale. I rapporti degli illuminamenti tra essi devono essere:

• CV: E_min/E_m > 0,7
• ICV: E_m,icv/E_m,cv > 0,5
• LO: E_m,lo/E_m,cv > 0,333

La percezione visiva tiene conto di:

• Prestazione dell'occhio nel portare a termine i compiti visivi (contrasti e abbagliamenti)
• Comfort visivo (luminanze e resa colori)
• Percezione dell'ambiente (uniformità e illuminamenti)

Compito visivo e abbagliamento

Il compito visivo primario occupa solo 120° e si adatta alla media di luminanze presenti. Se la differenza tra esse è troppo alta, si incorre nell'affaticamento visivo. In alcune situazioni progettuali temporanee, si può sfruttare la differenza delle luminanze per favorire la comunicazione visiva, ad esempio nelle mostre. Per evitare l'affaticamento visivo, i rapporti di luminanze devono essere 0,333 < L_sf/L_cv < 3.

Classificazione degli ambienti

La classificazione degli ambienti in base al rapporto delle luminanze è:

• Classe X: le riflessioni possono essere controllate
• Classe Y: le riflessioni vicine al c.v. possono essere controllate
• Classe Z: non è possibile controllare le riflessioni

Effetti dello squilibrio delle luminanze

Un altro effetto dello squilibrio delle luminanze è l'abbagliamento, che si verifica quando la luminanza supera la capacità di adattamento dell'occhio. Può dipendere dai cattivi prodotti dell'illuminazione, dall'impianto o dal progetto di interni.

Può avere due cause:

• Diretto: la sorgente è presente nel campo visivo (la direzione di osservazione > 45° alla verticale)
• Indiretto: è prodotto dalla riflessione da parte di sorgenti speculari o lucide che comporta una perdita di resa del contrasto

Effetti dell'abbagliamento

Gli effetti che ha sono invece:

• Abbagliamento molesto: sensazione di disagio psico-percettivo che non impedisce la visione
• Abbagliamento disabilitante: impedisce la visione per un certo periodo di tempo

Metodo UGR

Per valutare l'abbagliamento molesto, in passato si utilizzavano le curve limite CIE, adesso si usa il metodo UGR che tiene conto di:

• Posizione dell'osservatore
• Luminanza
• Dimensione impianto e ambiente
• Sfondo su cui sono montati gli apparecchi

È un metodo complesso utilizzato dai software di calcolo e ha un valore massimo di 30 (pessimo comfort visivo) e va valutato in base all'attività svolta.

Esempi di UGR

Esempi UGR:

• 13-16 per disegno e CAD
• 16-19 per verifiche e controlli
• 19-22 per scrittura o lettura
• 22-25 lavoro industriale medio
• 25-28 lavoro industriale grossolano

Contrasto e luminanza

Il contrasto è fondamentale per la visione, la sua perdita avviene quando L₁ ha un valore simile a L₂. Nel caso di superfici non lambertiane, quindi lucide, non si usa il fattore di riflessione ro, ma il fattore di luminanza beta, misurato con il goniofotometro, ed è il rapporto tra la luminanza riflessa dalla superficie lucida e quella riflessa da una superficie bianca ideale.

Per avere una buona resa del contrasto, la sorgente deve essere al di fuori del volume di offesa, cioè il volume che comprende tutte le direzioni di riflessione speculari al compito visivo. Le ottiche batwing, anche se comprese nel volume di offesa, non causano problemi perché hanno una bassa emissione nella direzione centrale.

Vincoli ambientali

Nell'ambito dei vincoli ambientali, bisogna tener conto di:

• Inquinamento luminoso
• Consumo di energia elettrica
• Impatto ambientale di produzione

Per favorire il risparmio energetico è necessario:

• Il corretto dimensionamento dei parametri
• Massimizzare la luce naturale
• Utilizzare sensori di luce e di presenza
• Manutenzione e pulizia
• Utilizzare lampade ad alta efficienza
• Utilizzare apparecchi ad alto rendimento

Requisiti di progettazione

I requisiti di progettazione sono:

• Uniformità degli illuminamenti
• Rapporti delle luminanze
• Controllo abbagliamenti e resa contrasti
• Direzionalità della luce
• Temperatura di colore
• Resa cromatica
• Efficienza energetica dell'impianto
• Funzionalità dell'impianto

Lez. 10: Sorgenti di luce

Se l'intensità emessa da una sorgente è uguale in tutte le direzioni, viene definita sorgente isotropa e si calcola I=Φ/4π. Nel caso di emissione lambertiana, l'intensità emessa diminuisce man mano ci allontaniamo dall'asse verticale per cui risulta I=I_max*cosα.

Mentre il flusso rispetto alla normale viene calcolato con Φ=I_max*π. La luminanza di un apparecchio viene definita come il rapporto tra l'intensità e l'area apparente L=I/A*cosα. Se una superficie lambertiana emette luce ha un'emettenza luminosa che corrisponde all'illuminamento, infatti si misura in lx.

Riflessione e trasmissione

Una superficie può riflettere o trasmettere la luce, ciò dipende da due fattori:

• ρ= Φ_r/Φ fattore di riflessione
• τ= Φ_t/Φ fattore di trasmissione

Per calcolare direttamente l'illuminamento in P, note l'altezza h e l'inclinazione α con cui arriva la luce, è possibile utilizzare questa formula: E_p =I*cos α/h².

Nonostante questa legge del coseno sia per le sorgenti puntiformi, si può utilizzare anche per sorgenti estese purché la zona da illuminare sia a una distanza di 5 volte la superficie di emissione, in tal modo l'errore sarebbe minore dell'1%. Non può essere utilizzata in caso di sorgenti circolari, rettangolari o lineari.

Lez. 11: Esperimenti sul colore

Sono stati fatti diversi tipi di esperimenti sul colore di natura fisica, ottica e percettiva. Il colore viene definito tramite tinta, saturazione e luminosità. Avendo una tinta pura e aggiungendo il bianco, questa si desatura, mentre la luminosità dipende dalla quantità di luce che riflette. La cromaticità è data da tinta + saturazione. Una tinta pura è definita da un'onda monocromatica e completamente saturo. Dal punto di vista fisico, per desaturare un colore dobbiamo sommare lo spettro bianco.

Teorie del colore

Ci sono varie teorie sul colore che lo identificano come stimolo fisico o psicologico finché Helmholtz elabora la teoria del tristimolo dalla necessità di definire il colore matematicamente. La retina del nostro occhio è composta da bastoncelli, sensibili ai livelli di luminanza, e coni sensibili alle varie lunghezze d'onda.

Wright e Guild condussero degli esperimenti che dimostrarono che per ottenere un colore basta sommare in modo opportuno i tre colori primari, definendo così l'osservatore standard CIE caratterizzato da un tris di funzioni di sensibilità dell'osservatore. La somma dei 3 valori di tristimolo X, Y e Z è pari a 1 ed è un piano di energia costante, da questi si ottengono le coordinate cromatiche x, y e z.

Diagramma di cromaticità CIE

La CIE ha poi sviluppato un diagramma di cromaticità, al suo interno viene anche rappresentato il luogo planckiano. Un colore risulta completamente definito dalle coordinate cromatiche x e y e dal valore di luminanza Y, da cui possiamo poi ricavare i valori di tristimolo (ma non c'è corrispondenza biunivoca).

Metamerismo

Da ciò nasce il problema del metamerismo, siccome la distribuzione spettrale non corrisponde ai valori di tristimolo noi possiamo ottenere da stessa sensazione di colore anche da spettri differenti. Abbiamo due spazi colore che vengono ottenuti per sintesi additiva (XYZ, RGB, HLS) per il digitale o sintesi sottrattiva (CMY) per la stampa.

La sintesi additiva si riferisce ai colori primari della luce rosso, verde e blu che uniti danno il bianco. Mentre la sintesi sottrattiva è tipica della materia, i primari sono giallo, ciano e magenta e dipende da quali radiazioni la materia assorbe, il nero risulta dalla totale sottrazioni delle radiazioni colorate.

Stabilità della percezione luminosa

La teoria del tristimolo non spiega la stabilità della percezione luminosa e la costanza del colore. Il nostro occhio è in grado di percepire il variare della luminanza fino a 7 livelli adattandosi ad esso, inoltre nonostante lo spettro vari molto il nostro cervello continua a riconoscerlo allo stesso modo, questo perché fa il confronto con l'ambiente circostante.

Formazione della sensazione del colore

La formazione della sensazione del colore nel nostro cervello avviene in diversi step:

• La luce esce dalla sorgente
• Interagisce con gli oggetti
• Viene riflessa verso l'occhio umano
• Gli stimoli arrivano al cervello
• Nella corteccia cerebrale si forma la sensazione psicologica del colore

Stadi della percezione del colore

Una volta che la luce arriva all'occhio ci sono 3 stadi:

1. La radiazione viene assorbita dalle cellule fotosensibili della retina
2. Le cellule neurali inviano il segnale cromatico al nervo ottico
3. La corteccia cerebrale elabora lo stimolo in base a stimoli luminosi, contesto, storia dell'oggetto e cultura dell'individuo

La percezione del colore è anche legata alla velocità degli impulsi elettrici trasmessi, su questo principio si basa l'esperimento della trottola di Benham costituita da una zona nera e una bianca con strisce che ruotando genera lampi di differenti successione e durata dando l'impressione di radiazione colorate.

Distribuzione dei recettori nell'occhio umano

La distribuzione dei recettori nel nostro occhio è costituita da un picco di coni nell'angolo di 5° davanti (fovea) che assimilano il colore e dei bastoncelli nel resto del campo visivo di 120° che percepiscono la profondità, inoltre abbiamo una macchia cieca che non notiamo dove mancano i fotorecettori.

L'aberrazione cromatica è la difficoltà dell'occhio umano a mettere a fuoco radiazioni con grande differenza di lunghezza d'onda, come il rosso e il blu.