Illuminotecnica, Fisica tecnica

Appunti di illuminotecnica

Energia luminosa

E = h f

E₁ = Livello energetico associato all’orbita dell’elettrone stimolato

E₂ = Livello energetico associato all’orbita normale

h = costante di Plank = 6,626 * 10^-34 J s

f = frequenza [Hz]

In condizioni di equilibrio gli elettroni di un atomo si trovano sugli orbitali a livello energetico più basso. Quando interviene un’energia abbastanza sufficiente ad innalzare tale livello energetico, essi rapidamente tornano al loro stato iniziale, per il principio dello stato minimo di energia di un sistema. Per effettuare quest’ultimo processo essi devono cedere all’esterno il surplus di energia acquistato in precedenza, e lo fanno emettendo fotoni, particelle prive di massa che trasportano energia come quanti della radiazione elettromagnetica. I fotoni viaggiano alla velocità della luce e hanno propria frequenza in base all’altezza e alla separazione dei livelli energetici elettronici.

λ = f

La natura dell'energia luminosa è la stessa di quella delle altre radiazioni elettromagnetiche. Le radiazioni visibili per l'occhio umano sono comprese in una fascia molto limitata dello spettro solare, compresa tra le lunghezze d'onda di circa 380 e di circa 780 nm.

L'occhio umano

L'organo umano predisposto per l'assorbimento e l'interpretazione della radiazione luminosa è l'occhio, formato da vari componenti essenziali:

• Cornea: è una membrana trasparente convessa anteriormente con la funzione di permettere il passaggio della luce verso le strutture interne dell'occhio, facendo convergere i raggi luminosi verso la fovea (avvallamento della retina con la maggior concentrazione di coni).
• Pupilla: foro situato al centro dell'iride che permette l'entrata della luce all'interno del bulbo.
• Iride: membrana che ha la funzione di variare il diametro della pupilla e quindi di variare la quantità di flusso che arriva alla retina (funzione diaframma).
• Cristallino: organo che, insieme alla cornea, consente di mettere a fuoco i raggi luminosi sulla retina. Variando la propria forma permette di mettere a fuoco oggetti a varie distanze.
• Corpo vitreo: massa gelatinosa trasparente e incolore che oltre alla funzione di protezione e struttura permette il passaggio della luce attraverso il bulbo.
• Retina: membrana che ricopre quasi totalmente l'interno del bulbo, formata dalle cellule recettoriali (coni e bastoncelli) che permettono la trasformazione del segnale luminoso in impulsi elettrici inviati al cervello tramite il nervo ottico:
  • Coni: si concentrano nella zona centrale della retina (la fovea) e sono deputati alla visione dei colori (fotopica) e alla visione distinta.
  • Bastoncelli: sono più sensibili al movimento, sono impiegati per la visione al buio (scotopica) e si concentrano nella zona periferica della retina.

L'occhio umano valuta in misura diversa l'intensità corrispondente alle varie lunghezze d'onda. Si consta infatti che a parità di potenza emessa la radiazione giallo-verde (λ ≈ 555 nm, colore del sodio a bassa pressione) corrisponde l'impressione luminosa più intensa (visione fotopica, percezione dei colori), mentre le radiazioni rosse e violette determinano un'impressione molto più debole. In condizioni notturne si nota che la curva si sposta verso sinistra ed ha un massimo in λ = 505 nm (visione scotopica, bassa illuminazione, percezione delle differenze di brillanza ma non di cromaticità) (motivo per cui vengono utilizzate luci di colorazione blu sulle piste degli aeroporti).

La funzione che rappresenta la quantificazione numerica della sensibilità media dell’occhio umano alle lunghezze d’onda è il fattore di visibilità K(λ). Il massimo della sensazione di visibilità si ha per λ ≈ 555 nm. K fornisce un K = 683 lumen/watt. Viene definito per comodità anche il coefficiente di visibilità come V_max che fornisce un valore compreso tra 0 e 1.

Grandezze fotometriche

• Flusso luminoso: Misura l’intensità della sensazione luminosa legandola alla potenza dello stimolo, ovvero rappresenta l’energia irradiata per ogni secondo dalla sorgente di luce.
• Intensità luminosa: flusso luminoso emesso da una sorgente infinitesima nell’angolo solido elementare attorno ad una data direzione, I = dΦ/dω [candela (cd)].
• Illuminamento: definisce, per ogni punto di una data superficie, il rapporto tra il flusso luminoso incidente sulla superficie elementare in un intorno del punto e la superficie stessa, E = dΦ/dA [lux].
• Luminanza: rappresenta in un punto di una superficie, in una certa direzione, il rapporto tra l’intensità luminosa emessa in quella direzione e la superficie emittente proiettata sul piano perpendicolare alla direzione stessa, L = dI/dA cosα = dE/dωcosα [nit]. La luminanza misura la quantità di luce che gli apparecchi illuminanti e gli oggetti osservati indirizzano verso l’occhio dell’osservatore.
• Radianza di un punto di una superficie: rapporto tra il flusso luminoso emesso dalla superficie attorno a quel punto e l’area dell’elemento stesso. Indica la quantità di luce emessa o riflessa da una superficie, M = dΦ/dA [lux su bianco (lux s.b.)]. Se è il coefficiente di riflessione della superficie si ha: M = rE, e se si parla di superficie perfettamente diffondente o lambertiana (superficie ideale che riflette l'energia incidente da una direzione in modo uguale in tutte le direzioni) si ottiene M = rE = πL.

La conoscenza dell’intensità luminosa è importante per la costruzione del solido fotometrico, quella figura geometrica delimitata da una superficie chiusa, formata dal luogo dei punti estremi di segmenti aventi lunghezza proporzionale all’intensità luminosa in quella direzione e centro nella sorgente. Esso è di fondamentale importanza per la progettazione illuminotecnica perché ci dà la possibilità di conoscere lungo ogni direzione.

La differenza relativa fra il valore della luminanza riferita a un oggetto (L₁) e la luminanza media del campo visivo esterno (L₂) si chiama fattore di contrasto ed è uno dei parametri fondamentali per un corretto svolgimento dell’attività visiva.

Sorgenti di luce

La scelta di una sorgente è motivata da esigenze funzionali, impiantistiche, estetiche e di costo. I parametri fondamentali di confronto tra le lampade sono:

Colorimetria

Il colore è un aspetto della sensazione visiva caratterizzato essenzialmente da 3 qualità:

• Tono o tinta: legato alla lunghezza d’onda dominante, individua il colore con cui viene visto un oggetto.
• Purezza o saturazione: rappresenta la vivacità del colore.
• Luminanza o luminosità: misura l’intensità luminosa nella direzione della visione.

Dato che l’occhio non riesce a distinguere le varie componenti monocromatiche di un fascio luminoso policoromatico, venne realizzato uno strumento normalizzato detto colorimetro. I sistemi oggi più utilizzati per la valutazione oggettiva di un colore sono il sistema CIE e il sistema Munsell. Il sistema CIE permette di dare una rappresentazione piana dello stimolo di colore attraverso il diagramma colorimetrico CIE. Si distinguono da esso i tre colori fondamentali (RGB) e i tre complementari (YMC) suddivisi grossolanamente nella figura in basso.