La luce e la sua misura

1. La luce e la sua misura Prof. Gianpietro Cagnoli ITIS “L. e A. Franchetti” Citta’ di Castello 27 Nov. 2008

2. L’occhio e la visione • 120·106 bastoncelli • 6·106 coni di 3 tipi sensibili ai colori La luce e la sua misura

3. I colori - Fisica La luce e la sua misura

4. 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 presentinell’arcobaleno!!!!Quali sono questi colori chenon sono nell’arcobaleno? Marrone, Prugna, Violetto … La luce e la sua misura

5. 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’ondae’ proporzionale alquadrato dell’Ampiezza, alla sua Vastità, ed alla sua Velocità P = E/t L’occhio e’ sensibile alla potenza della luce che entra nella pupilla La luce e la sua misura

6. La sensibilita’ dell’occhio 436 495 780 566 627 589 380 • Uguali potenze di luce a differenti lunghezze d’onda l provocano sensazioni di diversa intensita’ V(l) SENSIBILITA’ SPETTRALE RELATIVADELL’OCCHIO UMANO La luce e la sua misura

7. Le curveFotopiche e Scotopiche Fotopica = luminosita’ a livello normale, si vedono i colori Scotopica = basso livello di luminosita’, assenza di colori La luce e la sua misura

8. 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 La luce e la sua misura

9. Flusso luminoso f Intensita’ luminosa I Luminanza L Indice di abbagliamento UGR Temperatura di colore T Indice di resa dei colori Ra Efficienza luminosa h Illuminamento E Le grandezze fotometriche CONSIDERANDO L’EMISSIONE CONSIDERANDOLA RICEZIONE La luce e la sua misura

10. Il Flusso Luminoso f - 1 • Rappresenta la potenzatotale 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 lmIl display del cellulare, circa 1 lm La luce e la sua misura

11. Il Flusso Luminoso f - 2 • Per misurare il f di una sorgente luminosa bisogna usare la Sfera di Ulbricht La luce e la sua misura

12. L’Intensita’ I - 1 Df I = Dw • 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 La luce e la sua misura

13. L’Intensita’ I - 2 Df I = Dw • L’Intensita’ luminosa e’ quindi • 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) La luce e la sua misura

14. La Luminanza L - 1 • La Luminanza quantifica l’aggettivo “brillante” • La Luminanza e’ la densita’ superficiale di Intensita’ luminosa L = dove S e’ la superficie normale o efficace della sorgente I S [L] = cd m-2 = nit S Lo schermo di un cellulareha una luminanza di circa200 nit La luce e la sua misura

15. 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. La luce e la sua misura

16. 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 La luce e la sua misura

17. L’Illuminamento E - 1 Sn=S cos q Sn S q • 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 • [E] = lm / m2 = lux La luce e la sua misura

18. L’Illuminamento E - 2 w Sn • L’Illuminamento segue la legge dell’inverso del quadrato della distanza: Sn = w·d2 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 La luce e la sua misura

19. 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 La luce e la sua misura

20. Calcolo dell’UGR 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 La luce e la sua misura

21. L’indice di posizione p(formula forse sbagliata…) Il calcolo di UGR, e quindi quello di p, si trovano neidocumenti UNI 11165 (2005) e CIE 117 (1995),entrambi disponibili a pagamento d = distanza longitudinale tra l’occhio e la sorgente s = distanza trasversale tra l’occhio e la sorgente La luce e la sua misura

22. Il calcolo di p s V O d La luce e la sua misura

23. Il grafico di p secondo Guth V/d O/d La luce e la sua misura

24. I valori raccomandati UNI Massimo comfort 16 < UGR < 30 Massimo abbagliamento La luce e la sua misura

25. Dove siamo arrivati… CONSIDERANDO L’EMISSIONE CONSIDERANDOLA RICEZIONE • Flusso luminoso f • Intensita’ luminosa I • Luminanza L • Indice di abbagliamento UGR • Temperatura di colore T • Indice di resa dei colori Ra • Efficienza luminosa h • Illuminamento E La luce e la sua misura

26. 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 • Si parla di temperatura perche’ a quelle temperature un oggetto emette una luce tanto piu’ blu quanto piu’ e’ alta la temperatura - da 3000 a 3500 K : colore bianco caldo; - da 4000 a 5000 K : colore bianco neutro; - da 5500 a 7000 K : colore bianco freddo. La luce e la sua misura

27. Resa dei coloriColor 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 La luce e la sua misura

28. Color Rendering Index Ra • Se lo spostamento e’ nullo allora Ra =100Significa che la lampada e’ ottima La luce e la sua misura

29. Efficienza luminosa h f lm [h] = h = W P • L’Efficienza Luminosa h e’ il rapporto tra il flusso luminoso f prodotto da una lampada e la potenza elettrica P che dobbiamo fornirgli • 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 La luce e la sua misura

30. Grazie per l’attenzione e BUON LAVORO !! La luce e la sua misura