Prof. Gianpietro Cagnoli 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

I colori - Fisica 27 Nov 2008 La luce e la sua misura

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

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

La sensibilita’ dell’occhio Uguali potenze di luce a differenti lunghezze d’onda l provocano sensazioni di diversa intensita’ 380 436 495 566 589 627 780 V(l) SENSIBILITA’ SPETTRALE RELATIVA DELL’OCCHIO UMANO 27 Nov 2008 La luce e la sua misura

Le curve Fotopiche e Scotopiche Fotopica = luminosita’ a livello normale, si vedono i colori Scotopica = basso livello di luminosita’, assenza di colori 27 Nov 2008 La luce e la sua misura

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

Le grandezze fotometriche CONSIDERANDO L’EMISSIONE CONSIDERANDO LA 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 27 Nov 2008 La luce e la sua misura

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

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

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 = Df Dw 27 Nov 2008 La luce e la sua misura

L’Intensita’ I - 2 Df Dw L’Intensita’ luminosa e’ quindi I = 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

La Luminanza L - 1 I 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 cellulare ha una luminanza di circa 200 nit 27 Nov 2008 La luce e la sua misura

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

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

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 [E] = lm / m2 = lux Sn S Sn=S cos q q 27 Nov 2008 La luce e la sua misura

L’Illuminamento E - 2 L’Illuminamento segue la legge dell’inverso del quadrato della distanza: Sn = w·d2 Sn w 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

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

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 27 Nov 2008 La luce e la sua misura

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 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

Il calcolo di p V O d s 27 Nov 2008 La luce e la sua misura

Il grafico di p secondo Guth V/d O/d 27 Nov 2008 La luce e la sua misura

I valori raccomandati UNI Massimo comfort 16 < UGR < 30 Massimo abbagliamento 27 Nov 2008 La luce e la sua misura

Dove siamo arrivati… CONSIDERANDO L’EMISSIONE CONSIDERANDO LA 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 27 Nov 2008 La luce e la sua misura

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. 27 Nov 2008 La luce e la sua misura

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

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

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 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 h = f P [h] = lm W 27 Nov 2008 La luce e la sua misura

Grazie per l’attenzione BUON LAVORO !! 27 Nov 2008 La luce e la sua misura