Fondamenti di Design della luce 1

7/17/2019 Fondamenti di Design della luce 1

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Fondamenti per il Design della Luce

prof. ing. Luigi Maffei



Fondamenti per il design della luce

Programma1. La Fisica della Luce2. L’occhio e la visione3. Grandezze fotometriche: definizione ed unità di misura4. Sorgenti di luce artificiale ad incandescenza5. Sorgenti di luce a scarica in gas6. Componenti e sistemi di illuminazione

7. Calcolo illuminotecnico



Cosa significa progettare un apparecchio di illuminazione ?



La fisica della luce

Radiazione che può essere “percepita” dall’occhio umano, ovvero quella radiazioneche determina la sensazione della visione.

Tale radiazione, per le nostre applicazioni, ha caratteristiche simili alle ondeelettromagnetiche

Le radiazioni elettromagnetiche

Onde radioRadiazioni infrarosse

Raggi X

Raggi gammaetc.

sono caratterizzate da due grandezze fisiche



La lunghezza d onda (λ) è la distanza fra due punti corrispondenti (ed es. incorrispondenza di due massimi successivi) viene di solito espressa in nanometri(1nm = 1*10-9 m)

La frequenza (n) è invece il numero di onde complete che passano in un certo puntodello spazio nell’unità di tempo. Viene di solito misurata in Hertz (1Hz = 1/s).




Radiazioni visibiliSono comprese nell’intervallo di lunghezze d’onda di 380 nm e 760 nm

In tale intervallo l’apparato visivo riceve le radiazioni provenienti dall’esterno e letrasforma in segnali nervosi successivamente elaborati dal cervelloSolo una piccola parte della radiazione elettromagnetica viene catturata dagli occhi etrasformata in immagini che ci permettono di conoscere ed interpretare la realtà

circostante.

La luce è energia raggiante che si propaga nel vuoto in forma di onde elettromagneticheo particelle, dette fotoni, alla velocità di circa 300.000 km/s.

Radiazioni infrarosse

La lunghezza d’onda supera i 780 nm (fino ad arrivare a circa 1000 nm)

Radiazioni ultravioletteSono quelle relative all’intervallo 100 nm 380 nm




Lo spettro della radiazione




Un corpo appare ai nostri occhi visibile, o per effetto della emissione di radiazioni proprieo per effetto della riflessione o trasmissione di luce irraggiata da altri corpi.

L’emissione di radiazioni proprie può avvenire per eccitazione termica o elettrica,fluorescenza, elettroluminescenza o luminescenza chimica.

La maggior parte delle sorgenti di luce forniscono radiazioni anche negli adiacenti campidell’ultravioletto e dell’infrarosso


Emissione spettrale



G E

Si definisce irraggiamento o flusso radianteincidente G [W/m2] la potenza termica radiante cheincide sull’unità di superficie.Si definisce potere emissivo E [W/m2] la potenzatermica emessa dall’unità di superficie [W/m2]

Per entrambe le grandezze si definiscono anche irispettivi valori monocromatici o spettrali, tali valoria differenza dei precedenti, validi su tutto lo spettrodi emissione, sono riferiti ad una determinatalunghezza d’onda !.G

! irraggiamento monocromatico o spettrale

E! potere emissivo monocromatico o spettrale


Le grandezze fondamentali



G

G

G#G

La radiazione incidente ( irraggiamento G ) viene in parteriflessa !G, in parte assorbita "G ed in parte trasmessa#G.

Applicando il bilancio di energia si ha

G irraggiamento

" frazione del flusso di radiazione incidenteche viene assorbita dal corpo! frazione del flusso di radiazione incidenteche viene riflessa dal corpo# frazione del flusso di radiazione incidenteche viene trasmessa dal corpo

GGGG ! " # ++=


Bilancio di energia



! + " + # = 1

Coefficiente di riflessione, ! =

Coefficiente di trasmissione, # =

Coefficiente di assorbimento, " =

radiazione riflessa da un corpo

radiazione assorbita da un corpo

radiazione incidente sul corpo

radiazione trasmessa da un corpo




Coefficienti e proprietà



Si definisce corpo nero un corpo ideale (un modello) chead ogni temperatura e per ogni lunghezza d’onda emetteed assorbe la massima quantità possibile di radiazione.

Il corpo nero è un concetto teorico che pone un limite superiore all’emissione delleradiazioni e rappresenta un campione con cui confrontare le caratteristiche diirraggiamento delle superfici reali

Assorbitore perfetto

Emettitore perfetto


Il corpo nero



4

n TE

42

8

K m

W1067,5

Legge di Stefan-Boltzmann

$%

En$%

T


Potere emissivo totale di un corpo nero



En$%

$%

T 3

T 2

T 1

T 1 >T 2 > T 3

( )[ ]1exp 2

5

1

!

=

T C

C E

n

" " "

2

4

1m

mW742,3C

Legge di Plank

K m10439,1C 4

2


Potere emissivo spettrale di un corpo nero



Valore massimo del potere emissivo spettrale di un corpo nero

En$%

$%

T 3

T 2

T 1

T 1 >T 2 > T 3

Legge di Wien

3max C T =!" K m8,2897C3

Campo del visible


Valore massimo del potere emissivo spettrale di un corpo nero



corpo grigio

E$%

$%

corpo nero

corpo reale

E = & En = & ' T 4 Legge di Kickhhoff # = &

&$=cost


Corpo grigio emissività indipendente da



La modalità con cui le onde di luce viaggiano dipende dagli oggetti con cui vengono incontatto.La radiazione luminosa può essere:




La facoltà di distinguere i colori è capacità di stabilire un confronto fra ondeelettromagnetiche di diversa lunghezza d’onda.

• Esempio 1 : radiazione ! = 470 nm luce blu

• Esempio 2 : radiazione ! = 600 nm luce arancione

Lo spettro della radiazione visibile può essere suddiviso in intervalli approssimati, aciascuno dei quali si può associare una caratteristica cromatica:

• Violetto 380 – 435 nm• Blu 435 – 500 nm

• Verde 500 – 566 nm• Giallo 566 – 600 nm• Arancione 600 – 630 nm• Rosso 630 – 780 nm




I colori primari o fondamentali (RGB)

• ROSSO (Red)• VERDE (Green)• BLU (Blue)

Con la loro mescolanza è possibile ottenere qualsiasi gradazione di colori.

Colori complementari

Due colori la cui somma dà il bianco (ad esempio il rosso e il ciano, oppure il giallo e il

blu)




La combinazione dei tre colori primari della luce (rosso, verde e blu) appare bianca.

In parti uguali la combinazione di due colori primari produce i colori "secondari",magenta, ciano e giallo.

I tre colori primari in quantità differenti e mescolati possono creare praticamente ognialtro colore di luce.




Cosa accade quando le diverse radiazioni elettromagnetiche incidonocontemporaneamente sull’occhio?

Luce Bianca = quando l’occhio e soggetto ad uno stimolo d’insieme che non permetteil discernimento delle singole tonalità

Processo Opposto = scomporre la luce bianca nelle sue componenti principali




Con il prisma ottico un fascio di luce può essere scomposto nelle sue componentiprincipali, e dalla parte opposta del prisma si vedrà emergere una successione di raggimonocromatici il cui colore passa dal violetto al rosso




L Occhio e la Visione

Processo della visione ed elaborazione dell

immagine

Occhio umano = converte l’energia luminosa che riceve da ciò che lo circonda insegnali elettrici che sono successivamente elaborati dal cervello




Il sistema della visione può essere quindi immaginato come composto da più parti osistemi tra di loro integrati

• Un sistema ottico che assicura la formazione dell’immagine

• Un sistema di messa a fuoco per ottenere un’immagine nitida qualunque siala distanza tra l’occhio e l’oggetto

• Un diaframma che regola la quantità di luce che entra nell’occhio

• Una membrana sensibile alla luce ed al colore




Il funzionamento dell

occhio




Fisiologia dell

occhio umano

D = 2.5 cm




Fisiologia dell

occhio umano




La retina può essere assimilata alla pellicola fotografica adatta a ricevere impressioni siain bianco e nero, che a colori

Il tessuto della retina è composto da un gran numero di terminazioni nervose:

fotorecettori classificabili in:

• CONI• BASTONCELLI

La retina




Visione microscopica della retina




CONI (8 milioni)• Sono preposti alla visione in condizioni di illuminamento MEDIO – ALTO

• Sono sensibili alle caratteristiche cromatiche ed hanno la max sensibilità a 560nm

• Hanno un maggior potere recettivo rispetto ai bastoncelli

• Sono gli unici fotorecettori presenti nella“

FOVEA” (circa la metà del totale)

• Grazie al loro maggiore potere risolutivo sono in grado di cogliere i dettagli più minuti del campo di osservazione

BASTONCELLI (120 milioni)

• Determinano il fenomeno della visione in condizioni di illuminamento MEDIO –BASSO

• Non sono sensibili alle caratteristiche cromatiche ed hanno la max sensibilità a 510nm

• Sono presenti esternamente alla FOVEA mischiati ai CONI

• Sono gli unici recettori presenti nella zona periferica• Sono sensibili al movimento ed alle variazioni della intensità di luce

Coni e bastoncelli




Distribuzione dei coni e bastoncelli all

interno della retina




Punto cieco




Determinazione del punto cieco

Il cervello prende a prestito leinformazioni che gli giungonodai recettori vicini al “buco”.Per convincercene ripetiamo

l’esperimento con un secondoesempio

+ -+ --- ---




Campo binoculare




Curva di visibilità spettrale dell

occhio




Sensibilità relativa dell

occhio




• In condizioni di visione diurna (FOTOPICA) la massima sensibilità dell’occhio si ha incorrispondenza di 555 nm (radiazione GIALLO - VERDE)• Spostandosi da tale valore la sensibilità diminuisce• In condizioni di visione notturna (SCOTOPICA) la massima sensibilità dell’occhio si hain corrispondenza di 510 nm radiazione (BLU – VERDE)

Sensibilità relativa dell

occhio




Capacità dell occhio di variare la sua sensibilità per rispondere a differenti livellidi luce

(fino a valori 1013 più alti del minimo livello di luce apprezzabile)

L’adattamento viene effettuato principalmente attraverso la- variazione della dimensione della pupilla- processi fotochimici (all’interno della retina)

• Variazione della dimensione della pupilla 1:64La minore apertura della pupilla consente di avere una maggior profondità di campo

• Adattamento al buio:Livello elevato >20 minCompleto 1 h

Adattamento




• Capacità del sistema ottico di mettere a fuoco oggetti a distanze differenti• Il cristallino è collegato al muscolo ciliare che esercitando tensioni sul bordo delcristallino ne modifica la curvatura

Occhio a riposo curvatura nulla

Oggetti a distanza ravvicinata

i muscoli ciliari si contraggono aumentando il raggio di curvatura

Accomodamento




Accomodamento




Principali difetti del sistema ottico

Miopia - Incapacità di mettere a fuocooggetti distanti(l’immagine viene formata davanti allaretina)

“la miopia è l'incapacità dell'occhio dipercepire con nitidezza gli oggetti lontani:chi è miope vede bene da vicino ma nonda lontano”





Ipermetropia - Incapacità di mettere afuoco oggetti vicini(l’immagine viene formata dietro la retina)

”ipermetropia non fa percepire le immaginisia da vicino che da lontano,equivale quindi ad un calo generale dellavista”



Astigmatismo - Percezioni di immaginideformate a causa di una curvaturairregolare della cornea

“Solo alcune regioni del campo visivo

risultano con l’oggetto messo a fuoco”





Presbiopia - Incapacità di mettere a fuoco oggetti vicini per la ridotta elasticità delcristallino






Movimenti oculari

Durante la lettura il nostro occhio non esplora il testo con un movimento armonico econtinuo, ma procede attraverso una serie di rapidissimi salti da una posizione all’altrachiamate saccadi che durano circa 20-35 msec.Tra due saccadi il nostro occhio è relativamente fermo per intervalli di 200-250 mseccirca chiamati fissazioni




Movimenti oculari

Facciamo rapidi movimenti per portare parti di testo (o di una immagine) non ancoraprocessate nella regione foveale per un processamento dettagliato: movimenti

saccadici.

La Fovea ha la maggior capacità di discriminarepiccoli dettagli (2 gradi di angolo visivo attorno alcentro della fissazione).La Paravovea: 5 gradi di angolo visivo attorno allacirconferenza della fovea, bassa capacità di

discriminare dettagli, ma possibilità di ricavareinformazioni utili.La Periferia, invece possiede una bassissimarisoluzione

Altri tipi di movimenti detti di “movimento lento” consentono di mantenere lafissazione foveale di un oggetto mentre questo si muove lungo una traiettoria




La percezione

La percezione è il passo successivo all’acquisizione: dopo che gli occhi hannoconvertito gli stimoli luminosi in informazioni neurali, il nostro cervello deve codificarequeste informazioni per ricostruire internamente l’immagine che gli occhi hannoacquisito e interpretarla al fine di estrarne rappresentazioni utili del mondo che cicirconda.

Infatti noi non vediamo “gradazioni di luce” o un insieme di linee curve o rette, mavediamo facce, persone, oggetti, scritte, paesaggi, ecc




La percezione

Nella retina, si forma un’immagine capovolta, ma sin dalla nostra infanzia, il cervelloimpara a capovolgere questa immagine, per interpretarla correttamente.

Tra l’altro questa immagine è una rappresentazione bidimensionale di una immaginedel mondo che ci circonda che invece è tridimensionale.

L’interpretazione del mondo è quindi una traslazione, una trasposizione sotto un’altraforma della realtà: il cervello aggiunge, sottrae, riorganizza e codifica le informazionisensoriali che gli arrivano per fornire un’interpretazione più possibile esatta del mondoesterno.




La percezione della profondità

Il mondo che ci circonda è tridimensionale, al contrario dell’immagine che si forma sullaretina che è bidimensionale.

Quali sono, allora, gli indizi che ci permettono di ricreare un mondo tridimensionale nellanostra mente?

Si possono raggruppare in due tipologie:

- Indici monoculari, basati sull’informazione proveniente da un solo occhio

- Indici binoculari, che richiedono cioè la combinazione delle informazioni provenienti

da entrambi gli occhi.




Il raggruppamento percettivo

Regola della prossimità: gli elementi più vicini sono percepiti come parte di uninsieme. A seconda di come sono sistemati i punti nella figura si percepiscono piùfacilmente o le righe o le colonne.Regola della somiglianza: vi è la tendenza a "mettere insieme" elementi che sonosimili o ripetuti. Nella figura si osservano righe o colonne a seconda che i punti bianchisiano sistemati in righe o colonne.

Regola della simmetria: vi è la tendenza a percepire come oggetti degli elementi chesono simmetrici piuttosto che altri che non lo siano. Nella figura si vedono a sinistradelle colonne nere e a destra delle colonne bianche anche se il disegno è uguale e soloi colori sono invertiti.

Regola della continuità: vi è la tendenza a seguire l'apparenza dell'allineamentogenerale degli elementi di una figura. Questa è la base di ogni tipo di mimetismo. nellafigura osserviamo un cerchio coperto da una "X" piuttosto che vedere delle fette i cui lati

vanno oltre la stessa fetta.Regola della chiusura: vi è la tendenza a vedere le forme come delineate da unmargine continuo ed ignorare eventuali interruzioni di tale continuità. Nella partesuperiore della figura osserviamo un riquadro delimitato da quattro cerchi bianchi anchese in realtà non esiste.Regola del senso: vi è la tendenza dopo aver percepito l'essenza di un disegno adosservarlo secondo la nuova interpretazione e non più come lo si vedeva prima. Adesempio guardate la figura: cosa rappresenta secondo voi?



Indici monoculari fisiologici:Il più semplice è l accomodamento, cioè il movimento che il cristallino fa per mettere afuoco un oggetto e che può dare una prima sommaria informazione sulla distanza di unoggetto.

Indici monoculari cognitivi:

a) L interposizioneSe un oggetto appare sovrapposto ad un altro, ci sembra più vicino.





b) L elevazionePiù un oggetto è vicino alla linea dell’orizzonte, più sembra lontano.

c) L ombreggiaturaLe ombre danno sempre un’espressione di profondità.





d) La prospettiva lineareLe linee che convergono verso un unico punto in lontananza danno l’impressione diprofondità

e) Il gradiente tissurale





Indici binoculari

a) La convergenza oculare:Quanto più un oggetto è vicino, tanto più gli occhi devono convergere per vederlo.

b) La disparità retinica:

Le immagini che si formano nella retina, sono leggermente diverse nei due occhi.La fusione di queste due immagini dà origine alla percezione binoculare o

stereoscopica, e produce buona parte della sensazione di tridimensionalità nella visione.





Percezione della profondità (da punto di osservazione in moto)• Moto di parallasse - movimento relativo tra due oggetti a differenti distanze

Percezione del movimento

• Effetto stroboscopico – le immagini ad una frequenza sufficientemente elevata appaiono continue – oggetti in movimento illuminati con luce pulsante possono apparire fermi

• Effetto “flicker ”: fenomeno riferito all’effetto che la fluttuazione di tensione ha sullelampade. Esse, se alimentate da una tensione affetta da fluttuazione, emettono unflusso luminoso la cui intensità è anch’essa fluttuante e viene percepita come uno“sfarfallio

” fastidioso dall

’occhio umano.



II movimento e lo sfarfallamento sono più facilmente rilevabili alla periferia delcampo visivo



Figure ambigue

Le immagini che vedrete sono suscettibili di più interpretazioni, perché gli elementi chele compongono non forniscono al cervello, le informazioni esatte, ma per l’appunto,ambigue.

Quindi potremo facilmente scambiare la figura con lo sfondo, o invertire la disposizionespaziale di un oggetto, ecc.





In questo caso le figure risultano avere più interpretazioni perché il nostro cervello hagli elementi che gli permettono di interpretare la figura come tridimensionale, ma nonsono sufficienti a fornirgli l’esatta disposizione spaziale

Tra le due facce paralleleallo schermo, qual èquella anteriore?

Qual è il solido chesporge di più verso dinoi?

E tra le facce di questocilindro?


Ambiguità della prospettiva




Ambiguità della prospettiva




Il cubo ambiguo

Un cubo grande con una parte mancante o un cubetto piccolo nell'angolo di una stanza?

Entrambe le interpretazioni sono esatte, per questo il cervello continuerà ad oscillare fraesse e farvi vedere ora l'una ora l'altra!




La maschera rotante

Gira da destra a sinistra ma quando ne vediamo l'interno, abbiamo l'impressione che girial contrario!



Sono oggetti non esistenti nella realtà, ma solo nelle raffigurazioni bidimensionali; essisono infatti contraddistinti dal presentare all’osservatore dei curiosi paradossigeometrici


Oggetti impossibili

È un triangolo caratterizzato dal fatto di avere tre

angoli di 90°.Ciò da l’illusione che i suoi lati vengano verso dinoi e contemporaneamente si allontanino.Si tratta di un ovvio paradosso, poiché sappiamoche la somma degli angoli interni di un triangolodeve dare 180°!




Oggetti impossibili

I lati si intersecano in modo da creare il paradosso!




Paradossi geometrici

Il segmento inferiore sembra più corto di quello chesta sopra mentre invece sono perfettamente uguali.

I nostri occhi interpretano la figura prospetticamente a

causa delle due rette oblique laterali che simulano ilcosiddetto "punto di fuga".

Quindi i due segmenti vengono visti come se stesserosu due piani differenti: quello in basso vicino a noi el'altro più lontano.

Essendo poi in realtà di uguale lunghezza il cervellocrede erroneamente che quello più "lontano" deveessere per forza più grande e così si genera l'illusione.




Il punto di fuga

Il tipo di illusione ottica di cui abbiamo parlato prima, viene maggiormente compresoquando ricreiamo effettivamente un ambiente tridimensionale, mediante varie rette chesembrano congiungersi in un punto, che nella rappresentazione prospettica vienedefinito “punto di fuga”.

In queste immagini effettivamente le figure che nella rappresentazione tridimensionaledovrebbero stare più distanti da noi sembrano più grandi!




L'occhio valuta la dimensione degli oggetti in funzione del finto orizzonte.




Paradossi geometrici




Paradossi nell

arte: Escher




Misura della vista

Acuità visiva• L’abilità o capacità di cogliere i dettagli minuti prende il nome di “acuità visiva” • È una grandezza che serve a valutare il grado di accuratezza con cui l’occhio assolvealle sue funzioni• È definita come il reciproco del più piccolo angolo visivo

• Viene espressa come frazione 10/10




L’acuità visiva (=1/") viene di solito espressa in frazione (ad esempio 8/10)- il numeratore indica la distanza reale dalla tabella.- il denominatore la distanza cui lo stesso oggetto viene osservato in condizioni normalidi visione

Misura della vista




Effetto dell

invecchiamento

• Ingiallimento del cristallino – riduzione della sensibilità dell’occhio per alcunelunghezze d’onda (ridotta visione della tonalità blu)

• Opacizzazione del cristallino

– aumento della diffusione della luce all’internodell’occhio con maggiore sensibilità all’abbagliamento

• Presbiopia

• Apertura ridotta della pupilla• Maggior tempo di adattamento ed elaborazionedell’immagine• Riduzione dell’acuità visiva e della sensibilità alcontrasto




Visibilità e prestazione visiva

La buona visibilità e la prestazione visiva sono i requisiti del progetto Illuminotecnico• Contrasto• relazione tra la luminanza dell’oggetto e quella dello sfondo• Dimensione• Angolo visivo sotteso tra oggetto ed osservatore

• Luminanza dello sfondo• Oggetto bianco su fondo nero/oggetto nero su sfondo bianco• Tempo di osservazione




Abbagliamento ed equilibrio delle luminanze

E’ uno degli aspetti del progetto illuminotecnico cui bisogna fare più attenzione.La presenza di sorgenti luminose dirette o indirette, in posizione ravvicinata rispetto allepiù comuni direzioni di osservazione può dar luogo al fenomeno dell’abbagliamento

Discomfort glareabbagliamento che determina fastidio o disturbo psicologico

Disability glare

abbagliamento che determina una riduzione della capacità visiva



L’abbagliamento può essere di tipo

Direttocausato cioè da lampade nude, apparecchi di illuminazione o finestre

Indirettocausato da luce riflessa da oggetti presenti nel campo visivo


Abbagliamento ed equilibrio delle luminanze

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