La luce e la sua misura Prof. Gianpietro Cagnoli ITIS L. e A. Franchetti Citta di Castello 27 Nov....

La luce e la sua misura

Prof. Gianpietro Cagnoli

ITIS “L. e A. Franchetti”

Citta’ di Castello

27 Nov. 2008

27 Nov 2008 La luce e la sua misura 2 di 30

L’occhio e la visione• 120·106 bastoncelli

• 6·106 coni di 3 tipi sensibili ai colori


I colori - Fisica


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 …


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 luceche entra nella pupilla


La sensibilita’ dell’occhio• Uguali potenze di luce a differenti lunghezze

d’onda provocano sensazioni di diversa intensita’

38

0 43

6

49

5

56

6

58

9

62

7

78

0

SEN

SIB

ILIT

A’

SPETTR

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RELA

TIV

AD

ELL

’OC

CH

IO U

MA

NO

V()


Le curveFotopiche e Scotopiche

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

Fotopica

Scotopica

Fotopica = luminosita’ a livello normale, si vedono i coloriScotopica = basso livello di luminosita’, assenza di colori


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


Le grandezze fotometriche

a) Flusso luminoso

b) Intensita’ luminosa I

c) Luminanza L

d) Indice di abbagliamento UGR

e) Temperatura di colore T

f) Indice di resa dei colori Ra

g) Efficienza luminosa

a) Illuminamento E

CONSIDERANDOL’EMISSIONE

CONSIDERANDOLA RICEZIONE


Il Flusso Luminoso - 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 = 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


Il Flusso Luminoso - 2• Per misurare il di una sorgente luminosa

bisogna usare la Sfera di Ulbricht


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 =


L’Intensita’ I - 2

• 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’ 4 rad, la lampadina da 60 W di prima emette una intensita’ I = 650 lm / 4 rad ≈ 52 cd

• Per un cono di angolo 2, l’angolo solido vale: = 2 (1 – cos )

I =


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

S

S[L] = cd m-2 = nit

Lo schermo di un cellulareha una luminanza di circa200 nit


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 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


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 = / S

• [E] = lm / m2 = lux

Sn SSn=S cos


L’Illuminamento E - 2

• L’Illuminamento segue la legge dell’inverso del quadrato della distanza: Sn = ·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

SnE = /S = I·/Sn=

= I·/·d2 =

= I/d2


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


Calcolo dell’UGR

Lb = Luminanza di fondo espressa in cd·m-2 calcolata come Eind/ (E = illuminamento)

L = Luminanza delle sorgenti luminose

= angolo solido delle sorgenti luminose

p = indice di posizione di Guth tanto piu’ grande quanto piu’ la sorgente e’ ai margini del campo visivo

2

2

b10

p

LL4

1log8UGR


L’indice di posizione p(formula forse sbagliata…)

d = distanza longitudinale tra l’occhio e la sorgente

s = distanza trasversale tra l’occhio e la sorgente

ds

01.0ds

18.0

2

2

32

eA

)A1(12.06.4d5.1d

Adp1

Il calcolo di UGR, e quindi quello di p, si trovano neidocumenti UNI 11165 (2005) e CIE 117 (1995),entrambi disponibili a pagamento


Il calcolo di p

VO

d

s

ds

01.0ds

18.0

2

2

32

eA

)A1(12.06.4d5.1d

Adp1


Il grafico di p secondo Guth

V/d

O/d


I valori raccomandati UNI

Massimo comfort 16 < UGR < 30 Massimo abbagliamento


Dove siamo arrivati…

a) Flusso luminoso

b) Intensita’ luminosa I

c) Luminanza L

d) Indice di abbagliamento UGR

e) Temperatura di colore T

f) Indice di resa dei colori Ra

g) Efficienza luminosa

a) Illuminamento E

CONSIDERANDOL’EMISSIONE

CONSIDERANDOLA RICEZIONE


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.


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


Color Rendering Index Ra

• Se lo spostamento e’ nullo allora Ra =100Significa 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


Efficienza luminosa

• L’Efficienza Luminosa e’ il rapporto tra il flusso luminoso 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

=

P =

lm

W


Grazie per l’attenzionee

BUON LAVORO !!

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