Capitolo-1.p

Paola Ricciardi
Elementi di acustica e
illuminotecnica
Capitolo 1
La percezione della luce, le grandezze
fotometriche e la prestazione visiva
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Paola Ricciardi, Elementi di acustica e illuminotecnica
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Capitolo
1
Contenuti
•
•
•
•
•
•
•
•
L’occhio umano
Spettro del visibile
Visione diurna e notturna
Campo visuale e acuità visuale
Grandezze fotometriche
Proprietà ottiche dei materiali
La prestazione visiva
Cenni di colorimetria
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L’occhio umano
Il funzionamento dell’occhio umano
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L’occhio umano
Schema della retina
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Spettro del visibile
Spettro elettromagnetico
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Spettro del visibile
-
i raggi di piccola lunghezza d’onda (blu) vengono fortemente
deviati e convergono un po’ prima della retina
quelli di grande lunghezza d’onda (rosso) convergono un po’
dopo,
mentre quelli la cui lunghezza d’onda è circa 555 nm (giallo)
formano un’immagine nitida direttamente sulla retina.
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Visione diurna e notturna
P(λ1)·K(λ1) = P(λ2)·K(λ2)
V (λ)= K (λ)/Kmax
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K(λ) = Kmax
per λ= 555 nm
Kmax = 683 lumen/Watt
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Il campo visuale e l’acuità visuale
Schema di funzionamento della visione
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Il campo visuale e l’acuità visuale
L’acuità visuale è la capacità dell’occhio di percepire e distinguere i
dettagli degli oggetti.
L’acuità è uguale ad 1 se l’occhio distingue due punti distanti tra loro 1
mm posti a 3.44 m dall’osservatore, quindi con un angolo di visuale α
uguale ad 1.’
L’acuità visuale dipende dalla luminanza degli oggetti osservati,
nonché da quella dello sfondo.
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Le grandezze fotometriche
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Le grandezze fotometriche
Il FLUSSO LUMINOSO Φ è definito come l’energia luminosa
che attraversa l’unità di superficie nell’unità di tempo.
Se usassimo un’analogia con il flusso di un fluido, il flusso
corrisponderebbe ad una portata in l/s di una corrente.
Per radiazioni monocromatiche si può scrivere:
Φλ =K(λ)P (λ)
[Watt]
Pertanto se consideriamo una sorgente emettente con una potenza Φλ
[W] il flusso luminoso Φl per sorgenti monocromatiche
risulta essere:
Φl = Vλ Φλ
[lumen]
Dove Vλ è il coefficiente di visibilità (Vλ= lumen/Watt [lm/W]).
Per sorgenti policromatiche:
l 
780 nm
dP (  )
K (  ) d

d
380 nm
dP (  ) potenza energetica emessa
per lunghezza d’onda.
d
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Le grandezze fotometriche
INTENSITA’ LUMINOSA I rappresenta la quantità di flusso
luminoso emessa in una specifica direzione. E’ simile al
voltaggio nei sistemi elettrici ed alla pressione in un sistema
fluido. Data una sorgente puntiforme, l’intensità luminosa (I)
esprime il flusso emesso da tale sorgente infinitesima,
nell’angolo solido elementare  attorno ad una data direzione r.
 = d / d [candele]
Dove
d = flusso luminoso emesso [lm]
d= angolo solido [sr]
 = candela [cd]
1 cd= Kmax (1/683) [W/sr]
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Le grandezze fotometriche
I punti estremi dei vettori intensità che caratterizzano
una sorgente individuano nello spazio un solido, detto solido
fotometrico. Spesso i solidi fotometrici presentano delle
asimmetrie rispetto ad uno o più assi, in tal caso il solido è
individuabile mediante l’utilizzo di uno o più diagrammi polari
piani, ottenuti intersecando la superficie fotometrica con uno o
più piani passanti per l’asse di simmetria. Si ottengono cosi le
curve fotometriche.
curva fotometrica di
una lampada ad
incandescenza
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Le grandezze fotometriche
ILLUMINAMENTO E rappresenta il flusso luminoso incidente su
una superficie per unità di area della stessa (dS):
E = d l / dS [lux]
L'illuminamento orizzontale in un punto di un piano
non perpendicolare alla direzione dell'intensità
luminosa se il piano è orizzontale (dS0=r2d/cos) è:
E0 = d l / dS0 [lux]
E0 
dl 1
cos 
d r 2
Essendo l’intensità luminosa =d/d e la distanza
r = h /cos, l’illuminamento risulta:
E0  I
cos 
h2
L’illuminamento in un punto di un piano
perpendicolare alla direzione di incidenza della luce
è dato dalla seguente espressione:
I
Ep 
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h2
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Le grandezze fotometriche
La LUMINANZA L misura la luminosità e la quantità direzionale
dell’intensità luminosa. Nello specifico la luminanza di una
sorgente nella direzione  viene definita come il flusso
luminoso emesso per unità di area proiettata normalmente alla
direzione di propagazione e per unità di angolo solido:
d 2 
dI 
L 

dA cos d dA cos 
[nit]
Nel caso di superficie
perfettamente
diffondente, che
segue la legge di
Lambert la luminanza
diventa:
L = L = Ln [nit]
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Le grandezze fotometriche
La RADIANZA M rappresenta la quantità totale
d
M
di flusso luminoso riflesso o trasmesso da una
dA
sorgente.
Se ci si riferisce ad una superficie lambertiana si ha: M =  L [lux s.b.]
Se r è il coefficiente di riflessione della superficie lambertiana si ha:
M = r E [lux s.b.]
Se r è uguale a 1 e ciò avviene per una superficie perfettamente riflettente
lambertiana (bianca) si ha:
M = E [lux s.b.]
Se la superficie lambertiana ha un fattore di trasmissione  :
Ml=E
L=E/
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Le grandezze fotometriche
GRANDEZZA
SIMBOLO
FOTOMETRICA
ESPRESSIONE
UNITA’ DI MISURA
MATEMATICA
Flusso luminoso

K()P ()
lumen [lm]
Intensità luminosa
I
d/d
candela [lm/sterad]
Illuminamento
E
d/dA
lux [lm/m2]
Luminanza
L
dI/dAcos
nit [cd/m2]
Radianza
M
d/dA
lux s.b. [lm/m]
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Proprietà ottiche dei materiali
Radiazione solare
incidente su un
corpo
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Proprietà ottiche dei materiali
Definita a la quota di flusso assorbito, si definisce FATTORE
DI ASSORBIMENTO , caratteristico del materiale in oggetto,

il rapporto:
Dove i è il flusso incidente.
  a
i
Le superfici colorate
hanno
<1
poiché
trattengono la quota di
energia delle radiazioni
con lunghezza d’onda
 che sono presenti
nella luce incidente,
ma non sono riflesse
dalla
superficie
colorata.
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Proprietà ottiche dei materiali
Si definisce il FATTORE DI RIFLESSIONE  come il
rapporto tra flusso riflesso r e flusso incidente i:

Riflessione
speculare
r
i
Riflessione
mista
Riflessione
diffusa
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Proprietà ottiche dei materiali
Il FATTORE DI TRASMISSIONE  è dato dal rapporto
tra flusso trasmesso t e flusso incidente i:
t
 
i
Nei materiali trasparenti la radiazione incidente subisce il fenomeno
della rifrazione ottica che consiste nel cambiamento della traiettoria di
propagazione ogni volta che si verifica un transito da un mezzo ad un
altro.
Legge di Snell (1591-1626):
n1 sen1 = n2sen 2
In cui n1 ed n2 sono gli indici di
rifrazione assoluti dei due mezzi,
dati dal rapporto tra la velocità della
luce nel vuoto c e la velocità della
luce nel mezzo considerato c’.
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La prestazione visiva
Il concetto di prestazione visiva (visual performance) fu
introdotto da Weston nel 1949, intendendo con tale termine
il rapporto tra il lavoro svolto ad un dato illuminamento e
quello svolto con un livello di illuminamento ideale.
Di fatto Weston individuò una serie di fattori che
influenzavano tale prestazione:
•luminanza e colore del compito visivo
•contrasti di luminanza e di colore tra il dettaglio e lo
sfondo
•dimensioni angolari e forma del dettaglio
•posizione del dettaglio nel campo visivo
•efficienza dell’apparato visivo dell’osservatore
•tempo di osservazione
•grado di attenzione
•difficoltà del compito visivo
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La prestazione visiva
Il CONTRASTO DI LUMINANZA C può essere espresso
mediante l'equazione:
L2  L1
C

• L2 è la luminanza dell'oggetto;
L1
• L1 è la luminanza dello sfondo.
I contrasti di luminanza sono essenziali ai fini della percezione visiva
perché senza un sufficiente valore di contrasto nulla si può vedere. Il
problema è però quello di ottenere un giusto equilibrio di luminanze.
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La prestazione visiva
I LIVELLI DI ILLUMINAMENTO si possono misurare con il
luxmetro in fase di collaudo e con alcune procedure di
calcolo in fase di progetto.
L’illuminamento (lux) si esprime come la quantità di flusso luminoso
(lumen) per ogni metro quadrato di superficie investita dai raggi luminosi.
I livelli di illuminamento.
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La prestazione visiva
LIVELLI DI ILLUMINAMENTO per luoghi e attività e compiti
visivi proposti dalla CIE nel 1987 in base agli studi di
Weston.
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La prestazione visiva
L’ABBAGLIAMENTO è uno dei fattori del progetto
illuminotecnico che richiede più attenzione. È la condizione in
cui, per effetto di luminanze molto elevate o di differenze di
luminanze troppo accentuate la percezione visiva risulta
difficile o si viene a creare un senso di "discomfort".
Si può determinare l’abbagliamento, ad esempio, in funzione dei valori
di contrasto:
•C = 2-2,5 valori di contrasto ottimali
•C = 9-12 abbagliamento
METODO TABELLARE CIE
Lb
L

p
 0 ,25 L2  
UGR  8 log 10 
 2 
L
p 
 b
cdm-2,
1
E


calcolata con ind
è la luminanza di sfondo in
(Eind è l’illuminamento verticale);
è la luminanza in cdm-2
è l’angolo solido, in steradianti,
è l’indice di posizione di Guth, che è funzione dello
scostamento angolare rispetto all’asse della visione, per ogni
singolo apparecchio di illuminazione.
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La prestazione visiva
LA TEMPERATURA DI COLORE rappresenta il livello termico
che deve raggiungere il corpo nero per generare luce della
stessa tonalità della luce prodotta dalla sorgente in esame.
Diagramma di Kruithof
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La prestazione visiva
L’acuità visuale migliora con l’aumento della DURATA
DELL’ESPOSIZIONE da 400 ms a 600 ms. Questo fenomeno è
particolarmente evidente in circostanze di breve durata, per
esempio inferiori ad 1 secondo, in cui fattori come il contrasto
e la luminanza determinano sempre più l’acuità visuale.
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Cenni di colorimetria
La colorimetria è la scienza che classifica i colori. I primi
studi in questa disciplina furono condotti da eminenti
scienziati quali Isaac Newton, Thomas Young e James Clerk
Maxwell. I sistemi oggi utilizzati per la valutazione oggettiva
dei colori sono essenzialmente due:
-
Il SISTEMA CIE (Commission Internationale pour
l’Eclarage)
-
Il SISTEMA MUNSELL
A livello italiano la denominazione ufficiale dei colori è definita dalla
NORMA UNI 9810:1991 .
La sensazione visiva, a differenza di quella uditiva, non permette di
distinguere in un fascio luminoso policromatico le varie
componenti monocromatiche. Per decomporre un fascio di
radiazioni policromatiche nelle sue componenti si utilizza uno
strumento normalizzato denominato colorimetro.
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Cenni di colorimetria
Il SISTEMA COLORIMETRICO CIE
Le quantità X, Y e Z sono
chiamate
componenti
tricromatiche e possono essere
definite
con
rapporti
adimensionali x, y, z, detti
coordinate tricromatiche:
x 
X
X Y  Z
z 
Z
X Y  Z
y 
Y
X Y  Z
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Cenni di colorimetria
Il SISTEMA COLORIMETRICO CIE
I colori con identiche
coordinate appaiono
equivalenti da un punto di
vista cromatico: i colori
rossi ricadono in una certa
zona, i verdi in un’altra e
così via. La curva a campana
è ottenuta congiungendo i
punti rappresentativi delle
radiazioni monocromatiche
da 380 a 780 nm.
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Cenni di colorimetria
Il SISTEMA DI MUNSELL
I colori di Munsell sono classificati secondo tre qualità:
a) TONO O TINTA: è legato alla lunghezza d’onda dominante ed individua
il colore con cui viene visto ad esempio un oggetto (rosso, giallo, blu
etc.)
b) PUREZZA O SATURAZIONE: è la vivacità del colore che quindi si
differenzia dalla visione del grigio (solo una lunghezza d’onda
monocromatica può fornire un colore puro; lo stesso colore può essere
ottenuto con luci diverse, ma la sua “saturazione” diviene sempre più
modesta).
c) LUMINANZA O LUMINOSITA’: esprime l’intensità luminosa nella
direzione della visione.
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Cenni di colorimetria
Il SISTEMA DI MUNSELL
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