Illuminotecnica

Il laser fa male o fa bene alla salute ? Effetti del laser sull'uomo

Il titolo di questo articolo riprende una domanda che , un po' semplicisticamente , viene posta dai neofiti del laser : quando l'uso del laser fa male e può quindi creare danni alla salute dell'uomo ( principalmente su occhi e pelle ) e in quali applicazioni può invece avere effetti positivi sulla salute dell'uomo.

Gli effetti positivi sono legati all'utilizzo terapeutico o estetico dei laser : in ambito estetico sono ormai disponibili depilazione laser , trattamento di rughe , cicatrici , smagliature e capelli. In ambito medico , le applicazioni sono davvero tante : chirurgia , oncologia ( riscaldamento selettivo e distruzione di cellule tumorali ) , oculistica ( diffusissimo è ormai l'intervento alla retina ) , urologia ( distruzione di calcoli renali ) , ecc

Riguardo invece gli effetti negativi anticipiamo una risposta sintetica , che andremo ad approfondire nel resto dell'articolo : ci sono laser che , anche se usati impropriamente , non hanno conseguenze negative sull'uomo e ci sono laser che , invece , possono far male all'uomo e quindi devono essere utilizzati con molta attenzione e da personale esperto e appositamente formato. A tale proposito ci vengono in aiuto le norme ( CEI 76-2CEI EN 60825 ) , che effettuano proprio una suddivisione dei dispositivi a laser in base a classi di pericolosità.

Le norme si appoggiano alla definizione di Livello di Esposizione Accettabile ( LEA ) e Esposizione Massima Permessa ( EMP ) : i laser che non fanno male alla salute vengono detti laser intrinsecamente innocui e vengono classificati di classe 1 ( nessun rischio ) . Sono di potenza inferiore a 0,04 mW e non possono creare danni all'uomo in nessuna condizione , neanche per esposizioni prolungate e se puntati sugli occhi con sistemi di osservazione come binocoli e microscopi . Se invece sono possono diventare pericolosi in caso di osservazione con questi sistemi ottici , vengono definiti di classe 1M ( rischio basso ) .

A crescere dalla classe 1 , iniziano ad essere importanti i distinguo :

Laser di classe 2 ( rischio basso ): sono di potenza inferiore a 1mW ed emettono luce nello spettro visibile ( tra 400 nm e 700 nm ). Non sono laser intrinsecamente sicuri e bisogna pertanto evitare di guardare direttamente il fascio o di puntarli sulle persone. E' anche vero che , spesso , basta il normale riflesso che si ha di fronte a una luce intensa per provocare la chiusura della palpebra ed evitare danni . Va comunque opportunamente segnalato il rischio e il divieto di guardare direttamente nel fascio.

Laser di classe 2M ( rischio basso ) : hanno caratteristiche simili ai dispositivi di classe 2 , ma diventano pericolosi se osservati con sistemi ottici come lenti e binocoli . Questo rischio va sottolineato e specificato , invitando gli utenti a non utilizzare i sistemi ottici in questione.

Laser di classe 3R : sono dispositivi caratterizzati da un rischio medio , con lunghezza d'onda più ampia dello spettro visibile ( tra 302,5 nm e 10^6 nm ) per cui , se puntati negli occhi , possono anche non provocare reazioni difensive come il riflesso corneale. L'uso ne è consentito solo a persone autorizzate e formate.

Laser di classe 3 : il rischio è medio e sono pericolosi se puntati direttamente sugli occhi . Minore è il rischio in caso di riflessioni del fascio. L'uso è consentito solo a persone autorizzate e formate , la zona di accesso al laser deve essere confinata e sorvegliata. Viene formato un Tecnico Sicurezza Laser ( TSL ) , a controllare il rispetto delle prescrizioni .

Laser di classe 4 ( rischio alto ) : sono laser pericolosi per l'uomo non solo in caso di esposizione diretta alla vista , ma anche nel caso di esposizione indiretta e , inoltre , l'irradianza è tale da poter provocare danni alla pelle e ad altri tessuti , oltre che poter provocare incendi. Vanno quindi usati con molta cautela e solo da persone con formazione specifica. La zona di utilizzo va confinata e sorvegliata e al Tecnico Sicurezza Laser spetta verificare che queste condizioni siano rispettate.

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Cos'è il laser , la sua storia , quali sono le applicazioni del laser .

Origine , nome e storia del Laser

Laser è l'acronimo di Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation , ovvero si tratta di un amplificatore di luce per emissione indotta di radiazione . L'acronimo specifica lo stesso principio di funzionamento del Laser , che fu messo a punto negli USA ad inizio degli anni '60 con diverse tecniche : in California con una tecnica allo stato solido che sfruttava il cristallo del rubino e , contemporaneamente , fu depositato sempre negli Stati Uniti un brevetto di un laser a partire da due gas , elio e neon.

Quest'ultimo brevetto venne in realtà inizialmente definito Maser ottico a gas : storicamente la realizzazione del Maser ( Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation ) ha preceduto la costruzione del Laser ; fu infatti realizzato circa un decennio prima e il nome è frutto di un acronimo molto simile a quello del Laser , in cui Light ( Luce ) è sostituito da Microwaves ovvero microonde , cioè radiazioni elettromagnetiche con lunghezza d'onda maggiore ( cioè frequenza inferiore ) a quella dello spettro della luce visibile.

Alla base del dispositivo c'è il fenomeno dell'emissione stimolata o emissione indotta , indagata nei decenni precedenti a partire da uno studio di Albert Einstein nel 1917 . A differenza dell'emissione spontanea , che altro non è che la luminescenza cioè il fenomeno di emissione di radiazioni luminose da parte dei corpi durante il passaggio da stati ad energia superiore a stati di energia inferiore , dove i fotoni emessi hanno direzione e fase casuale , nell'emissione stimolata questo passaggio di stato è appunto provocato da radiazione elettromagnetica alla stessa frequenza , direzione e fase di quella incidente ed è una luce coerente. Vedremo nel prossimo paragrafo cosa si intende per luce coerente.

Le caratteristiche della luce laser e le sue applicazioni

Le applicazioni del laser sono dovute a caratteristiche molto particolari del fascio luminoso emesso dal dispositivo , che sono :

coerenza spaziale e temporale : le onde luminose conservano la stessa fase nel tempo e hanno la stessa fase in tutti i punti del fascio luminoso ;
monocromaticità : lo spettro delle frequenze luminoso è molto stretto , caratteristica legata alla coerenza temporale ;
direzionalità : il fascio luminoso è fortemente direzionale e collimato ( cioè non si disperde anche a distanze molto lunghe ) , questa caratteristica è legata alla coerenza spaziale ;
alta irradianza o densità di potenza W/cm2 : è legata alla direzionalità , essendo la potenza concentrata su una superficie molto stretta , il rapporto W/cm2 è alto ;

Come viene prodotta la luce laser : mezzo attivo , pompaggio e cavità

Per arrivare dall'enunciazione delle teorie sull'emissione indotta ad un dispositivo in grado di tradurre queste teorie in luce laser sono stati impiegati diversi anni , perché la tecnologia è effettivamente molto più complessa di quanto possa sembrare.

Il primo problema da risolvere consiste nel pompaggio del mezzo attivo , ovvero nel portare il mezzo attivo che produrrà l'emissione indotta ad uno stato di inversione della popolazione , dove la maggior parte degli atomi del materiale possiede più elettroni nello stato eccitato che nello stato fondamentale. A seconda della tecnica impiegata per portare il mezzo attivo in questo stato si parla di pompaggio ottico ( mediante luce ) , pompaggio elettrico ( mediante il passaggio di corrente o una scarica elettrica ) , pompaggio chimico ( mediante una reazione chimica ) o pompaggio atomico ( collisioni tra atomi o molecole ).

Il secondo aspetto tecnologicmente rilevante consiste nell'amplificare l'emissione indotta e nel renderla di caratteristiche tali da poterla utilizzare nelle varie applicazioni del laser. Questo avviene calando il mezzo attivo in una cavità ottica o risonatore ottico : immaginiamola come costituita da due specchi , di cui uno semiriflettente. La luce nella cavità viene ripetutamente riflettuta e amplificato , finché parte viene emessa attraverso la parete semiriflettente .

Il diodo Laser e la grande diffusione del Laser

Un grande impulso alla diffusione del laser e al moltiplicarsi delle sue applicazioni si è avuto negli anni '70 quando si è iniziato a realizzare laser con dispositivi a semiconduttore , il cosiddetto diodo laser , con conseguente miniaturizzazione e calo dei costi grazie alle economie di scala.

I diodi laser trovano applicazione nei seguenti campi : 

1) lettori ottici come quelli di CD , DVD , Blu Ray . Il lettore CD è forse stato il primo esempio di impiego di massa dei diodi laser : era il 1982 e il lancio del lettore CD da parte di Sony e Philips , grazie anche alla produzione di massa dei diodi laser da parte di Sharp , segno la fine dell'era analogica nel settore audio e hi-fi per entrare nell'era digitale. 
2) stampa Laser : la stampa laser è ormai sul mercato da oltre 40 anni , quando furono introdotte da Xerox , e oggi permettono di raggiungere alte velocità e qualità di stampa con grande affidabilità e silenziosità ; i costi sono ancora mediamente più alti della stampa a getto d'inchiostro , ma si sono sensibilmente ridotti col crescere della loro diffusione ; le stampanti laser funzionano in realtà su principi di elettrostatica : il compito del fascio laser è di colpire determinati punti del tamburo, un rullo caricato di carica elettrostatica positiva , facendo perdere la carica nei punti colpiti ; in questo modo i punti rimasti carichi positivamente attirano la polvere del toner , che è invece caricata negativamente ; la polvere si poggia sul foglio di carta e viene fissata mediante calore passando attraverso i rulli fusori.
3) sorgenti nei sistemi di comunicazione ottica : a questo proposito è immediato pensare alle fibre ottiche , ma la caratteristica del fascio laser di non disperdersi anche su lunghe distanze , li rendono ideali anche per le comunicazioni ottiche in spazio libero. Queste comunicazioni hanno lo svantaggio di poter raggiungere distanze di qualche decina di km e di necessitare che non vi siano ostacoli o agenti atmosferici tra trasmettitore e ricevitore ; 
4) strumenti di misura come telemetri e livelle laser : qui affrontiamo nel dettaglio come funziona un telemetro
5) lettori di codici a barre
6) puntatori laser : nati per i sistemi di puntamento in ambito militare e di armamenti , la loro miniaturizzazione e diffusione li ha resi facilmente disponibili a qualsiasi utente; per questo è importante la classificazione della pericolosità per la salute umana secondo le norme IEC 60825 e Cenelec EN 60825-1 ;
7) visori a sovraimpressione ( o head-up display ) : inizialmente nati in ambito aeronautico militare , poi diffusisi nell'aviazione civile e ora anche in ambito automobilistico
8) strumenti per la realtà aumentata , proiezione di immagini , dolby vision

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Il Laser negli strumenti di misura

Tra le tante applicazioni in cui il Laser è stato impiegato nei suoi quasi 70 anni di storia ci sono sicuramente le misurazioni. Gli strumenti di misura Laser sono ormai una realtà , soprattutto in edilizia e nei campi ad essa connessi ( impiantistica elettrica e idraulica , trasporti , ecc ) : alcuni strumenti molto diffusi sono il distanziometro , telemetro e la livella laser .

Il misuratore o telemetro laser è un dispositivo di alta precisione che permette di misurare la distanza tra due punti grazie all’emissione di un raggio laser a bassa intensità e misurando , tramite un sofisticato sistema di calcolo , il tempo intercorso tra l’emissione del raggio e il ritorno del suo riflesso.

Quali sono gli aspetti bisogna prendere in considerazione nella scelta di un misuratore di questo tipo ?  Gli aspetti determinanti per la scelta del misuratore laser sono sicuramente la precisione e funzionalità ma anche la grandezza il peso del prodotto e dimensioni dello schermo.  Questi fattori sono molto importanti perché ne determinano la maneggevolezza e la migliore fruibilità in tutte le situazioni. La maggior parte dei dispositivi viene utilizzata nell’edilizia civile e devono consentire misure precise in tutti i tipi di ambienti anche con ostacoli e la possibilità di leggere chiaramente i dati in tutte le situazioni di visibilità.

Per vedere quali funzionalità fornisce un misuratore laser rispetto a un normale altro strumento di misura delle distanze prendiamo un esempio di prodotto tra i vari misuratori disponibili sul mercato : il misuratore laser PCE-LDM 45 della PCE Instruments. Grazie ad un display retroilluminato fornisce risultati perfettamente leggibili e che può essere utilizzato per effettuare misure singole o per misurare in modalità continua, quando si vuole allineare superfici diverse divise da ostacoli. Grazie alla funzione pitagorica , permette all’operatore di calcolare anche la superficie e il volume di un ambiente , avendo a disposizione anche la funzione di addizione e sottrazione e una memoria interna per 20 punti di misura.  Completano le funzionalità di questo misuratore potente e versatile, la funzione di minimo e massimo e la possibilità di effettuare misurazioni fino a 40 m.

 

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Lampade a Led : cosa sono , vantaggi e caratteristiche tecniche

Il diodo a LED : la storia 

L'acronimo LED significa Light Emitting Diode , ovvero diodi ad emissione di luce : sebbene oggi l'utente comune associ i LED ai sistemi di illuminazione , per molti anni essi sono stati invece dei componenti di sistemi elettronici ( e lo sono tuttora ) . Si tratta a tutti gli effetti di diodi , ovvero di componenti a semiconduttore costituiti da giunzioni che permettono il passaggio di corrente se la tensione loro applicata rispetta una determinata polarità e supera una determinata soglia. Nel momento in cui avviene questo passaggio di corrente emettono anche luce , a differenza dei diodi tradizionali , e questa loro caratteristica è stata utilizzata per la segnalazione di stati di funzionamento nei circuiti elettronici e nella costruzione di indicatori digitali .

Negli anni '80 , per chi si occupava di Elettronica , l'immagine tipica di un Led era quella su una breadboard di prova dei circuiti elettronici

Come i LED sono oggi impiegati nell'illuminazione 

Perché i LED possano essere efficaci in un sistema di illuminazione ne devono essere montati un numero sufficiente su un circuito stampato , che verrà poi montato all'interno del corpo illuminante e completato con ottiche e convogliatori per ottenere diverse distribuzioni . La luce dei Led , infatti , è omnidirezionale ovvero emette un fascio luminoso che deve poi essere opportunamente convogliato dalle ottiche o dai lenti in modo da ottenere la curva fotometrica desiderata dal costruttore. I progettisti illuminotecnici poi ,  ricorrendo a calcoli e a software , scelgono i corpi illuminanti più opportuni e li collocano nel progetto per ottenere l'illuminazione desiderata. Non sono invece necessari filtri che modifichino il colore della luce , in quanto tra i vantaggi della luce LED c'è il fatto che possono emettere anche luce colorata e con temperatura di colore che può andare dai 2700K ai 6500K . Non si tratta degli unici vantaggi , che sono molteplici come vedremo nel parametro successivo.

Tutti i vantaggi della Luce a Led

Oltre a quelli sopra elencati , la luce a Led ha molti altri vantaggi :

- lunga durata ( vita utile ) : a differenza delle lampade tradizionali , le lampade a Led non presentano filamenti o parti mobili ( sono , come detto , dispositivi a semiconduttore ) e non vanno incontro a rottura ma presentano un decadimento del flusso luminoso molto lento , dell'ordine di grandezza delle 50.000 ore prima di scendere significativamente . A tale proposito c'è un'apposita nomenclatura per indicare il flusso luminoso percentuale conservato dalla lampada al raggiungimento delle 50.000 h : quando troviamo le sigle L90 , L80 , L70 la cifra dopo la lettera L indica la percentuale di flusso luminoso originario mantenuto dopo cinquantamila ore di lavoro ( quindi rispettivamente il 90% , l'80% e il 70% del flusso nominale originario ).

Ad essere rigorosi , quando la cifra L80 non è seguita da altre sigle Bxx e Cxx , l'80% di flusso originario è mantenuto dalla media dei dispositivi di quel tipo , cioè il 50% . Si potrebbe anche scrivere L80 B50 , ma in questo caso B50 viene omesso. Quando il costruttore garantisce prestazioni di vita utile ancora maggiori introduce altre sigle nella classificazione , ma di questo parleremo in un altro articolo per non appesantire la trattazione.

- alta efficienza luminosa : a parità di Lumen emessi , i Led richiedono un minore consumo di Watt elettrici rispetto alle lampade tradizionali , dovuto sia a un maggior rendimento della conversione tra energia elettrica ed energia luminosa , sia a minori perdite nei sistemi di alimentazione. L'efficienza luminosa si esprime infatti in Lumen/Watt ed è il rapporto tra il flusso luminoso emesso e la potenza elettrica assorbita dall'apparecchio.

Per fare un confronto tra apparecchi a Led ed altre sorgenti luminose che emettono un flusso equivalente prendiamo due esempi , che però rischiano di diventare presto obsoleti , data il continuo miglioramento dell'efficienza luminosa dei Led con l'avanzare della tecnologia di produzione ( che negli ultimi 5 anni è addirittura raddoppiata ) :

per ottenere lo stesso flusso di un tubo fluorescente compatto da 24W ( TC-L24W ) servono attualmente 12 Led ; mentre però la TC-L24W assorbe complessivamente 26W elettrici , i 12 Led assorbono un valore tipico di 18W , cioè il 36% di risparmio energetico . Immaginando un arco temporale di 20 anni per quel punto luce , si saranno risparmiati 1.000 kW/h di energia , corrispondenti ad una riduzione di emissioni di CO2 di 460 Kg .

maggiore compattezza : a parità di lumen emessi , i Led sono estremamente più compatti . Questo implica un minore ingombro e una più comoda progettazione anche in condizioni architettoniche particolari come ristrutturazioni o edifici di particolare pregio artistico e architettonico in cui la visibilità dei corpi illuminanti deve essere minima . Inoltre ne permette l'integrazione anche in dispositivi elettrici o elettronici dove non sarebbe stato possibile integrare altre tipologie di lampade : impossibile non pensare all'enorme diffusione di TV a Led , Ledwall e maxischermi che trovano largo impiego in pubblicità e nello spettacolo.

I ledwall e i maxischermi a Led sono oggi praticamente indispensabili nello spettacolo

- accensione istantanea e anche in situazioni ambientali difficili ( temperature molto basse , anche -35° ) : i led non presentano ritardi nell'accensione , come nelle lampade fluorescenti o in quelle ai vapori di sodio e ioduri metallici e questo determina un maggiore comfort nelle applicazioni tradizionali e una differenza sostanziale nell'impiego in quelle applicazioni dove sono richieste variazioni nel tempo ( scenari , effetti di luce , spettacoli , ecc ). Un vantaggio simile si presenta anche relativamente alle condizioni di impiego , perché i Led non presentano gli svantaggi tipici di accensione delle lampade fluorescenti.

- altri vantaggi ambientali , oltre al già citato grande risparmio energetico e quindi riduzione di emissione di CO2 , sono l'assenza di sostanze inquinanti o pericolose come il mercurio e di componenti IR e UV nella luce emessa

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L'illuminamento , il Lux e l'illuminamento nei luoghi di lavoro secondo UNI EN 12462

Che cos'è l'illuminamento

A differenza dell'intensità luminosa e del flusso luminoso , che sono grandezze caratteristiche di una sorgente , l'illuminamento è una grandezza che riguarda una superficie.

Si definisce illuminamento E in un punto di una superficie il flusso dΦ ricevuto da un punto infinitamente piccolo di superficie illuminata , diviso per l'area dS dell'elemento stesso :

E = dΦ/dS

Il Lux: l'unità di misura dell'illuminamento

Ovviamente qualora il flusso fosse costante su una superficie più ampia l'espressione può essere estesa come E = Φ/S ; ne segue che l'unità di misura dell'illuminamento è data dal rapporto tra l'unità di misura del flusso e l'unità di misura della superficie :

Lux [Lx] = Lumen/mq

I lux richiesti nei luoghi di lavoro

L'illuminamento è una grandezza fotometrica molto importante nella progettazione illuminotecnica : le norme stabiliscono infatti dei livelli di illuminamento medio mantenuto da tenere in determinati luoghi in base al compito visivo ivi previsto. A partire da questi valori si progetta la tipologia , la potenza e la disposizione dei corpi illuminanti.

Una norma molto importante a riguardo è la UNI EN 12464-2 che si occupa di Illuminazione nei posti di lavoro , sia posti di lavoro in interno ( parte 1 ) che posti di lavori in esterno ( parte 2 ) .

Vengono definiti , in base alle tipologie di locali e alle attività ivi svolte , dei valori illuminamento medio Em richiesto e delle fasce di illuminamento :

- illuminamento grossolano , tra 50 e 300 Lux
- illuminamento medio , tra 150 e 500 Lux
- illuminamento fine , tra 300 e 750 Lux
- illuminamento finissimo , tra 750 e 2000 Lux

Altri parametri definiti dalle norme per l'illuminazione dei luoghi di lavoro ( specialmente dalla UNI EN 12464-1:2011 ) sono l'indice unificato di abbagliamento ( Unified Glare Rating , UGRL ) , l'indice di resa cromatica ( Ra ) e l'uniformità di illuminamento ( Uo ).

I lux richiesti nell'illuminazione di emergenza

I lux sono infine un parametro importante anche nell'illuminazione di emergenza , necessaria a prevedere la sicurezza e l'evacuazione delle persone negli edifici e nelle manifestazioni. La norma UNI EN 1838 prevede un illuminamento medio Em sul pavimento di almeno 1 Lux per le vie di fuga e di 15 Lux per i luoghi di lavoro pericolosi , dove anche in caso di assenza di tensione si deve essere in grado di mettere in sicurezza macchine e processi produttivi.

L'illuminazione di emergenza viene di solito fornita con lampade autonome , UPS/Soccorritori e , in alcune manifestazioni , con gruppi elettrogeni o torri faro che restano sempre accesi per l'intera durata dell'evento costituendo una fonte di energia alternativa a quella principale.

I lux richiesti nell'illuminazione di emergenza

Lo strumento di misura dell'illuminamento è il Luxmetro. E' costituito da un elemento fotosensibile in silicio che funge da trasduttore di illuminamento, trasformando l'illuminamento che incide sull'elemento in una corrente, a sua volta rilevata da un microamperometro che restituisce la misura. La misura può essere fornita in forma analogica o, nella stragrande maggioranza dei casi, in forma digitale attraverso un LCD.

Tra i vantaggi del luxmetro digitale, c'è anche la possibilità di memorizzare i valori delle misure in un datalogger e scaricarli successivamente, rilevando valori di picco, valori minimi e altri parametri molto importanti per il progettista illuminotecnico.

La distanza tra elemento fotosensibile e display con datalogger varia da modello a modello, ma spesso si utilizzano cavi che permettano di effettuare misure anche in luoghi di difficile accesso o che richiedono l'assenza di personale per non "inquinare" la misura. Un altro aspetto importante del luxmetro è che la sensibilità spettrale dello strumento sia quanto più possibile vicina a quella dell'occhio umano, descritta dalla curva di sensibilità relativa v(λ), compresa tra la lunghezza d'onda minima di 380nm e lunghezza d'onda massima 780nm. Per fare questo si utilizzano una serie di filtri che attenuino le varie componenti della luce proprio riproducendo la curva v(λ).

Per impedire gli errori di misura dell'illuminamento dati dall'orientamento dell'elemento fotosensibile, che determina una variazione dell'angolo di incidenza della luce, nel luxmetro viene integrato un diffusore ( detto anche correttore di coseno ), che fa in modo di correggere, attraverso una calotta di diffusione, l'angolo di incidenza sull'elemento fotosensibile in modo che sia il più perpendicolare possibile.

Modelli Esempi di Luxmetri disponibili nel mercato

Di seguito riportiamo alcuni esempi di modelli di luxmetri presenti sul mercato, che vi abbiamo scelto tra i migliori per recensioni degli utenti e di diverse fasce di prezzo, dai luxmetri per uso hobbistico a luxmetri per uso professionale:

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L'intensità luminosa , la candela (Cd) e le curve fotometriche

L'intensità luminosa è una grandezza illuminotecnica propria di una sorgente luminosa e si definisce come il rapporto tra il flusso luminoso dΦ emesso da una sorgente in un determinato angolo solido dΩ e l'angolo solido stesso :

I = dΦ/dΩ

Se l'intensità è costante in tutte le direzioni , essendo 4π l'angolo solido complessivo , si ha :

I = Φ/4π

Questa condizione è di solito molto rara , perché quasi tutte le sorgenti luminose hanno caratteristiche direzionali , pertanto un'utile rappresentazione della sorgente è il solido fotometrico , che è il luogo geometrico delle estremità dei vettori intensità luminosa riportati in tutte le direzioni a partire dal punto dove si trova la sorgente.

Il solido fotometrico ha uno sviluppo tridimensionale lungo tutte le direzioni dell'angolo solido 4π ed è molto utile nei software di progettazione illuminotecnica , mentre è di più difficile lettura in una prima analisi delle caratteristiche della sorgente luminosa : pertanto , soprattutto nei cataloghi dei corpi illuminanti , vengono riportate rappresentazioni bidimensionali dette curve fotometriche , che altro non sono che diagrammi polari ottenuti da una determinata sezione del solido fotometrico.

La curva fotometrica riporta , per ciascun angolo del diagramma polare , l'intensità luminosa in candele. La lettura è facilitata da cerchi concentrici graduati con i valori in candele e , individuato l'angolo desiderato , dall'intersezione tra il raggio e la curva , si ottiene il valore in candele.

La candela è , appunto , l'unità di misura dell'intensità luminosa ed è l'unica grandezza fotometrica definita con un metodo fisico , tutte le altre grandezze illuminotecniche sono , come abbiamo visto a proposito del flusso luminoso , grandezze derivate :

1 candela viene definita come l'intensità luminosa emessa da una superficie di 1/600.000 mq di corpo nero ( radiatore integrale ) in una direzione ad essa perpendicolare alla temperatura di fusione del platino.

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Cosa sono i Lumen e cos'è il flusso Luminoso.

Il flusso luminoso è una grandezza fotometrica , caratteristica di una sorgente luminosa ( nella progettazione illuminotecnica un corpo illuminante ) , e si misura in Lumen.

La definizione del Flusso Luminoso è piuttosto difficile da capire per chi non ha buone basi matematiche , perché viene definita come un integrale : 

Φ = 683 Lm/W * ∫W(λ)*V(λ)*dλ .

Vediamo di capirlo meglio :

- W(λ) è la funzione che descrive l'andamento con la lunghezza d'onda λ della potenza della sorgente luminosa , espressa in Watt su metro

- V(λ) è la curva spettrale della visibilità relativa ; in pratica si tratta di una curva che , per ogni lunghezza d'onda λ , associa un coefficiente che tenga conto delle caratteristiche medie , statisticamente definite , dell'occhio umano ( si parla a tale proposito di occhio medio internazionale ). Tale curva assume un suo massimo, pari ad 1 , in corrispondenza della lunghezza d'onda λ = 555 nm ( corrispondente a un colore giallo-verdastro ) e tende a zero sotto i 380 nm ( colore violetto ) e sopra i 780 nm ( colore rosso ) . E' noto infatti che lo spettro della luce visibile è compreso proprio tra 380 nm e 780 nm. 

L'integrale in questione , quindi , pur essendo esteso da 0 a ∞ , assume in realtà valori non nulli solo tra 380 nm e 780 nm e può quindi anche scriversi come integrale da 380nm a 780nm .

Un modo per capire meglio la formula è considerare il caso di una luce monocromatica , ovvero caratterizzata da un'unica lunghezza d'onda : la funzione W(λ) sarà quindi nulla per tutti i valori di λ ad eccezione della lunghezza d'onda del colore considerato. In particolare , considerando proprio la lunghezza d'onda λ = 555 nm in cui il coefficiente V(555nm)=1 , se la sorgente irradia un flusso di 1W , essa produrrà un flusso luminoso di 683 Lumen.

Venendo quindi alla definizione di Lumen , nel sistema metrico internazionale di misura SI , il Lumen (Lm) è definito come il flusso luminoso emesso nell'angolo solido unitario da una sorgente puntiforme avente l'intensità luminosa di 1 candela. Scopriamo quindi che il Lumen è una grandezza derivata dalla candela , come lo sono tutte le altre grandezze fotometriche. La candela è l'unica grandezza fotometrica definita con un metodo fisico.

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Illuminotecnica : occhio umano e luminanza

L'occhio umano è l'organo deputato a tradurre i raggi luminosi in impulsi nervosi per il cervello. L'immagine di un qualsiasi oggetto viene proiettata sulla retina , dove termina il nervo ottico attraverso il quale gli impulsi vengono inviati al cervello.

Nella terminazione del nervo ottico e sulla retina sono presenti i coni e bastoncelli :

- i bastoncelli sono sensibili alle basse luminanze e percepiscono l'immagine solo in bianco e nero , cioè non distinguono i colori . Si parla in questo caso di visione scotopica .

- i coni sono sensibili solo oltre una certa luminanza minima e distinguono invece colori . Si parla in questo caso di visione fotopica.

L'uomo riesce a vedere solo entro determinate soglie di luminanza . La luminanza è una grandezza illuminotecnica che si misura nel sistema metrico internazionale in Candele per metro quadro ( Cd/mq ) . Un'altra unità di misura della luminanza , non riconosciuta dal SI , è il Lambert :

1 Lambert = 0,3183 cd/cm^2

La soglia minima di luminanza visibile è detta soglia dei bastoncelli e si trova all'incirca a 10 nanoLambert  , al di sotto di tale soglia l'occhio umano non è in grado di percepire. Sopra una certa soglia , posta intorno ai 5.000 Lambert ( 5 kLambert ) l'occhio resta abbagliato e si ha la soglia del dolore , perché l'occhio è soggetto ad abbagliamento .

La soglia dei coni sotto la quale l'occhio non è in grado di percepire i colori , è posta a circa a 1 microLambert . Per avere un'idea di immagini visualizzate al di sotto della soglia dei coni , la neve in una notte coperta si colloca a circa 10^-5 milliLambert e la neve in una notte stellata a circa 10^-4 milliLambert .

Tra 10^-2 MilliLambert e 10 Lambert si ha il crepuscolo , in cui i colori non vengono percepiti in modo netto , mentre a 10 Lambert si ha la soglia del giorno e la percezione dei colori diventa buona : la zona confortevole di lettura , molto importante nella progettazione illuminotecnica per assicurare il comfort visivo , si ha tra 10 e 100 Lambert. 

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