Illuminotecnica: grandezze e definizioni

La percezione dello spazio e il benessere psicofisico di un individuo sono fortemente influenzati dall’illuminazione di un ambiente, sia esso indoor o outdoor. Lo studio della luce è un elemento molto importante da tener in considerazione in fase progettuale. Quindi? É sempre bene partire con alcune definizioni! In questo articolo l'ing. Clara Peretti fornisce alcune ed utili indicazioni su grandezze e definizioni che interessano il settore dell'illuminotecnica.

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Fonte: Fibretec srl

Differenza e correlazioni tra grandezze radiometriche e grandezze fotometriche

Le grandezze radiometriche studiano la radiazione elettromagnetica usando grandezze legate all’energia. Le grandezze fotometriche invece studiano la radiazione elettromagnetica usando grandezze legate alla vista

Ad ogni grandezza radiometrica corrisponde una grandezza fotometrica pesata sul fattore di visibilità relativo; dato che questo risulta uguale a zero al di fuori del campo visivo (380 - 780 nm) ne consegue che le grandezze fotometriche riguardano il range tra 380 e 780 nm.

Sono di seguito descritte le principali grandezze fotometriche ed altre definizioni relative al mondo dell’illuminazione degli ambienti interni, esterni e ad immersione.

Le grandezze fotometriche in campo illuminotecnico

Sono grandezze energetiche pesate con sensibilità fotopica dell'occhio umano. Queste sono:

  • Flusso luminoso 
  • Intensità luminosa 
  • Luminanza
  • Illuminamento 

Flusso luminoso 

È definito come la quantità totale di radiazioni emesse nell'unità di tempo da una sorgente primaria o secondaria, pesate con sensibilità spettrale dell'occhio umano. La sua unità di misura è il lumen con simbolo [lm].

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Intensità luminosa 

È definita come la concentrazione di luce in una direzione specifica, irradiata per unità di tempo.

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La sua unità di misura è la candela [cd=lm/sr].

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L’unità di misura dell’angolo solido è lo steradiante.

Luminanza 

È definita come il rapporto tra l'intensità luminosa emessa da una sorgente luminosa in una data direzione e l'area apparente di quella superficie. La sua unità di misura sono le candele al metro quadro [cd/m2].

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Illuminamento 

È definito come il rapporto tra il flusso luminoso ricevuto da un elemento di superficie e l'area di questo elemento. La sua unità di misura è il lux [lx].

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Cosa si intende con il termine efficienza luminosa?
Cos'è l'indice di resa cromatica e il rischio fotobiologico? Ecco una serie di definizioni di illuminotecnica

Efficienza luminosa

È definita come il rapporto tra flusso luminoso emesso e la potenza elettrica assorbita. La sua unità di misura è lumen diviso Watt [lm/W]. L'efficienza luminosa dell'apparecchio è un parametro utile per determinare il giusto apparecchio illuminante perché fornisce il dato pratico tra l'emissione luminosa e l'assorbimento complessivo dell'apparecchio illuminante. 

UGR (Unified Glare Rating)

L’indice UGR (Unified Glare Rating) è un indicatore unificato in campo internazionale, sviluppato dalla CIE per la valutazione dell’abbagliamento molesto. La norma CIE 117 del 1995 che ne definisce le caratteristiche, è successivamente stata recepita dalla norma italiana UNI 11165 “Valutazione dell’abbagliamento molesto con il metodo UGR” che illustra i criteri per il calcolo dell’indice UGR per locali interni. Il metodo UGR permette la valutazione dell’abbagliamento considerando solo i contributi delle sorgenti luminose artificiali. 

Per valutare l’abbagliamento si utilizza il metodo unificato UGR. Il valore UGR si calcola con la seguente formula:

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Dove: 

Lb è la luminanza di sfondo [cd/m2]

L è la luminanza dell’apparecchio di illuminazione nella direzione dell’occhio [cd/m2]

ω è l’angolo solido sotteso dalla sorgente luminosa [sr]

P è l’indice di posizione di Guth.

Il metodo UGR considera la luminosità di pareti e soffitti (prima parte della parentesi) nonché di tutti gli apparecchi di un impianto che possono contribuire ad abbagliare (sommatoria). 

L’equazione tiene conto di tutti gli apparecchi di un impianto che contribuiscono all’impressione di abbagliamento. 

Valori limite UGR (UGRL) che non possono essere superati

≤ 16 disegni tecnici

≤ 19 lettura, scrittura, scuole, riunioni, lavoro al computer

≤ 22 industria e artigianato

≤ 25 lavori industriali grezzi

≤ 28 binari ferroviari, capannoni

RGB

RGB è un modello di colori le cui specifiche sono state descritte nel 1936 dalla CIE. Esso è un modello di colori di tipo additivo: come somma dei tre colori Rosso (Red), Verde (Green) e Blu (Blue), da cui appunto l'acronimo RGB. 

Per le sue caratteristiche, è un modello particolarmente adatto nella rappresentazione e visualizzazione di immagini in dispositivi elettronici. 

L'illuminazione RGB utilizza LED RGB che usano diverse combinazioni di moduli di illuminazione rosso, verde e blu all'interno di un singolo LED, per produrre più di 16,7 milioni di colori diversi. I valori di tonalità di colore dei LED sono derivati dall'incremento del valore dei valori di rosso, verde e blu nella scala di colore RGB.

Leggi anche: Tecnologia LED: cos'è e come funziona?

RGBW

RGBW è simile a RGB, ma con il valore aggiunto di un singolo led di colore bianco. Un RGBW usa questo LED bianco in più in aggiunta ai classici rosso, verde e blu. Questo permette di avere colori più brillanti e transizioni tra i colori più naturali.

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Stripled RGBW. Fonte: Fibretec srl

Indice di resa cromatica 

L’indice di resa cromatica con acronimo CRI ovvero Color Rendering Index oppure Ra (secondo UNI EN 12464-1) oppure CRI è la capacità di una sorgente a luce bianca di mostrare i veri colori degli oggetti illuminati. Essa viene misurata, in una scala da 1 a 100: i colori appaiono più realistici quanto più la sorgente di luce è caratterizzata da un CRI elevato. Un’alta resa cromatica è importante in luoghi come i musei, le case, gli uffici, invece è meno importante, ad esempio, nelle strade, mentre è irrilevante nei semafori o in altre applicazioni di segnaletica.

La norma UNI EN 12464-1 (che ha sostituito la norma UNI 10380) riporta per ogni destinazione d’uso e attività il valore minimo di indice di resa cromatica. Ad esempio per gli uffici viene riportato un valore minimo di Rdi 80, mentre per i magazzini Ra deve essere almeno di 60.

La temperatura di colore

Temperatura (espressa in gradi Kelvin) alla quale si deve portare un corpo nero (considerato sorgente ideale di luce, emettendo energia radiante nell’intero spettro ed assorbendo totalmente l’energia radiante che lo colpisce) perché emetta una radiazione di pari colore.

La temperatura di colore della luce di una sorgente luminosa è un indice che misura la sua apparenza cromatica. Per misurare la temperatura di colore è necessario considerare un oggetto di riferimento, un “corpo nero”, che, riscaldato, passa gradualmente dal rosso, all’arancio, al giallo e al bianco/azzurro via via che aumenta la sua temperatura. La temperatura di colore di una sorgente luminosa è, quindi, la temperatura del corpo nero alla quale il suo colore corrisponde esattamente a quello della sorgente stessa. La temperatura di colore è una grandezza fisica associata alla tonalità della luce: a ogni temperatura corrisponde una sola tonalità. 

  • tonalità calda: CCT < 3300 K
  • tonalità neutra: 3300 K < CCT < 5300
  • tonalità fredda: CCT > 5300 K

Nell'industria e nel terziario si utilizza generalmente una temperatura di colore pari a 4000 K, nell'uso domestico pari a 3000 K.

Il rischio fotobiologico

Il rischio fotobiologico fa riferimento alla possibilità che la luce arrechi danno all’occhio umano. La normativa Italiana ed Europea CEI EN 62471:2006. Sicurezza fotobiologica delle lampade e dei sistemi di lampada, obbliga il produttore ad eseguire dei test di laboratorio ed indicare sulla sorgente luminosa la classe di rischio.

Il testo unico sulla sicurezza, D. Lgs 81/2008 riprende questi concetti e li applica ai luoghi di lavoro per la tutela dei lavoratori. La normativa regolamenta tutti gli apparecchi che emettono lunghezze d’onda comprese tra i 200 nm ed i 3000 nm. Nel caso di sorgenti LED, la radiazione da misurare va dai 400 nm circa ai 780 nm circa, ovvero lo spettro della “Luce Visibile”.

La norma CEI EN 62471:2006 riporta quattro classi di rischio:

  • Rischio Esente. Il concetto di base per la classificazione del gruppo Esente è che la lampada non provoca nessun rischio fotobiologico. 
  • Gruppo 1 (Rischio Basso). Il sistema di illuminazione non provoca rischio dovuto a normali limitazioni di funzionamento sull’esposizione.
  • Gruppo 2 (Rischio Moderato). Il sistema di illuminazione non provoca un rischio in seguito ad una reazione istintiva guardando sorgenti di luce molto luminose (o in seguito ad una sensazione di disagio termico).
  • Gruppo 3 (Rischio Elevato). Il sistema di illuminazione può costituire un rischio anche in seguito a un’esposizione momentanea o breve.

Step di MacAdam: l'indice fondamentale per valutare la qualità dei LED

Un parametro fondamentale per valutare la qualità dei LED è l'indice MacAdam che è utile per individuare la costanza cromatica. 

Le ellissi vengono utilizzate per descrivere le distanze di colore sulle coordinate XY della scala cromatica. L'area racchiusa in ciascuna ellisse raggruppa tutti i colori identici al colore standard di 

riferimento; la dimensione dell'ellisse è data in SDCM (Standard Deviation of Color Matching) e viene valutata su una scala di 7 punti.

Per l’occhio umano, le variazioni di colore entro il 3° step dell’ellisse MacAdam sono impercettibili.

  • 1 SDCM Nessuna differenza colore 
  • 2 SDCM Differenze visibili solo con analisi strumentali
  • 3 SDCM Differenze di colore appena visibili
  • 4 SDCM Differenze di colore visibili
  • 5 SDCM Marcate differenze visibili

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Step di MacAdam. Fonte: web

Colorimetria e tristimolo: cosa sono?

La teoria del tristimolo sulla percezione del colore ipotizza che la retina abbia 3 differenti tipi di sensori, ciascuno dei quali è più sensibile ad uno dei colori RGB

Ogni colore percepito può essere rappresentato come un punto in uno spazio 3D detto tristimolo

L'occhio umano percepisce ogni colore come combinazione di 3 colori primari: 

  • Rosso: lunghezza d'onda 700 nm
  • Verde: lunghezza d'onda 546.1 nm
  • Blu: lunghezza d'onda 435.8 nm

Le lunghezze d'onda dei tre colori primari sono state standardizzate dalla commissione CIE (International Commission of illumination).

Questo modo di rappresentare le terne di numeri è dato da tre funzioni primarie standard (X, Y, Z) che definiscono tutti i colori visibili. 

Sono coefficienti solo positivi: 

  • z fornisce la percezione dell’illuminamento sulla retina
  • x, y rappresentano il valore cromatico.

Le tre funzioni primarie standard sono riportate sul diagramma di cromaticità per una corretta individuazione della percezione e del valore cromatico.