Conceptos básicos de iluminación: radiometría y fotometría

Conceptos Básicos de Iluminación

Conceptos básicos de Luminotecnia

La luz es una forma de energía que se transmite por medio de ondas electromagnéticas a una velocidad de unos 300.000 km/s en el vacío. La necesitamos para poder ver los objetos que nos rodean y realizar las tareas cotidianas. Dado que de manera natural la luz es intermitente, ha sido una obsesión desde el origen de la humanidad el disponer de fuentes de luz que permitan la iluminación de noche. Por ello, numerosos científicos e ingenieros han volcado sus esfuerzos en tratar de comprender este fenómeno y desarrollar inventos para producirla.

Como onda electromagnética que es, se caracteriza por una serie de parámetros relativos a las ondas, que son:

• Longitud de onda: Las ondas son periódicas, es decir, se repiten a lo largo del tiempo. La longitud existente entre un punto y otro similar en la nueva repetición (por ejemplo, entre dos crestas o dos valles) es la longitud de onda. Se representa por la letra griega lambda A y se mide en metros (m).

Cresta Amplitud Tiempo Valle Una longitud de onda (A)

Las características principales de una onda, incluyendo la amplitud y la longitud de onda. Imagen tomada de la ChemWiki de UC Davis (Universidad de California en Davis), CC-BY-NC-SA 3.0

• Frecuencia: Es el número de veces que se repite una longitud de onda en un segundo de tiempo. Se representa con la letra griega nu v y se mide en hercios (Hz).
• Velocidad de propagación. Es la velocidad con que se propaga la onda expresada en metros por segundo (m/s). Se representa por la letra c y es constante. Su valor en el vacío es 3.108 m/s.

Estos parámetros están relacionados entre sí mediante la ecuación:

Asunción León Blasco 1Tema 1: Conceptos Básicos de Iluminación c=λου

Según como las percibe el ojo humano, las ondas luminosas se clasifican en:

• Infrarrojo. Las longitudes de onda de estas señales luminosas con longitudes de onda mayores de 750 nm.
• Espectro visible (por el ojo humano). Son ondas luminosas cuya longitud de onda se encuentra entre 400 y 750 nm.
• Ultravioleta. Pertenecen a este grupo ondas luminosas con longitudes de onda inferiores a 400 nm.

Espectro visible por el ojo humano (Luz) Ultravioleta Infrarrojo 400 nm 450 nm 500 nm 550 nm 600 nm 650 nm | 700 nm 750 nm Rayos cósmicos Rayos gamma Rayos X UV- Č/B/A Ultravioleta Infrarrojo Radar UHF VHF Onda media Onda corta Onda larga Frecuencia extremadamente baja Microondas Radio 1 fm 1 pm 1 A 1 nm 1 um 1 mm 1 cm 1 m 1 km 1 Mm Longitud de onda (m) 10-15 10-14 10-13 -12 -11 -10 -9 -8 10-7 10-5 10 10" 10" 10-1 10" 101 102 10 104 10 10° 10 Frecuencia (Hz) 10 23 1022 1021 1020 1019 1018 1017 16 10 15 (1 Peta-Hz) 1013 1012 1011 10 10 9 10 108 10 105 105 10 103 102 (1 Zetta-Hz) (1 Exa-Hz) (1 Tera-Hz) (1 Giga-Hz) (1 Mega-Hz) (1 Kilo-Hz)

Espectro visible. Fuente: De Horst Frank, Jailbird - Esta imagen ha sido extraída del archivo, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1793461

Los fotorreceptores del ojo humano o células sensitivas que permiten captar la luz y el color, situados en la retina, son de dos tipos:

• Los conos (Cones). Son células sensitivas sensibles al color y la hay de tres tipos distintos, cada uno de ellos especializado en un color diferente. Proporcionan una visión nítida y detallada e intervienen en la denominada visión fotópica, es decir, con buena iluminación.
• Los bastones (Rods). Son sensibles a los bajos niveles de iluminación o también denominada visión escotópica, en la que no se produce percepción del color.

La fotometría es la ciencia que se encarga de la medida de la luz respecto a cómo la percibe el ojo humano. Para ello, dado que no percibimos de la misma manera todas las longitudes de onda, las intensidades de radiación visible que se miden se ponderan de manera diferente para cada longitud de onda, adaptándolas a la sensibilidad del ojo. Estas curvas ponderadas se denominan función de luminosidad, que correlaciona la percepción humana de la luz con las ondas físicas que registran los instrumentos de medida.

Asunción León Blasco 2 10 10" 10 1014 -5 -4 .- 3 3Tema 1: Conceptos Básicos de Iluminación 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 x (nm) -+ (UV) (IR)

Funciones de luminosidad fotópica (rojo) y escotópica (azul). Fuente: https://es.wikipedia.org/wiki/Funci%C3%B3n_de_luminosidad

Magnitudes y unidades fotométricas

La luminotecnia es la ciencia que estudia las diversas formas de producción, control y aplicación de la luz. Esta disciplina posee una serie de magnitudes propias utilizadas paracuantificar características relacionadas con la fuente luminosa y los objetos iluminados. Las principales se resumen en la siguiente tabla:

Magnitud Símbolo Unidad Flujo luminoso ф Lumen (lm) Intensidad luminosa I Candela (Cd) Nivel de iluminación E Lux (lx) Luminancia L Candela por metro cuadrado (Cd/m2) Rendimiento luminoso η Lúmenes por vatio (Lm/W)

Las tres primeras se refieren al emisor de luz o fuente de luz, mientras que la luminancia se refiere al objeto iluminado. La última se aplica a fuentes de luz de naturaleza exclusivamente eléctrica.

Vemos en detalle el significado de cada una de ellas.

• Flujo Luminoso ( ¢) Se define el flujo luminoso de una fuente de luz a la energía radiada al espacio en forma de luz visible en la unidad de tiempo. Se representa por la letra griega d y su unidad es el lumen (Im) que es el flujo luminoso irradiado al espacio por una onda electromagnética de 1/680 W de potencia.

Asunción León Blasco 3Tema 1: Conceptos Básicos de Iluminación

Flujo luminoso. Fuente: https://www.byverdleds.com/blog/2019/04/10/que-son-los-lumenes-y-por-que- fijarnos-en-ellos/

Eso no quiere decir que una lámpara cuya potencia eléctrica sea de 1 W, emita una luz de 680 lm, ya que sólo una pequeña parte de la potencia absorbida de la red eléctrica se transforma en radiación luminosa visible. El resto se transforma en radiaciones luminosas no apreciables por el ojo humano, radiaciones no luminosas y calor.

• Intensidad luminosa (I) La Intensidad Luminosa es la cantidad de flujo luminoso que emite una fuente en una determinada dirección por unidad de ángulo sólido. Se representa por la I y su unidad de medida en el sistema internacional es la candela (Cd) 2

Intensidad luminosa. Fuente: https://www.comparalux.es/www/apuntes/magnitudesFundamentales.php

• Nivel de iluminación (E) El nivel de iluminación o iluminancia de una superficie iluminada es el cociente entre el flujo luminoso que recibe (d -> lumen) y su área (A -> m2):

E =9 A

Se representa por la letra E y su unidad es el lux que corresponde al nivel de iluminación que tiene una superficie de 1 m2 sobre la que incide uniformemente un flujo de un lumen.

Asunción León Blasco 4Tema 1: Conceptos Básicos de Iluminación 1 Im 1 m2

Iluminancia de 1 Lux o 1 lm/m2. Fuente: https://es.wikipedia.org/wiki/Emitancia_luminosa

El aparato de medida que permite cuantificar esta magnitud es el luxómetro.

MANU MOLD 39.99 EXTECH Light Meler RANGE Lux FE

Luxómetro. Fuente: https://monitox.com.co/tienda/calibracion-de-luxometro/

• Luminancia (L) La Luminancia es la cantidad de flujo luminoso que llega a una superficie con una dirección determinada. Se representa con la letra L y su unidad es la candela por metro cuadrado (Cd/m2).

El aparato de medida empleado para registrar esta magnitud es el luminancímetro:

Ly 138 . 1 cd/m2 2755: +0.001

Luminancímetro. Fuente: https://www.directindustry.es/prod/konica-minolta-sensing-americas/ product-18425-1785691.html

• Rendimiento luminoso Debido a que no toda la potencia que absorbe una lámpara eléctrica de la red se transforma en luz, se define la magnitud de rendimiento luminoso (n) de una lámpara eléctrica como el

Asunción León Blasco 5Tema 1: Conceptos Básicos de Iluminación cociente entre el flujo luminoso (d -> lumen) que emite y la potencia eléctrica (P -> W) que absorbe de la red para su funcionamiento.

φ P es bastante inferior a 680 lm/W y depende del tipo de lámpara. Es un parámetro muy interesante para establecer comparativas.

Otros parámetros luminotécnicos

En el apartado anterior se han visto parámetros relacionados con la emisión de la luz. En este vamos a ver parámetros relacionados con la percepción de la luz.

• Temperatura de color (T.) Es un valor que está relacionado con la tonalidad de la luz ya que percibimos algunas de las fuentes con colores o, dentro de las blancas, como más frías o más cálidas. Es un valor de temperatura expresado en Kelvin que se obtiene comparando el color de la luz con la temperatura que tendría que tener el cuerpo negro para que emitiera una luz del mismo color. cuerpo negro que es aquél en el que toda la luz que incide sobre él se absorbe, no se refleja ni se transmite ninguna porción de la radiación incidente. Se trata de un concepto teórico, no existe en la naturaleza aunque objetos de grafito o de negro de carbón se aproximan a esta idealización.

Toda radiación incidente es absorbida No Cuerpo negro La radiación emitida es solo función de la temperatura del m 2 cuerpo negro

El cuerpo negro. Fuente: https://www.liceoagb.es/quimigen/estatom3.html

El cuerpo negro emite mayor cantidad de radiación cuanto mayor es su temperatura y, además, esta radiación va desplazándose hacia frecuencias mayores (es decir, longitudes de onda menores, tonos cada vez más azulados).

Asunción León Blasco 6Tema 1: Conceptos Básicos de Iluminación Radiación emitida por un cuerpo negro Intensidad T- 6000 K abo as0 nho 150 200 250 300 350 4.00 Longitud de onda [micras] ultravioleta Indrarrojo COSMO

Radiación del cuerpo negro. Fuente: https:/ /www.iac.es/cosmoeduca/ universo/anexos/cuerponegro.html

En definitiva, a cada temperatura en Kelvin (K) del cuerpo negro, le corresponde un color de luz y ese es un parámetro que se refleja en las especificaciones de las lámparas. Las T. más bajas corresponden a luces más cálidas, mientras que las más altas a luces más frías (es justo lo contrario que la sensación térmica que produce la luz emitida).

1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 8,000 9,000 10,000 K

Tonalidades de las lámparas en función de su temperatura de color. Fuente: https://www.dmlpro.es/tabla-de-rgb-vs-cct/

• Índice de reproducción o rendimiento cromático (IRC) Es un parámetro que mide la bondad que tiene una fuente luminosa para reproducir los colores en comparación con una fuente de referencia. La fuente de referencia, bajo la cual se percibirían los colores adecuadamente, tiene un IRC=100.

CRI 60 CRI 80 CRI 90

Apreciación de los colores para distintos IRC. Fuente: https:/ /www.barcelonaled.com/blog/informacion- led/como-elegir-la-lampara-led-correcta/

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