Radiometria e Fotometria

Essendo la luce una radiazione elettromagnetica per poter quantificarne l’intensità e altre proprietà, sono state introdotte delle variabili radiometriche e fotometriche. Mentre la Radiometria consente di effettuare delle misure in funzione dell’energia radiante, la Fotometria misura l’intensità luminosa in funzione della percezione visiva della brillantezza luminosa.

La tabella di Figura 5.3 riporta un elenco di tutte le grandezze radiometriche e fotometriche utilizzate per descrivere una sorgente luminosa.

Figura 5.3 Elenco grandezze fotometriche e radiometriche per caratterizzare una sorgente luminosa

Le grandezze fotometriche sono:

• Intensità luminosa : 1cd è l’intensità luminosa di una sorgente monocromatica con picco a 555 nm che emette con intensità radiante di 1/ 683W in un angolo solido di 1 steradiante.

• Intensità luminosa media [cd] oppure [cd] è definita dal CIE tramite la misura rappresentata in Figura 5.4. Ha particolare importanza per LED dotati si sistemi di microlenti. In essi infatti, vista la mancanza di un punto di partenza ben determinato della radiazione luminosa, la misura dell’intensità luminosa tende a variare significativamente con la distanza di misura e l’apertura

del fotorivelatore, pertanto attenendosi alle distanze indicate si evitano variazioni dell’intensità ottenendo misure più attendibili.

Figura 5.4 metodo utilizzato per misurare l’intensità luminosa media

• Flusso luminoso : 1 lumen, unità di misura del flusso luminoso, è definito come il flusso di 1 cd emesso da una sorgente in un angolo solido di 1 steradiante. La stessa quantità può essere definita utilizzando il concetto della curva di sensibilità dell’occhio umano e dello spettro luminoso nel modo seguente:

In cui

• Efficacia luminosa : è definita come il prodotto tra l’efficienza quantica esterna, definita come il rapporto tra il numero di fotoni emessi dal dispositivo al secondo e il tasso di elettroni entranti al secondo, e l’efficienza luminosa della radiazione (K) definita a sua volta come il rapporto tra il flusso luminoso e il flusso radiante, calcolata in funzione della curva di sensibilità dell’occhio:

Per quanto riguarda le grandezze radianti, queste sono:

• Flusso radiante: è definito come la variazione del flusso di energia radiante nel tempo e si misura in watt [W]

• Intensità radiante: è il flusso radiante per unità di angoli solidi in una data direzione. Analiticamente è definita come:

• Efficienza radiante: è la capacità di una sorgente luminosa di convertire la potenza elettrica entrante in flusso radiante:

• Radianza: è una grandezza che descrive la quantità di luce emessa (o riflessa, o trasmessa) attraverso una data sezione e diretta verso un determinato angolo solido in una direzione indicata. E’ solitamente impiegata per descrivere l'emissione da sorgenti diffuse e la riflessione da superfici diffuse. L'unità di misura della radianza secondo il SI è il watt su steradiante su metro quadrato ( ).

5.3 Colorimetria

La colorimetria comprende tutta una serie di grandezze che permettono di dare una descrizione numerica del colore percepito dall’occhio umano.

Queste sono:

• Tono o tinta: è la proprietà qualitativa del colore legata essenzialmente alla lunghezza d’onda

• Purezza o saturazione: la purezza del colore è legata alla monocromaticità del colore, infatti i colori saturi sono quelli monocromatici. La combinazione di colori saturi compone altri colori meno puri

• Intensità della sensazione: dipende dalla luminanza della sorgente

Esistono in fisica due leggi di Grassmann che descrivono la cromaticità di un colore. Di seguito viene riportata solamente la prima:

• La variazione delle proprietà cromatiche della luce ha carattere di continuità: variando cioè con continuità un attributo fisico della radiazione (ad es. la lunghezza d’onda o la potenza), la sensazione cromatica varia con continuità.

• Il colore può essere costruito attraverso la composizione additiva di altri colori, ed in particolare di colori puri. L’occhio non è in grado infatti di discernere nel colore-miscela la natura delle singole componenti cromatiche che lo costituiscono.

• La luminanza di un colore che è ottenuto dalla miscela di vari colori è pari alla somma delle luminanza dei colori componenti.

Nel 1931 è stato introdotto il sistema colorimetrico CIE che permette di rappresentare su di un grafico, detto triangolo dei colori, le proprietà cromatiche della luce. Il tutto si basa sul fatto che la maggior parte dei colori risulta essere composta dal miscuglio tra il Rosso, il Verde e il Blu (sistema RGB).

Per questo motivo sono state introdotte le tre matching-function .

Figura 5.5 matching-functions del sistema RGB

Da queste funzioni, e dallo spettro della radiazione, sono stati definiti i valori di tristimolo X, Y e Z come:

Per no dover ricorrere ad un grafico tridimensionale, da questi valori è possibile ricavare le coordinate cromatiche nel piano (x,y) del diagramma cromatico di Figura 5.6 in modo tale da poter identificare ogni colore in maniera univoca.

Figura 5.6 Diagramma Cromatico

E vengono normalizzate in modo tale che per qualsiasi valore originario di X, Y e Z. Da questo si ricava tra l'altro che: ed è dunque possibile utilizzare due sole coordinate cromatiche (x e y) per identificare un colore essendo la terza (z, in questo caso) ricavabile sottraendo all'unità le altre due.

Il vantaggio è evidente: normalizzando i colori col meccanismo della somma costante (uguale a 1) è possibile utilizzare un grafico bidimensionale per catalogare qualitativamente (e non quantitativamente) tutte le tinte reali.

Ovvero si tracciano tutti i colori possibili e immaginabili la cui intensità totale è costante e pari ad uno, dunque ci si rende indipendenti dalla luminosità.