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Teoria della luce

Flusso luminoso, intensità luminosa, illuminamento, luminanza

Avendo definito la luce in termini di energia radiante sembrerebbe corretto utilizzare unità di misura appartenenti alla radiometria. L’illuminotecnica utilizza invece grandezze e metodi derivanti dalla fotometria che quantifica la luce non in termini assoluti ma in termini di stimolazione visiva.
Le grandezze fotometriche misurano quindi la quantità di energia radiata nello spettro visibile non in maniera assoluta ma in maniera relativa rispetto alla sensibilità spettrale dell’occhio CIE.
Di seguito vengono descritte le grandezze fondamentali per la misurazione della luce: flusso luminoso, intensità luminosa, illuminamento e luminanza. Per facilitare la comprensione delle definizioni che seguono, verranno utilizzati alcuni esempi che sfruttano l’analogia che esiste tra la luce emessa da una sorgente luminosa puntiforme e l’acqua emessa da un ugello sprinkler. Ciò permette di dare una certa materialità alla luce che sarebbe altrimenti difficilmente rappresentabile.
 

Flusso luminoso

Esprime la quantità di energia emessa da una sorgente luminosa nell’unità di tempo. L’equivalente idraulico del flusso luminoso è dato dalla quantità di acqua emessa da un ugello sprinkler nell’unità di tempo ed è misurata in litri per minuto. Il flusso luminoso, normalmente identificato con il simbolo f, viene misurato in lumen (lm). Il lumen è definito come il flusso luminoso emesso nell'angolo solido unitario da una sorgente puntiforme posta al centro di una sfera di intensità luminosa pari a 1 cd in tutte le direzioni. Nel Sistema Internazionale (S.I.) l'unità di misura dell'angolo solido è lo steradiante (sr): 1 lm =1 cd x sr. Poiché il flusso luminoso si riferisce ad una quantità di luce emessa da una sorgente nell’unità di tempo corrisponde dimensionalmente ad una potenza (energia/unità di tempo).
 

Intensità luminosa

Esprime la quantità di energia luminosa emessa in una specifica direzione. Si definisce intensità luminosa (I) il rapporto tra il flusso luminoso infinitesimale emesso da una sorgente entro un angolo solido e lo stesso angolo solido.

I = df/dw

Dove df rappresenta il flusso luminoso emesso dalla sorgente in un angolo solido di dimensioni dw. L’analogia idraulica è data dalla quantità d’acqua emessa da un ugello sprinkler, in un cono angolare di dimensioni note. Viene indicato con il simbolo I e la sua unità di misura è la candela (cd).
 

Illuminamento

Esprime l’entità della luce che investe una certa superficie. Si definisce illuminamento (E) il rapporto tra il flusso luminoso che incide su di una superficie e l’area dell’elemento presa in esame.

E = dI /dA

in cui dI è il flusso incidente sulla superficie e dA l'area della superficie interessata dal flusso. L’equivalente idraulico è dato dalla quantità d’acqua che cade sulla superficie in esame nell’unità di tempo. L’unità di misura dell’illuminamento è il lux che dimensionalmente si esprime in lm/m2. Dalla definizione di illuminamento si ricavano due importanti corollari di natura geometrica che risultano molto utili per comprendere la distribuzione della luce nello spazio: - nel caso di una sorgente puntiforme la diminuzione del livello di illuminamento su di una superficie varia in relazione al quadrato della distanza dalla fonte: raddoppiando la distanza dalla fonte il livello di illuminamento sulla superficie diviene quindi 1/4; - il livello d’illuminamento su di una superficie è massimo quando i raggi luminosi giungono perpendicolari ad essa e diminuisce proporzionalmente al loro angolo d’incidenza secondo la relazione:

L = Ln x cos a

dove L = Livello d’illuminamento sulla superficie, Ln illuminamento normale, a angolo d’incidenza tra raggi luminosi e la normale alla superficie.
 

Luminanza

Esprime l’entità della luce emessa da una sorgente di dimensioni estese (primaria o secondaria) nella direzione dell’osservatore. Si definisce luminanza (L) il rapporto tra l’intensità luminosa di una sorgente nella direzione di un osservatore e la superficie emittente apparente così come viene vista dall’osservatore stesso.

L = dI / (dA * cos u)

dove I è l’intensità in candele, A è l’area della sorgente, cos u è il coseno dell’angolo compreso tra la direzione di osservazione e l’asse perpendicolare alla superficie emittente. L’equivalente idraulico è dato dalla quantità d’acqua che rimbalza su di una superficie nella direzione dell’osservatore. La luminanza si esprime in cd/m2.