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Titolo: Luce e spettro verso lumen

Negli ultimi mesi ho acquistato una varieta' di lampadine LED, con
tonalita' e spettri diversi e mi sono accorto di stranezze con
riferimento alla luminosita' dichiarata. Il fatto piu' sconcertante
e' che una lampadina LED dichiarata per 245 lumen apparisse meno
luminosa di una lampadina CFL dichiarate per 150 lumen.
 
Ho preso informazioni ed ho scoperto che forse il produttore della
lampadina LED non ha sbagliato l'indicazione di luminosita'. La lampadina
LED ha una tonalita' verdastra e questo fa sospettare uno spettro non
lineare e pare che sia questo il problema di una percezione meno luminosa.
 
Ricorderete interventi scorsi ove si parlava di coni e bastoncelli con
riguardo alla retina umana. Alla Lawrence Berkeley Laboratory (LBL) hanno
scoperto che i bastoncelli, finora noti per essere importanti solo nella
visione notturna, in realta' controllano l'apertura della pupilla (una
apertura di diametro variabile che attraversa l'iride al centro).
 
Questo controllo della pupilla significa che anche quando c'e' una
luminosita' sufficiente a potere apprezzare i colori, i bastoncelli
possono avere influenza sulla nostra impressione visiva.
Dove sta il problema ? La diversa frequenza a cui sono sensibili
i bastoncelli dai coni. I bastoncelli sono sensibili a lunghezze d'onda
della luce intorno ai 498-508 nm che guarda caso e' proprio una tonalita'
verde (un po' verso il blue) ed insensibili a frequenze sopra i 640 nm
(rosso) e "vedono" tra 400 e 600 nm. I coni invece, di 3 tipi, con
picchi di sensibilita' a diverse lunghezze d'onda sono ognuna diverse
da quella dei bastoncelli:
L = 564-580 nm (questo e' il picco, ma "vedono" tra 420 e 700 nm)
M =  nm ("vedono" tra 400 e 650 nm)
S =  nm ("vedono" tra 380 e 550 nm)
Notare che la sensibilita' individuale varia leggeremente intorno ai
valori sopra indicati, esprimendo differenze tra individui come altre
caratteristiche (colori dei capelli, dell'iride, della pelle, etc.).
E mediamente le donne hanno una maggiore discriminazione dei colori
rispetto agli uomini (ma ci sono eccezioni in ambedue le direzioni, quindi
attenti a fare i sessisti) e quindi le donne abbiano pazienza se appare
che il loro marito non riesca a distinguere la nuova tonalita' della tinta
dei loro capelli o altro cambiamento cromatico come distinguere una
stoffa dall'altra (in genere alla donna piace quello piu' costoso ed il
marito, non vedendo la differenza, si domanda se e' solo il prezzo il 
fattore, non vedendo alcuna differenza cromatica), ma ora basta con
la divagazione.
 
A questo punto avrete capito cosa succedeva con le LED a luce verdastra:
la pupilla si contraeva in proporzione alla componente verdastra che i
bastoncelli percepivano. Ma le altre componenti dello spettro, quelle
utilizzate dai coni, non erano parimenti forti, e quindi la visione
complessiva (che a 245 lumen in un ambiente piccolo come un giro scale
e' gia' sufficiente per la visione a colori) risentiva di una sensazione
di luce minore perche' la pupilla ristretta faceva passare meno luce.
La luce della CFL da 150 lumen invece, non aveva quel picco "verde" e
quindi la pupilla non si restringeva e tutti i 150 lumen dello spettro
arrivavano alla retina che quindi reagiva con una sensazione di maggiore
luminosita'.
 
Fino a quando si usavano fonti luminose con uno spettro luminoso simile
(incandescenza, e le loro "maggiorate", ovvero le alogene) questo fattore
(lo spettro di emissione) non aveva importanza, perche' avendo essendo
simile, quello che differenziava la percezione era solo il flusso luminoso
complessivo.
 
A dire la verita', in passato, con l'introduzione dei tubi fluorescenti,
si sarebbe potuto osservare il fenomeno citato, ma l'ambito in cui
abitualmente si usavano (uffici e ambienti industriali) era talmente
diverso che non c'era un vero confronto. Personalmente avevo notato una
difformita' tra la potenza nominale in lumen e la sensazione visiva quando
ho acquistato una circolina per la cucina in base ai lumen dichiarati,
ma non avevo dato importanza alla cosa, pensando che fosse un problema
piu' di "sensazione soggettiva". Ora so che si trattava di una concreta
sensazione di minore luminosita', perche' lo spettro bluastro mi chiudeva
la pupilla e quindi vedevo meno le altre componenti, quelle che dovevano
darmi il colore.
 
In ogni caso, con l'introduzione delle CFL (ma con il miglioramento
dello spettro di emissioni grazie ai triforsfori il problema era stato
attenuato) ma ancora di piu' con le lampadine LED che sono fornite con un
ampia variabilita' degli spettri di emissioni (anche quelle che utilizzano
i fosfori, perche' sembra che i produttori stiano sperimentando le piu'
strane miscele, come quelle "verdastre" che ho citato ... viene il dubbio
che fossero miscele per illuminazione per flora o fauna in ambienti
artificiali ?) il problema e' diventato importante, specialmente dal punto
di vista del risparmio energetico. Infatti non ha molto senso
"far chiudere" la pupilla piu' del necessario, costringendo a passare ad
un maggiore potenza elettrica della lampadina per avere la luminosita'
desiderata.
 
Lumen fotopico
--------------
Diventa percio' evidente che qui serve "ricalibrare" la misura della
intensita' luminosa. Il lumen, vi ricordo, misura l'ammontare "totale"
della luce visibile (si intende "visibile" all'occhio umano medio).
A questa misura di intensita' si da' oggi il nome di "lumen fotopico".
 
Questo valore "fotopico" e' ottenuto calcolando la media tra le
intensita' luminose rapportate alla distribuzione della potenza spettrale
(DPS) della lampada sulla efficienza visuale fotopica dell'occhio umano
[definita come la funzione V(lambda), una funzione scelta come riferimento
tipo di un occhio umano ideale/medio].
 
La conseguenza di questo criterio, usato finora ed in base al quale sono
indicati i valori in lumen sulle confezioni delle lampadine, e' che una
lampadina ad incandescenza, con il suo spettro caratteristico, ed un
tubo fluorescente, che ha uno spettro marcatamente differente, sono
considerati come fonti luminose equivalenti se forniscono la stessa
intensita' di luce fotopica come misurato da un comune fotometro.
 
Ma cosi' che appare all'occhio umano, perche', al contrario dello strumento
citato, l'occhio umano possiede anche una pupilla, che oggi scopriamo
essere sensibile ad una emissione ristretta dello spettro totale
e quindi la misurazione, come "vista" dall'occhio umano, e' marcatamente
diversa nei due casi, anche se il lumen fotopico indicato e' uguale.
Immagino ora un coro: l'avevo sempre detto che facevano meno luce ... grin!
In realta' non e' che certe CFL (o LED) fanno meno luce, ma che la nostra
retina "vede" meno luce, perche' quella la vostra pupilla si chiude piu'
del necessario.
PS: il fatto che la pupilla si chiude reagendo a frequenze diverse della
luce era gia' noto con riferimento al rischio causato dagli ultravioletti
utilizzando occhiali scuri scadenti, non filtranti gli UV. Infatti
sappiamo che gli occhiali scuri spingono la pupilla ad allargarsi ed in
ambiente ove c'e' un forte intensita' di UV (anche di quelli B, quelli
che ci fanno abbronzare) questo poteva causare anno alla retina che si
trovava sottoposta ad una forte intensita' di UV che passavano attraverso
le lenti non attenuati come invece ci appariva per la componente visibile.
Orbene, la novita' e' che questa "selettivita'" e' ancora piu' stretta
e tocca anche come "vediamo" la parte visibile dello spettro luminoso.
 
 
La questione e' ora di correggere il valore in "lumen fotopici" con un
correttivo che tenga conto della diversa apertura della pupilla al
cambiare del tipo di fonte luminosa (cioe' del DPS).
 
Per cominciare si definisce un lumen scotopico che e' il tipo di luce
che non e' generalmente misurato dai fotometri, ma che comprende una
parte della percezione umana di luminosita'.
 
Notare che la "chiusura" della pupilla non e' male, perche'
aumenta la definizione, la capacita' di messa a fuoco e di questo occorre
tenere conti in casi ed usi particolari (come la guida notturna ed ecco
dove le lampade a bassa pressione al sodio risultano essere una ottima
fonte luminosa stradale notturna).
 
L'effetto puo' essere contraddittorio: vediamo meno luce, ma vediamo piu'
nitido (provate a fare l'esperimento con la classica "luce fredda" il cui
valore di potenza in "lumen fotopici" simile a quella di una lampadina ad
incandescenza, con una testo scritto, e vedete dove leggete piu' lontano,
ovviamente con valore modesti, tipo 300 lumen, altrimenti il problema
non si pone, perche' se la luce e' molto forte, in ogni caso la pupilla
si chiude quanto basta per una buona definizione ottica).
 
In sostanza si lavora nella zona di visione mesopica (tra scotopica,
quella notturna, e fotopica, quella diurna).
 
Ora, si sono messi in testa di sfruttare questa caratteristica
diminuendo ancora di piu' la potenza fotopica, ma mantenendo la
stessa apertura della pupilla: ovvero c'e' meno luce, ma vediamo
lo stesso nitido (ovviamente perche' il criterio di minima quantita'
di luce e' soddisfatta).
 
Ecco cio' che hanno misurato:
                                  lumen     lumen
                                 fotopici  scotopici
--------------------------------+---------+---------
Tubo fluorescente caldo da 40W     3200      3100
Tubo fluoresecente freddo da 40W   3150      4630
Fluorescente 5000K banda stretta   3300      6468
Fonte banda stretta scotopica      3000      7500
 
Come potete vedere, aumentando la quantita' di luce nella fascia di
ricezione dei bastoncelli, aumentano i lumen scotopici.
 
A questo punto possiamo definire un rapporto tra intensita' scotopica
ed intensita' fotopica = s/f, dividendo la seconda colonna per la
prima. Il rapporto s/f e' una proprieta' della DPS della fonte.
 
Ed ora definiamo il lumen pupillare con la seguente funzione:
 
f (s/f)^0,78
 
dove il coefficiente 0,78 non e' esatto, ma include un errore +/- 0,03
che dipende dall'insieme di soggetti usati come "campione" (e' un valore
empirico ottenuto per sperimentazioni).
 
Ecco i risultati sperimentali per l'esempio citato dei tubi da 40W:
 
                                  lumen     lumen pupillari
                                 pupillari     per watt
--------------------------------+---------+----------------
Tubo fluorescente caldo da 40W     3125           78
Tubo fluoresecente freddo da 40W   4254          106
Fluorescente 5000K banda stretta   5578          139
Fonte banda stretta scotopica      6130          153
 
Da quello che mi pare di capire, l'obbiettivo e' migliorare la definizione,
ma non ho l'impressione che la luce sara' piu' gradevole.
Ovvero esiste un rapporto s/p piu' confortevole ben preciso.

On Fri, 19 Dec 2014 19:09:35 -0600, Roberto Deboni DMIsr wrote:
 
...snop...

Ecco una tabella di rapporti s/f per varie fonti di luce:
 
Lampada al sodio a bassa pressione tipo SOX  0,35
Lampada al sodio ad alta pressione da 35W    0,40
Lampada al sodio ad alta pressione da 50W    0,62
Fluorescente bianco calda                    1,00
Lampada sodio alta pressione bianca          1,14
Incandescente convenzionale                  1,41
Lampada ad induzione a 3500K                 1,46
Lampada agli ioduri metallici                1,49
Lampada ad induzione a 4100K                 1,62
Lampada ad induzione a 5000K                 1,96
Lampada ad induzione a 6500K                 2,25
Luce solare (CIE D55)                        2,28
Luce solare e cielo (CIE D65)                2,47
 
Ad alti valori s/f si tratta di illuminazione per strade, magazzini
o illuminazione notturna per esterni, laboratori, etc. e temo che non la
voglio certamente dentro casa mia.
 
Insomma, se vedete un lumen pupillare non mi pare per una luce da
soggiorno.

 tonalita' e spettri diversi
[cut]
 
Buongiorno Roberto Deboni DMIsr
 
La leggo sempre con interesse.
Scusi se la "tiro per la giacchetta" ma mi piacerebbe un suo parere in
merito alle Lampade a Induzione Magnetica (veda mio precedente post).
 
Naturalmente se ha tempo/voglia/interesse: non si senta obbligato.
 
Grazie.
 
Saluti.
 
Silvio
 
 
 
 
 

attenti a fare i sessisti)
 
Non e' proprio cosi'. Se proprio uno vuole fare la punta alle matite, la
sensibilita' ai colori delle donne e' identica a quella degli uomini nel
50% dei casi (escludendo casi di daltonismo). Il restante 50% e' affetto
da una piu' o meno ampia non-inattivazione dei geni del cromosoma X dove
sono codificati i pigmenti della retina.
Circa i tre quarti di queste hanno alleli identici sui due cromosomi X e
quindi non gli fa molta differenza, ed avranno tre tipi di coni, a volte
con una distribuzione un po' diversa.
Il rimanente 25%, pari al 12.5% del totale circa (e' difficile valutarlo
perche' l'educazione conta: per tutta la vita ti dicono "questo e' rosso
e questo e' arancio", e qualsiasi cosa tu veda, quelle sono le etichette
che ci appiccicherai!) ha una mutazione sull'uno o l'altro dei cromosomi
X.
 
Siccome gli uomini due cromosomi X non ce l'hanno (di solito; poi, anche
li' ci sono le eccezioni), quei due pigmenti possono averli solo con uno
di tre o quattro possibili tipi. Le donne tetra e pentacromatiche invece
vedono effettivamente una palette di colori piu' ampia. Che poi imparino
a percepirla davvero, e' un altro discorso.
 
E infine ci sono tre mutazioni nella struttura del cristallino che hanno
influenza sulla trasparenza nell'UV (il cristallino - come il vetro - e'
UV-opaco). Un effetto collaterale e' il rischio di glaucoma, pero', come
compensazione, la visione si estende nell'ultravioletto.
 
===
 
Per i motivi di cui sopra... beh, no: per il fatto che l'occhio umano ha
una risposta non-lineare, su tre diverse frequenze, la CIE ha sviluppato
il concetto di "spettro fotopico" e di "intensita' fotopica", per cui la
luminosita' percepita d'un oggetto si ottiene convolvendo la funzione di
luminosita' CIE con la distribuzione di flusso luminoso fra 400 e 700 nm
(in teoria fra zero e infinito, ma visto che nessuno vede i raggi gamma,
diciamo 300-800 e tutti pari).
 
Il calcolo e', intanto, complicato; e poi si ottengono valori inferiori,
rispetto al flusso fisico. Grazie al razzo, visto che la funzione CIE e'
sempre fra zero e uno, e si avvicina a uno solo fra 500 e 600 nm. E dove
e' zero, puoi emettere tutti i W che vuoi e non contribuiranno al totale
generale. Energia sprecata.
 
Quindi i produttori di lampade si trovano davanti a un problema simile a
quello dei venditori di hard disk.
 
Perche' cos'e' un gigabyte? Un kilobyte non sono 10^3 byte (1000), ma e'
pari a 2^10 (1024) byte. C'e' un 2% di differenza. Fra un megabyte visto
come 10^6 e uno visto come 2^20 c'e' un 4.8% di differenza. Nei gigabyte
la differenza sale al 7.4%. Cominciano a essere soldi.
 
E un disco da 500,000,000,000 byte si puo' venderlo come da "CINQUECENTO
GIGABYTE" oppure come "QUATTROCENTOSESSANTASEI GIGABYTE".
 
I venditori naturalmente scelgono tutti una delle due versioni: indovina
un po' quale.
 
Stessa cosa col lumen. Cos'e' un "lumen"? Tot energia che impatta su una
superficie purchessia, o tot energia che impatta su una retina.
 
Nel primo caso, a parita' di "tot" energia, ti puoi bullare di 450 lumen
e scusaci. Nel secondo ti devi magari accontentare di 238. Se emetti - a
spregio - solo nell'ultravioletto, ovvero luce invisibile, la CIE ti da'
*ZERO* lumen. "Questa lampada costa 20 EURi" "E cosa mi da'?" "Zero!"[1]
 
I venditori naturalmente... ma questo l'ho gia' detto.
 
Si potrebbe salvare capra e cavoli progettando una lampada che emettesse
secondo lo spettro CIE. Avrebbe anche una luce bellissima :-). E avrebbe
lo stesso numero di lumen, "apparenti" ed "effettivi". Ma, anche quello,
costa, e finche' non da' sufficienti vantaggi commerciali...
 
===
 
Soluzione: la soluzione costosa e' quella di acquistare un sensore Zeiss
o GretagMacbeth (IIRC) che calcola la risposta CIE-XYZ.
 
In alternativa, in teoria e' possibile rifare il calcolo analizzando una
fotografia digitale con i dati dei sensori in EXIF. Ci sta che esista un
programmino adatto su Google Play Store. O magari per iPhone.
 
A quel punto uno inquadra la lampadina, e legge il valore "vero" di cosa
sta comprando.
 
Col tempo, la gente trovera' piu' conveniente acquistare CIE-compliant e
l'industria trovera' quindi piu conveniente fabbricarle.
 
Leonardo
 
[1] E' ovvio che una lampada cosi' la si compra per abbronzarsi, non per
    leggerci Anna Karenina. Ma se fosse venduta per lampada da tavolo il
    discorso sarebbe proprio quello: costo, tot; luce, zero. Non avrebbe
    grossi acquirenti. Eppure, per emettere, emette.
 
-- 
 
Enough, enough!  But, stranger, ere we part,
Glancing farewell to each nefarious bier,
This warning would I beg you take to heart:
There is an end to e'en the worst career!

 l'industria trovera' quindi piu conveniente fabbricarle.
 
Sperem. C'e' voluta una legge per "uccidere" le incandescenza (oggi se
venisse revocata, solo una minoranza ritornerebbe alle incandescenza).


Sperem. C'e' voluta una legge per "uccidere" le incandescenza
 
Mi unisco alla speranza :-)
 
Leonardo


 risultati simili. Potrebbe essere interessante.
 
Sarei interessato pure io. Un modo dignitoso, senza prendersi un costoso 
strumento, di misurare grosso modo il flusso luminoso.
BTW, cercando "luxmetro" sul Google App Store, saltano fuori dozzine di app. 
Non ho la pčiu' pallida idea del loro valore. Ci vorrebbe un esperto con 
strumenti adeguati.
 
Fabrizio
 
 

strumenti adeguati.
 
Ohime', per quanto riguarda il Play Store, mi sembrano tutte topate. E
comunque, misurano i lux dal sensore di luminosita', che non e' quello
che serve a noi.
 
Anche se e' *PARTE* di quello che serve a noi ;-D
 
Sapendo i lux "wattosi", poi IMHO da una fotografia si dovrebbe potere
ricavare in qualche modo la percezione HVS.
 
Per la taratura non c'e' problema, l'amico mio e' òmo di GretagMacbeth
e c'ha tutti l'attrezzi di chisto munn'.


 c'ha tutti l'attrezzi di chisto munn'.
 
Il problema me lo sono posto piu' volte (quello della misurazione) poi mi
sono ricordato che la definizione in se stessa e' empirica, basandosi su
un occhio "tipo" (relativa curva di risposta).
 
Percio', il mio strumento consiste nell'occhio critico di persone che
lavorano nel settore grafico e della fotografia. Un po' alla volta
vedo a furia di paragoni relativi ad arrivare ad una "classifica" empirica
simile ad una scala misurata.
 
Mi limito pero' all'acquisto di lampadine con un certo mercato (gia' ora
sono in possesso di una dozzina di marche diverse ... e devo limitare le
mie risorse).

Anche se e' *PARTE* di quello che serve a noi ;-D
 
Il lavoro completo sembra PARECCHIO complicato. Ho capito come mai quegli
attrezzi costano una baracca di soldi.
 
http://white.stanford.edu/~brian/papers/pdc/cic9.pdf
 


 nessuno vede i raggi gamma, diciamo 300-800 e tutti pari).
 
- Per lo standard hanno voluto fare 380-780 nm,
poiché corrispondono (arrotondando) a 780-380 THz
 
(per eventuali altri che leggono ma non osano chiedere:
nm = nanometri, e THz = TeraHertz) (rfr. lunghezza d'onda e
frequenza della luce nella porzione di spettro in questione,
quella della luce visibile all'occhio umano per lo standard CIE)
 
-=-=-
 
/> pre-signature
_____________________________________________________________=
io propongo vari tipi di cose, e chi legge sceglie. E in base
a quel che sceglie, e per cui si agita, si fa riconoscere </
 
-- 
uniposta* /associator synaesthete/ email su: *yahoo-it *gmail-com
//> una delle mie immagini 
http://postimage.org/image/dd75gbc4f/
 //> le
mie facce (49anni/settembre2012) 
http://postimage.org/image/cj98ac4yn/
 
(se l'immagine non si vede su explorer, usare firefox o altro browser)
da lun08apr2013, di regola potro' esserci martedi', giovedi' e sabato