TEMPERATURA COLORE
La diffusa consapevolezza che la luce artificiale, condiziona i processi della percezione visiva, ha indotto le principali case produttrici di lampade ad elevare il livello qualitativo dell’emissione luminosa nella ricerca delle soluzione più adatte ad ogni problema di illuminazione.
Allo scopo di stimare convenientemente la qualità della luce ci si avvale di alcune grandezze che rendono conto del suo contenuto cromatico. Ogni fonte luminosa, sia essa di natura solida o aeriforme, genera radiazioni elettromagnetiche visibili comprese entro l’intervallo di Lunghezza d’onda da 380 a 780nm.
La ripartizione delle radiazioni nella banda spettrale del visibile determina il colore della luce, o meglio la sua tonalità di colore. Secondo una convenzione internazionale stabilita dalla CIE, la tonalità di colore della luce si esprime con metodo diretto, per confronto, attraverso una grandezza termica, cioè la temperatura assoluta, espressa in gradi Kelvin (K), di un corpo nero che irradia luce con la stessa tonalità di colore della luce emessa dalla sorgente in esame.
Tale temperatura di riferimento è chiamata temperatura di colore. Dire che una lampada ha una temperatura di colore di 3000 K significa che la luce da essa prodotta ha la stessa tonalità di quella generata dal corpo nero portato alla temperatura di riferimento di 3000 K.
La definizione è sufficientemente appropriata quando si analizza la tonalità della luce scaturita da un corpo solido che, al pari del corpo nero, ha uno spettro di emissione continuo. Nel caso della lampada con filamento incandescente di tungsteno la temperatura necessaria per eguagliare la tonalità del corpo nero è superiore.
All’identità delle tonalità delle due emissioni non corrisponde la stessa distribuzione delle Lunghezze d’onda. Da ciò si comprende come la temperatura di colore possa definire la tonalità solo in modo approssimativo, come un effetto cromatico più che come un’identità cromatica.
Quando si esamina poi la tonalità di una lampada a scarica che – come sappiamo – ha uno spettro discontinuo , o comunque con marcate disuniformità tra le Lunghezze d’onda il paragone col corpo nero perde di legittimità.
E’ consuetudine, tuttavia, parlare ancora di temperatura di colore, eventualmente con l’aggettivazione di temperatura correlata, riferendosi alla temperatura del corpo nero che produce un risultato cromatico quanto più vicino a quello della sorgente a scarica.
Si tenga infine presente che la grandezza termica descrive unicamente e in modo sommario la tonalità di colore dell’emissione luminosa e non la sua resa cromatica, cioè la proprietà di restituire fedelmente, per riflessione, i colori degli oggetti illuminati.
Nella tabella sono raccolti i valori delle temperature di colore per alcune sorgenti di luce naturale ed artificiale.
SORGENTI LUMINOSE
Un’onda elettromagnetica propaga energia raggiante, delle quale si misurano diverse grandezze.
Ognuna di queste grandezze può essere definita per ogni singola lunghezza d’onda e in tal caso si aggiunge l’aggettivo “spettrale”.
Una sorgente luminosa si definisce mediante la sua distribuzione spettrale di potenza (spectral power distribution) cioè la potenza della sua radiazione elettromagnetica in funzione della lunghezza d’onda, da 380 a 780 nm circa.
Si può dare la distribuzione in termini assoluti, ma spesso la si dà in termini relativi, ponendo uguale a 1 l’energia a 560 nm.In pratica questa distribuzione si misura in intervalli, per esempio ogni 5, 10 o 20 nm.
CURVA DI VISIBILITA’
La sensibilità dell’apparato visivo alla radiazioni non è la stessa per tutte le lunghezza d’onda. L’occhio umano risponde alle sollecitazioni provocate dalle radiazioni le cui lunghezze sono comprese in un intervallo ristretto; la sensibilità delll’occhio descresce man mano che ci si porta ai bordi di questo intervallo.
Per tener conto delle caratteristiche dell’occhio umano, la potenza emessa per ogni singola lunghezza d’onda deve essere “pesata” secondo la sensibilità dell’occhio a quella lunghezza d’onda.
A tale scopo è stata studiata la risposta dell’occhio alle radiazioni di varie lunghezze d’onda sia in condizioni di luce diurna (visione fotopica) sia in condizioni di minore intensità luminosa (visione mesopica e scotopica).La CIE ha codificato un occhio medio che ha una sensibilità media, risultato di una elaborazione statistica condotta su un gran numero di soggetti.
E’ stata così definita la curva di visibilità relativa (fotopica) qui sotto riportata.
Questa curva indica come trasformare l’energia radiante in modo da tener conto delle caratteristiche dell’occhio. La trasformazione da watt (potenza radiante) a lumen (potenza radiante corretta) si fa moltiplicando la distribuzione spettrale in watt per la curva di visibilità relativa, lunghezza d’onda per lunghezza d’onda, sommando tutti i contributi e moltiplicando per 683.
LUNGHEZZE D’ONDA DELLA LUCE E PERCEZIONE DEI COLORI
L’occhio umano è sensibile solamente alle onde elettromagnetiche con lunghezze d’onda comprese tra 400 e 700 nm (spettro visibile).
Questo intervallo di lunghezze d’onda costituisce una porzione assai piccola dell’intero spettro delle onde elettromagnetiche. Per confronto, possiamo vedere che l’intervallo di sensibilità alla luce in molti animali è notevolmente diverso dal nostro.
Per esempio, gli occhi delle api sono sensibili alle lunghezze d’onda nell’intervallo da 300 a 650 nm (anche una porzione dell’ultravioletto vicino) e sono quindi in grado di rilevare “colori” a noi sconosciuti.
E’ di fondamentale importanza premettere che le sostanze o gli oggetti del mondo reale non sono però colorati di per se stessi.
I corpi che ci circondano hanno la facoltà di emettere, riflettere o di trasmettere onde elettromagnetiche di diversa lunghezza d’onda e di diversa intensità, tali da stimolare il nostro sistema sensoriale e provocare la visione dei colori.
Adottiamo qui la definizione di colore formulata dal Comitato sulla Colorimetria della Optical Society of America: ” Il colore consiste nelle caratteristiche della luce diverse dalle inomogeneità spaziali e temporali; la luce essendo quell’aspetto dell’energia raggiante di cui l’osservatore umano ha conoscenza attraverso la sensazione visiva che nasce dalla stimolazione della retina dell’occhio”.
Per caratteristiche della luce si intendono tre parametri, che saranno specificati in dettaglio nel seguito, il primo dei quali è connesso lla capacità della luce di provocare la sensazione di luminosità; il secondo e il terzo esprimono invece la sensazione cromatica percepita dal sistema visivo ed espressa dalla lunghezza d’onda dominante e dalla purezza del colore.
L’insieme dei tre parametri costituisce gli attributi del colore.Si dice che un oggetto ha un determinato colore quando, illuminato da una luce considerata bianca (ad esempio la luce del sole) ed osservato in determinate condizioni standard, provoca nell’osservatore una “percezione cromatica”.
Qualsiasi luce che non contenga tutte le radiazioni monocromatiche nella proporzione della luce solare è percepita come colorata. L’occhio umano, illuminato da luce monocromatica di varia lunghezza d’onda, percepisce i seguenti colori:
– da 400 a 430 nm: zona del violetto
– da 430 a 490 nm: zona del blu nelle sue seguenti tonalità intermedie:
da 430 a 465 nm : indaco
da 466 a 482 nm : blu
da 483 a 490 nm : blu verdastro
– da 491 a 560 nm: zona del verde nelle sue seguenti tonalità intermedie:
da 490 a 498 nm : verde bluastro
da 499 a 530 nm : verde
da 531 a 560 nm : verde giallastro
– da 561 a 580 nm: zona del giallo nelle sue seguenti tonalità intermedie:
da 561 a 570 nm : giallo-verde
da 571 a 575 nm : giallo citrino
da 576 a 580 nm : giallo
– da 581 a 620 nm: zona dell’arancione nelle sue seguenti tonalità intermedie :
da 581 a 586 nm: arancione giallastro
da 587 a 596 nm : arancione
da 597 a 620 nm : arancione rossastro
– da 620 a 700 nm : zona del rosso nelle sue tonalità intermedie:
da 621 a 680 nm : rosso
da 681 a 700 nm : rosso profondo
A questo punto è lecito chiedersi come sia possibile stabilire, in modo sperimentale, che la luce solare effettivamente contenga tutte le lunghezze d’onda che provocano la sensazione cromatica.
La risposta è stata data tre secoli fa da Newton con le sue fondamentali esperienze sul fenomeno della dispersione della luce.Il grande scienziato inglese scoprì che, quando un raggio di luce solare entra in un prisma di vetro, le componenti cromatiche associate alle lunghezze d’onda subiscono una rifrazione che è diversa per ciascuna di esse.
Possiamo notare infatti che ogni colore subisce, all’interno del prisma, una deviazione dalla propria direzione di marcia che risulta essere tanto maggiore quanto più piccola è la lunghezza d’onda ad essa associata.
Quindi il rosso, che ha la lunghezza d’onda maggiore, è deviato molto meno del violetto. L’effetto finale di questo fenomeno di dispersione nelle sue componenti cromatiche fondamentali può essere direttamente osservato su di uno schermo posto dopo il prisma: la luce sarà dispersa, colore per colore, su una vasta zona.
E’ molto interessante vedere come sia possibile ricombinare i colori ottenuti dalla dispersione con il prisma per tornare alla condizione iniziale di luce bianca. Per ottenere questo effetto basta porre in prossimità del piano di formazione dello spettro un secondo prisma uguale al primo ma capovolto, il quale ricompone i colori restituendo il fascio iniziale di luce bianca.
Sebbene i colori dispersi dal prisma siano virtualmente infiniti, in quanto possiamo pensare di suddividere l’intervallo di lunghezze d’onda tra 400 e 700 nm in intervalli piccoli a piacere, la sensazione visiva per l’occhio può essere ridotta alle sei famiglie di colori principali descritte e illustrate in fig. 1: violetto, azzurro, verde, giallo, arancione e rosso, che sono detti colori puri o spettrali.
TIPI DI LAMPADE
LAMPADE AD INCANDESCENZA
La lampada ad incandescenza è la più comune nelle nostre case. Sfrutta l’effetto Joule in quanto un filamento di tungsteno viene riscaldato dal passaggio della corrente elettrica e diviene incandescente.
Il bulbo in vetro permette di creare il vuoto all’interno della lampada in modo che il filamento non possa bruciare. L’impiego è molto semplice poichè la loro accensione è immediata, non sono richieste apparecchiature ausiliarie e la resa dei colori è ottima (IRC=100).
Purtroppo hanno una bassa efficienza luminosa (8-15 lm/W) e una vita limitata (1000 ore), se confrontata con altri tipi di lampade. La temperatura di colore è 2700 K con elevata emissione di calore. Variazioni nella tensione di alimentazione si riflettono sensibilmente sul flusso luminoso.
LAMPADE ALOGENE
Sono anch’esse lampade ad incandescenza e quindi sfruttano lo stesso principio. Nel bulbo sono introdotte piccole quantità di alogeno che danno luogo a un processo che riporta sul filamento il tungsteno volatilizzato.
Esistono lampade alogene del tipo rappresentato in figura, ma sono in commercio anche lampade con normale attacco a vite o quelle miniaturizzate alimentabili in bassa tensione. Queste ultime possono essere dotate anche di specchio ellittico, parabolico o dicroico.
Anche le lampade alogene hanno accensione immediata, non richiedono apparecchiature ausiliarie e hanno un’ottima resa dei colori (IRC=100). Hanno una efficienza luminosa superiore alle normali lampade ad incandescenza (16-25 lm/W) e una vita doppia (2000 ore), ma hanno un costo decisamente più elevato, una maggiore temperatura di funzionamento e sono più delicate.
La temperatura di colore va dai 2900 K ai 3000 K.
Il bulbo non deve essere toccato con mani nude, poichè le tracce lasciate innescano un processo di devetrificazione.
Esistono lampade alogene miniaturizzate, alimentate anche a bassa tensione (6-12V) con e senza specchio.
LAMPADE TUBOLARI FLUORESCENTI
Queste lampade fanno parte della categoria delle lampade a scarica nei gas. Per accendersi hanno bisogno di una tensione di innesco che si crea grazie allo starter e quindi di un dispositivo che limiti la corrente di funzionamento ovvero del reattore.
La loro efficenza luminosa è più alta di quella delle lampade ad incandescenza (40-90 lm/W) e la durata può arrivare alle 10000 ore. Purtroppo hanno bisogno di apparecchiature ausiliarie (starter e reattore), hanno grandi dimensioni e generalmente non hanno un’accensione immediata e non si possono usare con regolatori di luce.
La resa cromatica ha valori che variano, a seconda dei modelli, da IRC=65 a IRC=85.
La temperatura di colore può andare dai 1700 K ai 6500 K. La durata risente del numero di accensioni e le basse temperature possono ridurne sensibilmente il flusso.
LAMPADE FLUORESCENTI COMPATTE
Le apparecchiature ausiliarie, di tipo elettronico, fanno parte integrante della lampada stessa, che può essere quindi avvitata a un portalampada come una normale lampada ad incandescenza.
L’efficienza luminosa e la durata sono simili a quelle delle lampade fluorescenti normali, però le dimensioni sono nettamente inferiori, poichè il tubo risulta ripiegato più volte.
Poichè la durata risente del numero di accensioni, sono particolarmente adatte dove la lampada deve rimane in funzione ininterrottamente per lungo tempo. Non possono essere usate con regolatori di luce.
LAMPADE A VAPORI DI MERCURIO
Utilizzate generalmente per illuminare grandi edifici di tipo industriale – Hanno bisogno di un apposito alimentatore – Accensione in 4-5 minuti – Riaccensione dopo alcuni minuti di raffreddamento – Efficienza luminosa 30-60 lm/W – Temperatura di colore 2900-4200 K – Durata 10000 ore
Lampade a luce miscelata: facili da usare – Efficienza luminosa 11-26 lm/W – Temperatura di colore 3500 K – Durata 3000-4000 ore
Lampade ad alogenuri metallici: hanno bisogno di alimentatore e di accenditore – Efficienza luminosa 67-94 lm/W – Temperatura di colore 4000-4600 K – Durata 5000 ore.
LAMPADE A VAPORI DI SODIO
Ad alta pressione: hanno bisogno di alimentatore e di accenditore – Luce “bianco-oro” – Efficienza luminosa 65-125 lm/W – Temperatura di colore 1900-2100 K – Durata 10000 ore.
Esistono nuovi tipi che non necessitano di accenditore, per cui possono utilizzare lo stesso alimentatore delle lampade a vapori di mercurio.
A bassa pressione: hanno bisogno di alimentatore e di accenditore – Luce monocromatica (gialla) – Efficienza luminosa 123-179 lm/W – Temperatura di colore 1800 K – Durata 10000 ore.
LAMPADE AD INDUZIONE
Realizzazione recente – Efficienza luminosa 65 lm/W – Temperatura di colore 3000-4000 K – Durata 60000 ore.
