Fotometría

Normalmente decimos que una luz es más intensa o fuerte que otra. La Fotometría es la rama de la óptica que trata la medición de las intensidades de las fuentes de luz y la iluminación de las superficies (la intensidad varía según la distancia de la fuente emisora).

Para medir la intensidad de una fuente, es necesario definir una unidad que debe ser constante e invariable en relación a una superficie determinada. El platino calentado hasta su punto de fusión mantiene invariable su intensidad lumínica, pero 1 m2 de platino da mucha más luz que 1 cm2.

El Sistema Internacional de Unidades (SI) incorporó a la CANDELA (cd) como unidad de medida de intensidad luminosa de una fuente.

"La Candela es la la intensidad luminosa (en dirección perpendicular) de una superficie de de 1m2 sobre 600.000 de platino a su temperatura de solidificación." (Si, si...ya lo explico: Si se funde platino y sobre el crisol se pone una tapa con una ventanita de 1m2./600.000 (eso es igual a 1,7 mm2), ese hueco observado perpendicularmente durante la fusión o solidificación del platino (es lo mismo... unos 1700°C o 2046°K), constituye una fuente de luz cuya Intensidad lumínica vale 1 CANDELA.

Todas las unidades de medida y definiciones sobre luz se basan en la Candela, que es la unidad que define la intensidad luminosa ‘desde una fuente pequeña en una dirección determinada’.

Esta unidad en sus orígenes se basaba en la emisión de luz de una llama, luego la fuente fué la fundición de platino; y la definición actual es una salida radical de las formulaciones previas porque define la intensidad de la luz en términos de unidades de poder de radiación general: los Watt o Joule por segundo (W/s, J/s).

Históricamente, la unidad de fuerza de la ingeniería (los watt) se separaron de la unidad de intensidad lumínica, que también es una fórmula de fuerza, porque el ojo posee una variable ‘sensitiva’ sobre el espectro visual, siendo relativamente insensible a la luz azul y roja.

Esta radiación puede producir una impresión más profunda sobre el observador, pero en lo referente a la luz amarillo-verdosa se necesitan más watt de radiación para generar una señal que alcance al cerebro. Es por esto que la candela es definida por la radiación en una frecuencia particular.

Esto hace a la definición algo abstracta porque la luz no existe como tal, como algo que se pueda comprar en un negocio de lámparas (el confortante simbolismo de la vela se ‘apagó’ entre los esfuerzos sin clemencia de la precisión científica).

(jah!) Ahora entremos en esa definición paso a paso ó me matan: La ‘frecuencia escogida’ es aquella a la que el ojo es más sensible y normalmente es cuantificada en la Literatura Lumínica como la correspondiente a una longitud de onda de 555 nanómetros. La longitud de onda varía según el medio a través del cual pasa la luz, así que, para precisar esto, nuestra común descripción de longitud de onda luminosa no es la usada de modo standard.

La extraña elección del factor 683 es a fin de que el valor sea idéntico al obtenido con la previa versión de la unidad: la emisión de 1 cm2 de brillo de platino solidificado.

El Steradian es el cono de luz erogado desde la fuente que ilumina 1 m2. de la superficie oscura de una esfera de un metro de radio alrededor de la fuente. (O sea, 1 steradian cubre 1 m2 de la superficie de una esfera de de 1 m. de diámetro.)

La intensidad de la luz que alcanza al observador se asume que alcanza todos los ángulos incluídos en el steradian, con igual intensidad. En la práctica no es exactamente así: se puede medir perfectamente la intensidad de la luz de un rayo aún cuando éste sólo cubra menos de una centésima de steradian. Se mide así con un pequeño sensor la luz recibida por el area conocida y se multiplica para obtener el valor correspondiente a un steradian.

La definición implica una pequeña fuente porque su corriente energética es definida como energía que incluye un ángulo sólido dado, independientemente de la distancia del instrumento de medición. Si la fuente es muy pequeña (un pequeño bulbo halógeno de cuarzo, por ejemplo), el brillo aparecerá intenso aun si su emisión es de 1 cd. Si la fuente es, por ejemplo, una vela; pequeña, pero en realidad no es un punto; se tendrá la impresión de una pequeña área de luz de brillo moderado, aun cuando también su intensidad sea de 1 cd. El aparente brillo de una fuente cuando se mira directamente no se debe confundir con su emisión lumínica. El brillo de una fuente es medido en candela por metro cuadrado. (cd/m2). Todo lo que es ‘visible’ puede ser tomado como una fuente de luz. Los objetos en un museo se toman como fuentes de luz cuando reflejan la luz de una lámpara.

Considerando la Iluminación de una superficie, ésta es menor cuanto mayor es la distancia de la fuente emisora. Pero, cuánto varía según la distancia? Si imaginamos un faro que eroga (emite) un haz de luz piramidal y a 1 km. de distancia la base de ese haz es de 10 m. por lado, por medio del cálculo de triángulos semejantes, al doble de distancia (2 km.) se duplica el lado de ese cuadrado (o sea, que la superficie de esa sección es de 20 m).

Pero la luz que llega a la segunda sección ‘es la misma’ que la que llegaba a la primera. De lo que se deduce que "La iluminación (E) es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia (d) entre la fuente y la superficie, y directamente proporcional a la intensidad (I) de la fuente" que enuncia la Ley Fundamental de la Fotometría y cuya fórmula es : E=I/d2

Significado práctico de la variación de eficiencia en el ojo a diferentes longitudes de onda.

La iluminación eficiente provista por una radiación monocromática de aproximadamente 555nm es demasiado fantástica como para ser aceptable aun entre los trabajadores de una oficina. Las lámparas fluorescentes de oficina están astutamente diseñadas para proveer una larga emisión de la región central del espectro, donde se obtiene la mayor claridad visual por los watt conducidos a través del tubo fluorescente, con una pizca de de agregado de azul y rojo que hacen creer al cerebro que la luz es blanca.

Las lámparas fluorescentes están hechas con tanto desperdicio de energía a través del espectro que la eficiencia energética es menor. El ojo no puede captar la diferencia entre estas dos luces con sólo mirarlas, pero nota el deslucimiento al ver los objetos bajo esa eficiencia lumínica. La medición de ese rendering o lucimiento del color y la decisión de su importancia ya son temas de otro artículo.

Una fuente lumínica emite con una intensidad en una determinada dirección que se mide en CANDELA (cd). Los fabricantes de lámparas y accesorios de iluminación diagraman esto mostrando la intensidad de la luz en ‘todas’ las direcciones.

El valor de candela es independiente de la distancia. Si se pensara en ello como la emisión desde la lámpara, se perdería interés acerca de lo que sucede con los fotones que eroga. Así, necesitamos una nueva unidad para la energía lumínica que se mueve a través del espacio en dirección al objeto.

Esta unidad de luz invisible en tránsito es el LUMEN (lm). La definición oficial de Lúmen, la unidad de flujo de luz, es:

"El flujo lumínico (dF) de una fuente de Intensidad luminosa (I cd) en ángulo con un elemento sólido está dado por dF=IdR"

...lo que en Castellano sería: El flujo de una fuente de luz es igual a su intensidad en Candela multiplicado por el ángulo sólido sobre el cuál la luz es emitida, teniendo en cuenta la variación de intensidad que produce en diferentes direcciones.

Recordemos que la Candela es una unidad de intensidad: Una fuente lumínica puede emitir con una intensidad de 1 Candela en todas las direcciones o bien en un rayo unidireccional.

La intensidad es la misma pero el flujo total de energía que emite la lámpara, en lúmenes, no es la misma. La salida desde la lámpara normalmente expresada en lúmenes, sumada en todas las direcciones, junto al diagrama de distribución en candela, se muestra en el cuadro.

Otro parámetro comunmente usado en catálogos son los LUMENES POR WATT (Lm/W). El lúmen formalmente deriva de la Candela, basada en una luz de longitud de onda simple. Una lámpara de varias longitudes de onda tiene una salida de lúmenes calculada desde los watts emitidos como radiación multiplicados por la eficiencia luminosa en cada longitud de onda, como se describió en el caso de la candela. Este valor es más importante que lo que suelen considerar los conservadores. La eficiencia lumínica baja de la  luz de tungsteno, tan preciada para los diseñadores de exhibiciones, fuerza el uso de acondicionadores de aire en climas donde de otro modo no sería necesario.

El diseñador necesita traducir los valores de cd en Energía Lumínica que alcanza a un objeto a determinada distancia de la lámpara.

Es ésta energía lo que hace visible al objeto y empalidece sus matices de color. La densidad energética que alcanza al objeto está expresada en lúmenes por metro cuadrado (Lm/m2), lo que se conoce como LUX. ("Ergo sum LUX et Veritas et Vita"...diría un conocido).

Este valor puede ser calculado fácilmente desde el diagrama por un punto de orígen. El valor candela (300cd) dado para 60° corresponde a 300 lúmenes fluyendo en el cono de 1 Steradian (St), que por definición cubre 1 m2 de la superficie de una esfera de de 1 m. de diámetro.

Si nuestro objeto estuviera a esa distancia, estaría recibiendo 300 lm/m2. Para deducir el valor de cualquier otra distancia, sólo se debe usar la misma regla en forma inversa. A 3 m de la lámpara, el flujo sobre 1m2. decae a 1/9 de los 300 lm = 33. Así que el valor LUX es de 33.

Cuando los objetos son iluminados por más de una fuente de luz, o por fuentes extendidas, como los paneles de difusión, la aritmética se complica... así que en ese punto aconsejamos referirse a literatura especializada o bien a software que calcule los Lux desde cualquier punto cuando hay varias fuentes luminosas; (agradeceremos no solicitar información más detallada a la editorial, para evitarnos el bochorno).

EXPERIENCIA: Tomando un disco compacto y sosteniendolo a una distancia de algunos metros debajo del tubo fluorescente o mejor aún, haciendo una hendidura a un cartón para reducir la cantidad de luz del tubo que pase por ella y se proyecte en el CD (con la cara grabada de frente a sus ojos).

En adición al reflejo directo de la fuente de luz, se obtendrá una imágen difractada en la cual la luz se ha separado en bandas de color. Nótese la fuerza de las bandas azules provenientes del vapor de mercurio en el tubo, la intensa emisión de verde, principalmente del fósforo, y la emisión roja, también del fósforo. Compare esto con el espectro contínuo de  la luz-día y las lámparas incandescentes. Este exceso de radiación verde en la iluminación de oficina es el por qué de las fotografías que tomadas en una oficina o con este tipo de luz, comunmente ‘viran’ al verde.