1. Generalidades


1.1 ¿Qué es la luminotecnia?

La luminotecnia es la técnica que estudia las distintas formas de producción de luz, así como su control y su aplicación.


Ya desde la prehistoria, el hombre ha tenido preocupación de realizar instalaciones adecuadas para hacer frente a la falta de luz natural. La primera iluminación artificial se realizó con fuego, comenzando con una simple hoguera y avanzando hacia artilugios más sofisticados como las antiguas lámparas de aceite o las velas. Con la llegada del petróleo se comenzó a utilizar el gas en iluminación y aparecieron las primeras instalaciones fijas, tanto para el alumbrado de calles como en el interior de las edificaciones.


Histroria de la iluminacion


Posteriormente, a finales del siglo XIX, aparecieron las primeras lámparas incandescentes al descubrir el efecto que la corriente eléctrica producía sobre un fino filamento de material. Es Edison el que populariza este tipo de iluminación que todavía sigue utilizándose en nuestros días.


Durante todo el siglo XX hay un gran desarrollo en la técnica de la iluminación. Aparecen lámparas de descarga, en las que la luz se produce mediante un arco eléctrico que atraviesa un gas. Se desarrollan también técnicas para utilizar fenómenos de fluorescencia, dando lugar a lámparas de mejor rendimiento lumínico (tubos fluorescentes, lámparas de vapor de mercurio, etc.).


Ya en el siglo XXI , y aunque el efecto se conocía con anterioridad, hay un fuerte desarrollo de la iluminación LED al conseguirse producir luz azul, apareciendo las primeras lámparas LED denominadas RGB, ya que conseguían la luz blanca mediante la mezcla de los colores rojo, verde y azul (en inglés Red, Green, Blue). Con posterioridad se consigue emitir luz blanca, por conversión de luz ultravioleta producida en el LED mediante fenómenos que desde el punto de vista físico son parecidos al de la fluorescencia.


En la actualidad el desarrollo de este tipo de iluminación tiene un ritmo muy acelerado, y en poco tiempo sustituirá completamente la iluminación convencional, impulsado en su mayor parte por la necesidad de ahorro de energía y de ser más respetuosos con el medioambiente, ya que los rendimientos lumínicos obtenidos son mejores que los conocidos hasta ahora con cualquiera de las otras técnicas.


Se ha empezado a desarrollar la emisión de luz LED mediante la utilización de materiales orgánicos. Este técnica concreta se denomina OLED, y es de esperar que tenga todavía mejores rendimientos lumínicos que el LED. Por otra parte, mediante la utilización de este tipo de materiales orgánicos pueden producirse grandes superficies emisoras de luz (al contrario que con el LED donde la fuente emisora de luz es muy pequeña) así como flexibles, pudiendo adaptarse a situaciones muy variadas.



1.2. ¿Qué es la luz?

Se ha discutido mucho sobre la naturaleza de la luz y su definición no resulta sencilla. En el siglo V A.C, Empédocles consideró que la luz era una sustancia fluida emitida por el sol, y Newton en el siglo XVII descompuso la luz al hacerla pasar por un prisma y consideró que "está formada por multitud de pequeños y veloces corpúsculos", dándole a la luz una naturaleza corpuscular. Es Huygens quien en el año 1650 dice que "las moléculas de un material emisor vibran y producen luz, que se propaga en línea recta a través del éter en forma de ondas". La mayor popularidad de Newton en aquel entonces hizo prevalecer la teoría corpuscular sobre la ondulatoria.


Maxwell, quien a mediados del siglo XIX estudiando la electricidad y el magnetismo comprueba que ambos fenómenos se propagan a la velocidad de la luz, llega a la conclusión de que la luz era una onda electromagnética. En el año 1900 Planck deduce que la luz que choca contra la materia es absorbida o emitida por "paquetes" a los que denomino cuantos, y Einstein al formular la teoría de la relatividad a estos cuantos los denomina fotones, explicando fenómenos como el efecto fotoeléctrico, con lo que nuevamente la luz vuelve a adquirir una naturaleza corpuscular. Pero es en 1925 cuando la concepción dualista de Broglie y Heinserberg unifican la teoría corpuscular y la ondulatoria al establecer que el movimiento de todo corpúsculo viene regido por una onda asociada cuya longitud de onda es igual a la constante de Planck dividida por el producto de la masa de la partícula y su velocidad.


En física, una onda es la propagación de una perturbación de alguna propiedad en el espacio y/o en el tiempo (presión, campo eléctrico, etc.). Determinadas ondas como el sonido (que es una onda en la que la perturbación que varía es la presión), necesitan de un medio físico para transmitirse (aire, agua, etc.) y otras ondas como las electromagnéticas (de las que forma parte la luz) pueden transmitirse en el vacio.


La onda más sencilla y fundamental es la sinusoidal (representada en la figura) y su formulación matemática es la siguiente:


y = A ‧ sen ( x )


Onda sinusoidal


La longitud de onda ( λ ) es la distancia que existe entre 2 crestas (o valles) consecutivas. Para la luz, esta distancia se mide en nanometros (nm) y un nm es igual a 0.000000001 m (10-9m).


La amplitud de la onda ( A ), es la máxima altura de la cresta de la onda.


En las ondas electromagnéticas, la función de onda es dependiente del espacio ( x ) y del tiempo ( t ), y puede representarse matemáticamente mediante la fórmula:


f ( x , t ) = A ‧ sen ( ω ‧ t - κ ‧ x )


en donde κ es el llamado número de onda que se relaciona con la longitud de onda ( λ ) mediante la siguiente expresión:


κ = 2 ‧ π / λ


y ω la frecuencia angular, relacionada con el periódo ( T ) y la frecuencia ( ν ) de la siguiente manera:


ω = 2 ‧ π ‧ ν = 2 ‧ π / T


El periódo ( T ) es el tiempo requerido para que la onda describa un ciclo completo, y la frecuencia ( ν ) es el número de ciclos trancurridos en la unidad de tiempo. Logicamente se cumple que:


ν = 1 / T


el periódo y la frecuencia son inversos.


Desde el punto de vista de la luminotecnia, la luz es la porción del espectro electromagnético que es percibido por el ojo humano, quedando acotada esta forma de energía entre dos límites específicos de longitudes de onda.


Espectro visible de las ondas electromagnéticas


En el espectro visible, las longitudes de onda varían entre los 380 y los 780 nm, correspondiendo cada una de ellas un color específico de la luz. Para longitudes de onda por debajo de los 380 nm se habla de radiaciones ultravioletas, y por encima de los 780 nm de radiaciones infrarrojas.


Las radiaciones con longitud de onda más corta (las ultravioleta) son más energéticas y producen efectos como el fotoeléctrico, y las de mayor longitud de onda (infrarrojas) proporcionan calor.


La luz del sol que recibimos sobre la superficie de la tierra, que es nuestra principal fuente de iluminación, es una mezcla de radiaciones en todo el espectro visible, y el resultado de ello es que la luz que percibimos es blanca. También recibimos radiaciones infrarrojas del propio sol que nos proporcionan calor, y la mayoría de las radiaciones ultravioleta son absorbidas por la atmosfera.



1.3 El órgano y el sentido de la visión.

La luminotecnia, como técnica de iluminación, tiene un objetivo final, que no es otro que el de la "visión": se ilumina para que los objetos sean visibles. En la visión, además de la luz intervienen otros dos elementos fundamentales: el ojo y el cerebro humano.


El ojo es el órgano del cuerpo que recibe la luz, y la convierte en señales eléctricas que son enviadas al cerebro para su procesamiento. Explicado de una manera muy sencilla, el ojo consta de una parte "óptica" que se encarga de regular y dirigir la luz hacia la parte "sensible" que genera las señales para su posterior procesamiento.


La parte óptica está formada por el globo ocular, que a su vez está protegido por las cejas, los párpados, las pestañas y las glándulas lacrimales, que tienen misiones específicas de protección y limpieza.


El exterior del ojo humano


El globo ocular está formado por los medios transparentes que son la córnea, el iris, la pupila y el cristalino.


La córnea está en la parte anterior del ojo y formando parte de una primera membrana (llamada esclerótica), es atravesada por la luz hasta el iris, que regula mediante el cierre y la apertura de la pupila, la cantidad de luz que pasa al ojo. Detrás del iris se encuentra el cristalino, que actúa como lente para enfocar los rayos luminosos sobre la retina. Mediante los músculos llamados ciliares, el cristalino modifica su curvatura para producir el enfoque a diferentes distancias.


Entre la córnea y el iris se encuentra la cámara anterior llena de un líquido transparente (humor acuoso) que tiene la misión de tener hidratada la córnea. Desde el cristalino hasta la retina hay una segunda cámara ocupada por un liquido gelatinoso (humor vítreo), que mantiene tenso el globo ocular.


Al fondo del ojo y por la parte interior de la esclerótica (que se extiende hasta la córnea y es la envolvente exterior del órgano), se encuentra el coroides, que es una segunda membrana blanda y de color oscuro que es atravesada por numerosos vasos sanguíneos que se encargan de aportar oxigeno y las sustancias nutritivas que el ojo necesita.


La retina es la membrana más interna y ocupa las dos terceras partes del ojo. Sobre ella, el cristalino se encarga de enfocar la luz recibida que incide sobre las células nerviosas y fotorreceptoras que forman la retina. Hay dos tipos de células: unas denominadas bastoncillos y otros conos (por su forma). La disposición de conos y bastoncillos en la retina no es uniforme, siendo mucho mayor la concentración de conos en la zona central (fóvea) donde no existen bastoncillos. Los bastoncillos reaccionan a la luz y no perciben color, mientras que los conos son los que perciben el color. Es por ello que la fóvea es el punto de mayor agudeza visual y de mejor visión cromática, y el eje de visión del ojo coincide con dicho punto.


Sección del ojo humano


El lugar por donde sale el nervio óptico para enviar la señal recibida al cerebro para su posterior procesamiento, no tiene células receptoras y es insensible a la luz, por lo que se denomina punto ciego.



1.4. Características del ojo humano.

El ojo tiene una gran capacidad para adaptarse a diferentes intensidades de iluminación, cambiando el tamaño de la pupila para que pase mayor o menor cantidad de luz. Cuando se pasa de un medio con mucha iluminación a otro con baja iluminación, la adaptación del ojo es muy lenta, pudiendo llevar hasta 30 minutos. En estos casos actúan los bastones que son muy fotosensibles pero no distinguen los colores, por lo que se pierde la noción de color. En el caso contrario de paso de zonas poco iluminadas a zonas muy iluminadas, la adaptación es más rápida, durando únicamente unos segundos.


El ojo también tiene capacidad para ajustarse a las diferentes distancias a las que se encuentran los objetos. Esta capacidad de enfoque del ojo que se consigue variando la curvatura del cristalino mediante los músculos ciliares. Esto se denomina acomodación.


La agudeza visual es la capacidad para reconocer y distinguir objetos muy pequeños. Se admite que la agudeza visual es la inversa del ángulo en minutos definido por el mínimo objeto visible, y para un ojo humano medio este valor es de aproximadamente 1 minuto.


La sensibilidad del ojo a las distintas radiaciones luminosas que componen la luz blanca, es diferente para cada longitud de onda, los conos y bastoncillos reaccionan de diferente manera ante cada longitud de onda concreta. Se denomina visión fotópica a la visión de día, en la cual los conos son los que mayor responsabilidad tienen en la visión, y se denomina visión escotópica a la que se produce con baja iluminación, en las que los bastoncillos son los de mayor responsabilidad, pudiendo detectar pequeñas cantidades de luz pero no los colores. Para luminancias intermedias la visión se denomina mesotópica.


La máxima sensibilidad de los conos (visión fotópica) está en los 555 nm (amarillo-verdoso), y la de los bastoncillos (visión escotópica) en los 510 nm


Sensibilidad relativa


Por esta razón, las lámparas que emiten su radiación en la zona central del espectro, tendrán mayor eficiencia que las que lo emiten en los extremos. Sin embargo, ha de tenerse en cuenta que la reproducción cromática no será apropiada para nuestro ojo que está acostumbrado a la luz blanca del sol que emite radiaciones en todas las frecuencias.



1.5 Percepción visual

La percepción visual es la capacidad de interpretar la información y el entorno que los efectos de la luz visible producen en el ojo humano. Dicha percepción es lo que conocemos como "visión" y es un proceso activo mediante el cual el cerebro transforma la información lumínica captada por el ojo, en una recreación de la realidad externa.


La percepción pertenece al mundo interior del ser humano, y por tanto está sujeta a un proceso de interpretación y es subjetiva. Sin embargo, existen una serie de parámetros comunes a todos los seres humanos, bien estudiados y que conviene conocer para interpretar determinados parámetros que intervienen en la tecnología de la iluminación.


El primer elemento indispensable para que exista visión es la existencia de luz. La luz llega al ojo humano como radiación luminosa producida por la propia fuente de luz o bien por la reflexión de los objetos, proporcionando diferencias de iluminación que el ojo percibe como lo que llamamos brillo. El brillo es directamente proporcional a la intensidad luminosa e inversamente proporcional a la superficie que la emite, por ello una fuente concentrada de luz y con la misma potencia que una fuente distribuida, se ve con más brillo que esta última.


El contraste es la capacidad de distinguir la diferencia de luminancia entre dos superficies contiguas. Analíticamente se define como la diferencia entre la luminancia del objeto y la del fondo, dividida por la luminancia del fondo.


Contraste


Todo el campo visual está formado por pequeñas áreas cada una con su luminancia concreta. Si alguna de estas áreas tiene una luminancia muy superior a las demás (mucho contraste), o bien excesivamente baja con respecto al área que ocupa nuestra atención visual, la visión resulta incómoda y las capacidades de visión se ven reducidas. Las mejores condiciones de visión se producen cuando la luminancia del campo visual es uniforme.


Los trabajos de mayor agudeza visual requieren mayor contraste, y el valor óptimo se encuentra en la relación 3 a 1 de luminancia entre el objeto y el fondo.


Para que los objetos que se encuentran en el campo visual nos produzcan sensación de relieve, es preciso que existan zonas con menor iluminación (sombras) que son las que determinan las formas de los objetos. Las sombras son muy importantes en los trabajos de iluminación, y son las que dan aspecto de "realidad". La sombra debe ser agradable. Un exceso de sombras proporciona una visión poco confortable.


Luces y sombras


Otro aspecto muy importante en iluminación es el del deslumbramiento, que desde el punto de vista de la percepción es un fenómeno muy molesto y supone además una pérdida de la capacidad visual, producida por un objeto con una luminancia muy superior a la de la tarea visual que se está realizando.


El fenómeno que ocurre en el ojo al producirse el deslumbramiento, es que las células de la retina no tienen tiempo a regenerarse para la producción de pigmento, con lo cual no hay impulso al nervio óptico, no se transmite señal al cerebro y se pierde la visión. Este es el tipo de deslumbramiento llamado "perturbador".


Deslumbramiento


Hay otro tipo de deslumbramiento llamado "molesto" que se produce cuando en el campo de visión entra un objeto o fuente de luz con intensidad mucho más elevada que los demás. Aunque no llega a impedir la visión, perturba el ojo y produce fatiga. El deslumbramiento puede ser directo (producido por la propia fuente de luz) o reflejado, producido por luces reflejadas particularmente cuando lo son en la línea de visión del objeto visto o en una dirección próxima.


Aunque se trata de una característica subjetiva, por debajo de las 7.500 a 5.000 cd/m2 no suele producirse deslumbramiento. Por encima de un águlo de 30º con la dirección visual, tampoco suele producirse deslumbramiento. La distancia del foco al observador atenúa el deslumbramiento, y a partir de una determinada distancia el efecto del deslumbramiento ya no se advierte.




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