La fotometría es una rama de la ciencia que se ocupa de la medición de la luz en términos de su brillo percibido por el ojo humano . [1] Se trata de cuantificar la cantidad de luz que emite, transmite o recibe un objeto o sistema.
En la fotometría moderna, la potencia radiante en cada longitud de onda está ponderada por una función de luminosidad que modela la sensibilidad humana al brillo. Normalmente, esta función de ponderación es la función de sensibilidad fotópica , aunque también se pueden aplicar de la misma manera la función escotópica u otras funciones. Las ponderaciones están estandarizadas por la CIE y la ISO . [2]
La fotometría es distinta de la radiometría , que es la ciencia de medir la energía radiante (incluida la luz) en términos de potencia absoluta.
El ojo humano no es igualmente sensible a todas las longitudes de onda de la luz visible . La fotometría intenta explicar esto ponderando la potencia medida en cada longitud de onda con un factor que representa qué tan sensible es el ojo a esa longitud de onda. El modelo estandarizado de la respuesta del ojo a la luz en función de la longitud de onda viene dado por la función de luminosidad. El ojo tiene diferentes respuestas en función de la longitud de onda cuando se adapta a condiciones de luz ( visión fotópica ) y condiciones de oscuridad ( visión escotópica ). La fotometría generalmente se basa en la respuesta fotópica del ojo, por lo que las mediciones fotométricas pueden no indicar con precisión el brillo percibido de las fuentes en condiciones de poca iluminación donde los colores no son discernibles, como bajo la luz de la luna o de las estrellas. [1] La visión fotópica es característica de la respuesta del ojo a niveles de luminancia superiores a tres candelas por metro cuadrado. La visión escotópica se produce por debajo de 2 × 10 −5 cd/m 2 . La visión mesópica ocurre entre estos límites y no está bien caracterizada por la respuesta espectral. [2] [1]
La medición de los efectos de la radiación electromagnética se convirtió en un campo de estudio ya a finales del siglo XVIII. Las técnicas de medición variaron según los efectos estudiados y dieron lugar a diferentes nomenclaturas. El efecto de calentamiento total de la radiación infrarroja medida con termómetros condujo al desarrollo de unidades radiométricas en términos de energía y potencia total. El uso del ojo humano como detector condujo a unidades fotométricas, ponderadas por la característica de respuesta del ojo. El estudio de los efectos químicos de la radiación ultravioleta condujo a su caracterización mediante la dosis total o unidades actinométricas expresadas en fotones por segundo. [1]
Se utilizan muchas unidades de medida diferentes para las mediciones fotométricas. El adjetivo "brillante" puede referirse a una fuente de luz que entrega un alto flujo luminoso (medido en lúmenes), o a una fuente de luz que concentra el flujo luminoso que tiene en un haz muy estrecho (candelas), o a una fuente de luz que se ve sobre un fondo oscuro. Debido a las formas en que la luz se propaga a través del espacio tridimensional (difundiéndose, concentrándose, reflejándose en superficies brillantes o mate) y debido a que la luz consta de muchas longitudes de onda diferentes, el número de tipos fundamentalmente diferentes de mediciones de luz que se pueden realizar es grandes, al igual que el número de cantidades y unidades que los representan.
Por ejemplo, las oficinas suelen estar "brillantemente" iluminadas por una serie de muchas luces fluorescentes empotradas para lograr un alto flujo luminoso combinado. Un puntero láser tiene un flujo luminoso muy bajo (no podría iluminar una habitación), pero es deslumbrantemente brillante en una dirección (alta intensidad luminosa en esa dirección).
Hay dos sistemas paralelos de cantidades conocidos como cantidades fotométricas y radiométricas. Cada cantidad en un sistema tiene una cantidad análoga en el otro sistema. Algunos ejemplos de cantidades paralelas incluyen: [1]
En cantidades fotométricas, cada longitud de onda se pondera según la sensibilidad del ojo humano a ella, mientras que las cantidades radiométricas utilizan potencia absoluta no ponderada. Por ejemplo, el ojo responde mucho más fuertemente a la luz verde que a la roja, por lo que una fuente verde tendrá un mayor flujo luminoso que una fuente roja con el mismo flujo radiante. La energía radiante fuera del espectro visible no contribuye en absoluto a las cantidades fotométricas, por lo que, por ejemplo, un calentador de 1000 vatios puede emitir una gran cantidad de flujo radiante (1000 vatios, de hecho), pero como fuente de luz emite muy pocos. lúmenes (porque la mayor parte de la energía está en el infrarrojo, dejando solo un tenue brillo rojo en el visible).
Los vatios son unidades de flujo radiante, mientras que los lúmenes son unidades de flujo luminoso. Una comparación de vatios y lúmenes ilustra la distinción entre unidades radiométricas y fotométricas.
El vatio es una unidad de potencia. Estamos acostumbrados a pensar en las bombillas en términos de potencia en vatios. Esta potencia no es una medida de la cantidad de luz emitida, sino que indica cuánta energía utilizará la bombilla. Debido a que todas las bombillas incandescentes vendidas para "servicio general" tienen características bastante similares (misma distribución espectral de energía), el consumo de energía proporciona una guía aproximada de la salida de luz de las bombillas incandescentes.
Los vatios también pueden ser una medida directa de la producción. En sentido radiométrico, una bombilla incandescente tiene aproximadamente un 80% de eficiencia: el 20% de la energía se pierde (por ejemplo, por conducción a través de la base de la lámpara). El resto se emite en forma de radiación, principalmente en el infrarrojo . Por tanto, una bombilla de 60 vatios emite un flujo radiante total de unos 45 vatios. De hecho, las bombillas incandescentes se utilizan a veces como fuentes de calor (como en una incubadora de pollitos), pero normalmente se utilizan con el fin de proporcionar luz. Como tales, son muy ineficientes, porque la mayor parte de la energía radiante que emiten es infrarroja invisible. Una lámpara fluorescente compacta puede proporcionar una luz comparable a una incandescente de 60 vatios y consumir tan solo 15 vatios de electricidad.
El lumen es la unidad fotométrica de emisión de luz. Aunque la mayoría de los consumidores todavía piensan en la luz en términos de energía consumida por la bombilla, en los EE. UU. ha sido un requisito comercial durante varias décadas que el embalaje de la bombilla indique la potencia en lúmenes. El paquete de una bombilla incandescente de 60 vatios indica que proporciona alrededor de 900 lúmenes, al igual que el paquete de bombillas fluorescentes compactas de 15 vatios.
El lumen se define como la cantidad de luz emitida en un estereorradián por una fuente puntual de una candela; mientras que la candela, unidad básica del SI, se define como la intensidad luminosa de una fuente de radiación monocromática, de frecuencia 540 terahercios, y una intensidad radiante de 1/683 vatios por estereorradián. (540 THz corresponden a unos 555 nanómetros , la longitud de onda, en verde, a la que el ojo humano es más sensible. Se eligió el número 1/683 para que la candela fuera aproximadamente igual a la vela estándar, unidad a la que reemplazó).
Combinando estas definiciones, vemos que 1/683 vatio de luz verde de 555 nanómetros proporciona un lumen.
La relación entre vatios y lúmenes no es sólo un simple factor de escala. Esto ya lo sabemos, porque tanto la bombilla incandescente de 60 vatios como la fluorescente compacta de 15 vatios pueden proporcionar 900 lúmenes.
La definición nos dice que 1 vatio de luz verde pura de 555 nm "vale" 683 lúmenes. No dice nada sobre otras longitudes de onda. Debido a que los lúmenes son unidades fotométricas, su relación con los vatios depende de la longitud de onda según cuán visible sea la longitud de onda. La radiación infrarroja y ultravioleta, por ejemplo, son invisibles y no cuentan. Un vatio de radiación infrarroja (que es donde cae la mayor parte de la radiación de una bombilla incandescente) vale cero lúmenes. Dentro del espectro visible, las longitudes de onda de la luz se ponderan según una función llamada "eficiencia luminosa espectral fotópica". Según esta función, la luz roja de 700 nm es sólo un 0,4% más eficiente que la luz verde de 555 nm. Así, un vatio de luz roja de 700 nm "vale" sólo 2,7 lúmenes.
Debido a la suma de la porción visual del espectro EM que forma parte de esta ponderación, la unidad de "lumen" es daltónica: no hay forma de saber de qué color aparecerá un lumen. Esto equivale a evaluar los alimentos por número de bolsas: no hay información sobre el contenido específico, solo un número que hace referencia a la cantidad total ponderada.
La medición fotométrica se basa en fotodetectores , dispositivos (de varios tipos) que producen una señal eléctrica cuando se exponen a la luz. Las aplicaciones simples de esta tecnología incluyen encender y apagar luminarias según las condiciones de luz ambiental y fotómetros, que se utilizan para medir la cantidad total de luz que incide en un punto.
En la industria de la iluminación se utilizan con frecuencia formas más complejas de medición fotométrica. Los fotómetros esféricos se pueden utilizar para medir el flujo luminoso direccional producido por las lámparas y consisten en un globo de gran diámetro con una lámpara montada en su centro. Una fotocélula gira alrededor de la lámpara en tres ejes y mide la potencia de la lámpara desde todos los lados.
Las lámparas y accesorios de iluminación se prueban utilizando goniofotómetros y fotómetros de espejo giratorio, que mantienen la fotocélula estacionaria a una distancia suficiente para que la luminaria pueda considerarse una fuente puntual. Los fotómetros de espejo giratorio utilizan un sistema motorizado de espejos para reflejar la luz que emana de la luminaria en todas direcciones hasta la fotocélula distante; Los goniofotómetros utilizan una mesa giratoria de 2 ejes para cambiar la orientación de la luminaria con respecto a la fotocélula. En cualquier caso, la intensidad luminosa se tabula a partir de estos datos y se utiliza en el diseño de iluminación.