La fotometría es una rama de la óptica que se ocupa de la medición de la luz en términos de su brillo percibido por el ojo humano . [1] Se ocupa de cuantificar la cantidad de luz que emite, transmite o recibe un objeto o un sistema.
En la fotometría moderna, la potencia radiante en cada longitud de onda se pondera mediante 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 se distingue de la radiometría , que es la ciencia de la medición de 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 la sensibilidad del 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 está adaptado a las condiciones de luz ( visión fotópica ) y a las condiciones de oscuridad ( visión escotópica ). La fotometría se basa típicamente 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 ocurre por debajo de 2 × 10 −5 cd/m 2 . La visión mesópica ocurre entre estos límites y no está bien caracterizada para 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 variaban en función de los efectos estudiados y dieron lugar a diferentes nomenclaturas. El efecto de calentamiento total de la radiación infrarroja medido con termómetros condujo al desarrollo de unidades radiométricas en términos de energía y potencia totales. El uso del ojo humano como detector condujo a las unidades fotométricas, ponderadas por la característica de respuesta del ojo. El estudio de los efectos químicos de la radiación ultravioleta condujo a la caracterización por 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 proporciona un flujo luminoso elevado (medido en lúmenes), 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 contra 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, la cantidad de tipos fundamentalmente diferentes de medición de la luz que se pueden realizar es grande, y también lo es la cantidad de cantidades y unidades que las representan.
Por ejemplo, las oficinas suelen estar iluminadas de forma "brillante" mediante una serie de numerosas luces fluorescentes empotradas para lograr un flujo luminoso combinado elevado. Un puntero láser tiene un flujo luminoso muy bajo (no podría iluminar una habitación), pero es cegador en una dirección (alta intensidad luminosa en esa dirección).
Existen dos sistemas paralelos de magnitudes, conocidos como magnitudes fotométricas y radiométricas. Cada magnitud de un sistema tiene una magnitud análoga en el otro sistema. Algunos ejemplos de magnitudes paralelas son: [1]
En las magnitudes fotométricas, cada longitud de onda se pondera de acuerdo con la sensibilidad del ojo humano a ella, mientras que las magnitudes radiométricas utilizan potencia absoluta no ponderada. Por ejemplo, el ojo responde mucho más intensamente a la luz verde que a la roja, por lo que una fuente verde tendrá un flujo luminoso mayor que una fuente roja con el mismo flujo radiante. La energía radiante fuera del espectro visible no contribuye en absoluto a las magnitudes fotométricas, por lo que, por ejemplo, un calentador de ambiente 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, lo que deja solo un tenue resplandor rojo en el visible).
Los vatios son unidades de flujo radiante, mientras que los lúmenes son unidades de flujo luminoso. Una comparación entre el vatio y el lumen 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. Dado que las bombillas incandescentes que se venden para "servicios generales" tienen todas características bastante similares (la misma distribución de potencia espectral), el consumo de energía proporciona una guía aproximada de la potencia luminosa de las bombillas incandescentes.
Los vatios también pueden ser una medida directa de la producción. En un sentido radiométrico, una bombilla incandescente tiene una eficiencia de alrededor del 80%: el 20% de la energía se pierde (por ejemplo, por conducción a través de la base de la lámpara). El resto se emite como radiación, principalmente en el infrarrojo . Por lo tanto, una bombilla de 60 vatios emite un flujo radiante total de unos 45 vatios. De hecho, las bombillas incandescentes a veces se utilizan como fuentes de calor (como en una incubadora de pollos), pero por lo general se utilizan con el fin de proporcionar luz. Como tal, 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 mientras que consume 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 potencia consumida por la bombilla, en los EE. UU. es un requisito comercial desde hace varias décadas que el empaque de las bombillas indique la emisión en lúmenes. El empaque de una bombilla incandescente de 60 vatios indica que proporciona unos 900 lúmenes, al igual que el empaque de una bombilla fluorescente compacta de 15 vatios.
El lumen se define como la cantidad de luz emitida por una fuente puntual con una intensidad de una candela en un estereorradián ; mientras que la candela, una 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 es más sensible el ojo humano. El número 1/683 se eligió para que la candela fuera aproximadamente igual a la vela estándar, la 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 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. Como los lúmenes son unidades fotométricas, su relación con los vatios depende de la longitud de onda según lo visible que 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 de acuerdo con una función llamada "eficiencia luminosa espectral fotópica". Según esta función, la luz roja de 700 nm es solo un 0,4% tan eficiente como la luz verde de 555 nm. Por lo tanto, un vatio de luz roja de 700 nm "vale" solo 2,7 lúmenes.
Debido a la suma de la parte visual del espectro electromagnético que forma parte de esta ponderación, la unidad de "lumen" es daltónica: no hay forma de saber de qué color aparecerá un lumen. Esto es equivalente a evaluar los alimentos por la cantidad 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. Algunas aplicaciones sencillas de esta tecnología incluyen el encendido y apagado de luminarias en función de las condiciones de luz ambiental y los fotómetros, que se utilizan para medir la cantidad total de luz que incide sobre 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, midiendo la salida de la lámpara desde todos los lados.
Las lámparas y los aparatos 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 las direcciones hacia 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 ambos casos, la intensidad luminosa se tabula a partir de estos datos y se utiliza en el diseño de iluminación.