1 la luce: cenni storici fondamenti di radiometria e fotometria maurizio rossi
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La luce:La luce:
Cenni storiciCenni storici
Fondamenti di Radiometria e Fondamenti di Radiometria e FotometriaFotometria
Maurizio RossiMaurizio Rossi
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La luce: cosa è?La luce: cosa è?
• Newton (1700): teoria corpuscolare– La luce è composta da miriadi di particelle microscopiche
• Huygens(1700): teoria ondulatoria– La luce è un’onda che si propaga nell’etere, ovvero una
vibrazione come il suono nell’aria
• Esperimenti di Thomas Young (inizio 1800)– Sembrarono confermare che la luce è un’onda
• Esperimenti di Michelson e Morley (1887)– Evidenziarono che l’etere non esiste e che la luce ha una velocità
costante rispetto al moto della terra da qualsiasi direzione provenga. Quindi non può essere una vibrazione dell’etere
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La luce: ipotesi ondulatoriaLa luce: ipotesi ondulatoria
• Un’onda può essere descritta tramite:1. Ampiezza A: la differenza di livello tra picchi e valli
2. Lunghezza d’onda : la distanza tra due picchi successivi
3. Velocità v: se si muove rispetto ad un sistema di riferimento (non è stazionaria)
4. Frequenza f: con ëvf = ëvf =
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La luce: ipotesi ondulatoriaLa luce: ipotesi ondulatoria
• Faraday (1850)– Ipotizzò che la luce fosse un’onda elettromagnetica
• Maxwell (1864)– Descrisse il comportamento delle onde elettromagnetiche
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La luce: polarizzazioneLa luce: polarizzazione
• Lungo la direzione di propagazione può avvenire che l’onda ruoti o compia altri movimenti sul suo asse
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La luce: spettroLa luce: spettro
• Una radiazione composta da una sola onda di ampiezza e frequenza fisse è detta monocromatica
• Come le onde del mare anche la luce non è composta da una sola onda ma dalla somma di onde di ampiezze e frequenze differenti (somma di onde monocromatiche)
• Lo spettro descrive le ampiezze delle onde monocromatiche di differenti frequenze che compongono una radiazione
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La luce: rappresentazione dello spettroLa luce: rappresentazione dello spettro
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Lo spettro della radiazione em
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La luceLa luce
• Vari esperimenti (Kirchoff, Rayleigh, Wien, Planck e poi Einstein) nella seconda metà del 1800 e all’inizio del 1900 mostrarono che considerare la luce come onda e.m. non spiegava alcuni fenomeni
• In alcuni casi la luce presenta un comportamento corpuscolare
• Heisenberg e Schroedinger (1920) posero le basi della fisica quantistica per la definizione dei quanti di luce.
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La luce e la materia: radiometriaLa luce e la materia: radiometria
• Ai fini dello studio della interazione con la materia si considera la luce come una radiazione e.mradiazione e.m..
• Lo studio delle radiazioni e.m. è oggetto della radiometria
• La radiometria studia il trasferimento di energia radiante tramite un insieme di grandezze fisiche scalari (ovvero non vettoriali)
• Queste grandezze sono funzioni della lunghezza d’onda (spettri)
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La luce: la rifrazioneLa luce: la rifrazione
• La luce che colpisce un materiale può essere:1. Assorbita (trasformata in un’altra forma di energia: calore….)
2. Riflessa (diffusamente e/o specularmente)
3. Trasmessa (diffusamente e/o specularmente)
• Trasmissione speculare: Rifrazione, governata dalla legge di Snell: 2211 θθ sennsenn = 2211 θθ sennsenn =
θ1
θ2
n1
n2
- denso
n1 < n2
+ denso
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La luce: la dispersioneLa luce: la dispersione
• L’indice di rifrazione di un materiale non è una costante, ma funzione della lunghezza d’onda n()
• Onde di lunghezza differente hanno un angolo di rifrazione diverso nello stesso mezzo: arcobaleno!
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La luce: l’angolo solido di proiezioneLa luce: l’angolo solido di proiezione
• L’angolo solido è una regione conica di spazio definito dal rapporto tra l’area della superficie racchiusa sulla sfera ed il raggio2 della stessa
• Si misura in steradianti[sr]
2r
A=
2r
A=
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La luce: grandezze radiometricheLa luce: grandezze radiometriche
• Energia radiante: Qe() [Joule]
• Flusso radiante: [Watt]
• È una misura della variazione di energia nel tempo, ovvero al suo fluire.
• Ad esempio può indicare quanta energia esce da una sorgente nell’unità di tempo
dt
dQee
)()(
=Φ
dt
dQee
)()(
=Φ
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La luce: grandezze radiometricheLa luce: grandezze radiometriche
• Intensità radiante: [Watt/sr]
• Descrive il flusso rispetto ad una direzione
• È utilizzata per descrivere la forma della energia che esce da una sorgente
d
dI e
e)(
)(Φ
=
d
dI e
e)(
)(Φ
=
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La luce: grandezze radiometricheLa luce: grandezze radiometriche
• Irradianza Ee
Uscita radiante Me [Watt/m2]
• Descrive il flusso che arriva (E) o esce (M) da un’area
• È utilizzata per descrivere l’energia che arriva (o lascia) una superficie
dA
dME e
ee)(
)()(
Φ
=≡dA
dME e
ee)(
)()(
Φ
=≡
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La luce: grandezze radiometricheLa luce: grandezze radiometriche
• Radianza: [Watt/sr m2]
– dA area della sorgente emittente
– cosӨ dipende dall’angolo che la sorgente ha rispetto al ricettore
– d dipende dalla dimensione del ricettore
• Può descrivere lapercezione dell’energiada parte di unosservatore umano
θ
cos
)()(
2
dAd
dL e
eΦ
=θ
cos
)()(
2
dAd
dL e
eΦ
=
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La luce: fotometriaLa luce: fotometria
• Una radiazione e.m. come viene percepita da un osservatore umano?
• La valutazione visiva di uno stimolo radiometrico è oggetto della fotometria.
• La funzione di efficacia luminosa spettrale K() valuta la sensibilità alle radiazioni e.m. dell’osservatore umano medio
• K() è stata misurata sperimentalmente su un campione di soggetti umani e ottenuta come media dei valori rilevati
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La luce: fotometriaLa luce: fotometria• Efficacia luminosa spettrale K() :
– max sensibilità: GIALLO
– min sensibilità: BLU ROSSO
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La luce: fotometriaLa luce: fotometria
• Ad ogni grandezza radiometrica corrisponde una grandezza fotometrica pesata dalla (ovvero moltiplicata per) efficacia luminosa spettrale K()
• Essendo K() uguale a zero al di fuori del campo visivo (380÷780 nm) ne consegue che anche le grandezze fotometriche sono definite solo tra 380 e 780 nm
• Per convenzione si usa il pedice v (visivo) invece del pedice e (energetico) della radiometria
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La luce: fotometriaLa luce: fotometria
• Ad esempio il flusso luminoso è dato da:
[lm]• E le altre:• Energia radiante – Energia luminosa Qv [T (talbot)]
• Intensità radiante – Intensità luminosa Iv [cd]
• Irradianza – Illuminamento Ev [lux]
• Uscita radiante – Uscita luminosa Mv [lux]
• Radianza – Luminanza Lv [lux/sr] [cd/m2]
dKev ∫ ⋅Φ=Φ780
380
)()( dKev ∫ ⋅Φ=Φ780
380
)()(
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La luce: valori totaliLa luce: valori totali
• Le grandezze spettrali viste sono funzioni della lunghezza d’onda: ovvero grafici o tabelle
• Sovente nelle misure e applicazioni industriali si usano piuttosto i valori totali in cui si considera la quantità di energia a prescindere dalla forma dello spettro
• Es.: Radianza totale Luminanza (totale)
∫∫ ==780
380)()( )( λλλλλ
λdKLLdLL evee ∫∫ ==
780
380)()( )( λλλλλ
λdKLLdLL evee
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La luce: valori totaliLa luce: valori totali
• Significato grafico del valore totale:
Le()
Le
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La luce: strumenti di misuraLa luce: strumenti di misura
• Sfera di Ulbricht: misura il flusso luminoso
• Fotometri: misurano l’intensità luminosa
• Luxmetri: misurano l’illuminamento
• Luminanzometri: misurano la luminanza
• A volte con il termine di fotometro si intende uno strumento in grado di effettuare più tipi di misure
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Strumenti di misura