Fundamentos de Iluminación


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La visión

El ojo es el órgano encargado del sentido de la vista que junto al cerebro y la luz permite al ser humano ver luz y color en su vida cotidiana.

El ojo humano está compuesto por elementos externos tales como el párpado, las cejas y las pestañas cuya función es proteger al ojo de los agentes externos, polvo, sudor, excesos de iluminación, etc.
Además tiene un mecanismo de autolimpieza constante producido por las glándulas lacrimales, también conocidas como lágrimas, que gracias al parpadeo, se distribuyen por toda la superficie del globo ocular.

Ojo Humano

Imagen - El ojo humano (Fuente: Microsoft)

Los elementos internos que componen principalmente el ojo son:

- Esclerótica: es la membrana más externa del ojo, es dura y resistente, de color blanco.

- Coroides: es la segunda membrana del ojo, encargada de dar opacidad a la esclerótica y absorber las radiaciones visibles.

- Córnea: es la membrana transparente que cubre la esclerótica, encargada de recibir y transmitir las impresiones visuales.

- Cristalino: lente biconvexa elástica, incolora y trasparente ubicada detrás del iris. En función de la distancia a la que se hallan los objetos varia su curvatura para enfocar. Los músculos encargados de este movimiento son los músculos cirilares.

- Humor acuoso: líquido transparente, formado mayormente por agua ubicado entre la córnea y el iris, encargado de nutrir y mantener la forma de la a la presión que ejerce entre los dos.

- Iris: Membrana circular pigmentada situada detrás de la córnea, encargada de controlar el flujo lumínico que pasaal cristalino.

- Pupila: Orificio circular situado en el centro del iris por donde pasan los rayos de luz. Está controlada por el iris, que dependiendo del flujo luminoso del entorno, puede contraerse (miosis) o dilatarse (midrasis)

- Humor vítreo: masa transparente y gelatinosa, compuesta mayormente por agua, que rellena la cavidad que hay entre el cristalino y la retina.

- Punto ciego: punto de unión entre la retina y el nervio óptico. Es un punto insensible a la luz ya que no posee ninguna célula fotoreceptora.

-Nervio óptico: nervio encargado de conducir las imágenes desde la retina al cerebro.

- Retina: es la parte sensible interna posterior del ojo, donde se produce la transformación de las luminancias en estímulos nerviosos. La retina está compuesta por células fotosensibles que hacen la posible la conversión, son los bastones y los conos.

- Fóvea: es una hendidura poco profunda, situada en la parte posterior de la retina formada solamente por conos. Esta área está situada justo en el centro del campo visual, se considera el área de mayor agudeza y mejor visión.

- Músculo ciliar músculo encargado de modificar la curvatura de la lente para justar la visión.

La Imagen 2 muesta una sección de la retina, donde se observan los dos tipos de células fotosensibles que regulan los efectos visuales, nombradas anteriormente conos y bastones.

Conos y Bastones

Imagen - Conos y bastones (Fuente: Manual de iluminación INDAL)

Existen más de 100 millones de bastones, estas células están situadas fuera de la fóvea y más concentrados en la periferia. Son muy sensibles a la luz y al movimiento, pero todo lo contrario al color.

Existen entorno a 4 millones de conos. Estas células están situados principalmente en la fóvea. Son muy sensibles al color pero para ello requieren un gran flujo lumínico.
Son estas células las encargadas de que durante la visión diurna, también conocida como visión fotópica, se distingan los objetos con mayor precisión y detalle, además de percibir los colores.

En el año 1998 se descubrió un nuevo tipo fotoreceptor, las células ganglionares retinales de melanopsina fotosensibles (pRGC, de las siglas en inglés). Detectan la intensidad y longitud de onda de la luz. La información llega a la retina y se transmite directamente a la zona del cerebro responsable del ritmo circadiano, es decir, el reloj biológico.

Estas nuevas células favorecen o disminuyen la segregación de melatonina, hormona responsable informar a los órganos humanos cuando es de día y cuando es de noche y de este modo regular el ciclo biológico interno.

La Imagen 3 muestra como durante las horas de noche, la curva de la melatonina es elevada porque existe una segregación constante de dicha hormona. En cambio, por la mañana cuando empieza a salir el Sol, disminuye la segreación y se reduce la sensación de sueño.
Las hormonas de cortisol o también conocida como hormona del "estrés" aumenta la glucosa del cuerpo y produce energía en el cuerpo para poder realizar las actividades diarias.

Es importante que los ritmos corporales no se alteren demasiado para prevenir enfermedades o transtornos. En cualquier caso, la luz brillante de la mañana ayuda a recuperar el ritmo normal.

Ciclo melatonina

Imagen - Ciclo melatonina (Fuente: Juan Antonio Madrid)

Funcionamiento del Ojo

La función del ojo consiste en traducir los estímulos luminosos del entorno en impulsos nerviosos que llegan al cerebro.
Los rayos luminosos atraviesan la córnea y el humor acuoso y el iris filtra la luz que llega al cristalino. La lente del cristalino forma en la retina una imagen invertida y de menor tamaño Es en la retina, donde los conos y los bastones reciben la luz y mediante reacciones químicas transforman la energía en impulsos eléctricos que envían la información a través del nervio óptico hasta el cerebro, donde se recompone la imagen tal y como se conoce.

Funcionamiento del Ojo

Imagen - Funcionamiento del ojo

 

Capacidades visuales

Campo Visual

El ojo humano tiene un campo visual limitado que es de aproximadamente 130º en sentido vertical, 60º por encima y 70º por debajo de la horizontal y 150º en sentido horizontal, aunque con la superposición de ambos ojos se puede abarcar 180º.
El campo visual es un factor que se debe tener en cuenta para evitar el deslumbramiento.

Campo Visual Horizontal Campo Visual Horizontal

Imagen - El campo visual (Fuente: Manuel García Gil)

Agudeza Visual

Capacidad del ojo que permite reconocer y distinguir los detalles de un objeto, situados a una distancia corta del campo de visión.

Esta capacidad del ojo, igual que la acomodación, está muy relacionada con el nivel de iluminación. Por ejemplo, si el nivel de iluminación es muy bajo, la agudeza visual también disminuye dificultando al ojo distinguir los detalles y al contrario, si el nivel es elevado es más fácil distinguir el objeto, monumento, etc.

 

Acomodación

La acomodación es la habilidad del ojo para enfocar los objetos y obtener una imagen más nítida, sin importar la distancia a la que están situados.

Cuando la curvatura del cristalino es prácticamente plana, el ojo enfoca sobre objetos situados a grandes distancias. Para poder enfocar objetos cercanos, el cristalino contrae los músculos ciliares y así aumenta su convexidad, como se puede comprobar en la animación de la Imagen 6.

Funcionamiento del Ojo

Imagen - Acomodación (Fuente: HISTÓPTICA)

La acomodación está limitada por un intervalo comprendido entre el punto remoto, punto más lejano que se puede alcanzar y el punto próximo que depende de la curvatura que consiga el cristalino. El alcance de la acomodación disminuye de manera gradual con la edad como consecuencia de la perdida de flexibilidad del cristalino.

Cuando se realizan tareas visuales con un nivel de iluminación inferior al requerido, los músculos ciliares deben forzarse más de lo necesario y eso puede provocar fátiga en dichos músculos y su posterior deterioro. Por lo tanto hay que tener en cuenta a la hora de efectuar el diseño del proyecto que el nivel de iluminación sea el adecuado.

 

Adaptación

La adaptación es la habilidad del ojo para enfocar y ajustarse cuando existen cambios en los niveles de iluminación.

Esta función la realiza la pupila que abre y cierra su abertura para permitir el paso de luz necesaria ayudada por la retina que es capaz por ella misma de adaptarse a grandes diferencias de cantidad de luz.

El proceso de adaptación requiere un tiempo para que la pupila ajuste su abertura. El tiempo depende de la diferencia que hay entre las intensidades de la luz.
Este tiempo es mayor en el caso de pasar de un entorno claro a uno oscuro, llegando a superar los 30 minutos para adaptarse a una oscuridad cerrada. Por el contrario el tiempo necesario para pasar de niveles de iluminación bajos a elevados requiere aproximadamente 1 minuto.

Adaptación

Imagen - Curva de adaptación (Fuente: Manual iluminación INDAL)

Por ejemplo, en la Imagen 7 se observa la evolución del ojo al salir de una habitación con luz a un entorno oscuro. En el primer instante no se reconocen las formas ni colores. Es después de un tiempo cuando las figuras se empiezan a distinguir.
Es importante tener en cuenta la adaptación para la iluminación de túneles o cines

Adaptación

Imagen - Adaptación del ojo al aumento de luz (Fuente: LICHT)

 

Contraste

El contraste es la diferencia de luminaria que existe entre el objeto y el fondo, para que el individuo se capaz de identificar un objeto cunado el nivel de iluminación es bajo.

Cuando el fondo es más oscuro que el objeto que se observa, el contraste es mayor y por lo tanto más fácil de visualizar.

Contraste

Imagen - Contraste (Fuente: Manual de Iluminación INDAL)

 

Visión Binocular

Es la habilidad del ojo de mantener un objeto enfocado con los dos ojos, creando así una imagen en 3 dimensiones dando sensación de profundidad.

La visión binocular tambien es responsable de la percepción de las distancias.

Vision Binocular

Imagen - Visión binocular (Fuente: HISTÓPTICA)

Deslumbramiento

El deslumbramiento es un fenómeno que aparece cuando la diferencia de luminancias entre la la tarea visual y el objeto que se observa es muy elevada. Se puede clasificar por deslumbramiento directo o por reflexión sobre una superfcie o por deslumbramiento molesto

Existen dos tipos de deslumbramiento, ambos pueden aparecer por deslumbramiento directo o por reflexión sobre una superficie.

El deslumbramieno molesto aparece cuando en un momento determinado hay demasiada luz y el ojo no es capaz de generar con tanta rapidez las suficientes células en la retina para producir el pigmento, lo que significa que no hay transmisión al nervio óptico por lo tanto tampoco al cerebro.
Este deslumbramiento afecta al confort visual, produciendo fatiga, pero no disminuye la capacidad de visión
Un ejemplo típico es la luz del Sol, el ojo tiende a parpadear o mirar hacia otro lado para evitar el deslumbramiento o se puede evitar utilizando unas gafas de sol que reducen el nivel de luminancia del campo visual.

El segundo es el deslumbramiento perturbador, causa malestar en la persona debido a una elevada luminancia en el entorno. Como consecuencia reduce el campo visual y produce fatiga.
Este fenómeno se produce por la aparición de un velo luminoso que provoca visión borrosa y con poco contraste entre el objeto y el entorno.

Ejemplo deslumbramiento molesto

Imagen - Deslumbramiento perturbador

Sensibilidad del ojo

El ojo no responde de la misma manera a las radiaciones luminosas de cada una de las longitudes de onda del espectro electromagnético visible.
La CIE evaluó como afecta cada una de las longitud de onda de manera independiente, pero con la misma energía, sobre el ojo humano.
El resultado se muestra en la curva de sensibilidad de la Imagen 12. La máxima sensibilidad del ojo corresponde a longitudes de onda cercanas a los 555nm y la mínima sensibilidad se encuentra para los colores rojo y violeta.

La visión de día es conocida como visión fotópica. En este tipo de visión los conos son los responsables de la visión y la distinción de colores es muy alta. En cambio, cuando los niveles de iluminación son bajos actúan los bastones que, como se comentó, tienen una mayor sensibilidad pero no son capaces de distinguir los colores. Esta visión es conocida como visión escotópica. Cuando los niveles de iluminación son intermedios, la visión se denomina visión mesópica.

Como muestra la Imagen 12, la sensibilidad del ojo para la visión escotópica está desplazada hacia la izquierda. La máxima sensibilidad corresponde a las longitudes de onda de 510nm aproximadamente.

El desplazamiento que existe entre las dos curvas se conoce con el nombre de efecto Purkinje.

Curva Sensibilidad

Imagen - Curva sensibilidad del ojo a las radiaciones monocromáticas (Fuente: Manual de iluminación INDAL)

Los tipos de visión están divididos por el valor de la luminancia:

La visión fotópica es la visión de día, cuando la luminancia es superior a 3 cd/m2. Con estos niveles de luminancia los conos son los encargados de trabajar, dando como respuesta una visión nítida, con detalle y buena distinción de los colores.

La visión mesópica ocurre con luminancias entre los 0,25-3 cd/m2, es una visión intermedia y tanto los conos como los bastones están activos pero la capacidad para distinguir los colores va disminuyendo a medida que baja el nivel de luz.

La visión escotópica es la visión de noche cuando la luminancia es inferior a 0,25 cd/m2. En este caso son los bastones son los encargados de la visión permitiendo distinguir entre las formas, pero no reproducen los colores.

Curva Tipos de visión

Imagen - Tipos de visión (Fuente: AIRISLED)

En la imagen 14 se muestran las curvas de sensibilidad de la visión fotópica (curva V' λ) y escotópica (curva Vλ). Varian con la longitud de onda de la luz, por lo tanto, con los distintos colores que la componenen.

En la visión de día, el ojo es poco sensible a la luz azul y roja y tiene la sensibilidad máxima en la luz verde-amarilla. En cambio la visión de noche, el ojo es más sensible a color azul-amarillo

Curva Tipos de visión

Imagen - Curva sensibilidad espectral (Fuente: PHILIPS)

La sensibilidad de las nuevas células fotoreceptoras también se varian con las longitudes de onda. La Imagen 15 ofrece la curva de sensibilidad visual fotópica (curva color rojo) y la curva de sensibilidad de las nuevas células (curva color azul).

Curva Celulas Gancluionares

Imagen - Curva sensibilidad células ganglionares (Fuente: PHILIPS)

La comparación de las dos curvas muestra la gran diferencia entre la sensibilidad biológica y la sensibilidad visual frente a las distintas longitudes de onda. El color azul, que corresponde al pico de la curva de la sensibilidad de las células ganglionares, toma un papel importante en temas de iluminación para la mejora de problemas como el insomnio debido a que favorece la segregación de melatonina que como se ha comentado, ayuda a regular los ciclos circadianos del cuerpo.

Flujo luminoso | x

Cantidad de luz emitida por una fuente de luz en todas las direcciones del espacio, en lumen [lm]

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Intensidad luminosa | x

Flujo luminoso emitido por una fuente de luz en una dirección dada, en candelas [cd]

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Iluminancia | x

Flujo lumínico que incide sobre la unidad de superficie, en lux [lx]

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Luminancia | x

Intensidad luminosa por unidad de superficie aparente de una fuente que emite luz o que la refleja, captada por el ojo humano, en candela/metro2 [cd/m2]

Más información

Uniformidad | x

La uniformidad hace referencia a la iluminancia proporcionada sobre la superficie de referencia, generalmente la iluminancia no será uniforme, pero es una magnitud importante para el confort y la visión.

Más información

Deslumbramiento | x

Pérdida o disminución de la capacidad visual debido al exceso de luminancia del objeto que se observa o incide sobre el ojo.

Más información

Contraste | x

Mide la relación entre la luminancia de un objeto y la luminancia de su fondo.

Más información

Equilibrio Lumínico | x

El equilibrio lumínico es la uniformidad en 3D y de las luminancias. Es una magnitud muy compleja de calcular porque aunque el ojo humano no distingue entre los distintos niveles de iluminación del espacio, estos existen.

Más información

Uniformidad General (Uo) | x

Relación entre la luminancia mínima y la luminancia media de una instalación

Más información

Uniformidad longitudinal (UL) | x

Relación la luminancia mínima y máxima longitudinal de una instalación

Más información

Uniformidad extrema (Ue) | x

Relación la iluminancia mínima y máxima de una instalación

Más información

Uniformidad media (Um) | x

Relación la iluminancia mínima y la iluminancia media de una instalación

Más información

Mantenimiento | x

La iluminancia inicial proporcionada por la instalación disminuye de manera gradual con el tiempo debido al uso, disminución de los lúmenes de las lámparas, a la suciedad del sistema, etc. Pero es posible mantener la iluminancia sobre un mínimo si se limpian las lámparas y luminarias, se reemplazan las lámparas quemadas o gastadas. Es decir, si se establece un programa de mantenimiento de la instalación.

Más información

Eficacia luminosa | x

Flujo que emite una fuente de luz por cada vatio consumido, en lumen/vatio [lm/W]

Más información

Distribución espectral | x

La distribución espectral representa la cantidad de energía radiada que emite la fuente de luz en las diferentes áreas visibles del espectro.

Más información

Temperatura del color | x

La temperatura del color mide el grado de calidez o frialdad que reproduce una fuente de luz. Se expresa en grados Kelvin [K].

Más información

Índice de reproducción cromática (IRC) | x

El IRC es la capacidad de la fuente de luz para reproducir fielmente el color, comparándola con un patrón de referencia.

Más información

Depreciación Luminosa | x

La depreciación luminosa hace referencia a la pérdida de iluminancia que sufre la instalación a lo largo de uso.

Más información

Adaptación | x

Habilidad del ojo para enfocar y ajustarse cuando hay cambios en el nivel de iluminación

Más información

Capacidades Visuales | x

Habilidad del ojo para enfocar y ajustarse cuando hay cambios en el nivel de iluminación

Más información

Vida Útil | x

La vida útil de una lámpara se define como el número de horas de funcionamiento antes de sufrir una depreciación del 30%.

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Tiempo de encendido | x

El tiempo de encendido es el tiempo necesario de las lámparas para llegar al nivel estable de flujo luminoso, arrancando en frío

Más información

Flujo hemisférico superior instalado | x

Porcentaje de flujo emitido por encima del plano horizontal y el flujo total de la luminaria

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Índice de reflexión | x

Relación entre el flujo luminoso reflejado y el flujo incidente

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Deslumbramiento directo | x

Deslumbramiento que se produce por una luminaria situada dentro del campo visual.

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Fuentes de luz de alta intensidad (HID)| x

Dentro de este grupo se encuentran las lámparas de vapor de mercurio, halogenuros metálicos y vapor de sodio

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Agudeza visual| x

Capacidad del ojo para reconocer y distinguir detalles de objetos situados a distancias cortas.

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