El Paradigma de la Medición de la Luz (Primera parte)

En este artículo se intentan explicar de manera práctica conceptos complejos sobre los que gira la iluminación moderna como el efecto Purkinje, el diagrama de cromaticidad y las visiones fotópica y escotópica

RESUMEN

En este artículo se intentan explicar de manera práctica conceptos complejos sobre los que gira la iluminación moderna como el efecto Purkinje, el diagrama de cromaticidad y las visiones fotópica y escotópica. Omitiendo ecuaciones se explican los antecedentes técnicos desde la primera caracterización de la sensibilidad del ojo humano en 1924 hasta los últimos criterios internacionales. A través de una sencilla práctica en un salón de clase en la UNAM se evalúan con wáttmetros, espectrómetros y luxómetros duplos, lámparas incandescentes de la misma potencia pero diferente color, con y sin atenuación. Durante la prueba se pide la opinión de los estudiantes sobre su facilidad para leer y tomar notas. Al final se concluye que la teoría de hace más de 100 años tiene sólidos fundamentos pero requiere de algunos ajustes de acuerdo al estado de la ciencia y la tecnología dado que la información obtenida en los catálogos de los fabricantes de lámparas no corresponde –bajo ciertas circunstancias- con la percepción visual de los usuarios.

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Fig 1.- Salón en la Facultad de Ingeniería de la UNAM, con paredes de roca volcánica.
[email protected] v2.3, Genertek, Alex Ramírez

INTRODUCCIÓN

Toda la ingeniería de iluminación gira alrededor del ojo humano. Durante más de un siglo ingenieros, médicos e investigadores coincidieron en que la retina tiene 2 fotorreceptores principales: los conos y los bastones. Los conos tienen una respuesta pico en la región verde-amarillo en los 555 nanómetros, los bastones tienen su respuesta pico en la zona verde-azulada en 505 nanómetros y al “corrimiento” se le conoce como efecto Purkinje. Debido a que bastones y conos tienen diferente sensibilidad a los colores, pueden ser representados por su respectiva curva de sensibilidad llamadas curvas fotópica (P por sus siglas en inglés y que representa a los conos) y escotópica (S que representa a los bastones). En 1924 la CIE logró esa primera caracterización del ojo y estableció formalmente la Curva de Sensibilidad fotópica demostrando que el ojo humano percibe el brillo de la luz dependiendo de su color. Se necesita más energía en la parte azul y roja del espectro visible para crear la misma sensación de brillo que en la región verde-amarillo. Años más tarde, en 1931, se estableció la curva escotópica o nocturna diferenciándose de la fotópica o diurna en 3 puntos primordiales: la forma de la propia curva, los valores pico y las “colas”. Mientras que la fotópica tiene una típica distribución gaussiana mesocúrtica con fuerte sensibilidad a los rojos, la escotópica es virtualmente ciega a ellos y notablemente sensible a los azules. Dicho en otras palabras, con muy bajos niveles de iluminación el ojo es hiposensible a los rojos e hipersensible a los azules.

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Fig 2.- Curvas de Sensibilidad del Ojo Humano Fotópica (P) y Escotópica (S)

Como durante años se pensó, erróneamente, que ambas curvas eran independientes y mutuamente excluyentes (sólo podía estar presente una de ellas a la vez), todos  los medidores de luz usados desde entonces y hasta la fecha para medir lúmens, luxes, candelas, nits, etc., se ajustan a la curva diurna o fotópica dado que la mayoría de las tareas visuales que realizamos las hacemos con niveles de iluminación elevados. Sin embargo, en 1962 el científico alemán Herman Bouma encontró que la longitud de onda de la luz y por lo tanto el color de la luz tenía un efecto directo en el tamaño de su pupila y que la reducción era mayor con las radiaciones azules de 490 nm que las de 555 nm, contrario a la teoría de 1924. Una pupila de menor tamaño favorece la agudeza visual al mejorar la profundidad de campo y permitir una mejor acomodación del ojo. Análogamente y como lo sabe cualquier aficionado a la fotografía, una menor apertura del lente permite una mayor profundidad de campo y las imágenes se ven más definidas. Se comprobó desde entonces que una lámpara con alta temperatura de color que produce luz azulada permite ver mejor los detalles y crear la sensación de tener un ambiente más iluminado que una lámpara de luz cálida aun cuando un luxómetro fotópico registre los mismos luxes.

Fue a finales de los 80´s cuando un estudio realizado por los Doctores Sam Berman y Don Jewett demostró que los roles de los conos y los bastones no son excluyentes, sino que en realidad comparten la responsabilidad en función de las condiciones de iluminación. Tenían una ventaja sobre Bouma porque los avances de la época les permitieron usar pupilometría infrarroja; dado que el ojo no responde a la radiación infrarroja se pudo fotografiar a la pupila sin influencias ambientales. Para los ingenieros electricistas, electrónicos y de ramas afines es fácil entenderlo si hacemos una analogía con la impedancia de un circuito. Si la impedancia es inductiva tendrá una componente resistiva y otra inductiva pero ¿Cuál es mayor? Eso dependerá de las características del circuito. Un conductor de un solo hilo, presentará una cierta resistencia dependiendo de su resistividad, la frecuencia y la temperatura pero la inductancia será mínima y el circuito será predominantemente resistivo. Si ese mismo conductor lo arrollamos sobre un núcleo magnético con buenas propiedades formaremos una bobina con una alta reactancia inductiva y una pequeña resistencia. En ambos casos tendremos impedancia pero la relación reactancia/resistencia será notablemente diferente. Lo mismo sucede con los conos y los bastones, trabajan simultáneamente pero su importancia dependerá de las condiciones de la iluminación con la que trabajemos. Entonces ¿Cuál es más importante, la visión fotópica o la escotópica? Las 2 son importantes pero la relación escotópica/fotópica o relación S/P es multifactorial y dependerá de la curva de distribución espectral de fuente de la fuente de luz y sobre todo de su temperatura de color (Fig. 3).

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Fig 3.- Curvas de Distribución Espectral de la Luz del Sol a mediodía en México DF (5337K), Vapor de Sodio en Alta Presión (2164K) y LED de luz blanca (4969K)

Es por eso que los equipos que utilizamos para medir luz no siempre son consistentes con la percepción de las personas y esto ha llevado a un movimiento internacional entre especialistas en iluminación para tratar de modificar nuestros criterios antiguos e incluir la sensibilidad de los bastones. El siguiente paso fue entonces determinar la relación S/P para cada lámpara y evaluar después su efecto para corregir en forma práctica las mediciones frecuentemente erróneas de los luxómetros fotópicos. Después de varios estudios patrocinados por el Departamento de Energía de EEUU, el Dr. Berman y su equipo sugirieron multiplicar a P por la relación S/P elevada a un exponente n o sea (S/P)ⁿ donde P son los lúmenes fotópicos y S los escotópicos. Este producto nos arroja una nueva variable que algunos llaman “lúmens pupila” pero algunos radiómetros lo reportan como “visual effective” o VE; en este trabajo le llamaremos “lúmens verdaderos” haciendo analogía con el concepto de “true” en ingeniería eléctrica. Revisando algunos conceptos básicos, la raíz cuadrática media (rms en inglés), es una medida estadística de la magnitud de una cantidad variable. Es especialmente útil cuando variables aleatorias son positivas y negativas, por ejemplo en ondas senoidales. El rms se utiliza en muchos campos, incluyendo física e ingeniería eléctrica y es muy válida cuando las ondas como voltajes y corrientes son senoidales puras pero ¿Qué pasa cuando las ondas no son puras? Con el uso masivo de las cargas no lineales como lo son todos los equipos electrónicos las ondas sufren algún tipo de deformación. Los medidores de rms arrojaban errores inaceptables en ciertas condiciones y por esa razón se tuvo que introducir un nuevo concepto llamado raíz cuadrática media verdadera o trms en inglés (true root mean square) y nuevos equipos más costosos para medir el trms. En iluminación podemos hacer lo mismo: en vista de que los lúmens fotópicos no son realmente los únicos que percibimos debemos convertirlos a lúmens verdaderos o tlm por sus siglas en inglés (true lumen). Ahora, si el exponente n fuera igual a 1 obtendríamos lúmenes escotópicos puros y si fuera cero obtendríamos lúmenes fotópicos puros; este exponente se ubica entonces entre 0 y 1 pero ¿Cómo obtener un valor ponderado de n? ¿Qué valor le asignamos? El Dr. Berman propuso que para las tareas de lectura común debemos utilizar 0.78 y para las tareas informáticas n debe ser 1. Si simplemente estuviéramos interesados en “brillo percibido” de un espacio abierto sin una tarea visual específica, el Dr. Berman determinó que n debe ser 0.58.

EJERCICIO

El ejercicio se ha desarrollado a lo largo de varios semestres y nunca se ha pretendido que sea una prueba rigurosa sino ilustrativa, haciendo un análisis de la iluminación como “fenómeno físico”. Con este enfoque se usan los números y las matemáticas más elementales pero se explican con palabras los fenómenos; se gana en facilidad de compresión y tiempo aunque se está muy limitado al no tener las ecuaciones de estado del sistema que predicen el fenómeno para controlarlo y/o modificarlo. El salón es muy sui géneris dado que sus paredes tienen roca volcánica que se encontró en abundancia durante la construcción de Ciudad Universitaria a principios de los 50´s. Es una condición favorable para la prueba porque al ser las paredes muy obscuras y con gran aspereza tienen muy baja reflectancia y se reduce la interreflexión. El salón mide 24m², el piso es beige y el techo de color muy claro con una cavidad total de 2.9m. En estas condiciones el coeficiente de utilización es muy bajo, cercano a 0.25 porque las lámparas están desnudas. Al bloquear la luz de las ventanas y asumiendo un flujo nominal de 490 lm en lámparas de bulbo claro, se puede estimar una iluminancia horizontal promedio alrededor de 5 Lx. Con las de bulbo rojo la iluminancia es notablemente más baja que con cualquier otra lámpara; esto con el objeto de demostrar que a niveles más bajos el ojo se va volviendo ciego a los rojos.

En la primera prueba se usan lámparas incandescentes de 40w, iniciando con bulbo claro a diferentes tensiones. Se miden con espectrómetro y luxómetro duplo variables como TCC, CRI, S, P, S/P, VE, E, etc. además de la croma y los diagramas de cromaticidad de la CIE de 1931 y 1976. Estos diagramas son un ingenioso método para darle un “locus” o lugar geométrico a una variable física compleja y subjetiva como lo es el color.

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Fig 4.- Diagramas de Cromaticidad CIE de 1931 y 1976

Se prueban después lámparas de la misma potencia pero de espectro modificado con bulbos de diferente color, desde el azul hasta el rojo y durante las mediciones se pide al usuario su opinión sobre la facilidad de leer y escribir. Los resultados se concentran en la Tabla 1.

OBSERVACIONES

1. Las lámparas halógenas son lámparas incandescentes de desempeño superior al tener más eficacia, ser más puntuales, con mayor TCC (luz más blanca y brillante), mayor vida y eficacia. Su curva de distribución espectral es más rica que prácticamente cualquier otra fuente de luz artificial.

2. Cuando a las lámparas incandescentes de bulbo claro se les incrementa la tensión:

2.1 La predominancia en los rojos se mantiene y su pico se produce muy cerca de 760nm
2.2 Su curva de distribución espectral es de radiación continua y pasa de ligeramente cóncava a ligeramente convexa.
2.3 El tiempo de integración se reduce a medida que la tensión, el CRI y la TCC aumentan.
2.4 Se incrementa su TCC pasando de 2,055K al 25% hasta 2,730K al 100%. Se confirma la teoría que dice que con cada volt la TCC sube 10K.
2.5 El CRI aumenta de 97 a 99.
2.6 La S/P sube 61 milésimas porque la ganancia en azules aumenta más que la ganancia en rojos, lo que confirma el aumento de la TCC.
2.7 El factor K es adimensional y se obtiene a través de la S/P y el exponente 0.78 de acuerdo al criterio del Dr. Berman y se puede usar para calcular el valor relativo porcentual.
2.8 El valor relativo indica que la percepción de luz aumenta 3.5%.
2.9 La opinión subjetiva de los usuarios pasa de regular a buena.

3. En el caso de las lámparas de colores (espectro modificado) al 100% de la tensión nominal:

3.1 La TCC es altísima en el caso del azul e indetectable en el caso del rojo.
3.2 El CRI más alto se obtiene con el azul y el más bajo con el rojo.
3.3 La S/P es notablemente más alta en el azul (7.190) y la más baja en el rojo (0.071).
3.4 El tiempo de integración es mucho más bajo con el azul que con el rojo.
3.5 El valor relativo es casi 37 veces mayor con el azul que con el rojo.
3.6 La impresión de los usuarios de acuerdo a la facilidad de lectura y escritura es notablemente mejor con el azul que con el rojo.

REFLEXIONES

Este sencillo experimento ha demostrado a lo largo de los años que la información de los fabricantes de lámparas está referida siempre al criterio fotópico por lo que las desviaciones con respecto a la percepción real pueden ser notables cuando se pasa de un color de luz a otro. Sin embargo, el uso de conceptos como los “lumens pupila” se ha prestado para que algunos fabricantes argumenten que sus lámparas tienen mayor eficacia que sus competidores. El tamaño de la pupila más pequeña y la mejora de la agudeza visual a fuentes de luz con espectro más azul nunca han sido impugnadas y es un hecho aceptado por la mayoría de los investigadores de iluminación. En la Sociedad de Ingenieros en Iluminación de Norte América (IES) hay un comité dedicado a determinar estos efectos y cómo podrían hacerse los ajustes para los cálculos. Los ajustes se pueden utilizar siempre y cuando los niveles de luz caigan dentro de las recomendaciones de IES, lo que significa que los valores mínimos de iluminancia resultantes deben cumplir con las recomendaciones fotópicas. El método del programa americano SEL (Spectrally Enhanced Lighting Program Implementation for Energy Savings) aprueba ahorrar energía a través de un concepto denominado “equivalencia visual”, que opera bajo la teoría de que para cualquier nivel de iluminancia (x) sobre la base de una fuente de luz con una relación S/P dada, un nivel de iluminancia diferente (y) se puede determinar utilizando una fuente de luz con una relación S/P diferente de tal manera que se mantenga igual la agudeza visual. Los cálculos del SEL son útiles para hacer comparaciones; por ejemplo, una luminancia de 50 nits de una lámpara fluorescente 850 produce la misma agudeza visual que una lámpara 830 que produce 65 nits para la misma tarea visual. Mientras que las luminancias fotópicas no son iguales, sí son visualmente equivalentes en lo que se refiere a la visión detallada. La reducción porcentual en luminancia de la fuente de luz con TCC superior representa un ahorro potencial de energía del mismo porcentaje, asumiendo que el factor de balastro sea el mismo. El DOE considera que se debe tener cuidado para estar seguros de que todos los niveles de iluminación finales caigan dentro de las recomendaciones de IES, lo que significa que las cantidades fotométricas deberán cumplir con las recomendaciones fotópicas. Esto se debe a que todas las recomendaciones han sido históricamente espectralmente neutras, es decir que no se basan en un tipo de lámpara específica y por lo tanto no hay todavía un método aceptado para hacer ajustes a los valores recomendados de IES. Hay que aclarar que los exponentes del Dr. Berman aplican para ciertas condiciones de iluminación pero de ninguna manera para alumbrado público, donde el criterio es Mesópico. Pero es un hecho lo que Mark Rea, uno de los investigadores más destacados en el tema dijo en la revista internacional para ahorro de energía en iluminación (IAEEL) en 1992: “ojalá que todas las investigaciones que se han hecho hasta hoy alrededor de la S/P algún día se apliquen”. El día que Mark Rea comentó está por llegar…si queremos hacerlo porque es una forma práctica y fiable de entender lo que todos sabemos desde hace años: las lecturas de los luxómetros no siempre coinciden con la opinión de los usuarios.

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Tabla 1. Ing. Alex Ramírez. (Da click sobre la imagen para verla aumentada)

20 comentarios en “El Paradigma de la Medición de la Luz (Primera parte)

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  2. Sin lugar a duda romper con el paradigma de la medición de la luz es una tarea ardua debido a la desinformación y pasividad de los fabricantes, es necesario reflexionar sobre la importancia de medir adecuadamente la luz, recordando que todo fenómeno puede ser medible y lo medible puede mejorarse para beneficio del usuario final.

    Considero que nuevas tecnologías como los LED’s, la Inducción o Plasma ayudaran a entender esta relación espectral S/P y la importancia de establecer nuevos métodos para medir este majestuoso fenómeno llamado “luz”

  3. Así es, esta primera parte es muy teórica y difícil de explicar sin matemáticas pero es necesaria para encontrarle sentido a los siguientes artículos. En el segundo veremos cómo se usan la S/P y los exponentes en aplicaciones de oficinas y áreas comerciales para entrar a alumbrado público en la tercera parte. La evaluación de las nuevas tecnologías que comentas puede ser más compleja para que sea justa y por eso hay que actualizar muchos conceptos aunque a veces tengamos que ir en contra de lo establecido desde hace décadas. A los que sigan interesados les avisaremos conforme los vayamos subiendo ¡Saludos!

  4. Tarea solo para especialistas, una excelente investigación y explicación, por parte del Ing. Alex. solo una duda…
    ¿ Se determinaron valores específicos de el exponente “n” para cada una de las tareas??? o como lo determino?
    Gracias por su amable respuesta.

  5. Es un articulo con mucho fondo y con algunos cálculos matemáticos que hay que entender desde un principio . La intepretación y el entendimiento de esta primera información nos servirá de base para comprender las futuras etapas .

    Una felicitación al Ing. Ramírez por su esfuerzo en preparar este importante material.

    Lic. José Brito

  6. Esta muy bueno el articulo, seria bueno que integraran una sección de foro para preguntas y respuestas del tema ademas que se pueden compartir experiencias, considero seria genial algo así. Saludos y muchas gracias, estaré pendiente de las próximas publicaciones.

  7. Es la primera lectura que doy al articulo, me interesa sobremanera… luego seguro volvere con algunas preguntas..investigo el efecto de la luz.!!!

  8. Muchas gracias ingeniero muy interesante porque contagia la pasión por la iluminacion. Nos puede decir cuando iran saliendo los demás artículos queremos compartirlos en la empresa y también con los ingenieros que estan saliendo de las escuelas superiores como material didactico. Gracias de nuevo y si me envía el DVD con las notas que comento en el evento se lo vamos a agradecer muchísimo a usted y a a iluminet

  9. Estimado Ing. Ramirez, lo felicito por su excelente articulo, me ha sido muy util para seguir conociendo la tecnologia led,le escribo desde chile, y quisiera su opinión de lo siguiente, la empresa SCHREDER CHILE con sus luminarios BRIKA y TECEO-1, esta ofreciendo a los municipios una vida util promedio de 100.000 horas en las licitaciones, he estado averiguando y esto es poco probable sin que se cumplan ciertas condiciones que en la realidad no se si efectivamente sucederan.. favor sus comentarios y aclaraciones..

    Muchas gracias

  10. Muy bien José Luis Contreras, qué bueno que también tengan interés en su empresa. Los siguientes artículos los irá subiendo ILUMINET en la medida de la disponibilidad. La segunda parte es sobre el paradigma en iluminación interior desde fluorescente hasta LEDs y ya está en revisión, es probable que la suban en unos días. La tercera parte tratará sobre la importancia de especificar e invertir convenientemente en iluminación interior; la cuarta será sobre sistemas automáticos de atenuación con sensores de presencia y crepusculares. La quinta y última de esta serie será sobre alumbrado público y el criterio mesópico. Saludos.

  11. Muy buenas tardes Enrique, qué bueno que le estén siriviendo los artículos. Sobre los LEDs para alumbrado público que comenta de entrada es muy bueno estar con marcas de prestigio pero tiene razón en lo que dice sobre las condiciones para que se cumpla el desempeño esperado. Por favor pídale mi correo a ILUMINET, tengo mucha información de los LEDs que comenta.

  12. Estimado Jorge Bogdanoff, por favor solicítele a ILUMINET mi correo personal y con gusto trataré de compartir con Ud. la información que sea de su interés.

  13. El artículo presenta varias lagunas. Se entiende que este es un resumen sobre el tema pero se deberían dar mejores argumentos objetivos. ¿Por qué no utilizar las candelas y así evitarnos de tantas suposiciones?

  14. Arq. L. puedes ir estudiando más sobre el tema para ir resolviendo esas lagunas que tienes. La candela, el lux, el nit, la eficacia y muchos otros parámetros en iluminación dependen del lúmen como unidad básica. Si logras aprender que no hay 1 sólo tipo de lúmen sino 5 tipos diferentes, los demás parámetros y definiciones los irás entendiendo fácilmente. Una candela es un lm/sr pero como un estereorradián [sr] es constante, la candela depende directamente del lumen. El objetivo del primer artículo de la serie es dar una introducción para explicar que la sensibilidad del ojo humano NO es constante sino que depende de muchos factores y de ahí que las definiciones que datan de 1924 y que todavía hoy se usan ampliamente son parcialmente ciertas.

    En la Sección México de IESNA puedes conseguir sin costo una de mis ponencias sobre este tema.

    Atte Alex Ramírez

  15. Estimado Ingeniero Ramírez, me gustaría conocer cuales son las ventajas fotométricas en alumbrado público, de los LED COB respecto a los LED tradicionales.

    Gracias por su comentario.

    Rodolfo.

  16. Buenas tardes Rodolfo, en realidad los sistemas de LEDs tipo COB (Chip on Board) no presentan muchas ventajas fotométricas con respecto a un sistema multiled. Los COB son muchos LEDs agrupados en una resina especial con una superficie emisora compacta casi puntual que, por lo tanto, tiende a aumentar la brillantez y a limitar el control fino del haz en un luminario de alumbrado público. Para dar curvas IES tipo II y III media y larga es mucho mejor tener muchos puntos emisores de luz independientes, en lugar de uno sólo. Los tipo COB son muy buenos para bajar los costos y también para luminarios tipo proyector, pero no son lo mejor para luminarios de alumbrado público. Si le pides mi email a Iluminet te puedo compartir algunas fotos de alumbrado público con LEDs COB de diferentes marcas donde claramente se ve que la uniformidad es muy pobre, sobre todo con distancias interpostales grandes.

  17. Gracias por este articulo tan interesante! yo para determinar todos estos parámetros (CCT, CRI, S/P Ratio, CIE 1931, CIE1976…) utilizo un espectrofotocolorimetro Lighting Passport Pro AsenseTEK. Lo compré aquí: http://www.medidordeled.com/ Son los distribuidores oficiales en España

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