Saturday, January 8, 2011

Principios de Iluminación y Visión (I)

Debido a que otra área de investigación que me interesa mucho es la que en inglés se denomina Indoor Environment que traducido al español es más o menos Ambiente Interior, puedo sonar tal vez un poco alienado pero he aprendido que lo mejor es tratar de unificar conceptos y debido a que estamos bastante atrasados en desarrollo de tecnología, mi opinión es que debemos utilizar la terminología ya establecida, por eso muchas veces utilizaré los términos técnicos en inglés casi como sinónimos del español y creo que si queremos publicar en revistas arbitradas (por lo menos de aquí a un buen tiempo) el lenguaje standard es el inglés nos guste o no. Bueno, regresando al tema el área del Indoor Environment tiene a su vez varias especializaciones y todas ellas convergen en la búsqueda de la creación de un ambiente (no al aire libre) en espacios cerrados como edificaciones que sean inocuos al ser humano y a su vez comfortables para el tipo de actividad para la que se crearon. Esto incluye la acústica, la iluminación, la calidad del aire y el comfort térmico principalmente. Esta área Indoor Environment es un área que pertenece a otra área llamada Building Sciences (Ciencias de las Edificaciones). Mi formación durante el doctorado fue precisamente en Building Sciences con énfasis en acústica, iluminación y comfort térmico. Esa es la razón de mi interés en estas áreas. Muchos físicos consideramos que estas áreas aplicadas de la Física ya están plenamente desarrolladas y no presentan un interés para temas de investigación. Lo cual es un grave error, no debemos menospreciar estas áreas, es más, creo que debemos de involucrarnos en ellas. En unos cuantos años nos daremos cuenta de su importancia (en otros lados ya lo han hecho por lo menos hace 2 décadas), y considero que son áreas donde se puede realizar muchísima investigación desde el punto de vista de la física aplicada.
Justamente uno de los objetivos que persigo es crear una conciencia (desde este pequeño espacio) de estas disciplinas de la física aplicada. He tocado puertas, por ahora sin éxito, pero creo que debo seguir y me parece que si por ahora no me ha sido posible el poder enseñar estas cosas formalmente lo haré informalmente hasta que se me abra una puerta.

Ok entonces volvamos a nuestro tema

Principios de Iluminación y Visión (I)

Comprender los principios de la luz y la visión de ayuda a los ingenieros y científicos a identificar y resolver problemas de iluminación. Una de las principales áreas de investigación corresponde a la calidad de la iluminación para diversos ambientes sobretodo ambientes de trabajo, tales como oficinas. Sin embargo descubrimientos relativamente recientes están indicando que una inadecuada iluminación, la exposición insuficiente a la luz solar y la sobre-exposición a la luz artificial tiene efectos sobre la salud. Es decir lo mismo que se encontró para el ruido (hace varias décadas) está ocurriendo en el área de la iluminación. Siendo dos aspectos muy importantes de la Física (óptica y acústica) en nuestras vidas son de interés pues sus efectos son medibles, lo difícil es evaluar o calificar la percepción subjetiva y su relación con la salud. Ese es el objetivo.

Luz y Visión

La luz es energía electromagnética (con longitudes de onda entre 380 nm y 770nm). Cuando llega a la retina, la luz crea sensaciones visuales (producida por procesos fisiológicos), que a su vez, estimulan una respuesta neurológica en el cerebro. La luz es generalmente emitida por una fuente y puede que sea absorbida, reflejada o transmitida a través de diversos objetos antes que llegue el ojo de un observador. La luz revela la forma, tamaño, textura, color, profundidad y ubicación de un objeto (esto en realidad es un proceso subjetivo).


Figura 1. El ojo humano. Vista de la retina y los fotoreceptores
ver imagen original


Sin embargo no existe una relación directa entre la luz que recibimos y lo que vemos, entre el momento en que la luz incide sobre nuestra retina hasta que nuestro cerebro interpreta toda esa información existe un proceso (o una serie de ellos) que finalmente se traduce en una interpretación subjetiva de la radiación electromagnética incidente. Un intento de entender cómo vemos esta luz es mediante la llamada curva "V-lambda" (curva de visión fotópica). Luego también explicaré el término fotópico.



Figura 2. Curva de visión fotópica

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Según esta figura podemos observar que la percepción subjetiva de color (a las distintas longitudes de onda) de la luz incidente no es igual. Somos más sensibles a la luz de 555 nm (pico de sensibilidad), que corresponde a luz aproximadamente verde, mientras que nuestra menor sensibilidad a la luz en los extremos del espectro (violeta y rojo) es evidente. Es interesante que en la audición humana ocurre algo similar. Sobre esto hay mucho que hablar e investigar, regresaremos a este tema en otra próxima entrada.

Parámetros Físicos

La iluminancia  en una superficie es la cantidad de luz que incide sobre esa superficie. Se puede medir con un medidor de luz y se registra en lux (lx) o candelas por pie cuadrado (fc).

La luminancia es la cantidad de luz emitida por un objeto en una dirección dada. El ojo detecta e interpreta los patrones de luminancia para formar las percepciones de los objetos.
Se mide en candelas por metro cuadrado (cd/m2).

Para cualquier objeto, su iluminancia determina su luminosidad, sin embargo, la luminosidad se ve afectada por la reflectancia y la textura de un objeto. Altas reflectancias o acabados brillantes redistribuyen una gran cantidad de luz en un espacio, incluso si la  illuminancia permanece constante. La Luminancia contribuye a la sensación de brillo, que depende de la iluminación del objeto, la adaptación del ojo, y la luminancia de las superficies del entorno. Puede ser difícil mirar superficies con iluminancias muy altas.

Factores que influyen en la Visibilidad

Que tan bien vemos depende del contraste, tamaño, nivel de luminancia de un objeto, edad del observador y el tiempo de exposición disponible para su visualización. El contraste y el tamaño son cuestiones sujetas al diseño y se pueden mejorar fácilmente sin cambios costosos en el sistema de iluminación.


Contraste: es la relación entre la luminancia de un objeto y su fondo inmediato. Observamos contrastes de brillo, color y patrón. Todas nuestras percepciones visuales son relativas. Nuestro sistema de procesamiento visual compara objetos en el campo visual mediante los cuales juzgamos el color, el tamaño, la distancia y la textura.

Edad: A medida que envejecemos, los ojos cambian en muchos aspectos. Estos cambios reducen la percepción de detalle, la sensibilidad al contraste, la discriminación de color, y la adaptación y la velocidad de procesamiento visual. Las personas mayores tardan más en adaptarse a los cambios en el nivel de luz y son más sensibles al deslumbramiento. Los efectos son generalmente perceptibles después de los cuarenta años.

La edad de los empleados no puede ser controlada y las oficinas en general, tienen un rango relativamente amplio de edades y habilidades visuales. Los diseñadores de iluminación debe saber la edad media de los ocupantes de una determinada oficina y deben orientar el diseño de iluminación para el peor de los casos. Una Iluminación adecuada, el incremento del tamaño de la tarea y el adecuado manejo del contraste puede compensar los problemas visuales relacionados con la edad.

Tiempo de exposición: Esto generalmente hace referencia a los objetos en movimiento. El Movimiento reduce el contraste y la definición. Por lo tanto, si los empleados tienen que mirar objetos en movimiento, el contraste y la luminancia se debe aumentar, o el movimiento debe ser más lento

Problemas de iluminación típicos en oficinas

En general, hay dos grandes problemas que se presentan en la iluminación en las oficinas de planta abierta. El deslumbramiento (glare) es causado a menudo por las particiones (pantallas de altura media) al no bloquear la luz procedente de instalaciones distantes. Este tipo de oficinas también pueden tener una iluminación no uniforme debido a que el sistema fue diseñado para una habitación vacía, la adición de particiones y muebles modulares puede bloquear la luz, crear sombras, y crear puntos brillantes debido a la reflectancia de superficie diferentes.

Las lámparas pueden causar a veces un tercer problema si parpadean (flicker).

El deslumbramiento genera una serie de problemas debido a que se pueden producir luminancias que son mucho mayores que las luminancias los alrededores y la luminancia a la que nuestros ojos están adaptados. El deslumbramiento puede producir molestia (discomfort glare) o incapacidad visual (disability glare).



Figura 3. Ejemplo de reflexiones molestas que producen deslumbramiento (glare)

El deslumbramiento molesto (discomfort glare) es una sensación causada por las zonas brillantes en el campo de visión, que no provienen de la zona que se está enfocando. Se puede experimentar fatiga visual o fatiga si hay exposición prolongada al deslumbramiento molesto.

El deslumbramiento directo puede producirse a partir de una fuente de luz o la luz solar proveniente de ventanas, reflejos, o de una fuente de luz que no está en el campo de visión al producir reflexión en una superficie.

La discapacidad por deslumbramiento (disability glare) reduce el contraste en el área de trabajo y por lo tanto reduce la visibilidad. Ocurre en dos formas:

    (i) puede ocurrir cuando luz no deseada  dispersa a los ojos y evita la detección de contraste. Uno puede experimentar este tipo de deslumbramiento cuando la luz del sol está brillando en una ventana detrás de un objeto que se trata de ver. Este es un tipo de deslumbramiento directo;

    (ii) también puede ocurrir cuando reflexiones se dispersan en una superficie, creando un "velo", o brillo, el cual reduce el contraste. Estas reflexiones se producen a menudo en las páginas de revistas, pantallas de ordenador, y otras superficies brillantes. Un caso especial se produce cuando las lámparas se reflejan en una superficie especular, como una pantalla de computadora (ver foto). Este es un tipo de deslumbramiento por reflexiones.

Distribución de la luz
La distribución no uniforme de la luz en la superficie de trabajo puede reducir la visibilidad y comodidad. Puede ser molesto porque el ojo se debe adaptar a los diferentes niveles de luz. En casos extremos, las superficies de trabajo pueden estar en la sombra.

La uniformidad perfecta no es deseable en una oficina sobretodo porque los ocupantes quieren distintas luminancias de acuerdo a su interés visual. Una oficina uniformemente iluminada es poco realista. La forma, textura y profundidad de los objetos no se revela con claridad en este tipo de ambientes. La uniformidad completa debe limitarse a las superficies de trabajo.

El parpadeo de baja frecuencia de fuentes de luz (por debajo de 150 Hz) puede interrumpir el procesamiento visual y dar lugar a molestias. balastos electrónicos para lámparas fluorescentes que operan en una frecuencia alta (más de 20 kHz)  pueden eliminar este problema, a la vez que se ahorra energía.

Tipos de iluminación en las oficinas de planta abierta
Hay tres tipos de iluminación que se pueden utilizar en las oficinas de planta abierta. Una iluminación de calidad diseñada profesionalmente, en general utiliza una combinación de las tres:

a) Iluminación ambiental 
La cual corresponde al entorno y puede ser directa (hacia abajo) o indirecta (hacia arriba):

Iluminación directa
Dirigida hacia abajo en las oficinas se presenta en dos tipos principales: mediante los accesorios prismáticos y parabólicos.

    * los accesorios prismáticos utilizan una lente (generalmente plástica) para distribuir la luz.
    * los accesorios parabólicos utilizan rejillas para cortar la luz en ciertos ángulos para reducir los reflejos. los accesorios parabólicos producen mayor iluminación sobre las superficies horizontales que sobre las superficies verticales.


Figura 4. Ejemplo de luminarias parabólicas y prismáticas (fuente: NRC)

Estas luminarias están generalmente al ras con el techo o empotradas.

Iluminación indirecta
Proporciona más luz difusa en todas las superficies interiores. accesorios indirectos a menudo tienen una componente directa hacia abajo, así, que emiten algo de luz sobre las superficies horizontales, tales como computadoras de escritorio.
La investigación sugiere que las personas tienden a preferir una mezcla de iluminación directa e indirecta, con un 40% de la luz de forma indirecta. Estas luminarias pueden ser independientes, suspendidas del techo o montada en paredes o particiones.



Figura 5. Ejemplo de combinación de luz directa e indirecta (fuente: NRC)

b) Luz de trabajo (task lighting)
A veces denominada luz de tarea, proporciona una luz brillante en una superficie determinada, cuando una tarea requiere de una mayor iluminación. luces lineales se utilizan con frecuencia en los elementos de almacenamiento para evitar sonbras. Con un diseño cuidadoso, los niveles de luz ambiente se puede disminuir cuando la iluminación de trabajo está disponible, conservándose energía.




Figura 6. Ejemplo de luz de trabajo (task lighting)

c) Iluminación de detalle (accent light), también denominada luz de acento o decorativa se usa para resaltar las áreas de importancia o de interés y para decorar un espacio (particularmente no me agrada  mucho el término luz decorativa, pues no solamente tiene el propósito de decorar sino tiene un valor agregado). Equilibra la luz ambiente, llena sombras, y puede crear algunos puntos de vista para la relajación del ojo.




Figura 7. Uso de la iluminación de detalle (fuente: NRC)

En la figura 7 se observa la aplicación de la liluminación de acento. Una técnica que suele utilizarse mucho es realizar un "wall washer", se denomina asi pues se utilizan luminarias para incrementar la luminancia de una o más superficies (en el caso de la foto, las paredes). En este caso debido a que es más difícil observar las imperfecciones de la pared si tiene un gran luminancia se reducen las sombras sobre ella disminuyendo el contraste (al reducir las sombras) y haciendo más placentero el campo visual de fondo (menos distractivo)

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