Iluminación: La luz y el ojo humano

La iluminación debe proporcionar unas condiciones de visibilidad idóneas para la conducción de vehículos, el paseo de viandantes o la observación del entorno. Una buena iluminación urbana aumenta la seguridad de las personas y de las propiedades disminuyendo los delitos en vías públicas, aumenta la capacidad de reacción ante amenazas. También contribuye a la reducción de accidentes en la carretera, y a la ambientación urbana, dando personalidad al ambiente, pudiendo identificar lugares por su iluminación.

La luz

La luz es parte de la radiación electromagnética que emite un cuerpo luminoso o fuente de luz y que puede ser percibida por el ojo humano.

Hay fuentes de luz naturales como el Sol (que irradia constantemente luz visible, luz ultravioleta y otras radiaciones con energía en forma de calor), el fuego, los relámpagos o algunos animales con bioluminiscencia como las luciérnagas o las medusas; y, hay fuentes de luz artificiales como la llama de una vela, una cerilla o en un tubo fluorescente. Hoy en día, la mayor parte de las fuentes de luz artificiales funcionan con electricidad. La primera red de iluminación nocturna estaba formada por farolas que quemaban aceite, u otros hidrocarburos, que luego fueron reemplazados por gas natural y por electricidad.

Las fuentes de luz emiten ondas electromagnéticas transportando energía. La luz es una onda electromagnética que se desplaza siempre en línea recta, a una velocidad definida y constante, transportando energía (como la radiación ultravioleta o los rayos X); la frecuencia de las ondas lumínicas determina el nivel de energía de la luz y es lo que diferencia la luz visible de otras formas de radiación.

El espectro visible

Tanto la luz del Sol como la de una bombilla es blanca. Cuando esta luz es dispersada por un prisma podemos distinguir diferentes colores que contiene; siempre dentro del espectro visible, que se corresponden con determinadas longitudes de onda. Que un objeto tenga un color particular es consecuencia de que el pigmento del objeto absorbe ciertas longitudes de onda y refleja otras; el color que vemos depende de las longitudes de onda que refleja.

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Si un objeto lo vemos blanco es porque el pigmento del objeto refleja toda la luz que se emite sobre él, es decir, todas las longitudes de onda. Si, en cambio, lo vemos negro es porque absorbe toda la luz y no se refleja nada, no vemos nada, es decir, vemos negro.

Los colores del espectro perceptible o visible por el ojo humano van desde el violeta (380 nanómetros de longitud de onda) hasta el rojo (780 nanómetros de longitud de onda). Por tanto, los objetos no tienen color. Lo que hacen es reflejar las longitudes de onda de la luz y es el cerebro humano el que interpreta éstas como colores.

El ojo humano

Cuando la luz incide en un objeto, éste absorbe parte de dicha luz y refleja el resto que entra en el ojo humano a través de la córnea, la parte más exterior del ojo. La córnea inclina la luz hacia la pupila, que regula la cantidad de luz que llega al cristalino. Éste, a su vez, enfoca la luz en la retina, la capa de células nerviosas situada en el fondo del ojo.

La retina tiene dos tipos distintos de células que detectan la luz y reaccionan frente a ella. Se trata de los conos y los bastones, unas células sensibles a la luz conocidas como fotoreceptores:

• Los bastones se activan en condiciones de baja luminosidad; son sensibles en condiciones de visión nocturna en blanco y negro, en tonos grises (< 0,001 cd/m²); es la denominada visión escotópica.

• Los conos se ven estimulados en entornos con mayor iluminación; son sensibles en condiciones de visión diurna de acuerdo a diferentes tonalidades de color (> 3 cd/m²); denominada visión fotópica. Los conos contienen pigmentos o moléculas quese dividen en tres tipos, según las longitudes de onda de luz visible a la que cada uno es sensible detectando un color (rojo, verde y azul).

Durante el día, la luz reflejada sobre un limón activa tanto los conos rojos como los verdes. Los conos envían una señal por el nervio óptico hasta el córtex visual en el cerebro, que procesa la cantidad de conos activados y la fuerza de la señal que envían. Tras procesar los impulsos nerviosos, vemos el color, que en este caso será el amarillo. Sin embargo, en un entorno más oscuro, la luz que refleja el limón estimularía únicamente los bastones, por lo que no veríamos el color del limón, sino únicamente su forma y apariencia bajo tonalidades de grises.

El ojo humano tiene una sensibilidad variable dependiendo de la longitud de onda de la luz.  La sensibilidad del ojo humano cambia hacia el azul a medida que disminuye el nivel de luz.

El ojo humano puede proporcionar tres tipos de visión, al cambiar de conos a bastones, dependiendo del nivel de luminosidad.

• La visión fotópica es la percepción visual que se produce con niveles de iluminación diurnos (a plena luz del día). Esta visión posibilita la correcta interpretación del color por el ojo al percibir todos los colores. A la luz del día, el ojo percibe todos los colores.

• La visión mesópica es una visión intermedia (intermedia entre la fotópica y la escotópica) que se da en situaciones de iluminación, que sin llegar a la oscuridad total, tampoco llega a ser la luz de un día a pleno Sol. Se trata, principalmente, del tipo de visión empleada en condiciones de luz artificial, donde tanto conos como bastones entran en juego. Las luminarias de exteriores son ajustadas acorde a la forma en que la visión humana se comporta bajo condiciones de iluminación mesópica; pueden ser utilizadas para reducir el resplandor de la superficie de las calles y al mismo tiempo brindar mejor visibilidad. Situación en la que el ojo percibe menos luz de color roja y más luz de color azul; tal y como ocurre en el crepúsculo del día cuando se pone el Sol.

• La visión escotópica es aquella percepción visual que se produce con niveles muy bajos de iluminación cuando la luz es escasa. La agudeza visual es baja y la recepción de luz es principalmente con los bastones de la retina, que son sensibles al color azul del espectro (y por ende, ciego al rojo). No es posible una discriminación del color en este tipo de visión: es una visión monocromática en tonos grises. Cuando la luz es escasa, la visión se basa en tonos grises.

Al estudiar la luz artificial, la referencia para evaluar la calidad de la luz es la visión fotópica: la luz artificial debe tener cualidades que imiten la luz del día.

La fotometría

Tal y como se ha indicado, el ojo humano no tiene la misma sensibilidad para todas las longitudes de onda que forman el espectro visible de una fuente de luz. La fotometría estudia la capacidad que tiene una radiación electromagnética de estimular el sistema visual y, por tanto, es la ciencia que se encarga de la medida de la luz.

La función que introduce este hecho y pondera las diferentes magnitudes fotométricas, medidas para cada longitud de onda, por un factor, que representa la sensibilidad del ojo para esa longitud; se denomina función de luminosidad o función de eficiencia luminosa relativa de un ojo modelo, que se suele denotar como V(l) y V´( l).

Esta función de luminosidad es diferente dependiendo de que el ojo se encuentre adaptado a condiciones de buena iluminación (visión fotópica) o de mala iluminación (visión escotópica). Así, en condiciones fotópicas, la curva alcanza su pico para 555nm, mientras que en condiciones escotópicas lo hace para 507nm.

Bajo este concepto, un vatio de luz equivale a 1 vatio de potencia (W) irradiada a 555nm.