Nota:
Al tratar de la radiación electromagnética en el espectro
visible, se superponen dos ámbitos: El primero se refiere a
los aspectos puramente físicos de la cuestión. En este caso
las magnitudes y vocabulario utilizados son los propios de
la física, objetivos e independientes de la percepción
humana. El segundo se refiere a aspectos de la "luz" y del
"color"; trata por tanto aspectos subjetivos (percepción
humana de la radiación a través del sentido de la vista).
En este caso los patrones de medida utilizados, e incluso el
vocabulario empleado, están afectados de ciertas
correcciones para acercarse a las características muy
especiales que tiene la percepción humana de la "luz
visible". Como dificultad añadida podemos señalar que el
vocabulario utilizado en óptica y fotometría no es en
general demasiado consistente.
§1 Medida de la radiación
electromagnética
Además de la
frecuencia (y longitud de onda) ya señaladas (
H9.1),
existen otras magnitudes significativas en la radiación
electromagnética, algunas especialmente importantes desde el
punto de vista óptico. Estas magnitudes están directamente
relacionadas con la percepción que tenemos de la luz.
Fig. 2 |
§1.1 Flujo radiante
Las radiaciones
electromagnéticas transportan energía, de forma que un
objeto luminoso (radiador) emite energía y cualquier objeto
iluminado la recibe. La potencia radiante o
flujo radiante
P
es la medida de la cantidad de energía electromagnética que
emite un radiador por unidad de tiempo. Se mide en
Watt.
La energía
transportada puede manifestarse de formas muy diversas en
los cuerpos que la reciben: propiciando reacciones químicas
(fotosíntesis y bronceado), efectos eléctricos
(fotocélulas), efectos mecánicos (viento solar),
calentamiento (estufas de infrarrojos), etc.
§1.2
Intensidad radiante
La intensidad
radiante Ir
expresa la energía emitida por un cuerpo radiante en cada
dirección del espacio. Se expresa en Watts/estereoradián (W/sr).
Si el radiador emite por igual en todas direcciones y dado
que una esfera tiene 4&Pi estereoradianes [3],
puede establecerse que un emisor cuyo flujo radiante sea
P,
produce en sus inmediaciones una
intensidad radiante
Ir = P / 4&Pi
Watt/sr.
1.3
Densidad de radiación
Los efectos de la
radiación electromagnética se expresan mejor en término de
la energía emitida (o recibida) por unidad de superficie en
unidad de tiempo. En este sentido, más que la potencia
radiante del emisor (que puede estar muy alejado) o la
intensidad, interesa la
densidad de radiación H,
que es el valor de la Potencia radiante por unidad de
superficie. Se expresa en W
/ m2.
Conocida la
intensidad radiante Ir
de un emisor, puede calcularse la densidad de su radiación
H
a una distancia d:
H = Ir / d2
Como puede verse, la
densidad de radiación decrece rápidamente al alejarse del
foco emisor (con el cuadrado de la distancia). Por esta
razón, los planetas más alejados del Sol son
comparativamente más fríos que los más próximos, y la "luz"
de una linterna ilumina más intensamente los objetos
próximos que los lejanos.
Nota:
En el caso de un cuerpo radiante, la densidad de radiación
emitida por su superficie se denomina también poder emisivo.(He)
Cuando se refiere a la densidad de radiación absorbida por
un cuerpo en su superficie, se denomina poder absorbente (Ha).
2 Medida de la percepción
luminosa
Al estar originada
por una radiación electromagnética, la
intensidad luminosa
no debería ser diferente de la intensidad radiante
,
sin embargo, dado que la luz es la percepción humana de la
radiación, cuando se intentan realizar medidas sobre su
intensidad (que denominamos
brillo) se presentan
dificultades, ya que para una misma intensidad radiante, las
distintas longitudes del espectro visible producen distintas
sensaciones de "brillo".
Para salvar estas
diferencias, la CIE (
H9.1)
realizó numerosos experimentos en cuanto a la sensación del
brillo percibido por distintos observadores para una misma
intensidad radiante en distintas longitudes de onda
(distintos colores). El resultado obtenido se conoce como
eficiencia luminosa del observador estándar, y muestra que
la sensación de brillo es máxima para los colores centrales
del espectro (amarillos y verdes), y que esta sensibilidad
decrece rápidamente para los colores extremos (violetas y
rojos) [4].
Fig. 3 |
La representación
gráfica de la sensación subjetiva de brillo para los
distintos colores se denomina curva de luminosidad relativa
(fig. 3), en la que puede verse como la sensibilidad máxima
corresponde a la radiación de 555 nm de longitud de onda
(zona del amarillo), y como tiende asintóticamente a cero a
ambos lados del máximo (no es posible poner límites precisos
al espectro visible). La escala de ordenadas se ha tomado
arbitrariamente igual a la unidad para el máximo de la
curva. El valor de la ordenada para cada longitud de onda
se denomina coeficiente de luminosidad relativa.
Como consecuencia de
lo anterior, cuando el flujo radiante, la intensidad
radiante o la densidad de radiación se refieren a la zona
visible del espectro, se utilizan magnitudes especiales
afectando las anteriores por el coeficiente de luminosidad
relativa. Por ejemplo, si se tienen tres tres fuentes
luminosas roja R,
verde G
y azul B,
cuyas densidades de radiación respectivas son de igual valor
(H), la que parece más luminosa es la verde, después la roja
y finalmente la azul. Si queremos expresar la sensación que
produce cada una mediante una magnitud que denominaremos
L,
la densidad H debe estar afectada por un factor de
corrección para que corresponda con la sensación que
produce. Estas densidades ponderadas serían:
Lg
= H * 0.715
Lr
= H * 0.213
Lb
= H * 0.072
Nota:
El problema con este tipo de magnitudes ponderadas es que
para que la información sea completa desde el punto de vista
físico (objetivo), junto con el valor de magnitud es preciso
informar de la longitud de onda de referencia (en nuestro
ejemplo suponemos conocidas las longitudes de onda de las
fuentes que hemos denominado
R,
G y B).
2.1 Flujo luminoso
El flujo radiante
afectado por el coeficiente de luminosidad relativa se
denomina flujo luminoso. La unidad fundamental
utilizada en colorimetría es de intensidad luminosa (ver a
continuación), de forma que la unidad de flujo luminoso,
denominado lúmen
(lm)
se define en función de la unidad de intensidad.
lumen = candela · sr.
En la tabla adjunta se muestra un gráfico comparativo de
flujos luminosos
|
2.800 Lúmenes |
|
Ambientes
exteriores |
|
1.800 Lúmenes |
|
Mucha luz
ambiental |
|
1.200 Lúmenes |
|
Luz ambiental
media |
|
|
|
Poca luz
ambiental |
|
El flujo luminoso
también puede ser expresado en unidades absolutas: si
consideramos un emisor monocromático de 555 nm cuyo flujo
radiante sea de 1 Watt, entonces su flujo luminoso será de
685 lúmenes. En consecuencia el lúmen puede ser definido
como el flujo de un emisor monocromático de 555 nm que
radiase 1/685 Watt.
Nota:
La relación flujo luminoso / flujo radiante de una
determinada fuente luminosa se denomina rendimiento
luminoso, se expresa en lumen/Watt.
Generalmente el estudio del flujo luminoso de un emisor se
realiza dividiendo el espectro visible en 31 zonas, cada una
de 10 nm de ancho de banda y midiendo el flujo para la
frecuencia media del intervalo. La distribución resultante
se conoce como SPD
("Spectral power distribution") y muestra como se distribuye
el total de energía irradiada entre las frecuencias del
espectro.
En la práctica las fuentes luminosas no son "puras", en el
sentido de que no emiten luz de una sola longitud de onda,
sino varias, aunque las de una banda determinada puedan ser
preponderantes sobre las demás. Un color puro sería aquel
cuyo flujo luminoso total estuviese íntegramente contenido
en una de las bandas. La proporción de pureza de un color
se denomina saturación,
intensidad, limpieza o cromaticidad (muy saturado,
muy intenso, muy puro, muy limpio o de cromaticidad
elevada son expresiones equivalentes en cromatografía).
Su contrario es la
acromaticidad (insaturación
o impureza); se presenta cuando el flujo luminoso se
reparte casi por igual en todas las bandas del espectro, lo
que origina colores de tonos desvaídos (pastel). El caso
extremo de luz perfectamente acromática es cuando el flujo
luminoso se reparte exactamente por igual en todas las
bandas. En este caso el color varía del negro al blanco a
través de la escala de grises.
Nota:
La saturación de un color puede definirse como la proporción
de color en relación con el brillo, o dicho en términos mas
precisos: la proporción de la longitud de onda dominante
(color dominante) respecto al total de longitudes de onda
que componen el color (que se percibe como brillo). La
mínima saturación corresponde al gris neutro que es
totalmente insaturado, mientras que la saturación máxima
corresponde a los colores puros del espectro. Una forma de
disminuir la saturación de un color es añadirle luz blanca
(luz de todas las frecuencias); de este modo la frecuencia
dominante permanece prácticamente constante mientras que
sube el brillo, con lo que la saturación baja.
2.2 Intensidad luminosa
Cuando la intensidad
radiante
se refiere a zonas del espectro visible, se utiliza una
magnitud denominada Intensidad luminosa que se
obtiene afectando la intensidad de radiación por el
coeficiente de luminosidad relativa. La intensidad luminosa
resulta mucho más adecuada que la intensidad radiante para
los estudios relativos a la luz y el color, porque incorpora
la corrección adecuada a la percepción humana.
La unidad de
intensidad luminosa es la
candela (cd),
una magnitud fundamental en el SI (Sistema Internacional de
Unidades de Medida [2]
). Es la intensidad luminosa en una dirección dada, de una
fuente de radiación monocromática de 555 nm (un tono de
amarillo de 540 x 1012 Hz) cuya intensidad
radiante es 1/683 Watt/estereorradián en dicha dirección.
También puede ser expresada en relación con el flujo
luminoso:
candela =
lumen / estereoradián
Como puede verse, la
relación entre la intensidad radiante y la intensidad
luminosa para la luz de 555 nm es que
1 W/sr = 683 cd, aunque
esta relación no se mantiene igual para el resto de
frecuencias del espectro.
Nota:
Al estudiar el color (especialmente en informática o artes
gráficas) se utilizan a fuentes de radiación planas
(monitores o lienzos), y aunque es una unidad fundamental,
la intensidad luminosa no es adecuada para describir la
radiación de fuentes muy pequeñas como los píxeles, sobre
todo cuando están rodeados de muchos otros similares, por lo
que es más útil utilizar el flujo luminoso en tales
estudios.
2.3
Densidad luminosa
La densidad de
radiación
afectada por el coeficiente de iluminación relativa es la
densidad luminosa.
Su unidad es el Lux
(lx),
definido como 1 lúmen/m2,
o lo que es lo mismo: 1
candela · sr / m2.
Esta magnitud recibe otros nombres: iluminación (densidad
luminosa incidente), iluminancia y radiancia (densidad
luminosa emitida). Es la proporcionada por los instrumentos
de medición de luz utilizados en fotografía (fotómetros).
La densidad luminosa
es la que conocemos vulgarmente como "iluminación". En este
sentido decimos que un sitio está bien o mal iluminado según
sea su densidad luminosa. A título comparativo, la tabla
adjunta muestra algunos valores típicos de densidad
luminosa:
|
Fuente de luminación |
densidad luminosa lx |
|
Máximo de luz solar |
100.000 |
|
Día nublado |
10.000 |
|
Luz de plenilunio |
0,2 |
|
Luz de las estrellas |
0,0003 |
2.4
Luminancia
La
luminancia,
luminosidad
o brillo
[7],
es la intensidad luminosa
por unidad de superficie, se designa por
Y, y
su unidad es el Nit
(del latín "nittere" - brillar-) definido como candela/m2.
Es lo que coloquialmente designamos como "brillo" de una
pantalla o imagen. Corresponde a lo que la CIE define como
luminosidad o claridad ("Lightness"), definida por esta como
un atributo de la sensación visual por el que un área parece
que emite más o menos luz (todos tenemos la sensación de lo
que significa una estrella más o menos brillante).
Un aspecto curioso
es que la respuesta del ojo humano a las variaciones de
luminancia es prácticamente logarítmica. Basta una
reducción del 18% de la luminancia entre dos objetos para
que la luminancia de uno parezca la mitad de otro. A título
orientativo se muestran los valores de luminancia para
algunas fuentes de luz.
|
Luminancia (nits) |
Fuente |
|
1.6 * 109 |
Disco solar a medio día |
|
600.000 |
Disco solar en el ocaso |
|
120.000 |
Lámpara incandescencia 60
W |
|
11.000 |
Fluorescente |
|
8.000 |
Cielo despejado |
|
2.500 |
Disco lunar en plenilunio |
|
2.000 |
Cielo cubierto. |
|
200 |
Pantalla de ordenador |
|
0,0004 |
Cielo en noche oscura |
Nota:
Los valores de brillo de las pantallas estándar son del
orden de 150 a 250 nits. Tradicionalmente las pantallas
planas tenían una menor luminancia que las de tubo CRT, pero
actualmente (2004) alcanzan niveles e 400 nits.
Es frecuente establecer la luminancia como un porcentaje de
otra que se establece como referencia (de forma explícita o
implícita), que se denomina blanco de referencia Yw
("White reference"). Por ejemplo, un monitor puede tener un
blanco cuya luminosidad Yw sea 100 candelas/m2,
una luminosidad Y = 1 se refiere a este valor, 0.5 a la
mitad, etc.
|
Nota histórica:
Como se ha indicado, la unidad fundamental de
fotometría es la intensidad luminosa, y el
primer patrón fue también de intensidad luminosa
[5],
la bujía patrón, correspondiente a la
luminosidad de una bujía real de esperma (*)
construida según ciertas normas. Evidentemente
este patrón no resultaba permanente y había
dificultad para reproducirlo, por lo que se
sustituyó por lámparas de incandescencia con
filamento de carbón que eran calibradas con una
bujía de esperma. Finalmente, en 1948 el patrón
fotométrico pasó a ser un patrón de brillo
(luminancia), definido en función del brillo de
un cuerpo negro a la temperatura de
solidificación del platino. En consecuencia la
unidad fundamental (candela) pasó a ser definida
en función del nuevo patrón como la intensidad
luminosa tal que el brillo de un cuerpo negro a
la temperatura de solidificación del platino sea
de 600.000 candelas/m2.
Esta
aparentemente extraña definición, que equivale a
la enunciada anteriormente, se realizó con
intención de que resultase equivalente a la
anterior basada en base al patrón bujía, pero
mediciones posteriores demostraron que era
ligeramente inferior.
* Sustancia grasa que se
extrae de ciertas cavidades de la cabeza del
cachalote. |
3 El cuerpo negro
Casi todos los
libros de física o cualquier disciplina relacionada con la
luz y el color hacen referencia al
cuerpo negro.
Vamos a intentar una somera explicación sobre el mismo
porque es un concepto importante para entender estas
cuestiones:
En general cuando un
cuerpo recibe radiación electromagnética (por ejemplo luz),
una parte de esta radiación es absorbida y otra reflejada [6].
La fracción reflejada se denomina
coeficiente de reflexión
(r)
y la fracción absorbida coeficiente de absorción (a).
Ambos coeficientes son números abstractos tales que
a + r = 1.
El balance energético se ha simbolizado en la figura 4,
donde H
representa la radiación recibida;
r·H
la fracción reflejada y a·H
la fracción absorbida. El
término He representa la energía irradiada por el
cuerpo en función de su propia temperatura (esta radiación
es independiente que de que reciba o no energía
H del
exterior).
Fig 4 |
Nota:
El inverso de r
se denomina opacidad
(1/r) y su logaritmo de base 10 (log 1/r)
densidad.
Por ejemplo: si una superficie refleja el 25% de la energía
recibida, su coeficiente de reflexión es
r =
0.25; su opacidad es 4 (1/0.25), y su densidad es 0.60 (log
4). Estas últimas magnitudes se utilizan principalmente en
fotografía y artes gráficas.
La suma de energías reflejada y absorbida debe ser igual al
total H
de energía que incide sobre el cuerpo:
r·H + a·H = H
--> (r + a) H = H
--> r + a = 1,
pero observe que independientemente de esto, el cuerpo puede
emitir cierta radiación por sí mismo (señalada He en
la figura). La energía reflejada no tiene efecto sobre el
cuerpo, pero la absorbida y la emitida tienen influencia en
el equilibrio térmico.
Además de reflejar
una parte de la radiación recibida, todos los cuerpos emiten
radiación He en razón de su propia temperatura (el
hombre emite radiación infrarroja). Cuando la energía
recibida es mayor que la emitida ( a · H > He ), el
cuerpo se calienta; como consecuencia de éste calentamiento
la energía emitida aumenta. El proceso continúa hasta que
se alcanza el equilibrio (ver a continuación Temperatura del
color
).
Un cuerpo cuyo coeficiente de reflexión fuese 1 (y el de
absorción 0) sería un espejo perfecto (reflejaría la
totalidad de la energía recibida). Del mismo modo, un cuerpo
cuyo coeficiente de reflexión fuese 0 (y el de absorción 1)
sería un receptor perfecto (absorbería la totalidad de la
energía recibida). Por supuesto no existen cuerpos
perfectamente reflectantes ni perfectamente absorbentes,
aunque pueden construirse espejos que reflejan más del 99%
de la energía recibida; por su parte el negro de humo solo
refleja el 1% de la energía que recibe.
Fig. 5 |
Un receptor
perfecto, que absorbe toda la energía incidente se denomina
cuerpo negro. Es una construcción teórica que no
existe en la realidad, aunque puede ser simulado con
bastante precisión por una pequeña abertura practicada en
una caja que se ha pintado interiormente con negro de humo (fig
5). En este caso la abertura en sí misma es lo más parecido
a un cuerpo negro.
No existe receptor
más perfecto que el cuerpo negro, pero como veremos a
continuación, tampoco existe radiador que lo supere, ya que
las capacidades de absorción y radiación están en razón
directa, por lo que es mejor denominarlo radiador
perfecto.
Nota: No confundir el hecho de
que el cuerpo negro no refleje nada
de la energía recibida con el hecho de que pueda
emitir él
mismo energía si su temperatura es suficientemente elevada.
En consecuencia un cuerpo negro puede no parecer negro desde
el exterior. De hecho, la mayoría de aplicaciones del
"cuerpo negro" en óptica se basan en la radiación emitida
por él.
Si un cuerpo está en equilibrio térmico a una temperatura
t
determinada, la energía absorbida es igual a la emitida (
a · H = He ). Esto exige que la energía recibida por
unidad de superficie en un tiempo dado sea igual a la
emitida por unidad de superficie en el mismo tiempo. Es
decir: su poder emisivo y absorbente ()
deben ser iguales He = Ha.
Si recibe una densidad de radiación
H del
exterior, el balance de energías por unidad de superficie
comprende los siguientes factores:
Densidad total recibida
H
Densidad absorbida: Ha
= a · H (poder absorbente)
Densidad reflejada: Hr
= r · H
Densidad emitida: He
(poder emisivo)
Puesto que Ha
= a · H = He, puede establecerse que
Ha / He = 1. La
consecuencia es que la relación entre el poder absorbente y
el emisivo de un cuerpo es constante e igual para todas las
superficies a la misma temperatura (observe que en el
supuesto no hemos mencionado para nada la naturaleza de la
superficie). Este hecho se conoce como
ley de Kirchoff,
y tiene importantes repercusiones prácticas. Implica que si
una superficie tiene un poder absorbente grande, su poder
emisivo también lo es (en consecuencia el cuerpo negro es
también el emisor perfecto). Recíprocamente, si una
superficie tiene un poder absorbente pequeño, su poder
emisivo también es pequeño. Esto explica, por ejemplo, que
los termos se construyan con una superficie interior
plateada (que tiene un gran poder reflexivo y un poder
absorbente pequeño), porque su poder emisivo también es
pequeño, y en consecuencia el termo perderá poca energía
(calor) por radiación (la conducción por convección está
limitada por las dobles paredes con un vacío interior) [1].
4.1
Balance de blanco
La temperatura de
color de la iluminación es determinante en el color de los
objetos iluminados, en consecuencia es muy importante en las
artes gráficas y especialmente en fotografía. En artes
gráficas la temperatura de color estándar para trabajar con
colores es de 5.000 K (en esta notación no se utiliza el
símbolo de grado). Por su parte los fotógrafos saben
perfectamente que no todas las fuentes de iluminación tienen
la misma temperatura de color. Por ejemplo, si van a
iluminar con luz natural o flash (que tiene una temperatura
de color alta), utilizan una película adaptada a este tipo
de luz (denominada "luz día"). Mientras que si la
iluminación a utilizar es de incandescencia (por ejemplo una
escena de interior) deben utilizar película apropiada a una
temperatura de color más baja (aproximadamente 3200 K); es
la película denominada "luz artificial" en el argot. La
razón de esta selección es que en caso contrario el
resultado deja mucho que desear.
Los diversos tipos
de película están fabricados de forma que compensen los
colores dominantes de cada temperatura de color. En
consecuencia utilizando la película adecuada, las escenas de
exterior y las interiores aparecen igualmente correctas. En
cambio si se utiliza película luz día para fotografías de
interior, aparecen con un dominante rojo muy acentuado. Si
por el contrario se utiliza película de luz artificial para
fotografías al aire libre aparecen excesivamente azules.
Como se ha señalado, la fotografía tradicional (que utiliza
película sensible) tiene en cuenta la temperatura de color
de la luz ambiente mediante una correcta selección de la
película y adicionalmente en el proceso de positivado. En
la fotografía digital es posible tener en cuenta este factor
mediante el denominado
balance de blanco.
Consiste en indicar a la cámara que color es exactamente
blanco para que la propia cámara pueda realizar las
correcciones oportunas de forma que efectivamente aparezca
como tal, con independencia de la temperatura de color de la
luz ambiente (simultáneamente se realizan las correcciones
correspondientes a todos los colores).
El procedimiento
utilizado consiste enfocar un blanco patrón (una tarjeta
blanca) que cubra totalmente la escena y presionar algún
botón. Alternativamente puede disponerse de un capuchón
blanco traslúcido con el que se cubre el objetivo mientras
se presiona el botón. Para evitar este inconveniente y no
tener que realizar el calibrado cada vez que se obtiene una
instantánea, algunas cámaras disponen de balances de blanco
preconfigurados que corresponden a las temperaturas de color
de las situaciones más frecuentes. Por ejemplo,
incandescencia, fluorescencia, luz del sol y nublado. En
estos casos basta seleccionar el tipo de iluminación actual
y la cámara realiza el ajuste automáticamente.
Nota:
Además de las cámaras digitales, otros dispositivos de
reproducción (impresoras y pantallas) pueden requerir un
ajuste de blanco. Por ejemplo, en las pantallas se utilizan
los ajustes de brillo y contraste para conseguir que un
objeto blanco aparezca como realmente blanco (
9.5).
