La luz blanca en la visi贸n humana

Miguel 脕ngel Ramos - Schr茅der Socelec

La luz es fuente de vida en la Tierra, fue el inicio de 茅sta y la hace posible.

La estrat茅gica situaci贸n de la Tierra, hace que la luz solar nos caliente lo justo y necesario, gracias a la fotos铆ntesis de las plantas verdes tenemos una atm贸sfera respirable y adem谩s la luz, nos permite recibir y transmitir informaci贸n de los objetos que nos rodean, nos aporta visi贸n. Cuando hablamos de luz nos referimos a la existencia de 鈥渁lgo鈥 capaz de estimular el proceso de la visi贸n. Pero, 驴qu茅 es la luz?, 驴cu谩l es su naturaleza?

La luz es una forma de energ铆a  formada por ondas, se propaga en todas direcciones, siempre en l铆nea  recta y a gran velocidad. Las ondas luminosas son diferentes a las ondas sonoras, ya que pueden  propagarse a trav茅s del vac铆o. El ojo humano s贸lo puede ver algunas de estas ondas, las que forman el espectro luminoso visible (se encuentran entre los infrarrojos y los ultravioletas), la luz que nos ofrece el sol es una luz blanca.

El sol es la fuente luminosa que tenemos durante el d铆a, pero en la noche utilizamos fuentes luminosas artificiales, y 茅stas han sufrido muchas variaciones en su tecnolog铆a desde los comienzos.

En un inicio y sin electricidad se utilizaban antorchas, despu茅s un gran avance fueron las l谩mparas de aceite, a continuaci贸n las de gas revolucionaron el alumbrado artificial, pero no fue hasta la llegada de la electricidad y hasta que Tesla descubri贸 la corriente alterna y sus generadores a grandes distancias, descubriendo lo que hoy conocemos como  estaciones el茅ctricas a las afueras de nuestras ciudades, que el hombre introdujo la bombilla para el alumbrado, tanto interior como exterior.

Esta bombilla ha cambiado mucho a lo largo del tiempo y ha evolucionado hacia l谩mparas incandescentes, hal贸genas, cuarzo-yodo, l谩mparas de Vapor de Sodio, tanto a baja como a alta presi贸n, el vapor de mercurio o a los Halogenuros met谩licos.

A finales del siglo XX, una vez que se hab铆a cubierto la necesidad de dotar de luz las carreteras y ciudades, gracias a una fuente luminosa muy eficiente de bajo coste, y con una vida larga, como es el Sodio Alta Presi贸n, se pod铆an ver sobre todas las ciudades como predominaba el color anaranjado que emite esta fuente luminosa y como los colores de la ciudad se perd铆an en la noche. Es entonces y gracias principalmente a una corriente proveniente de Europa cuando se empez贸 a pensar en ofrecer una mayor calidad luminosa con mayor confort visual, reconocimiento de colores y seguridad ciudadana, por ello se pusieron de moda las fuentes de luz blancas, y dentro de ellas se utiliz贸 el Halogenuro met谩lico, debido principalmente a su gran evoluci贸n al utilizar los quemadores cer谩micos. Estas l谩mparas supusieron una revoluci贸n en el uso de la luz blanca, ya que, aunque anteriormente se hab铆a usado el vapor de mercurio, esta nueva fuente de luz blanca ofrec铆a mejores rendimientos de color y flujo lum铆nico.

El siglo XXI ha introducido en el alumbrado nuevas tecnolog铆as, y sobre todo el dominio de la luz blanca sobre cualquier otra, la principal novedad ha sido el uso de los LEDs en ciudades y carreteras y hoy en d铆a del total de luminarias nuevas que se venden, m谩s del 75% son de esta nueva tecnolog铆a. Esta nueva fuente luminosa es eficiente, f谩cilmente controlable si hablamos de fotometr铆a y tiene una vida incre铆blemente m谩s larga que cualquier otra fuente, adem谩s se puede controlar su emisi贸n centrada en una franja muy precisa del ancho de banda visible al ojo humano, con lo cual se puede trabajar con distintas tonalidades dentro del blanco, pudiendo ser fr铆o, neutro o c谩lido.

En esta vor谩gine de nuevas luminarias con nueva tecnolog铆a en cuanto a fuentes de luz se refiere, est谩n pasando nuevas fuentes luminosas que no ofrecen tanta ventaja como realmente se quiere hacer creer, y hay que tener cuidado a la hora de seleccionar la fuente luminosa a elegir dentro de todas las existentes que proporcionan luz blanca, ya que a veces no es eficiente con respecto a otras m谩s tradicionales como el halogenuro met谩lico por ejemplo. Es por ello que vamos a pasar a definir algunos conceptos que se utilizan mucho con la luz blanca y que en algunos casos est谩n confundidos, y despu茅s analizaremos las fuentes de luz blanca m谩s representativas.

驴Qu茅 es la luz blanca?

Est谩 ampliamente aceptado que una fuente luminosa se dice que emite en luz blanca, cuando irradia bajo una temperatura de color superior a 2500K y es capaz de reproducir m谩s del 60% de colores visibles al ojo humano, o lo que es lo mismo, posee un 铆ndice de reproducci贸n crom谩tico superior al 60%.

驴Percibe mejor la luz blanca el ojo humano?

Desde hace mucho tiempo se han generado muchas discusiones sobre la visi贸n humana y la luz blanca a niveles bajos, donde ocupa un lugar importante el t茅rmino de 鈥渧isi贸n Mes贸pica鈥. Hoy en d铆a es muy importante definir este t茅rmino ya que la evoluci贸n de la tecnolog铆a LED ha relanzado el uso de este tipo de luz a niveles relativamente bajos, de alumbrado p煤blico.

En estas discusiones muchas veces se toman valores err贸neos ya que confluyen muchos t茅rminos y diferentes factores que, a veces, son malintencionadamente interpretados en favor de algunas fuentes luminosas, es importante por lo tanto aclarar conceptos:

Antes de nada cabe destacar que el ojo humano es una m谩quina de visi贸n impresionante, de las m谩s avanzadas que existen en la naturaleza, y que existe una publicaci贸n CIE, concretamente la 191 del a帽o 2010, en la que se exponen ciertos criterios que favorecen el uso de la luz blanca, y que en ocasiones se est谩 usando de manera enga帽osa, aunque hablaremos de ella m谩s adelante.

El ojo humano posee dos tipos de receptores, conos y bastones:

Los conos, que tienen una sensibilidad m谩xima a la luz de una longitud de onda de 555nm. La parte del espectro amarillo/verde.

Est谩n concentrados en la f贸vea de la retina, fuera de 茅sta su densidad decrece muy radicalmente. La f贸vea es el 谩rea de la retina en la que se forma una imagen n铆tida de la peque帽a zona inmediatamente alrededor de la direcci贸n de visi贸n, es lo que se conoce por visi贸n 鈥渃entral鈥 o visi贸n 鈥渙n-line鈥.

Los bastones, que tienen una sensibilidad m谩xima a la luz de una longitud de onda de 505nm. La parte del espectro azul/verde.

Est谩n concentrados en mayor n煤mero en el 谩rea perif茅rica de la retina. La parte central de la f贸vea, no tiene conos. La percepci贸n del color no es posible si s贸lo est谩n activos los bastones. Los bastones son muy importantes para lo que se conoce como visi贸n 鈥減erif茅rica鈥 o visi贸n 鈥渙ff-line鈥.

Estos receptores nos ayudan a recoger la luz y trabajan de distinta manera ante distintas situaciones de visi贸n:

Visi贸n Fot贸pica:
Los Conos, tienen su m谩xima funcionalidad en luminancias altas, comprendidas entre 3 y 10 cd/m2, e incluso mayores (situaciones diurnas). Es entonces cuando hablamos de Visi贸n fot贸pica para el ojo humano. La visi贸n humana en colores es posible porque disponemos de conos sensibles al rojo, verde y azul. La sensibilidad espectral de la visi贸n fot贸pica, est谩 caracterizada por la curva V(lambda) y alcanza la m谩xima sensibilidad a una longitud de onda de 555nm correspondiente a los colores amarillo-verde. Es por ello que las fuentes de luz con alto contenido en esta parte del espectro son muy eficaces para la visi贸n humana cuando 茅sta act煤a de forma Fot贸pica.

Visi贸n Escot贸pica:
Los bastones tienen m谩xima sensibilidad en luminancias muy bajas, entre 0.01 y 0.003 cd/m2, en esta situaci贸n es cuando hablamos de visi贸n escot贸pica. Para hacernos una idea, la luna llena aporta en torno a 0,3 lux en iluminancia horizontal, lo cual nos ofrece sobre asfalto entre 0.02 y 0.03 cd/m2, mucha luz para una visi贸n escot贸pica. La sensibilidad espectral de la visi贸n escot贸pica, est谩 caracterizada por la visi贸n V鈥(lambda) y alcanza su m谩xima sensibilidad a una longitud de onda de 505nm, correspondiente a los colores azul-verde.

Visi贸n Mes贸pica:
Cuando nos encontramos en situaciones de niveles lum铆nicos entre los anteriormente marcados, aproximadamente entre 0.003 y 10 cd/m2, es cuando trabajan de una manera simult谩nea los conos y bastones. En adaptaci贸n de niveles altos a bajos la actividad de los bastones se vuelve m谩s importante. Al mismo tiempo, la sensibilidad espectral global cambia gradualmente en la direcci贸n de las longitudes de onda m谩s cortas, hacia la direcci贸n del azul. Este efecto depende de la adaptaci贸n y tambi茅n se le llama el "efecto Purkinje".

Todos los dise帽adores de alumbrado exterior, estamos muy preocupados por las condiciones de visi贸n mes贸picas dadas en nuestras aplicaciones de iluminaci贸n, y en especial en la iluminaci贸n de carreteras, ya que los niveles de luminancia requeridos, comprenden (de acuerdo con las normas de iluminaci贸n de carretera) de 0.3 cd/m虏 a 2 cd/m虏. Con el fin de determinar el efecto pr谩ctico del cambio gradual de la sensibilidad espectral en la zona mes贸pica, hay que distinguir entre la visi贸n central (foveal) y la visi贸n perif茅rica.

Visi贸n central mes贸pica:

Como la f贸vea apenas tiene bastones, son los conos los que aqu铆 desempe帽an un papel determinante. De hecho, la curva V (位) proporciona una buena predicci贸n del rendimiento de peque帽as tareas de la visi贸n central para niveles de adaptaci贸n mayores de 0.01 cd/m2. Por este motivo el sistema de fotometr铆a fot贸pica es perfectamente aplicable para la visi贸n central.

Visi贸n perif茅rica mes贸pica:
La determinaci贸n precisa de la sensibilidad espectral real del sistema visual bajo condiciones de visi贸n perif茅rica mes贸pica (visi贸n de entorno o alrededores) a diferentes niveles de adaptaci贸n es bastante compleja. A finales de 2010, la CIE public贸 el Informe T茅cnico CIE 191:2010 (Sistemas recomendados para la fotometr铆a mes贸pica basada en el rendimiento visual). Este documento muestra una tabla (tabla expuesta a continuaci贸n) indicando las diferencias entre luminancias mes贸picas y fot贸picas en porcentaje, calculado con los sistemas mes贸picos recomendados para una amplia variedad de valores S/P (Relaci贸n escot贸pica/fot贸pica) acorde a distintas fuentes luminosas.

La aplicaci贸n de la fotometr铆a mes贸pica al alumbrado exterior debe de tener en cuenta una serie de observaciones para llevarla a cabo de manera correcta, ya que se ha usado esta tabla de cualquier manera con el fin de equiparar flujos lum铆nicos 铆nfimos de fuentes luminosas no tan eficientes con otras que realmente si lo son. Por este motivo, cabe destacar lo siguiente:

La ventaja de utilizar fuentes de luz con una relaci贸n S/P mayor que 1 es efectiva cuando los bastones hacen la parte principal del trabajo de la visi贸n. Esto significa que la principal funci贸n de los usuarios debe ser la visi贸n perif茅rica. Podr铆a tener sentido en 谩reas exteriores como zonas residenciales, peatonales o zonas semi-peatonales... pero no en las carreteras, por ejemplo, en los que una parte importante de la tarea se hace por la visi贸n central, gracias a la actividad de los conos.

La condici贸n de la visi贸n humana, centr谩ndonos en la adaptaci贸n de niveles de luminancia debe permanecer relativamente estable. De hecho, cuando por ejemplo un coche viene en direcci贸n opuesta a la nuestra en una carretera, sus luces de cruce modifican en gran medida la adaptaci贸n a los niveles de luminancia del usuario hacia un modo de visi贸n fot贸pica (altos niveles). El retorno a las condiciones de visi贸n mes贸pica no ser谩 inmediata despu茅s que el veh铆culo haya pasado, tomar谩 alg煤n tiempo, durante el cual la correcci贸n aplicada previamente en el nivel de la iluminaci贸n artificial no debe aplicarse. Esto quiere decir que no podemos basarnos en cambios bruscos de niveles, ya que nos encontramos en una zona mes贸pica, y que hay que considerar situaciones estables.

Todos los experimentos llevados a establecer el sistema de fotometr铆a mes贸pica, se han basado en las observaciones de gente comprendida en un rango de edad de 20 a 35 a帽os. A medida que el cristalino del ojo se vuelve amarillento con la edad, una de las consecuencias es que los colores azul y verde (de corta longitud de onda) se pierden. La luz blanca-azulada (altos valores de S/P) es por lo tanto menos eficaz para las personas de edad avanzada.

Teniendo esto en cuenta se nos presentan las siguientes preguntas:

驴Es eficiente la luz blanca?
Eso depende la cada fuente luminosa en particular, no todas las fuentes de luz blanca son eficientes, hay que analizar cada caso en particular, pero cabe destacar  que hoy en d铆a toda fuente luminosa que est茅 por debajo de 100 lm/w, no es una fuente lo suficientemente eficaz, dadas las tecnolog铆as tan avanzadas que existen hoy, como por ejemplo el LED.

En este aspecto es importante recalcar un aspecto muy importante, no se ajusta a la realidad la evaluaci贸n mediante la tabla de la relaci贸n S/P expuesta anteriormente, el hecho de evaluar una fuente luminosa mediante l煤menes escot贸picos, que algunos fabricantes utilizan, ya que las situaciones de la visi贸n y las aplicaciones en las que se pueden dar casos escot贸picos son m铆nimas y variables, y no debe analizarse una fuente luminosa como tal, sino su aplicaci贸n, por lo tanto, no es un factor evaluable el hecho de cuantificar la eficacia de una fuente de luz mediante l煤menes escot贸picos.

驴El ojo humano ve mejor bajo una luz blanca?

Definitivamente s铆, pero es dif铆cil cuantificar las diferencias con otros tipos de luz y adem谩s lo importante es conocer la aplicaci贸n que vamos a realizar, no es lo mismo un alumbrado interior que una carretera, por supuesto, y es en alumbrados exteriores donde m谩s debates puede haber en torno a su uso, ya que a veces no es tan importante la reproducci贸n crom谩tica, sino el aprovechamiento del flujo emitido y la cantidad de este. Lo que es claro es que la luz blanca ofrece mejores rendimientos al ojo humano, tanto en su gama de temperaturas de color, como en su 铆ndice de reproducci贸n crom谩tica.

驴La luz blanca es m谩s segura?
Si, ya que podemos distinguir mejor los objetos, existe un mayor reconocimiento facial y mayor seguridad ciudadana, adem谩s de un descenso de la criminalidad. Existe un estudio realizado sobre este tema por la escuela de arquitectura Bartlet en Inglaterra que ha sido la base para que se establezca un est谩ndar brit谩nico (BS5489-1:2003), que permite la reducci贸n de un nivel de alumbrado si se utiliza luz blanca frente a cualquier otra, en Espa帽a, dicha reducci贸n de nivel, est谩 presente como recomendaci贸n en la gu铆a del Reglamento de Eficiencia Energ茅tica en Instalaciones de Alumbrado Exterior.

驴Cu谩ndo nos ofrecen una fuente de luz blanca, debemos atender a los flujos mes贸picos o escot贸picos?
No, como ya hemos visto antes, es un valor de gran dificultad para aplicar, debido a muchos factores; el primero es que en pr谩cticamente ninguna ocasi贸n nos encontramos en una situaci贸n escot贸pica pura (por debajo de 0,03 cd/m2), el segundo es que la tabla est谩 hecha con personas de edad no muy avanzada, inferior a 35 a帽os, y que no es representativa del total de usuarios de la instalaci贸n en particular, adem谩s hay que tener en cuenta la aplicaci贸n que vamos a usar (no es lo mismo un t煤nel que una calle peatonal) y los niveles de luminancia que vamos a alcanzar en ella. En muchos casos es un argumento de venta de algunas fuentes de luz, que malinterpretan la tabla de relaci贸n S/P, y que s贸lo tiene en cuenta eso, el flujo equivalente en visi贸n escot贸pica, y no la fotometr铆a, ya que hay algunas fuentes de luz blanca, que tienen un gran tama帽o y su emisi贸n lum铆nica es muy dif铆cil de controlar.

驴Qu茅 aspectos debemos tener en cuenta a la hora de seleccionar una luz blanca u otra?
Hay muchos conceptos y magnitudes que se deben evaluar a la hora de elegir la fuente luminosa, pero siempre depende de la aplicaci贸n de alumbrado que queramos llevar a cabo, entre dichas magnitudes, es importante conocer la Temperatura de Color, su 铆ndice de reproducci贸n crom谩tica, la Eficiencia que tiene asociada dicha fuente, su control fotom茅trico es vital (cuanto m谩s volumen tenga la fuente peor ser谩 o m谩s dif铆cil de conseguir).

驴Cu谩les son las nuevas fuentes de luz blanca?
Realmente s贸lo hay una nueva fuente luminosa que ha surgido en los 煤ltimos a帽os en el alumbrado exterior, que es el LED, y dentro de ellos hay que seleccionar bien el que queramos usar, teniendo en cuenta todas las magnitudes anteriormente enumeradas. En este caso hay que tener en cuenta los multichips, que no son m谩s que muchos LEDs dispuestos juntos en una especie de pastilla, y que hoy en d铆a, disponen de peores rendimientos que el LED por separado, y son m谩s dif铆ciles de controlar fotom茅tricamente hablando, adem谩s de que t茅rmicamente tambi茅n son m谩s dif铆ciles de gestionar.

En cuanto a las fuentes de luz tradicionales, la fluorescencia es una gran opci贸n al LED en alumbrado interior principalmente, y en exterior en algunos casos en particular, su gran exponente en rendimiento es el tubo T5.

No debemos olvidar las l谩mparas de Halogenuros cer谩micos de 煤ltima generaci贸n, que tienen buenos rendimientos y tama帽os para su uso tanto en indoor como en outdoor.

Existen otras fuentes de luz, como la inducci贸n, el cuarzo-yodo, el vapor de mercurio, que por distintas razones no son ideales para el alumbrado exterior, y que son batidas en todos los aspectos por las anteriormente descritas, en interior pueden usarse en alg煤n caso muy particular.

CONCLUSIONES:

La primera conclusi贸n que podemos deducir, es que la luz blanca es m谩s ventajosa para el ojo humano que cualquier otra, pero hay que evaluar distintos conceptos para elegirla correctamente. El uso de la luz blanca presenta un beneficio para los usuarios, ya que ofrece un mejor contraste de colores y ayuda en el reconocimiento de objetos y de personas.

Teniendo en cuenta todo lo expuesto anteriormente, debemos ser cuidadosos en el uso de porcentajes "correcci贸n" propuestos para la visi贸n perif茅rica en condiciones mes贸picas.

Por supuesto, tenemos que luchar contra la pr谩ctica totalmente err贸nea que consiste en multiplicar el flujo de las fuentes de luz por la relaci贸n S/P. Hay que seguir las normas de iluminaci贸n existentes. El sistema de fotometr铆a mes贸pica es bastante reciente y no se ha establecido todav铆a oficialmente en la pr谩ctica de iluminaci贸n a trav茅s de la elaboraci贸n de normativas o est谩ndares.

El LED es el principal exponente de la luz blanca, ya que puede darse en distintas temperaturas de color y con 铆ndices de reproducci贸n crom谩tica elevados. En el caso del alumbrado exterior las temperaturas de color neutras (en torno a 4000K) y c谩lidas (en torno a 3000K), son id贸neas para aplicaciones funcionales y ambientales respectivamente.

Como conclusi贸n final, la luz blanca es una luz de calidad 贸ptima para el alumbrado exterior, y beneficiosa para la visi贸n humana. Hay que ser cuidadoso con la elecci贸n de la fuente luminosa a utilizar y analizar previamente sus caracter铆sticas, y siempre bajo un estudio fotom茅trico, comparar distintas soluciones para llevar la instalaci贸n a ser exitosa.

Miguel 脕ngel Ramos

Schr茅der Socelec S.A.
Projects & Systems Manager

 
Comité Español de Iluminación