Temperatura del color, espectro visible…Que es?

Que es la temperatura del color en grados Kelvin?

La magnitud considerada es la CCT=Correlated Color temperatura (temperatura de color correlacionada). Para explicarlo primero hay que entender que es la temperatura de color (CT) a solas (no correlacionada).

Cualquier objeto emiten radiación y más cuanto más caliente está. Esta radiación es infrarroja (IR), que por definición el ojo humano no ve, no obstante, cuando el material esta lo suficientemente caliente emite radiación dentro de la zona visible (luz). Al principio como rojo profundo, y según aumenta la temperatura, va recorriendo los diferentes colores, hasta acabar en el azul o purpura. Todos sabemos que si se calientas un metal se pone rojizo, y si continuamos calentándolo, adquiere un tono azulado o tirando a violáceo.

La luz no es más que un espectro electromagnético; dichos espectros están compuestos por ondas de radio de diferentes colores, desde el magenta pasando por el rojo, naranja, amarillo, verde, cían, azul y hasta el violeta. Esto es el denominado espectro visible de la luz. 

Espectro de luz: Está compuesto por una sucesión de bandas de color que se funden entre si. El número de colores que forman el espectro son siete y se presentan en el siguiente orden: violeta, azul, añil, verde, amarillo, naranja y rojo. La suma de todos ellos a igual intensidad da como resultado el color blanco. Las frecuencias fuera del espectro visible es lo que conocemos en la parte izquierda del espectro como luz ultravioleta y a la derecha luz de infrarrojos.

Como referencia podemos indicar que los Led blanco con rango de 12000 a 15000ºk irradian azules cercanos a los 435~445nm.

El famoso experimento de Newton con el prisma dentro de un cuarto oscuro, demostró que la luz blanca (luz de día) no es más que la suma de todos los espectros de luz, es decir, la suma de todos los colores del arco iris y sus diferentes gamas visibles por el hombre; por oposición el negro es la ausencia de todos los colores.  Pero si todas las fuentes de luz emitieran ondas de igual manera a través de todo el espectro de colores, todas las luces serían iguales y este artículo terminaría aquí.  La verdad es que no todas las luces son iguales, unas son más estables que otras, unas contienen más espectros naranjas o rojos (luces cálidas) y otras más espectros azules o verdes (luces frías). 

Cuando la luz impacta cualquier superficie, dicha superficie absorbe algunos espectros y refleja otros; el color de las cosas no es más que el color de espectros que su superficie refleja y dependiendo de a qué tipo de luz está expuesta dicha superficie puede reflejar distintos tipos de espectros.

Estas cifras se basan en el color de la luz aplicadas en los acuarios

4.700º Kelvin. Color luz diurna de espectro completo para acuarios de agua dulce. Simula la luz que existe en aguas tropicales de poca profundidad.

4900º Kelvin. Color rojo azulado para un crecimiento óptimo de las plantas en acuarios y terrarios. Por un lado favorece la fotosíntesis y el crecimiento fuerte de las plantas; y por otro intensifica el colorido natural de peces y plantas, intensificando la apariencia exótica de acuarios.

6000º Kelvin. Color luz diurna de espectro neutro para acuarios comunitarios de agua dulce. Simula las condiciones de luz que se dan en arroyos tropicales y lagos poco profundos. (NOTA: la luz diurna entre 5500 y 6500 º Kelvin es de un matiz muy aproximado al blanco puro que se produce en la naturaleza y para acuarios marinos de arrecife sirve siempre que se convine casi al 50% con luz azul actínica).

6500º Kelvin. Luz diurna vital para reptiles y otros habitantes de terrario para poder sintetizar la vitamina D3, favorece la absorción de calcio para el crecimiento de huesos y previene el ablandecimiento del caparazón. En acuarios es una luz fría adecuada para el buen crecimiento de peces.

12000º Kelvin. Luz diurna clara de matiz azul radiante para acuarios de agua dulce y marina. Imita un día tropical de cielo muy claro.

(NOTA: Este color de luz plantea controversia entre los expertos en acuarofília dentro de su uso en agua dulce, pues aunque no afecta a los animales, si está demostrado que influye en un mal crecimiento de las plantas que a la larga influye en la aparición de algas).

22000º Kelvin. Es luz actínica que está en la longitud de onda de los 380-450 nanómetros. Simula la luz de las profundidades submarinas y favorece el crecimiento de corales y algas ornamentales, a parte de intensificar el colorido de peces e invertebrados.

Indice de reproducción cromática (ICR o CRI) Comprende valores entre 0 y 100. Se mide en relación a la luz solar. Cuanto más cercano sea a 100 el valor de ICR de la fuente de luz, mayor será el parecido entre el color reflejado por ese objeto bajo la fuente de luz y bajo la luz del sol. El 100 lo obtendríamos de medir el color reflejado por un objeto a las 12 del medio día. Por ello cuanto más cercano a este valor, su color será más próximo al color real del objeto.

El flujo luminoso es la medida de la potencia luminosa percibida.

Difiere del flujo radiante, la medida de la potencia total emitida, en que está ajustada para reflejar la sensibilidad del ojo humano a diferentes longitudes de onda.

Su unidad de medida en el Sistema Internacional de Unidades es el lumen (lm) y se define a partir de la unidad básica del SI, la candela (cd), como:

lm = cd cdot sr

El flujo luminoso se obtiene ponderando la potencia para cada longitud de onda con la función de luminosidad, que representa la sensibilidad del ojo en función de la longitud de onda. El flujo luminoso es, por tanto, la suma ponderada de la potencia en todas las longitudes de onda del espectro visible. La radiación fuera del espectro visible no contribuye al flujo luminoso. Así, para cualquier punto de luz, si scriptstyle{F} representa el flujo luminoso ,scriptstyle{Phi ( lambda)} simboliza la potencia radiante espectral del punto de luz en cuestión y scriptstyle{V(lambda)} la función de sensibilidad luminosa, entonces:

Bajo condiciones fotópicas una luz monocromática de 555 nm (color verde) con un flujo radiante de 1W, genera un flujo luminoso de 683,002 lm, que corresponde con la máxima respuesta del ojo humano. Por otro lado, el mismo flujo de radiación situado en otra longitud de onda diferente de la del pico, generaría un flujo luminoso más pequeño, de acuerdo con la curva scriptstyle{V ( lambda)}.

Formas de medir la luz
Hay diferentes unidades para describir la luz, pero hay que hacer una distinción básica entre dos tipos de unidades: las unidades fotométricas y las radiométricas.

Las unidades fotométricas se refieren a la sensibilidad del ojo humano a la luz. Esto es, la magnitud física se corrige por unos coeficientes que describen nuestra sensibilidad a cada longitud de onda. Estas unidades son las que conoce todo el mundo, especialmente el lm.

Las unidades radiométricas miden magnitudes físicas, y son las adecuadas para estudiar la luz y las plantas. Hay dos maneras de medir radiométricamente la luz, en función de su dualidad onda-corpúsculo. En vatios (W), una medida de energía (en relación a su comportamiento como onda) o en fotones (uE, en relación a su comportamiento como partícula). Como la interacción de la luz con la materia se produce en forma de partícula, esta es preferentemente la unidad que usaremos.

No obstante, hay una conversión directa entre la energía que porta la luz (W) y el numero de fotones que transporta (o más precisamente, que portan esa energía), por lo que se pueden usar ambas medidas indistintamente. Usaremos una u otra en función de la aplicación.

Para realizar las conversiones de W a uE, o de cualquiera de ellas a Lm, es necesario conocer la distribución espectral de potencia (SPD=Spectral Power Distribution). Ésta suele ser aportada por los fabricantes de lámparas, y se expresa como un gráfico que abarca la longitud de onda visible, y que muestra cuanta energía irradia la bombilla en cada longitud de onda

Terminología:

Temperatura de color: Hace referencia a la medición en grados kelvin del espectro lumínico de una luz. Para hacernos una breve idea 3000ºK corresponden a una luz amarilla, 5000ºK a la luz del sol del medio día y 10000ºK corresponde a luces azules frías.

Unidades de fotometría del SI
Magnitud Símbolo Unidad del SI Abrev. Notas
Energía luminosa Qv lumen segundo lm·s A veces se usa la denominación talbot, ajena al SI
Flujo luminoso F lumen (= cd·sr) lm Medida de la potencia luminosa percibida
Intensidad luminosa Iv candela (= lm/sr) cd Una unidad básica del SI
Luminancia Lv candela por metro cuadrado cd/m2 A veces se usa la denominación nit, ajena al SI
Iluminancia Ev lux (= lm/m2) lx Usado para medir la incidencia de la luz sobre una superficie
Emitancia luminosa Mv lux (= lm/m2) lx Usado para medir la luz emitida por una superficie
Eficacia luminosa η lumen por vatio lm/W razón entre flujo luminoso y flujo radiante

Flujo radiante: En radiometría,  es la medida de la potencia de una radiación electromagnética (incluyendo los infrarojos, ultravioletas y la luz visible). Es la energía que transportan las ondas por unidad de tiempo. Esta potencia puede ser la total emitida por una fuente o la total que llega a un superficie determinada.

El lumen (símbolo: lm) es la unidad del Sistema Internacional de Medidas para medir el flujo luminoso, una medida de la potencia luminosa percibida. El flujo luminoso se diferencia del flujo radiante (la medida de la potencia luminosa total emitida) en que el primero se ajusta teniendo en cuenta la sensibilidad variable del ojo humano a las diferentes longitudes de onda de la luz.

La longitud de una onda es el período espacial de la misma, es decir, la distancia a la que se repite la forma de la onda. Normalmente se consideran dos puntos consecutivos que poseen la misma fase: dos máximos, dos mínimos, dos cruces por cero (en el mismo sentido). Por ejemplo, la distancia recorrida por la luz azul (que viaja a 299.792.458 m/s) durante el tiempo transcurrido entre dos máximos consecutivos de su campo eléctrico (o magnético) es la longitud de onda de esa luz azul. La luz roja viaja a la misma velocidad, pero su campo eléctrico aumenta y disminuye más lentamente que el de la luz azul. Por tanto, la luz roja avanzará más distancia que la luz azul en el mismo tiempo. Por eso la longitud de onda de la luz roja es mayor que la longitud de onda de la luz azul.

Si representamos esa propiedad (el campo eléctrico en el ejemplo mencionado) en una gráfica entonces podemos decir que la longitud de onda la representamos en esa misma gráfica como la distancia entre dos máximos consecutivos. En otras palabras, describe lo larga que es la onda. Las ondas de agua en el océano, las ondas de presión en el aire, y las ondas de radiación electromagnética tienen todas sus correspondientes longitudes de onda.

La longitud de onda es una distancia real recorrida por la onda (que no es necesariamente la distancia recorrida por las partículas o el medio que propaga la onda, como en el caso de las olas del mar, en las que la onda avanza horizontalmente y las partículas se mueven verticalmente).

La letra griega λ (lambda) se utiliza para representar la longitud de onda en ecuaciones.

La longitud de onda de las ondas de sonido, en el intervalo que los seres humanos pueden escuchar, oscila entre menos de 2 cm y aproximadamente 17 metros. Las ondas de radiación electromagnética que forman la luz visible tienen longitudes de onda entre 400 nanómetros (luz violeta) y 700 nanómetros (luz roja).

En el Sistema Internacional, la unidad de medida de la longitud de onda es el metro, como la de cualquier otra longitud. Según los órdenes de magnitud de las longitudes de onda con que se esté trabajando, se suele recurrir a submúltiplos como el milímetro (mm), el micrómetro (μm) y el nanómetro (nm).

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.

Está basada en la respuesta de los conos, uno de los dos tipos de fotorreceptores de la retina (conos y bastones). Los conos son mucho menos sensibles a la luz que los bastones, por lo que sólo se activan cuando los niveles de iluminación son suficientemente elevados.

Existen tres tipos de conos: azules, verdes y rojos. Cada uno de ellos posee un fotopigmento con una curva característica de absorción respecto de la longitud de onda. Este hecho constituye el punto de partida fisiológico para la percepción del color.

La agudeza visual, esto es, la percepción de detalles finos en las imágenes, es superior en este tipo de visión. En primer lugar, esto se debe al denso empaquetamiento de los conos en la fóvea. En segundo lugar, a que las salidas de varios bastones adyacentes suelen converger a una única neurona, lo que aumenta la sensibilidad a la intensidad luminosa de este tipo de células pero reduce su capacidad de resolver detalles.

Función de luminosidad

En fotometría la función de luminosidad o función de eficiencia luminosa (scriptstyle{V_ lambda}, scriptstyle{V (lambda)} o scriptstyle{bar{y} (lambda)}) describe la relación entre la sensación de luz humana y el concepto físico de luz, que es la cantidad a la cual los instrumentos de medida reaccionan. Esta función es diferente dependiendo de que el ojo se encuentre adaptado a condiciones de buena iluminación (visión fotópica) o de mala (visión escotópica). Así, en condiciones fotópicas, la curva alcanza su pico para 555 nm, mientras que en condiciones escotópicas lo hace para 507 nm.

Qué es la luz…es una radiación electromagnética.

La radiación electromagnética se distingue por una característica esencial, la longitud de onda. En función de la longitud de onda, la radiación electromagnética se clasifica con diferentes nombres, que  configuran el espectro electromagnético. La luz visible, es la franja que  comprende las longitudes de onda desde 380 a 780 nm. (1nm=10^-7 m=diezmillonésima parte de un metro). No obstante la luz con espectro menor de 400nm y mayor de 700nm tiene muy poco efecto sobre el ojo humano, por lo que  usualmente se simplifica a los espectros  entre 400 y 700nm.

La dualidad onda-corpúsculo, también llamada dualidad onda-partícula, ha resuelto una aparente paradoja, demostrando que la luz puede poseer propiedades de partícula y propiedades ondulatorias.
De acuerdo con la física clásica existen diferencias entre onda y partícula. Una partícula ocupa un lugar en el espacio y tiene masa mientras que una onda se extiende en el espacio caracterizándose por tener una velocidad definida y masa nula.

Otro aspecto relevante de la dualidad onda-corpúsculo, es que  podemos interpretar la luz a la vez como onda o como partícula (el fotón). Para describir la luz y su comportamiento, solemos referirnos a ella como onda (caracterizada por su longitud de onda), pero para referirnos a sus efectos, solemos referir a la luz como un chorro de partículas, los fotones.

Esto es relevante porque la energía que aporta un fotón es inversamente proporcional a su longitud de onda (más energía cuanto menor o más corta es la longitud de onda), independientemente de la energía que portan (recordemos que esta es mayor cuanto menor es la longitud de onda. Como veremos este comportamiento es esencial a la hora de diseñar la iluminación más eficaz.

Formas de medir la luz
Hay diferentes unidades para describir la luz, pero hay que hacer una distinción básica entre dos tipos de unidades: las unidades fotométricas y las radiométricas.

Las unidades fotométricas se refieren a la sensibilidad del ojo humano a la luz. Esto es, la magnitud física se corrige por unos coeficientes que describen nuestra sensibilidad a cada longitud de onda. Estas unidades son las que conoce todo el mundo, especialmente el lm.

Las unidades radiométricas miden magnitudes físicas, y son las adecuadas para estudiar la luz y las plantas. Hay dos maneras de medir radiométricamente la luz, en función de su dualidad onda-corpúsculo. En vatios (W), una medida de energía (en relación a su comportamiento como onda) o en fotones (uE, en relación a su comportamiento como partícula). Como la interacción de la luz con la materia se produce en forma de partícula, esta es preferentemente la unidad que usaremos.

No obstante, hay una conversión directa entre la energía que porta la luz (W) y el numero de fotones que transporta (o más precisamente, que portan esa energía), por lo que se pueden usar ambas medidas indistintamente. Usaremos una u otra en función de la aplicación.

Para realizar las conversiones de W a uE, o de cualquiera de ellas a Lm, es necesario conocer la distribución espectral de potencia (SPD=Spectral Power Distribution). Ésta suele ser aportada por los fabricantes de lámparas, y se expresa como un gráfico que abarca la longitud de onda visible, y que muestra cuanta energía irradia la bombilla en cada longitud de onda

Diferentes magnitudes relevantes a conocer:
Hasta el momento, me he centrado en la cantidad total, o absoluta, de luz (potencia). Pero hay otras magnitudes que nos interesa conocer para caracterizar la luz. Básicamente, son tres, la mencionada potencia, la intensidad y la densidad de luz.

La intensidad de luz describe el componente direccional de la luz. Su unidad es la candela (Cd), que mide los fotones emitidos por SR, en realidad, la unidad básica tanto fotométrica como radiométrica es la Candela y el mW/sr, ya que el Lúmen se define en función de la cd. La magnitud radiométrica equivale a la intensidad radiante, que se mide en mW/sr (SR=estereorradián).

La intensidad de luz es una magnitud relevante, pues determina la capacidad de penetración de la luz.

La densidad de luz es frecuentemente confundida con la intensidad. La diferencia es que la densidad es una magnitud referida a la superficie iluminada, no a la fuente de luz. Describe cuanta luz cae en una superficie dada. Esta magnitud es la que relaciona con mayor precisión el comportamiento de las plantas con la luz que reciben. Se usan varias unidades distintas: fotométricas, el lux (lm/m2), que es lo que se mide con un luxómetro/fotómetro, y radiométricas, w/m2 ó uE/m2.

La potencia y la intensidad son magnitudes de radiancia (radiometría) o luminancia (fotometría), y la densidad es una magnitud de irradiancia (rad) o iluminancia (fot). La i delante indica que la magnitud se refiere a la superficie iluminada y no a la fuente de luz.

Los colores de la luz
La luz visible puede ser de cualquier color, en función de su longitud de onda. Hay colores puros, y otros que son una combinación. De menor a mayor longitud de onda, los colores son:
-Violeta: 380-430nm
-Azul: 430-490nm
-Cian: 490-510nm
-Verde: 510-565nm
-Amarillo: 565-590nm
-Naranja: 590-625nm
-Rojo: 625-780nm

La banda del rojo es amplia, se divide entre rojo, de 625 a 700nm, y rojo cercano al IR, de 700 a 780nm. Esta distinción es muy relevante en botánica, debido al fuerte efecto, a menudo opuesto, que estas bandas del espectro tienen sobre las plantas.

Color de las bombillas
Estamos acostumbrados a leer los tonos de color en ºKelvin, pero la mayor parte de la gente no sabe que es lo que expresa esa magnitud.

La magnitud considerada es la CCT=Correlated Color temperature (temperatura de color correlacionada). Para explicar que es, primero hay que entender que es la temperatura de color (CT) a solas (no correlacionada).
Cualquier objeto emite radiación, más cuanto más caliente está. Esta radiación es infrarroja (IR), que por definición los humanos no vemos, no obstante, cuando el material esta lo suficientemente caliente, emite radiación dentro de la zona visible (luz). Al principio como rojo profundo y según aumenta la temperatura, va recorriendo los diferentes colores, hasta acabar en el azul-violáceo. cuando calentamos un metal se pone rojizo, y si seguimos calentándolo, adquiere un tono azulado.

Los físicos han inventado un objeto teórico llamado cuerpo negro, que absorbe toda la radiación que recibe (no existe este material). Un cuerpo negro es un objeto teórico o ideal que absorbe toda la luz y toda la energía radiante que incide sobre él. Nada de la radiación incidente se refleja o pasa a través del cuerpo negro. A pesar de su nombre, el cuerpo negro emite luz y constituye un modelo ideal físico para el estudio de la emisión de radiación electromagnética. El nombre Cuerpo negro fue introducido por Gustav Kirchhoff en 1862. La luz emitida por un cuerpo negro se denomina radiación de cuerpo negro.

Todo cuerpo emite energía en forma de ondas electromagnéticas, siendo esta radiación, que se emite incluso en el vacío, tanto más intensa cuando más elevada es la temperatura del emisor. La energía radiante emitida por un cuerpo a temperatura ambiente es escasa y corresponde a longitudes de onda superiores a las de la luz visible (es decir, de menor frecuencia). Al elevar la temperatura no sólo aumenta la energía emitida sino que lo hace a longitudes de onda más cortas; a esto se debe el cambio de color de un cuerpo cuando se calienta. Los cuerpos no emiten con igual intensidad a todas las frecuencias o longitudes de onda, sino que siguen la ley de Planck.

A igualdad de temperatura, la energía emitida depende también de la naturaleza de la superficie; así, una superficie mate o negra tiene un poder emisor mayor que una superficie brillante. Así, la energía emitida por un filamento de carbón incandescente es mayor que la de un filamento de platino a la misma temperatura.

La ley de Kirchhoff establece que un cuerpo que es buen emisor de energía es también buen absorbente de dicha energía. Así, los cuerpos de color negro son buenos absorbentes y el cuerpo negro es un cuerpo ideal, no existente en la naturaleza, que absorbe toda la energía.

Hay que tener en cuenta que cuando se dice que una bombilla emite un CCT determinado, lo que quiere decir es que el tono de color es el mismo que el del cuerpo negro a esa temperatura, pero no tiene nada que ver con la temperatura a la que funciona la bombilla.

En la práctica, no existe ningún cuerpo negro perfecto, aunque las bombillas incandescentes emiten un espectro muy similar a cada temperatura de color. Pero las demás fuentes artificiales de luz obtienen la luz blanca a través de numerosas combinaciones distintas de longitudes de onda. Multitud de muy diversos espectros de emisión pueden tener la misma temperatura de color (el mismo tono de color). Por ello, se usa el CCT, que unifica bajo una misma temperatura de color cualquier espectro de emisión cuyo tono de color resultante sea el representado por esa temperatura (en ºK) del cuerpo negro.

Características de los leds
LED es la abreviatura en lengua inglesa para Light Emitting Diode, que en su traducción al español correspondería a Diodo Emisor de Luz.
Un LED consiste en un dispositivo que en su interior contiene un material semiconductor que al aplicarle una pequeña corriente eléctrica produce luz. La luz emitida por este dispositivo es de un determinado color que no produce calor, por lo tanto, no se presenta aumento de temperatura como si ocurre con muchos de los dispositivos comunes emisores de luz.

 

Temperatura del color, espectro visible
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