La luz blanca en la visión humana
La luz es fuente de vida en la Tierra, fue el inicio de ésta y la hace posible
La estratégica situación de la Tierra, hace que la luz solar nos caliente lo justo y necesario, gracias a la fotosíntesis de las plantas verdes tenemos una atmósfera respirable y además la luz, nos permite recibir y transmitir información de los objetos que nos rodean, nos aporta visión. Cuando hablamos de luz nos referimos a la existencia de “algo” capaz de estimular el proceso de la visión. Pero, ¿qué es la luz?, ¿cuál es su naturaleza?
La luz es una forma de energía formada por ondas, se propaga en todas direcciones, siempre en línea recta y a gran velocidad. Las ondas luminosas son diferentes a las ondas sonoras, ya que pueden propagarse a través del vacío. El ojo humano sólo 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 día, pero en la noche utilizamos fuentes luminosas artificiales, y éstas han sufrido muchas variaciones en su tecnología desde los comienzos.
En un inicio y sin electricidad se utilizaban antorchas, después un gran avance fueron las lámparas de aceite, a continuación las de gas revolucionaron el alumbrado artificial, pero no fue hasta la llegada de la electricidad y hasta que Tesla descubrió la corriente alterna y sus generadores a grandes distancias, descubriendo lo que hoy conocemos como estaciones eléctricas 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 lámparas incandescentes, halógenas, cuarzo-yodo, lámparas de Vapor de Sodio, tanto a baja como a alta presión, el vapor de mercurio o a los Halogenuros metálicos.
A finales del siglo XX, una vez que se había 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 Presión, se podían ver sobre todas las ciudades como predominaba el color anaranjado que emite esta fuente luminosa y como los colores de la ciudad se perdían en la noche. Es entonces y gracias principalmente a una corriente proveniente de Europa cuando se empezó 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 utilizó el Halogenuro metálico, debido principalmente a su gran evolución al utilizar los quemadores cerámicos. Estas lámparas supusieron una revolución en el uso de la luz blanca, ya que, aunque anteriormente se había usado el vapor de mercurio, esta nueva fuente de luz blanca ofrecía mejores rendimientos de color y flujo lumínico.
El siglo XXI ha introducido en el alumbrado nuevas tecnologías, 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 día del total de luminarias nuevas que se venden, más del 75% son de esta nueva tecnología. Esta nueva fuente luminosa es eficiente, fácilmente controlable si hablamos de fotometría y tiene una vida increíblemente más larga que cualquier otra fuente, además se puede controlar su emisión 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 frío, neutro o cálido.
En esta vorágine de nuevas luminarias con nueva tecnología en cuanto a fuentes de luz se refiere, están 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 más tradicionales como el halogenuro metálico 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 están confundidos, y después analizaremos las fuentes de luz blanca más representativas.
¿Qué es la luz blanca?
Está 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 más del 60% de colores visibles al ojo humano, o lo que es lo mismo, posee un índice de reproducción cromático superior al 60%.
¿Percibe mejor la luz blanca el ojo humano?
Desde hace mucho tiempo se han generado muchas discusiones sobre la visión humana y la luz blanca a niveles bajos, donde ocupa un lugar importante el término de “visión Mesópica”. Hoy en día es muy importante definir este término ya que la evolución de la tecnología LED ha relanzado el uso de este tipo de luz a niveles relativamente bajos, de alumbrado público.
En estas discusiones muchas veces se toman valores erróneos ya que confluyen muchos términos 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 máquina de visión impresionante, de las más avanzadas que existen en la naturaleza, y que existe una publicación CIE, concretamente la 191 del año 2010, en la que se exponen ciertos criterios que favorecen el uso de la luz blanca, y que en ocasiones se está usando de manera engañosa, aunque hablaremos de ella más adelante.
El ojo humano posee dos tipos de receptores, conos y bastones:
Los conos, que tienen una sensibilidad máxima a la luz de una longitud de onda de 555nm. La parte del espectro amarillo/verde.
Están concentrados en la fóvea de la retina, fuera de ésta su densidad decrece muy radicalmente. La fóvea es el área de la retina en la que se forma una imagen nítida de la pequeña zona inmediatamente alrededor de la dirección de visión, es lo que se conoce por visión “central” o visión “on-line”.
Los bastones, que tienen una sensibilidad máxima a la luz de una longitud de onda de 505nm. La parte del espectro azul/verde.
Están concentrados en mayor número en el área periférica de la retina. La parte central de la fóvea, no tiene conos. La percepción del color no es posible si sólo están activos los bastones. Los bastones son muy importantes para lo que se conoce como visión “periférica” o visión “off-line”.
Estos receptores nos ayudan a recoger la luz y trabajan de distinta manera ante distintas situaciones de visión.
Visión Fotópica
Los Conos, tienen su máxima funcionalidad en luminancias altas, comprendidas entre 3 y 10 cd/m2, e incluso mayores (situaciones diurnas). Es entonces cuando hablamos de Visión fotópica para el ojo humano. La visión humana en colores es posible porque disponemos de conos sensibles al rojo, verde y azul. La sensibilidad espectral de la visión fotópica, está caracterizada por la curva V(lambda) y alcanza la máxima 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 visión humana cuando ésta actúa de forma Fotópica.
Visión Escotópica
Los bastones tienen máxima sensibilidad en luminancias muy bajas, entre 0.01 y 0.003 cd/m2, en esta situación es cuando hablamos de visión escotópica. 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 visión escotópica. La sensibilidad espectral de la visión escotópica, está caracterizada por la visión V’(lambda) y alcanza su máxima sensibilidad a una longitud de onda de 505nm, correspondiente a los colores azul-verde.
Visión Mesópica
Cuando nos encontramos en situaciones de niveles lumínicos entre los anteriormente marcados, aproximadamente entre 0.003 y 10 cd/m2, es cuando trabajan de una manera simultánea los conos y bastones. En adaptación de niveles altos a bajos la actividad de los bastones se vuelve más importante. Al mismo tiempo, la sensibilidad espectral global cambia gradualmente en la dirección de las longitudes de onda más cortas, hacia la dirección del azul. Este efecto depende de la adaptación y también se le llama el «efecto Purkinje».
Todos los diseñadores de alumbrado exterior, estamos muy preocupados por las condiciones de visión mesópicas dadas en nuestras aplicaciones de iluminación, y en especial en la iluminación de carreteras, ya que los niveles de luminancia requeridos, comprenden (de acuerdo con las normas de iluminación de carretera) de 0.3 cd/m² a 2 cd/m². Con el fin de determinar el efecto práctico del cambio gradual de la sensibilidad espectral en la zona mesópica, hay que distinguir entre la visión central (foveal) y la visión periférica.
Visión central mesópica
Como la fóvea apenas tiene bastones, son los conos los que aquí desempeñan un papel determinante. De hecho, la curva V (λ) proporciona una buena predicción del rendimiento de pequeñas tareas de la visión central para niveles de adaptación mayores de 0.01 cd/m2. Por este motivo el sistema de fotometría fotópica es perfectamente aplicable para la visión central.
Visión periférica mesópica
La determinación precisa de la sensibilidad espectral real del sistema visual bajo condiciones de visión periférica mesópica (visión de entorno o alrededores) a diferentes niveles de adaptación es bastante compleja. A finales de 2010, la CIE publicó el Informe Técnico CIE 191:2010 (Sistemas recomendados para la fotometría mesópica basada en el rendimiento visual). Este documento muestra una tabla (tabla expuesta a continuación) indicando las diferencias entre luminancias mesópicas y fotópicas en porcentaje, calculado con los sistemas mesópicos recomendados para una amplia variedad de valores S/P (Relación escotópica/fotópica) acorde a distintas fuentes luminosas.
Aplicación de la fotometría mesópica al alumbrado exterior
La aplicación de la fotometría mesópica 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 lumínicos ínfimos 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 relación S/P mayor que 1 es efectiva cuando los bastones hacen la parte principal del trabajo de la visión. Esto significa que la principal función de los usuarios debe ser la visión periférica. Podría tener sentido en áreas 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 visión central, gracias a la actividad de los conos.
La condición de la visión humana, centrándonos en la adaptación de niveles de luminancia debe permanecer relativamente estable. De hecho, cuando por ejemplo un coche viene en dirección opuesta a la nuestra en una carretera, sus luces de cruce modifican en gran medida la adaptación a los niveles de luminancia del usuario hacia un modo de visión fotópica (altos niveles). El retorno a las condiciones de visión mesópica no será inmediata después que el vehículo haya pasado, tomará algún tiempo, durante el cual la corrección aplicada previamente en el nivel de la iluminación artificial no debe aplicarse. Esto quiere decir que no podemos basarnos en cambios bruscos de niveles, ya que nos encontramos en una zona mesópica, y que hay que considerar situaciones estables.
Todos los experimentos llevados a establecer el sistema de fotometría mesópica, se han basado en las observaciones de gente comprendida en un rango de edad de 20 a 35 años. 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.
Cuestiones sobre la luz blanca y cómo afecta a la salud de las personas
Teniendo esto en cuenta se nos presentan las siguientes preguntas:
¿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 día toda fuente luminosa que esté por debajo de 100 lm/w, no es una fuente lo suficientemente eficaz, dadas las tecnologías 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 evaluación mediante la tabla de la relación S/P expuesta anteriormente, el hecho de evaluar una fuente luminosa mediante lúmenes escotópicos, que algunos fabricantes utilizan, ya que las situaciones de la visión y las aplicaciones en las que se pueden dar casos escotópicos son mínimas y variables, y no debe analizarse una fuente luminosa como tal, sino su aplicación, por lo tanto, no es un factor evaluable el hecho de cuantificar la eficacia de una fuente de luz mediante lúmenes escotópicos.
¿El ojo humano ve mejor bajo una luz blanca?
Definitivamente sí, pero es difícil cuantificar las diferencias con otros tipos de luz y además lo importante es conocer la aplicación que vamos a realizar, no es lo mismo un alumbrado interior que una carretera, por supuesto, y es en alumbrados exteriores donde más debates puede haber en torno a su uso, ya que a veces no es tan importante la reproducción cromática, 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 índice de reproducción cromática.
¿La luz blanca es más segura?
Sí, ya que podemos distinguir mejor los objetos, existe un mayor reconocimiento facial y mayor seguridad ciudadana, además 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 estándar británico (BS5489-1:2003), que permite la reducción de un nivel de alumbrado si se utiliza luz blanca frente a cualquier otra, en España, dicha reducción de nivel, está presente como recomendación en la guía del Reglamento de Eficiencia Energética en Instalaciones de Alumbrado Exterior.
¿Cuándo nos ofrecen una fuente de luz blanca, debemos atender a los flujos mesópicos o escotópicos?
No, como ya hemos visto antes, es un valor de gran dificultad para aplicar, debido a muchos factores; el primero es que en prácticamente ninguna ocasión nos encontramos en una situación escotópica pura (por debajo de 0,03 cd/m2), el segundo es que la tabla está hecha con personas de edad no muy avanzada, inferior a 35 años, y que no es representativa del total de usuarios de la instalación en particular, además hay que tener en cuenta la aplicación que vamos a usar (no es lo mismo un túnel 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 relación S/P, y que sólo tiene en cuenta eso, el flujo equivalente en visión escotópica, y no la fotometría, ya que hay algunas fuentes de luz blanca, que tienen un gran tamaño y su emisión lumínica es muy difícil de controlar.
¿Qué 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 aplicación de alumbrado que queramos llevar a cabo, entre dichas magnitudes, es importante conocer la Temperatura de Color, su índice de reproducción cromática, la Eficiencia que tiene asociada dicha fuente, su control fotométrico es vital (cuanto más volumen tenga la fuente peor será o más difícil de conseguir).
¿Cuáles son las nuevas fuentes de luz blanca?
Realmente sólo hay una nueva fuente luminosa que ha surgido en los últimos años 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 más que muchos LEDs dispuestos juntos en una especie de pastilla, y que hoy en día, disponen de peores rendimientos que el LED por separado, y son más difíciles de controlar fotométricamente hablando, además de que térmicamente también son más difíciles de gestionar.
En cuanto a las fuentes de luz tradicionales, la fluorescencia es una gran opción 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 lámparas de Halogenuros cerámicos de última generación, que tienen buenos rendimientos y tamaños para su uso tanto en indoor como en outdoor.
Existen otras fuentes de luz, como la inducción, 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 algún caso muy particular.
Conclusiones sobre los efectos de la luz blanca en la visión humana
La primera conclusión que podemos deducir, es que la luz blanca es más 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 «corrección» propuestos para la visión periférica en condiciones mesópicas.
Por supuesto, tenemos que luchar contra la práctica totalmente errónea que consiste en multiplicar el flujo de las fuentes de luz por la relación S/P. Hay que seguir las normas de iluminación existentes. El sistema de fotometría mesópica es bastante reciente y no se ha establecido todavía oficialmente en la práctica de iluminación a través de la elaboración de normativas o estándares.
El LED es el principal exponente de la luz blanca, ya que puede darse en distintas temperaturas de color y con índices de reproducción cromática elevados. En el caso del alumbrado exterior las temperaturas de color neutras (en torno a 4000K) y cálidas (en torno a 3000K), son idóneas para aplicaciones funcionales y ambientales respectivamente.
Como conclusión final, la luz blanca es una luz de calidad óptima para el alumbrado exterior, y beneficiosa para la visión humana. Hay que ser cuidadoso con la elección de la fuente luminosa a utilizar y analizar previamente sus características, y siempre bajo un estudio fotométrico, comparar distintas soluciones para llevar la instalación a ser exitosa.
Miguel Ángel Ramos
Schréder Socelec S.A.
Projects & Systems Manager