Illuminazione pubblica: visione fotopica e visione scotopica

Sappiamo che i nostri occhi possono distinguere moltissimi colori, possono adattarsi velocemente alle variazioni di luce, e possono mettere a fuoco un’immagine automaticamente.
La luce entra dalla pupilla, le cui dimensioni vengono regolate dall’iride, che controlla la quantità della luce che entra nell’occhio e agisce quindi come il diaframma della macchina fotografica. I raggi luminosi passano poi dal cristallino, una vera e propria lente che mette a fuoco l’immagine e la proiettata sulla retina.

1) I coni e i bastoncelli

Ogni retina è composta mediamente da circa 7 milioni di coni e 12 milioni di bastoncelli.

I coni sono responsabili della visione diurna (visione fotopica), hanno la massima concentrazione in una piccola zona della retina, completamente priva di bastoncelli, detta fovea, e presiedono alla percezione del colore e alla nitidezza dei contrasti.
L’analisi di una scena visiva, come l’osservazione di un quadro o di un panorama, e’ strettamente associata alla visione foveale. Pertanto quando si osserva una scena stazionaria, gli occhi eseguono una scansione del campo visivo con movimenti rapidi – detti movimenti saccadici – alternati a fissazioni. In generale la scansione del campo visivo non e’ regolare, tranne casi particolari come la lettura, in cui c’e’ un’organizzazione seriale dell’informazione visiva e quindi le fissazioni non sono distribuite uniformemente sulla figura osservata: alcune zone sono ignorate e altre sono visitate (fissate) frequentemente.
Ciascun cono presente nella fovea è collegato ad una cellula nervosa: a questa via privilegiata di comunicazione con il cervello si deve la maggiore capacità di discriminazione dei dettagli che è associata con la stimolazione dei coni della fovea.
I bastoncelli, dal canto loro, benché molto più sensibili dei coni alla stimolazione da parte della luce, sono collegati alle cellule nervose solo a gruppi e questo fa sì che l’immagine che essi veicolano sia più confusa. Tuttavia la loro maggiore sensibilità permette all’occhio di vedere anche in condizioni di scarsa luminosità, quando ormai i coni non riescono più a fornire informazioni utili al cervello. La visione resa possibile dai bastoncelli è una visione non cromatica ed assume importanza primaria in condizioni di scarsa luminosità (visione scotopica).

Durante la visione scotopica il massimo della curva di sensibilità si sposta sensibilmente verso lunghezze d’onda minori. In piena visione scotopica (cioè dopo circa 30 minuti di adattamento al buio) alcuni bastoncelli sono così sensibili sono sufficienti pochissimi fotoni per stimolarne uno. In queste condizioni l’occhio si avvicina al caso ideale di un ricevitore che sia capace di rispondere a un singolo fotone.

2) Visione fotopica e visione scotopica

L’occhio umano non è sensibile in maniera identica alle radiazioni comprese all’interno dell’intervallo 380-780 nm: la sensibilità è molto grande nella zona del giallo-verde, mentre assume valori bassi nel blu e nel rosso.
Tali valori sono rappresentati dalla funzione V(λ)  (indicata nello schema seguente in bianco) che misura l’efficienza visuale a varie lunghezze d’onda nel caso di luminosità diurna (visione fotopica).

Essa è normalizzata al massimo  valore  V(λ)=1  relativo  alla  lunghezza  d’onda  di  555,02 nm. Questa funzione, basata su un campione di circa 200 persone, è  stata  internazionalmente  accettata,  anche  se  recentemente  vi  è molta  discussione  sulla  sua  effettiva  correttezza.  Una  differente
funzione V’(λ) (indicata nello schema in nero) misura l’efficienza dell’occhio nel caso di un livello di luce inferiore, tipico della visione notturna. In queste condizioni (visione scotopica) il valore 1 si ha per la lunghezza d’onda di 507 nm. Lo spostamento del massimo di sensibilità, dovuto all’utilizzo, da  parte  dell’occhio,  prima  di  coni  e  poi  di  bastoncelli,  è denominato  effetto  Purkinije.  I  bastoncelli,  che  funzionano  in condizioni  di  bassa  visibilità,  vedono meglio  il  blu  di  quello  che fanno  i  coni,  i  quali  possono  vedere  luce  profondamente  rossa, luce  che  per  i  bastoncelli  appare  nera.
Se  si  hanno  due  pezzi  di carta colorata rossa e blu, in condizioni di buona luminosità, risulta più luminoso il pezzo rosso,  passando  all’oscurità  l’effetto  si inverte.
La visione mesopica è la visione dovuta all’attività contemporanea dei bastoncelli e dei coni della retina. Si tratta del tipo di visione che si ha quando il livello di illuminazione è intermedio (definito generalmente dall’intervallo di luminanza compreso fra 0,001 e 3 cd/mq).

3) Illuminazione pubblica e percezione visiva

Diverse pubblicazioni presenti su internet, citando il prospetto 3 della norma UNI 11248, affermano che lampade con una elevata resa cromatica (ad esempio ioduri metallici o LED) garantiscono una visione notturna migliore, soprattutto per le applicazioni stradali.
Innanzitutto il prospetto in questione afferma che “i valori numerici sono forniti solo a titolo informativo” e quindi non hanno valore di norma (tanto che il prospetto 2 e l’appendice A nella stessa norma non prendono neppure in considerazione questo parametro ai fini di una corretta illuminazione stradale); inoltre il valore di resa cromatica, come indicato nelle pagine precedenti, indica unicamente la capacità di una sorgente di resituire in maniera corretta i colori dell’ambiente circostante: ai fini dell’illuminazione stradale è importante vedere un pedone attraversare la strada, non distinguere se il suo giubbotto è verde oppure marrone.
Ancora lo stesso prospetto indica in calce che uno sconto sulla categoria illuminotecnica di progetto si può avere unicamente “in relazione a esigenze di visione periferica verificate nell’analisi dei rischi” e quindi unicamente in casi particolari, in cui si renda necessaria una visione completa ed accurata dei dintorni della sede stradale (ad esempio un attraversamento pedonale poco visibile su una strada molto lunga ed illuminata con lampade al sodio alta pressione può essere agevolato dalla presenza di una lampada a luce bianca; ma sempre nella stessa norma, poichè siamo in presenza di passaggi pedonali, dovrei aumentare la categoria illuminotecnica: questo si traduce in un “pareggio” dell’illuminazione che avevo all’inizio).

Secondo gli ultimi studi condotti da diversi enti europei[1] [2](si veda a questo scopo la pagina dedicata ai nuovi studi sulla visione mesopica), le curve V(λ) e V'(λ) non riescono a definire in maniera accurata l’efficienza dell’occhio nel caso di visione mesopica.
In particolare, la curva fotopica V(λ), su cui vengono calcolati i flussi luminosi delle lampade, risulta poco precisa per quelle attività che necessitano di una accurata percezione della brillantezza ed degli effetti cromatici e non rappresenta la sensibilità spettrale dell’occhio in molte situazioni.La visione fotopica è la visione dovuta unicamente all’attività dei coni della retina e pertanto la curva V(λ) è strettamente legata alla visione foveale, che si può ritenere compresa in un angolo visuale che va da 1° (visione centrale foveale) a 5° di ampiezza (visione parafoveale).
Per questi angoli visivi è stato dimostrato che la sensività spettrale dell’occhio non cambia quando i livelli di illuminazione raggiungono l’area mesoscopica e quindi la curva fotopica V(λ) rimane una misura valida per la visione foveale a basse luminanze (almeno fino a livelli di 0,01 cd/mq, altamente al di sotto della più bassa luminanza prevista dalle norme per l’illuminazione stradale).
In diverse situazioni però, come ad esempio alla guida di un’automobile, molte informazioni vengono catturate da una visione periferica (angolo visivo di 15°-20°), in cui i bastoncelli assumono un ruolo dominante. In questi casi gli studi dimostrano che una lampada con forte componente blu apporterebbe miglioramenti alla visione periferica e quindi all’identificazione di oggetti fuori dal campo foveale, soprattutto col diminuire della luminosità. I diversi modelli di curve mesopiche proposti da questi studi indicano un aumento relativo della luminosità percepita (fino al 25% in più) nei casi di illuminazione con sorgenti a forte componente blu dello spettro luminoso. Inoltre, anche in questi casi, l’indice di resa cromatica non assume un valore determinante, in quanto i colori vengono distinti unicamente dai coni raggruppati nella fovea (i bastoncelli sono essenzialmente “monocromatici”). In questo modo si comprende anche perchè il prospetto della UNI 11248 indichi le “esigenze di visione periferica” come condizione sine qua non per l’applicazione dello sconto di categoria illuminotecnica.
Occorre quindi comprendere in quali attività ed in che modo la visione periferica risulti fondamentale a livello visivo, per definire un probabile modello futuro definitivo per la visione mesopica. Va comunque ricordato che, ad oggi, la normativa non prevede ancora questo tipo di modelli e quindi occorre basare il calcolo del flusso luminoso ancora sulla curva fotopica V(λ), come indicato qui.

Va poi ricordato che, con l’invecchiare dell’occhio, si ha un progressivo ingiallimento del cristallino e della cornea ed un intorbidirsi  dell’umor  vitreo: per questi motivi la  luce  che maggiormente  viene  diffusa  all’interno dell’occhio  è  quella  di  lunghezza  d’onda  minore  (blu).  Perciò,  per  la  popolazione  anziana, la  luce  più  efficace  per produrre  abbagliamento  è  proprio  quella  con  una  forte componente blu, che andrebbe quindi evitata nelle installazioni stradali; inoltre gli apparecchi che montano lampade al LED purtroppo ancora non garantiscono illuminazioni uniformi della sede stradale, cosa che (al di là di quanto indicato nelle norme tecniche sull’uniformità mantenuta) aumenta la sensazione di abbagliamento.
Per verificare quanto detto, basta osservare le diverse foto pubblicate su internet concernenti illuminazioni con apparecchi a LED.

Un discorso differente va fatto invece per le applicazioni non stradali, in cui non vengono richiesti livelli di illuminazione così stringenti: in questi casi appare ovvio che una luce con colorazione tendente al verde-blu può offrire una visione migliore in caso di basse luminanze, poichè ci si avvicina molto al limite superiore della curva di visibilità scotopica. Inoltre la maggiore resa cromatica delle lampade utilizzate può fornire un maggiore senso di sicurezza, in quanto rende più nitidi i contorni degli oggetti ed il discernimento delle figure.

Resta infine da capire come l’utilizzo di sorgenti luminose con spettro tendente al blu possa influenzare i ritmi vitali degli animali che vivono negli ecosistemi toccati dall’illuminazione artificiale e dell’uomo stesso.

Matteo Seraceni

Riferimenti:

– [1] “Mesopic lightning conditions and pedestrian visibility”, in INGINERIA ILUMINATULUI, 11-2003

– [2] “Mesopic visual efficiency IV: a model with relevance to
nighttime driving and other applications”, in LIGHTNING RESOURCE TECNOLOGY, 03-2007

– Associazione Astrofili Crab Nebula

– Associazione Cielobuio