Usamos a palavra “brilhante” todos os dias, mas para os engenheiros ópticos, esta frase pode desencadear uma “guerra de conceitos”. Está a referir-se ao brilho da lâmpada em si ou à clareza com que ilumina o tampo da mesa? Por detrás disto está todo um sistema de “metrologia” que descreve com precisão a forma como a luz é gerada, transmitida e recebida. Hoje, vamos dissecar estes conceitos fundamentais como blocos de construção: fluxo luminoso, intensidade luminosa, iluminação, luminância, ângulo sólido e ângulo sólido projetado. Uma vez dominados, irá verdadeiramente “dominar” a luz.
Imagine um cano de água. O fluxo luminoso (Φ, medido em lúmens lm) é o volume total de água que flui para fora do tubo por unidade de tempo. Descreve a soma de toda a energia de luz visível emitida por uma fonte de luz - um conceito de “saída total embalada”. Uma lâmpada incandescente de 100 watts produz aproximadamente 1300 lumens - a sua “saída de luz” total. Mas a emissão total por si só não é suficiente; a luz espalha-se em todas as direcções. Isto leva-nos ao segundo conceito-chave - ângulo sólido.
Se um ângulo plano é como cortar uma fatia de pizza, então um ângulo sólido (Ω, medido em esteradianos sr) é como cortar uma “fatia de pizza tridimensional” do centro de uma esfera. Uma esfera completa tem um ângulo sólido de 4π esterradianos. Imagine os seus olhos como o centro de uma esfera; todas as direcções que consegue ver formam um “espaço visual” completo. Qualquer área parcial dentro deste espaço - como o alcance limitado por um abajur - representa um ângulo sólido menor que 4π. Os ângulos sólidos medem a extensão em que a luz diverge no espaço.
Agora combinamos os conceitos de fluxo luminoso e ângulo sólido. Se o fluxo luminoso for comprimido e emitido num determinado ângulo sólido, a sua “densidade” aumenta. A intensidade luminosa (I, unidade: candela cd) é precisamente a grandeza física que descreve este grau de concentração: I = Φ / Ω. Refere-se ao fluxo luminoso emitido por uma fonte de luz num ângulo sólido unitário numa direção específica.
Um ponteiro laser, apesar do seu baixo fluxo luminoso total (Φ), emite toda a luz num ângulo sólido extremamente pequeno (Ω). Isto resulta numa intensidade luminosa (I) extremamente elevada nessa direção, tornando-a muito deslumbrante. Uma vela, por outro lado, emite um grande fluxo luminoso em todas as direcções. No entanto, devido ao seu grande ângulo sólido, a sua intensidade luminosa não é elevada.
A iluminância (E, medida em lux lx) descreve a quantidade de fluxo luminoso recebido por unidade de área de superfície iluminada: E = Φ / A. Responde à pergunta “Quão brilhante é este tampo de mesa?”, dependendo da fonte de luz e da distância. É por isso que a leitura à luz dos candeeiros de rua é mais clara do que à luz da lua: embora a lua (que reflecte a luz do sol) tenha um enorme fluxo luminoso total, a sua distância é tão grande que a “densidade do fluxo luminoso” (ou seja, a iluminação) que chega à página do livro é insignificante.
Este é o conceito mais facilmente confundido, mas é o verdadeiro parâmetro “rei”.
A luminância (L, medida em nits ou cd/m²) representa o brilho percebido de uma fonte de luz numa direção específica, tal como detectado pelo olho humano (ou por um detetor). A sua definição sintetiza todos os conceitos anteriores: L = I / (A - cosθ). Aqui, I é a intensidade luminosa nessa direção, A é a área de emissão de luz da fonte e θ é o ângulo entre a direção de visualização e a normal.
A luminância descreve o fluxo luminoso por unidade de área da superfície da fonte de luz num ângulo sólido unitário. É uma propriedade intrínseca independente da distância. Por exemplo, um candeeiro de rua tem uma intensidade luminosa (I) e um fluxo luminoso total (Φ) muito maiores do que o ecrã de um smartphone, mas a sua área de superfície (A) é maior e a sua luz diverge em todas as direcções (grande ângulo sólido Ω). Em contrapartida, o ecrã de um smartphone concentra o seu fluxo luminoso numa pequena área e num ângulo sólido estreito. Os cálculos mostram que a luminância do ecrã (L ≈ I/A) pode facilmente exceder os 1000 nits - ultrapassando largamente a luminância da superfície de um antigo candeeiro de rua. É por isso que olhar diretamente para o ecrã de um smartphone é mais ofuscante.
Na definição de luminância, o termo de área é A - cosθ, representando a área projectada. Porquê projetar? Porque quando a direção de visualização é inclinada, a área luminosa efectiva que se percebe diminui. Isto introduz naturalmente o conceito de ângulo sólido projetado.
Ao calcular a iluminância numa superfície iluminada, o ângulo sólido entre a fonte de luz e a superfície também deve ter em conta este fator de inclinação - o ângulo sólido projetado. O ângulo sólido projecta o ângulo sólido projetado e preenche a lacuna entre a luminância da fonte de luz e a iluminância da superfície, servindo como uma ferramenta essencial para cálculos mais precisos no traçado de raios e na radiometria.
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