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O que é um guia de luz?
Definição de um guia de luz
Um guia de luz — também conhecido como tubo de luz — é um dispositivo que direciona a luz de uma fonte luminosa (geralmente um LED) para o local onde ela é necessária.
Os guias de luz são geralmente feitos de vidro ou plástico, normalmente com um índice de refração em torno de 1,5. A luz injetada no guia de luz dentro da faixa correta de ângulos fica retida no interior do guia devido a um fenômeno chamado reflexão interna total (TIR). Uma vez retida, a luz permanece dentro do guia até ser extraída por um dispositivo de extração, ser totalmente absorvida pelo material ou encontrar uma superfície em um ângulo inferior ao ângulo crítico.
Em alguns casos, o objetivo é conduzir a luz de uma extremidade do guia para a outra. Em outros casos, o objetivo é extrair a luz ao longo do comprimento do guia de luz e direcioná-la para uma direção específica. Isso faz com que o guia de luz pareça iluminado. Essa extração é obtida através da adição de componentes ao dispositivo, como pontos de tinta ou texturas (pequenas saliências ou orifícios), que influenciam a forma como a luz é refletida, quebrando a condição de reflexão total interna (TIR) e fazendo com que a luz saia do guia de luz.
Outros tipos de guias de luz homogeneizam a luz que emerge de uma ou mais fontes luminosas. Ao permitir que a luz percorra toda a extensão do guia enquanto se reflete nas paredes laterais, a luz é “misturada”, e a luz que emerge da extremidade do guia de luz é espacialmente e angularmente uniforme.
Figura 1. O guia de luz neste exemplo é uma haste de mistura do tipo que se encontra em um projetor. O guia de luz homogeneíza a luz proveniente de uma fonte de luz e de um refletor tradicionais. No lado de entrada, a intensidade da luz atinge um pico acentuado no centro; no lado de saída, a luz é espacialmente uniforme ao longo da face de saída do guia, que possui uma proporção de 16:9.
Índice
O que é o índice de refração?
Para materiais que transmitem luz, como o vidro, a água ou o ar, o índice de refração indica a velocidade com que a luz se propaga através do material. Quanto maior for o índice, mais lentamente a luz se propaga através do material. Esta equação representa o índice de um material:
Onde n é o índice de refração, c é a velocidade da luz no vácuo e v é a velocidade de fase da luz no material. O vácuo, embora não seja estritamente um material, tem um índice de 1. A água tem um índice de 1,3333. Os vidros e plásticos normalmente utilizados em guias de luz têm um índice de cerca de 1,45 a 1,6 para a luz visível.
Quando a luz encontra uma interface entre dois materiais com índices de refração diferentes, a luz que atravessa essa interface é desviada, o que altera sua direção. Esse processo é chamado de refração e é regido pela Lei de Snell.
O que é a Lei de Snell?
A Lei de Snell estabelece que o ângulo sob o qual a luz emerge depende tanto do ângulo de incidência da luz na interface quanto da diferença no índice de refração dos materiais. Quanto maior for a diferença no índice de refração e quanto maior for o ângulo de incidência, maior será a deflexão. A Lei de Snell que rege a refração, em que n é o índice de refração e θ é o ângulo de incidência da luz no material 1 ou no material 2:
Figura 2. Equação da Lei de Snell .
Figura 3. Um raio de luz refratando-se através de uma superfície plana, sofrendo uma deflexão nesse processo. A linha pontilhada representa a normal à interface do material, e as grandezas utilizadas pela Lei de Snell estão indicadas na figura.
O que é o ângulo crítico?
A resolução da Lei de Snell fornece o ângulo de saída da luz da seguinte forma:
No caso especial em que a luz incide no interior do material com o maior dos dois índices de refração, verificamos que existe um ângulo θ1 além do qual a equação não pode ser resolvida. Isso ocorre quando a expressão entre colchetes é maior que 1. O valor de θ1 para o qual a expressão entre colchetes resulta exatamente em 1, denominado ângulo crítico, é dado pela equação:
Por exemplo, para um material com índice de refração de 1,5 no ar (índice 1), obtém-se um ângulo crítico de 41,81º. A luz que incide sobre a superfície em um ângulo superior a esse ângulo crítico não consegue se refratar e, portanto, 100% da luz é refletida de volta para dentro do material — causando reflexão interna total.
O que é a reflexão interna total?
A reflexão interna total ocorre quando a luz que se encontra no interior de um material, como vidro ou plástico, encontra uma interface com um material que possui um índice de refração menor (normalmente o ar) em um ângulo superior ao ângulo crítico.
Em certas formas, como placas ou tubos retangulares, cilindros ou esferas, é possível que a luz fique presa dentro do guia até atingir as bordas ou a extremidade do guia. É isso que permite que a luz seja transportada da fonte de luz original ao longo do guia até a outra extremidade, com perdas mínimas.
Figura 4. Este leque de raios de luz se origina no interior de um guia de luz plano com limites paralelos. Cada raio emerge do ponto de partida e atinge a interface vidro-ar. Alguns dos raios se refratam (e saem), mas aqueles que atingem a interface em um ângulo superior ao ângulo crítico de TIR refletem de volta para dentro do guia de luz. Os raios que se propagam por TIR continuam a se propagar por TIR ao longo do comprimento do guia.
Figura 5. Um guia de luz cilíndrico muito simples com uma pequena fonte de luz LED à esquerda. A luz entra no guia de luz pela face terminal do cilindro, e 100% da luz sofre reflexão interna total (TIR) e fica confinada no guia de luz, sendo transmitida até a extremidade oposta, de onde sai.
Extração de luz ao longo do comprimento de um guia de luz
Se o objetivo do guia de luz for extrair luz ao longo de seu comprimento, o projetista pode utilizar recursos de extração ao longo do comprimento do guia. Esses recursos podem assumir diversas formas, mas alguns dos mais comuns são pontos de tinta e pequenas estruturas semelhantes a prismas recortadas no guia (frequentemente chamadas de texturas), conforme mostrado na Figura 6.
Essas estruturas de extração alteram a direção da luz que incide sobre elas, interrompendo o ciclo de TIR e extraindo a luz do guia. Ao variar a densidade ou o tamanho dessas estruturas, é possível obter uma saída de luz uniforme ou até mesmo um padrão desejado a partir do guia de luz. Com certas texturas, também é possível controlar a direção da luz que sai do guia de luz.
Na Figura 6, parte da luz anteriormente retida no guia está agora sendo extraída, e a quantidade de luz retida no guia diminui à medida que nos afastamos da fonte de luz. Observe que parte da luz também é extraída na direção oposta à linha de visão, o que normalmente não é desejável. Isso pode ser corrigido adicionando-se uma superfície reflexiva no lado da textura do guia de luz para redirecionar a luz de volta para o guia.
Figura 6. Esta figura mostra o mesmo guia de luz da figura 5, mas, desta vez, foram adicionados elementos de extração ao lado do guia de luz oposto à direção de visualização.
Os guias de luz estão disponíveis em diversos formatos e tamanhos
Os guias de luz não precisam ser longos e retos. Eles também podem ter formas curvas. Podem afinar, alargar ou alterar a forma da seção transversal conforme desejado. Podem assumir formas muito complexas, frequentemente utilizadas para iluminar painéis de instrumentos automotivos, aplicações de iluminação externa de veículos e teclados de dispositivos portáteis.
Figura 7. Este guia de luz possui uma forma complexa que pode ser utilizada em aplicações no interior ou no exterior de veículos automotores. À direita, é possível ver um close-up dos detalhes de extração.
Algumas das guias de luz mais importantes são placas planas utilizadas para iluminar telas planas de televisores, monitores, relógios e outros dispositivos. Esses tipos de guias de luz são placas finas e planas de material com elementos de extração moldados em uma das faces. A luz é injetada no guia de luz por uma ou mais bordas, geralmente por meio de LEDs. O padrão de saída desejado, que geralmente é uniforme, é obtido através da distribuição cuidadosa dos recursos de extração. Devido à complexidade do sistema, é necessário um software de projeto de iluminação para otimizar o posicionamento da textura e alcançar a distribuição de luz desejada.
Figura 8. Esta figura mostra um guia de luz do tipo painel plano para um pequeno dispositivo portátil. Três LEDs injetam luz no guia de luz na parte inferior, onde os elementos de extração estão localizados apenas nos pontos em que o projetista deseja extrair luz para iluminar os controles. A imagem à direita mostra o padrão de luz resultante.
Os guias de luz também podem assumir a forma de fibras ópticas. As fibras ópticas são “fios” de vidro muito finos e flexíveis, compostos por um núcleo central de alto índice de refração e um revestimento de baixo índice de refração. As fibras ópticas são muito úteis para transmitir luz a grandes distâncias e são amplamente utilizadas em diversas aplicações, como telecomunicações, imagens médicas e cirurgia a laser.
Que efeito a forma tem sobre o guia de luz?
Embora os guias de luz possam curvar-se e assumir formas mais complexas, é nessas curvas que ocorre grande parte do vazamento de luz. Numa curva, parte da luz retida pelo efeito TIR pode atingir a superfície do guia em um ângulo inferior ao ângulo crítico e escapar do guia de luz. Isso precisa ser cuidadosamente controlado por meio do projeto e da simulação em software.
Figura 9. Este guia de luz cilíndrico apresenta uma curva de 65 graus e perde cerca de 10% da luz. Quanto mais acentuada for a curva, maior será a quantidade de luz que escapará do guia de luz nesse ponto.
O afunilamento de um guia de luz também pode causar vazamento. Em geral, aumentar a seção transversal à medida que se afasta da fonte de luz não causa problemas, mas diminuir a seção transversal geralmente leva a perdas, seja por vazamento, seja pela reversão da luz dentro do guia, que é então refletida de volta em direção à fonte de luz. Isso é especialmente verdadeiro se a luz inserida no guia de luz abranger um amplo intervalo angular.
Figura 10. Este guia de luz cilíndrico foi afilado para aumentar a seção transversal na extremidade oposta à fonte de luz. Nesse caso, 100% da luz é transmitida através do guia até a superfície de saída.
Figura 11. Este é o mesmo guia de luz da Figura 10, mas o afunilamento foi invertido para reduzir a seção transversal do guia. Nesse caso, o vazamento substancial de luz faz com que apenas cerca de 6% da luz chegue à superfície de saída.
Por que os guias de luz são importantes?
Um guia de luz pode canalizar a luz para locais onde é difícil ou impossível colocar a própria fonte de luz. Por exemplo, é possível usar um guia de luz para isolar uma fonte de luz de um ambiente extremo ou para posicionar a fonte e seus componentes eletrônicos em um local mais conveniente. É possível utilizar guias de luz de extração para substituir a iluminação fluorescente em vitrines congeladoras, permitindo que a fonte de luz seja colocada fora do congelador para aumentar a eficiência energética. Outro exemplo é a criação de iluminação para um ambiente cirúrgico sem colocar componentes eletrônicos próximos ao paciente.
Com as técnicas adequadas de extração de luz, os guias de luz podem assumir uma variedade de formas, proporcionando maior liberdade estilística, o que os torna especialmente populares em designs modernos de faróis e lanternas traseiras. Muitos fabricantes utilizam designs de iluminação externa com formas exclusivas como um elemento de marca diferenciado para seus carros. Outras aplicações automotivas para guias de luz incluem a iluminação do painel de instrumentos e de outros componentes do painel, bem como luzes de leitura e luzes de destaque em todo o interior.
Figura 12. Guias de luz utilizados em uma luz traseira automotiva. Os guias de luz são utilizados tanto como dispositivo de sinalização quanto como elemento de design.
Uma aplicação comum dos guias de luz é distribuir a luz uniformemente por uma área extensa. As aplicações são bastante diversas, desde a exibição de informações até a iluminação de controle e a iluminação de destaque. Graças à capacidade de distribuir a luz, um engenheiro de iluminação pode utilizar um número menor de fontes de alta potência, simplificando o sistema e economizando dinheiro. E, como funciona com LEDs de baixo consumo de energia, um guia de luz pode oferecer uma solução eficiente e econômica em muitos cenários de iluminação.
Como se projeta um guia de luz?
Embora os guias de luz sejam dispositivos passivos relativamente simples, a forma como a luz interage com eles é complexa. Projetar um guia de luz que funcione adequadamente e tenha a aparência luminosa desejada requer um trabalho de engenharia meticuloso. Ferramentas de simulação de iluminação, como o LightTools e o LucidShape, fornecem aos engenheiros de iluminação o conjunto adequado de ferramentas para projetar, otimizar e analisar o desempenho de uma combinação de guia de luz/fonte de luz antes de investirem tempo, dinheiro e esforço na produção de um protótipo. Uma vez satisfeito com o desempenho do modelo no software, o engenheiro pode implementar um protótipo e comparar os resultados da simulação com as medições reais.
O projeto de guias de luz de extração é ainda mais complexo. Os engenheiros devem posicionar corretamente as texturas para obter o resultado desejado do guia de luz. O engenheiro também deve verificar a direção em que a luz extraída se propaga, o que afeta o brilho e a aparência do guia de luz iluminado. Fazer isso e lidar com as formas complexas exigidas por muitos guias de luz requer uma ferramenta especializada, como o LightTools ou o LucidShape.
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