Che cosa sta cercando?
Che cos'è una guida di luce?
Definizione di guida di luce
Una guida di luce — talvolta chiamata anche tubo di luce — è un dispositivo che convoglia la luce proveniente da una sorgente luminosa (di solito un LED) verso il punto in cui è necessaria.
Le guide di luce sono solitamente realizzate in vetro o plastica, con un indice di rifrazione che si aggira tipicamente intorno a 1,5. La luce immessa nella guida di luce entro il corretto intervallo di angoli rimane intrappolata al suo interno grazie a un fenomeno chiamato riflessione interna totale (TIR). Una volta intrappolata, la luce rimane all'interno della guida finché non viene estratta da un elemento di estrazione, viene completamente assorbita dal materiale o incontra una superficie con un angolo inferiore all'angolo critico.
In alcuni casi, l'obiettivo è quello di far passare la luce da un'estremità all'altra della guida. Altre volte, invece, l'obiettivo è quello di estrarre la luce lungo la lunghezza della guida e dirigerla in una direzione specifica. Ciò fa sì che la guida appaia illuminata. Questa estrazione si ottiene aggiungendo al dispositivo elementi quali punti di vernice o texture (piccole protuberanze o fori) che influenzano il modo in cui la luce viene riflessa, interrompendo la condizione di riflessione interna totale (TIR) e facendo sì che la luce esca dalla guida.
Altri tipi di guide di luce omogeneizzano la luce che fuoriesce da una o più sorgenti luminose. Consentendo alla luce di propagarsi lungo la guida riflettendosi sui lati, essa viene “miscelata” e la luce che fuoriesce dall’estremità della guida risulta uniforme sia dal punto di vista spaziale che angolare.
Figura 1. La guida di luce in questo esempio è un'asta di miscelazione simile a quelle che si trovano nei proiettori. La guida di luce omogeneizza la luce proveniente da una sorgente luminosa e da un riflettore tradizionali. Sul lato di ingresso, la luce raggiunge il picco massimo proprio al centro; sul lato di uscita, invece, la luce è distribuita in modo uniforme su tutta la superficie di uscita della guida, che presenta un formato 16:9.
Indice dei contenuti
Che cos'è l'indice di rifrazione?
Per i materiali che lasciano passare la luce, come il vetro, l'acqua o l'aria, l'indice di rifrazione indica la velocità con cui la luce si propaga attraverso il materiale. Più alto è l'indice, più lentamente la luce si propaga attraverso il materiale. Questa equazione rappresenta l'indice di un materiale:
Dove n è l'indice di rifrazione, c è la velocità della luce nel vuoto e v è la velocità di fase della luce nel materiale. Il vuoto, pur non essendo propriamente un materiale, ha un indice pari a 1. L'acqua ha un indice pari a 1,3333. Il vetro e la plastica, tipicamente utilizzati per le guide di luce, hanno un indice compreso tra circa 1,45 e 1,6 per la luce visibile.
Quando la luce incontra un confine tra due materiali con indici di rifrazione diversi, la luce che attraversa tale confine viene deviata, modificando così la sua direzione. Questo processo è chiamato rifrazione ed è regolato dalla legge di Snell.
Che cos'è la legge di Snell?
La legge di Snell afferma che l'angolo con cui la luce emerge dipende sia dall'angolo con cui la luce colpisce il confine, sia dalla differenza tra gli indici di rifrazione dei due materiali. Maggiore è la differenza tra gli indici e più ampio è l'angolo di incidenza, maggiore sarà la deviazione. La legge di Snell che regola la rifrazione, dove n è l'indice di rifrazione e θ è l'angolo di incidenza della luce nel materiale 1 o nel materiale 2:
Figura 2. Equazione della legge di Snell .
Figura 3. Un raggio di luce che si rifrange attraverso una superficie piana, subendo una deviazione. La linea tratteggiata rappresenta la normale al confine tra i materiali, mentre nella figura sono indicati i valori utilizzati nella legge di Snell.
Che cos'è l'angolo critico?
Applicando la legge di Snell, si ottiene che l'angolo di uscita della luce è dato da:
Nel caso particolare in cui la luce entri nel materiale con l'indice più elevato tra i due, si osserva che esiste un angolo θ1 oltre il quale l'equazione non può essere risolta. Ciò accade quando l'espressione tra parentesi quadre è maggiore di 1. Il valore di θ1 per cui l'espressione tra parentesi quadre assume il valore 1, detto angolo critico, è dato dall'equazione:
Ad esempio, per un materiale con indice di rifrazione pari a 1,5 nell'aria (indice 1), si ottiene un angolo critico di 41,81º. La luce che colpisce la superficie con un angolo superiore a questo angolo critico non può rifrangersi, e quindi il 100% della luce viene riflessa all'interno del materiale, provocando una riflessione interna totale.
Che cos'è la riflessione interna totale?
La riflessione interna totale si verifica quando la luce presente all'interno di un materiale, come il vetro o la plastica, incontra un confine con un materiale che ha un indice di rifrazione inferiore (in genere l'aria) con un angolo superiore all'angolo critico.
Per alcune forme, come piastre o tubi rettangolari, cilindri o sfere, la luce può rimanere intrappolata all'interno della guida fino a raggiungere i bordi o l'estremità della stessa. È proprio questo che permette alla luce di essere trasportata dalla sorgente originale lungo la guida fino all'altra estremità con perdite minime.
Figura 4. Questo fascio di raggi luminosi ha origine all'interno di una guida di luce a piastra con pareti parallele. Ogni raggio emerge dal punto di partenza e colpisce l'interfaccia vetro-aria. Alcuni raggi si rifrangono (ed escono), mentre quelli che colpiscono l'interfaccia con un angolo superiore all'angolo critico di riflessione totale (TIR) vengono riflessi nuovamente all'interno della guida di luce. I raggi che subiscono la riflessione totale continuano a propagarsi lungo tutta la lunghezza della guida.
Figura 5. Una guida di luce cilindrica molto semplice con una piccola sorgente luminosa a LED sulla sinistra. La luce entra nella guida attraverso la faccia terminale del cilindro; il 100% della luce viene rifratta per riflessione interna totale (TIR) e rimane intrappolata nella guida, propagandosi fino all'estremità opposta, da dove fuoriesce.
Estrazione della luce lungo la lunghezza di una guida di luce
Se lo scopo della guida di luce è quello di estrarre la luce lungo la sua lunghezza, il progettista può ricorrere a elementi di estrazione disposti lungo tutta la guida. Questi elementi possono assumere diverse forme, ma tra i più comuni vi sono i punti di vernice e le piccole strutture prismatiche intagliate nella guida (spesso denominate «texture»), come illustrato nella Figura 6.
Questi elementi di estrazione modificano la direzione della luce che li colpisce, interrompendo il ciclo TIR ed estraendo la luce dalla guida. Variando la densità o le dimensioni degli elementi di estrazione, è possibile ottenere un'emissione luminosa uniforme o persino un disegno desiderato dalla guida di luce. Con alcune strutture, è anche possibile controllare la direzione della luce che esce dalla guida di luce.
Nella Figura 6, parte della luce precedentemente intrappolata nella guida viene ora estratta, e la quantità di luce intrappolata nella guida diminuisce man mano che ci si allontana dalla sorgente luminosa. Si noti che parte della luce viene estratta anche nella direzione opposta a quella di osservazione, cosa che normalmente non è auspicabile. È possibile ovviare a questo problema aggiungendo una superficie riflettente sul lato della guida di luce rivolto verso la texture, in modo da reimmettere la luce nella guida.
Figura 6. L'immagine mostra la stessa guida di luce della figura 5, ma in questo caso sono stati aggiunti elementi di estrazione sul lato della guida di luce opposto alla direzione di osservazione.
Le guide di luce sono disponibili in diverse forme e dimensioni
Le guide di luce non devono necessariamente essere lunghe e dritte. Possono anche avere forme curve. Possono restringersi, allargarsi o modificare la loro sezione trasversale a piacere. Possono assumere forme molto complesse, spesso utilizzate per illuminare i cruscotti delle automobili, le luci esterne delle automobili e le tastiere dei dispositivi portatili.
Figura 7. Questa guida luminosa presenta una forma complessa che potrebbe trovare impiego in applicazioni per interni o esterni di autoveicoli. A destra è possibile vedere un primo piano delle caratteristiche di estrazione.
Tra le guide di luce più importanti figurano le lastre piatte utilizzate per illuminare gli schermi a schermo piatto di televisori, monitor, orologi e altri dispositivi. Questi tipi di guide di luce sono costituiti da lastre sottili e piatte di materiale con elementi di estrazione modellati su una delle facce. La luce viene iniettata nella guida luminosa da uno o più bordi, solitamente tramite LED. Il modello di emissione desiderato, che di solito è uniforme, si ottiene distribuendo accuratamente le caratteristiche di estrazione. A causa della complessità del sistema, è necessario un software di progettazione dell'illuminazione per ottimizzare il posizionamento delle texture e ottenere la distribuzione della luce desiderata.
Figura 8. Questa figura mostra una guida di luce a schermo piatto destinata a un piccolo dispositivo portatile. Tre LED immettono luce nella guida di luce nella parte inferiore, dove gli elementi di estrazione sono posizionati esclusivamente nei punti in cui il progettista desidera estrarre la luce per illuminare i comandi. L'immagine a destra mostra il modello di illuminazione risultante.
Le guide di luce possono anche assumere la forma di fibre ottiche. Le fibre ottiche sono «fili» di vetro molto sottili e flessibili, costituiti da un nucleo centrale ad alto indice di rifrazione e da un rivestimento esterno a indice inferiore. Le fibre ottiche sono molto utili per trasmettere la luce su grandi distanze e trovano ampio impiego in diverse applicazioni, quali le telecomunicazioni, la diagnostica per immagini e la chirurgia laser.
Che effetto ha la forma sulla guida di luce?
Sebbene le guide di luce possano piegarsi e assumere forme più complesse, è proprio in corrispondenza di queste curve che si verifica gran parte della dispersione luminosa. In corrispondenza di una curva, parte della luce intrappolata dal fenomeno TIR può incontrare il confine della guida con un angolo inferiore a quello critico e fuoriuscire dalla guida stessa. Questo aspetto deve essere gestito con attenzione attraverso la progettazione e la simulazione al computer.
Figura 9. Questa guida di luce cilindrica presenta una curva di 65 gradi e subisce una perdita di luce pari a circa il 10%. Più la curva è stretta, maggiore è la quantità di luce che fuoriesce dalla guida nel punto della curva.
Anche la rastrematura di una guida di luce può causare perdite. In generale, l'aumento della sezione trasversale man mano che ci si allontana dalla sorgente luminosa non comporta problemi, ma la riduzione della sezione trasversale porta solitamente a perdite, sia per dispersione che per riflessione della luce all'interno della guida e suo ritorno verso la sorgente luminosa. Ciò è particolarmente vero se la luce immessa nella guida di luce copre un ampio campo angolare.
Figura 10. Questa guida di luce cilindrica è stata rastremata per aumentare la sezione trasversale verso l'estremità opposta alla sorgente luminosa. In questo caso, il 100% della luce viene trasmesso attraverso la guida fino alla superficie di uscita.
Figura 11. Si tratta della stessa guida di luce della Figura 10, ma la conicità è invertita per ridurre la sezione trasversale della guida. In questo caso, una notevole dispersione di luce fa sì che solo circa il 6% della luce raggiunga la superficie di uscita.
Perché le guide di luce sono importanti?
Una guida di luce permette di convogliare la luce in punti dove è difficile o impossibile collocare direttamente la sorgente luminosa. Ad esempio, è possibile utilizzare una guida di luce per isolare una sorgente luminosa da un ambiente estremo, oppure per posizionare la sorgente e i relativi componenti elettronici in una posizione più comoda. È possibile utilizzare guide di luce di estrazione per sostituire l'illuminazione fluorescente nelle celle frigorifere, consentendo di collocare la sorgente luminosa all'esterno della cella per una maggiore efficienza energetica. Un altro esempio è la creazione di illuminazione per un ambiente chirurgico senza collocare componenti elettronici in prossimità del paziente.
Con le tecniche di estrazione della luce appropriate, le guide luminose possono assumere una varietà di forme, offrendo una maggiore libertà stilistica che le rende particolarmente apprezzate per i moderni design di fari anteriori e posteriori. Molti produttori utilizzano design di illuminazione esterna dalle forme uniche come elemento distintivo del marchio per le loro auto. Ulteriori applicazioni automobilistiche delle guide luminose includono l'illuminazione della strumentazione e di altri elementi del cruscotto, nonché le luci di lettura e le luci d'accento in tutto l'abitacolo.
Figura 12. Guide luminose utilizzate in un fanale posteriore per auto. Le guide luminose fungono sia da dispositivo di segnalazione che da elemento stilistico.
Un impiego comune delle guide di luce consiste nel distribuire la luce in modo uniforme su un'area estesa. Le applicazioni sono piuttosto varie, dalla visualizzazione di informazioni all'illuminazione di controllo, fino all'illuminazione d'accento. Grazie alla capacità di distribuire la luce, un progettista illuminotecnico può utilizzare un numero ridotto di sorgenti ad alta potenza, semplificando il sistema e riducendo i costi. Inoltre, poiché funziona con LED a risparmio energetico, una guida di luce può rappresentare una soluzione efficiente ed economica in molti scenari di illuminazione.
Come si progetta una guida di luce?
Sebbene le guide di luce siano dispositivi passivi relativamente semplici, il modo in cui la luce interagisce con esse è complesso. La progettazione di una guida di luce che funzioni correttamente e presenti il giusto aspetto luminoso richiede un'attenta progettazione ingegneristica. Strumenti di simulazione dell'illuminazione come LightTools e LucidShape forniscono agli ingegneri dell'illuminazione il set di strumenti adeguato per progettare, ottimizzare e analizzare le prestazioni di una combinazione guida di luce/sorgente luminosa prima di investire tempo, denaro e impegno nella realizzazione di un prototipo. Una volta soddisfatto delle prestazioni del modello nel software, l'ingegnere può realizzare un prototipo e confrontare i risultati della simulazione con le misurazioni effettive.
La progettazione delle guide di luce di estrazione è ancora più complessa. Gli ingegneri devono posizionare correttamente le texture per ottenere l'effetto desiderato dalla guida di luce. L'ingegnere deve inoltre verificare la direzione in cui si propaga la luce estratta, poiché ciò influisce sulla luminosità e sull'aspetto della guida di luce illuminata. Per svolgere questo compito e gestire le forme complesse richieste da molte guide di luce è necessario uno strumento specializzato come LightTools o LucidShape.
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