Lenti e riflettori

Difficilmente una sorgente luminosa emette nella maniera desiderata,  e per questo motivo vengono utilizzate lenti e riflettori per indirizzare la luce, concentrarla o diffonderla. 

Le sorgenti classiche (alogene, ioduri, sodio..) emettono in ogni direzione, con un angolo solido di 4 π steradianti ( 360°). Un LED emette nella porzione di spazio davanti a se, con un angolo solido di 2 π (180°).

Se si vuole illuminare un porzione ridotta dello spazio bisogna stringere il fascio luminoso. Se si vuole una luce diffusa ma che non abbagli allora bisognerà ridurre l’intensità aumentando la zona di emissione con un diffusore. In entrambi i casi bisogna utilizzare delle ottiche. Possiamo distinguere, diffusori, riflettori e lenti, anche se in alcuni casi si possono utilizzare degli ibridi di questi.

I diffusori sono materiali di vario genere con forma adattabile che utilizzano il fenomeno della diffusione o scattering. La luce attraversando il materiale rimbalza tra i suoi atomi come in un flipper e si diffonde. Questo avviene cedendo parte dell’energia e si ha un’attenuazione dell’intensità luminosa. La diffusione può essere più o meno intensa a seconda del tipo di materiale, dello spessore e del trattamento superficiale.

I riflettori (figura 2) utilizzano il principio della riflessione, dove l’angolo della luce incidente sulla superficie è uguale all’angolo della luce riflessa (figura 3). La luce riflessa allo stesso angolo è detta speculare (Ls), la luce riflessa ad altri angoli è detta diffusa (Ld), vi è poi una parte di luce che viene assorbita dal materiale (La). Si ha che Li = Ls + Ld + La.

Bisogna utilizzare il materiale adatto alla lunghezza d’onda della luce che si vuole riflettere, per la luce visibile il più utilizzato per le sue proprietà e basso costo è l’alluminio, per l’infrarosso, ad esempio, il migliore è l’oro. Solo a livello teorico la luce riflessa è il 100%. Una parte di luce assorbita c’è sempre come anche una componente di luce diffusa dovuta alle irregolarità della superficie. Esistono in commercio lamiere sottili di alluminio lucido con riflessione speculare del 98% (marca Anofol per citarne una). Il trattamento utilizzato per rendere l’alluminio riflettente col tempo ed agli agenti atmosferici subisce deterioramento. Anche se si utilizzano materiali di qualità e si proteggono i riflettori, l’efficienza è destinata a ridursi nel tempo. Per un riflettore di buona qualità, in fase di progettazione si può stimare un’efficienza del 95% – 90% considerando le perdite nel tempo ed applicando un fattore di sicurezza.

Le lenti (figura 4) utilizzano i principi di diffrazione e riflessione interna totale (TIR). Ogni volta che la luce cambia il mezzo di trasmissione, esempio da aria a plastica, subisce una deviazione. L’angolo di deviazione dipende dal materiale e dall’angolo di incidenza secondo la legge di Snell (figura 5). Nel passaggio da un mezzo più denso ad uno meno denso se l’angolo d’incidenza è superiore ad un valore limite non c’è diffrazione ma la luce viene totalmente riflessa (figura 6).

Questo valore limite dipende dall’indice di rifrazione dei due mezzi. Nell’utilizzo di una lente in plastica (pmma o pc) o vetro di pochi centimetri si possono trascurare le perdite per assorbimento del materiale, ma ci sono perdite dovute alla parte di luce riflessa in ingresso ed in uscita. Queste variano a seconda della geometria dell’oggetto, si consideri che un vetro piano di pochi millimetri di spessore causa una perdita del 4% per la luce visibile. Solitamente una lente di buona qualità ha un’efficienza tra l’80% ed il 90%. Le lenti per Led sono fatte solitamente in policarbonato (PC) o polimetilmetacrilato (PMMA). Il PC garantisce maggiore resistenza ma è più costoso e va trattato per prevenire l’ingiallimento da UV. Il PMMA non da problemi di invecchiamento, si lavora a basso costo e per questo è ormai la plastica più utilizzata. Di nuova generazione le lenti in silicone ottico con elevate prestazioni ottiche e meccaniche anche se di costo superiore.

 

Non c’è una regola per determinare quando usare una lento o un riflettore, dipende molto dalle specifiche di progettazione. L’efficienza massima con una lente la si ottiene con sorgenti puntiformi e con luce monocromatica. Lunghezze d’onda diverse hanno diversi angoli di diffrazione (figura 7). Più grande è il LED e meno riesco a concentrare il fascio luminoso con una lente a meno di avere una lente grande ed a grande distanza (figura 8 a, b).

Essendo solitamente lo spazio ridotto, in questi casi si passa al riflettore. I riflettori permettono di stringere il fascio luminoso di sorgenti estese. Anche in questo caso vanno calcolate le dimensioni disponibili.

 

 Nel caso in cui non ci sia l’altezza necessaria si può tagliare il riflettore rispetto alle dimensioni di progetto mantenendo comunque una buona efficienza. Parte della luce non verrà però concentrata ed andrà a formare un alone come si vede in figura 8. La realizzazione di un riflettore è più semplice di quella di una lente di grandi dimensioni. L’angolo di apertura del fascio è data dal rapporto tra diametro del LED, diametro maggiore del riflettore e sua lunghezza (figura 9). Il profilo del riflettore può essere a semplice cono oppure parabolico, ellittico o altro ancora, a seconda delle esigenze.

Esistono in commercio molte ottiche reallizzate appositamente per praticamente tutti i modelli di LED Cree, Philips, Osram, Seoul, Nichia, Sharp, Bridgelux, Citizen ed altri ancora. Si tratta di lenti e riflettori, con apertura del fascio dai 120° ai 5°, e sicuramente la prima scelta va ricercata li, in prodotti gia pronti ed a basso prezzo. Solo nel caso di esigenze particolari bisogna ricorrere alla progettazione custom.