ITIM970002A1 - Apparecchio di illuminazione per la riduzione dell'intensita' dei riflessi indesiderati tramite l'emissione di luce opportunamente - Google Patents

Description

Introduzione.

La presente invenzione ha per oggetto un apparecchio di illuminazione vantaggioso per la riduzione dell'intensità dei riflessi indesiderati generati dall'incidenza della luce su superfici di separazione tra mezzi con differente indice di rifrazione, funzionante a luce polarizzata, con piano di polarizzazione del flusso luminoso emesso oppurtunamente orientabile.

I tipi di superfici di tale tipo, che generano una riflessione detta "di Fresnel" costituiscono, nelle normali condizioni ambientali, la grande maggioranza delle fonti di riflesso. Nel seguito sarà riportato un elenco non esaustivo di tipi di superfici reali per i quali l'invenzione trova applicazione vantaggiosa.

Stato anteriore della tecnica.

Gli apparecchi di illuminazione finora noti presentano l'inconveniente di causare riflessi indesiderati su molti tipi di superfici.

I metodi di riduzione dei riflessi finora utilizzati sono basati o su trattamenti anti-rif lesso delle superfici o sulla discriminazione dei riflessi indesiderati effettuata a valle del punto di riflessione, quando il disturbo raggiunge l'osservatore.

Nel caso di trattamento anti-riflesso delle superfici si presenta l'inconveniente che tale trattamento non è vantaggiosamente applicabile alla generalità delle possibili superfici, ma solo su alcune particolari superfici.

Nel caso di discriminazione del riflesso effettuato a valle del punto in cui questo si genera, si presenta l'inconveniente che occorre dotare di appositi occhiali o filtri o altri dispositivi tutti gli osservatori, siano essi persone o apparecchi di ripresa delle immagini. Inoltre l'efficacia di alcuni noti sistemi di discriminazione dei riflessi dipente spesso fortemente dalla verticalità della congiungente sorgente luminosa / osservatore, con conseguente forte limitazione delle possibili posizioni assumibili dagli apparecchi di illuminazione .

Scopo dell invenzione.

Scopo dell'invenzione è quello di utilizzare, in modo vantaggioso e mai utilizzato precedentemente per la riduzione dell'intensità dei riflessi, il fatto che la maggior parte delle fonti di riflessioni indesiderate che si presentano nelle normali condizioni ambientali si comportano con sufficiente approssimazione secondo il modello detto "riflessione di Fresnel".

Tale tipo di riflessione avviene quando la luce che attraversa un mezzo trasparente incontra la superficie di separazione con un altro mezzo di differente indice di rifrazione ed ha la caratteristica <'>di assumere, a parità di altre condizioni, intensità differente a seconda del piano di polarizzazione della luce incidente.

Al contrario di quanto precedentemente necessario, l'invenzione riduce l'intensità dei riflessi senza richiedere né di effettuare trattamenti fisici o chimici sulla superficie che genera il riflesso né di munire gli osservatori di filtri o occhiali o altri dispositivi e permettendo una maggiore libertà di posizionamento degli apparecchi di illuminazione.

La riduzione dell'intensità dei riflessi indesiderati favorisce un minore disturbo visivo, l'aumento dei rapporti dì luminanza nell'immagine osservata, e, di conseguenza, anche un miglioramento dell'acuità visiva.

Esempi di attuazioni vantaggiosa dal trovato.

In una attuazione vantaggiosa del trovato l'invenzione è costituita da una sorgente luminosa munita di dispositivi ottici di concentrazione, collimazione e delimitazione, di un dispositivo di polarizzazione della luce, dotato della possibilità di orientamento del piano di polarizzazione e di un dispositivo di puntamento del fascio luminoso emergente

Il dispositivo di orientamento del- piano di polarizzazione viene regolato in modo tale che il vettore campo elettrico delle onde elettromagnetiche che costituisco il flusso luminoso emesso risulti perpendicolare al piano di incidenza con la superficie di separazione tra i due mezzi.

Questo realizza la condizione di minima intensità di quei riflessi che seguono il modello detto "riflessione di Fresnel".

La regolazione del piano di polarizzazione può essere ottenuta sia per ricerca della minima intensità del riflesso, sia allineando al piano di incidenza dei riferimenti sul dispositivo di rotazione.

Il dispositivo di puntamento viene regolato in modo da proiettare la luce secondo le necessità e con un angolo di incidenza della luce sulla superficie il più possibile prossimo alla condizione di funzionamento ottimo dell'invenzione, tecnicamente indicato come "angolo di Brewster". In corrispondenza di tale angolo, la luce polarizzata come sopra indicato indicato non subisce teoricamente riflessione. Nella pratica il riflesso avrà un'attenuazione elevatissima.

Sono possibili molteplici attuazioni vantaggiose di questo schema di principio a seconda dello specifico utilizzo dell'apparecchio di illuminazione realizzato.

Una prima forma può essere semplicemente costituita da una sorgente luminosa e da un filtro polarizzatore opportunamente orientato; tale attuazione risulta ad esempio vantaggiosa nella realizzazione di apparecchi di illuminazione stradale.

Un'altra attuazione vantaggiosa, adatta ad esempio per vetrine, teche, ect., può essere costituita da una lampada con riflettore dicroico su cui · è applicato tramite una ghiera girevole il filtro polarizzatore, eventualmente integrato nel vetro di protezione e/o nel filtro anti UV.

Costituisce ancora attuazione vantaggiosa quella in cui il puntamento del flusso luminoso emesso viene effettuato, invece che per orientamento dell'intero apparecchio dì illuminazione, tramite dispositivi ottici.

Come ulteriore variazione è possibile utilizzare vantaggiosamente metodi differenti per la polarizzazione della luce emessa.

Una prima variante at<'>tuativa comporta l'uso di un filtro polarizzatore ad assorbimento della componente indesiderata, vantaggioso dal punto di vista dei costi e della semplicità di realizzazione dell'apparecchio di illuminazione .

In alternativa è possibile, a prezzo di una maggiore complessità della realizzazione, l'uso di filtri polarizzatori del tipo "a finestra di Brewster" (Brewster's window), a birifrangenza o simili, che permettono di recuperare la parte di flusso emesso dalla sorgente luminosa con piano di polarizzazione ortogonale a quello utile alla riduzione dei riflessi, aumentando di conseguenza l'efficienza energetica complessiva.

Tale flusso recuperato può quindi essere opportunamente irradiato in direzioni che non causano riflessi indesiderati o polarizzato anch'esso opportunamente e sfruttato nell'illuminazione con riduzione dei riflessi. In pratica i particolari di esecuzione, il tipo di sorgente luminosa, lo schema ottico di concentrazione collimazione e delimitazione della luce, il tipo di dispositivo polarizzatore o il metodo per ottenere la polarizzazione della luce emessa e la rotazione del piano di polarizzazione stesso, la posizione del dispositivo di polarizzazione all'interno dello schema ottico, compresa l’utilizzazione di una sorgente luminosa caratterizzata dall'emissione di luce già polarizzata o l'incorporazione del dispositivo di polarizzazione in altri dispositivi ottici, lenti o filtri, il metodo per variare il puntamento del fascio luminoso emergente sia esso ottenuto per orientamento della posizione fìsica dell'apparecchio o di sue parti o per deviazione della luce o altri mezzi, potranno comunque variare senza uscire dall'ambito del trovato e quindi dal dominio del brevetto d'invenzione.

Spiegazione dell 'invenzione in riferimento ai disegni. L'invenzione sarà ora spiegata con riferimento alle tavole allegate:

Tavola 1 figura 1: schema di principio di attuazione vantaggiosa del trovato.

"A" indica il corpo della sorgente luminosa costituita secondo le esigenze di ogni specifico uso.

"B" indica il dispositivo di polarizzazione dotato di possibilità di orientamento del piano di polarizzazione della luce emergente e di indicatori di allineamento con il piano di incidenza.

"C" indica il dispositivo di puntamento del fascio luminoso emergente.

"S" indica la superficie su cui incide la luce.

"I" indica la superficie di incidenza.

"teta" indica l'angolo di incidenza del raggio luminoso sulla superficie che causa il riflesso indesiderato.

Nella tavola 2 sono indicati:

"D" ed "E": grafici riportati a titolo di esempio dell'intensità delle riflessioni di Fresnel per i piani di polarizzazione del vettore campo elettrico rispettivamente perpendicolare e parallelo al piano di incidenza, nel caso di incidenza da aria ad acqua.

"F" grafico dell'attenuazione dell'intensità del riflesso indesiderato in rapporto all'intensità che il riflesso avrebbe nelle medesime condizioni di illuminazione in assenza dell'invenzione, valutato a titolo di esempio nel caso di fascio di luce che si propaga nell'aria ed incide su acqua.

"Angolo di Brewster" angolo di incidenza della luce per cui la riflessione della componente di polarizzazione parallela assume il valore zero e quindi l'angolo a cui l'apparecchio di illuminazione raggiunge la massima attenuazione dei riflessi.

Principi teorici di funzionamanto.

Come sarà indicato oltre, al punto "Esempi di applicazione", la maggior parte delle fonti di riflesso indesiderato si comportano più o meno esattamente secondo il modello di "riflessione di Fresnel".

Qui di seguito esaminiamo brevemente dal punto di vista teorico il grado di efficiacia che possiamo attenderci dal trovato, che utilizza in modo mai sfruttato prima le leggi della fisica ottica.

Per semplicità, le seguenti considerazioni sono valutate nel caso di fascio luminoso che incide sulla superficie dell'acqua, proveniendo dall'aria.

La trattazione è comunque totalmente generale e, per gli indici di rifrazione più comunemente incontrati, gli scostamenti rispetto al caso esemplificato sono ridotti. Siano allora:

- "ni" l'indice di rifrazione del mezzo da cui proviene la luce.

"n2" l'indice dì rifrazione del mezzo su cui incide la luce

"teta" l'angolo di incidenza della luce sulla superficie tra i due mezzi.

- "angolo di Brewster" il valore di teta che realizza la condizione:

teta = tan<_1 >(n2/nl )

Si verifica che al variare dell'angolo di incidenza l'intensità del riflesso causato dal flusso luminoso generato dall'invenzione sulla superficie dì separazione tra due mezzi con le caratteristiche ottiche indicate, confrontato con l'intensità del riflesso generato da un apparecchio di illuminazione di pari caratteristiche ottiche e fotometriche ma che non utilizza l'invenzione, varia nel seguente modo:

L'intensità del riflesso risulta attenuata per qualunque angolo di incidenza maggiore di 0 gradi e minore di 90 gradi, quindi per qualunque angolo esclusi i casi particolari di luce perpendicolare e parallela alla superficie.

- L'andamento della curva di efficacia di attenuazione (tavola 2 grafico "F") del riflesso varia a seconda degli indici nx ed n2 e, per ogni particolare coppia di mezzi trasparenti, raggiunge un massimo in corrispondenza dell'"angolo di Brewster", che nei casi più comuni (l<=n2<=1.7) assume solitamente un valore compreso tra i 50° ed i 65°. Ad esempio nel caso di luce che si propaga in aria ed incide su acqua abbiamo ni ~= 1, n2~=1.33, "angolo di Brewster" = tan<-1>(n2/nl) ~= 53°.

- In corrispondenza dell'angolo di Brewster l'intensità del riflesso è teoricamente ridotta a zero e quindi l'attenuazione è del 100%. Nei casi reali, il riflesso è ridotto molto fortemente risultando di intensità inferiore a 1/20 dell'intensità originale. Dalle prove pratiche effettuate risulta che in condizioni normali di uso il riflesso diventa visivamente inavvertibile. - Per angoli di incidenza vicini all'angolo di Brewster, l'attenuazione del riflesso si mantiene estremamente vantaggiosa. A titolo di esempio si può indicare che nel precedente caso aria/acqua, il riflesso è ridotto a meno di 1/10 del valore originale per tutti gli angoli di incidenza compresi nell'intervallo tra circa 43° e circa 62°. Tale intervallo di angoli di incidenza costituisce il posizionamento ottimale dell'apparecchio. Si noti che le norme sull'illuminazione delle opere d'arte prevedono un angolo di incidenza di 60°; a tale angolo di incidenza l'efficacia dell'invenzione risulta elevatissima, essendo nel caso aria/vetro l'intervallo di massima efficacia compreso tra 46° e 65°.

L'intervallo di angoli di incidenza per cui l'attenuazione del riflesso, pur non essendo elevatissima, risulta comunque vantaggiosa è molto ampio. Facendo ancora riferimento al precedente caso aria/acqua, risulta che l'intensità del riflesso viene ridotta ad un valore inferiore ad 1/2 per tutti gli angoli di incidenza contenuti nell'intervallo tra circa 33° e circa 12° . L'invenzione risulta quindi vantaggiosa anche in quei casi in cui le particolari condizioni di uso e di installazione non permettono di posizionare l'apparecchio nel rispetto delle condizioni ottimali.

Esempi di applicazione.

Risultano comportarsi come superfici di separazione tra mezzi di differente indice di rifrazione, e quindi causa di riflessi che si comportano secondo il modello detto "riflessione di Fresnel" per cui l'invenzione risulta vantaggiosa, vetri, cristalli o lastre di materiale plastico, superfici di liquidi, vernici e dipinti, a pavimentazioni stradali bagnate, a rocce lucidate come ad esempio graniti o marmi, pellicole di svariati materiali, e altro.

Causano invece riflessi non efficacemente attenuabili dal trovato le superfici di tipo metallico.

In un elenco non esaustivo di possibili applicazioni si citano la riduzione dei riflessi causati dagli impianti di illuminazione in mostre, musei, esposizioni, il miglioramento del confort visivo in presenza di piani di lavoro, lastre, pellicole ed altro, la riduzione dell'abbagliamento causato dal riflesso degli impianti di illuminazione stradale sulla pavimentazione bagnata, il miglioramento delle condizioni di lettura di documenti, giornali, riviste e altro patinati o plastificati, la riduzione dell'inquinamento luminoso conseguente all'illuminazione dal basso verso l'alto di monumenti e facciate di edifici, etc.

Esempi di ottenimento del trovato.

Analisi dei risultati.

L'efficacia pratica del trovato è stata sperimentata realizzando la seguente attuazione vantaggiosa:

Sorgente luminosa costituita da proiettore commerciale dotato di lampada ad incandescenza di tipo alogeno 12V 250W.

Mezzo di polarizzazione del flusso uscente costituito da filtro ad assorbimento della componente indesiderata, montato su ghiera girevole. Superfici di prova dell'efficacia del trovato costituite da:

.) Lastra piana di vetro, spessore 2 mm Rappresentativa del caso generico di oggetti o immagini disturbati da su vetro, come ad esempio, vetrine o quadri, etc.

.) Copertina stampata di rivista ricoperta da pellicola plastica protettiva.

Rappresentativa del caso generico di immagine piana disturbata dai generati dallo strato di protezione meccanica.

.) Riproduzione a stampa, senza pellicole protettive, di quadro (cosiddetto "poster").

Rappresentativa di immagine costituita da dispersione di pigmenti colorati in una matrice legante trasparente disposta su un supporto piano, in cui la fonte di disturbo è costituita dalla riflessione della luce sulla superficie della matrice stessa.

.) Marmo lucidato meccanicamente, senza applicazione di cere o altri rivestimenti.

Rappresentativo del comportamento di superficie

cristallina in cui l'immagine delle venature e

delle colorazioni è dovuta alle superfici di

separazione tra i grani cristallini, alle

microfratture, alle impurità disperse nella

roccia, etc.

5.} Acqua su asfalto comune

Le misurazioni sono state effettuate in camera oscura

con pareti verniciate di nero.

Il riflesso è stato proiettato per la visualizzazione

su uno schermo bianco del tipo per la proiezione di

diapositive, posto ortogonalmente al fascio di luce 3⁄4 riflesso.

La misurazione quantitativa è stata effettuata tramite

luxmetro digitale.

Gli angoli di incidenza per cui si è effettuata la

prova sono stati di 30°, 45°, 60°.

Entro gli errori strumentali è risultato che tutte

queste superfici hanno comportamento prossimo a quello

previsto e tale che le riflessioni indesiderate sono

vantaggiosamente attenuabili con l'uso dell'invenzione.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI Apparecchio di illuminazione, caratterizzato dal fatto di ridurre l'intensità dei riflessi indesiderati tramite l'emissione di luce opportunamente polarizzata. - Apparecchio di- illuminazione secondo la rivendicazione 1, caratterizzato da ciò che il suo corpo è costituito da una sorgente luminosa dotata dei dispositivi ottici di concentrazione collimazione e delimitazione del flusso luminoso, da un dispositivo di polarizzazione lineare della luce dotato della possibilità di orientamento del piano di polarizzazione della luce emessa e da un dispositivo di puntamento del flusso luminoso.