Le ottiche e i sistemi per il controllo dell’emissione luminosa

In ambito ufficio il controllo dell’abbagliamento e la ricerca del comfort luminoso sono da sempre gli obiettivi primari del progetto di illuminazione. Fondamentale in tal senso la scelta di soluzioni illuminotecniche con ottiche e schermi prismatizzati che direzionano la luce in modo da non creare affaticamento visivo. Ottiche in grado di fornire la luce solo dove serve, consentendo al progettista di ottenere gli effetti desiderati e di raggiungere gli obiettivi di risparmio energetico.

Ma come si sono evolute le ottiche? E quali i riflessi sulle prestazioni e il design degli apparecchi?

La miniaturizzazione degli apparecchi, conseguita alla diffusione dei LED, ha cambiato in modo radicale l’approccio al controllo dell’emissione luminosa, che continua a rappresentare uno dei principali criteri di scelta dei sistemi di illuminazione.

La normativa e le certificazioni come lo standard WELL stabiliscono precisi criteri per una luce che consenta lo svolgimento dell’attività lavorativa e favorisca il benessere della persona. Ma non è solo una questione di performance e rispetto dei parametri, il tipo di emissione che connota l’apparecchio è funzionale alla definizione della giusta atmosfera luminosa. È pertanto fondamentale il ruolo del lighting designer, in grado di andare oltre al rispetto del valore di illuminamento medio e dell’UGR, per offrire il giusto equilibrio tra luce e ombra, per guidare le persone e valorizzare gli spazi.

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Il ruolo delle ottiche e le tipologie più diffuse

L’ottica è identificabile come l’insieme degli apparati atti a indirizzare la luce generata dalla sorgente luminosa in una particolare direzione, determinando così l’emissione luminosa dell’apparecchio stesso.

Le ottiche rappresentano dunque, insieme agli schermi prismatizzati, uno degli strumenti fondamentali per garantire il controllo del flusso luminoso, che determina il comfort visivo dell’apparecchio.

Dalle caratteristiche delle ottiche spesso discende una classificazione della tipologia di apparecchio. Partendo dagli esempi più comuni, ovvero le ottiche simmetriche o asimmetriche, che differiscono per il comportamento del solido fotometrico; nel primo caso l’ottica distribuisce il flusso uniformemente nello spazio, mentre nel secondo caso la distribuzione luminosa, rispetto a un asse, non è uniforme ma ha un punto di massima concentrazione.

Le ottiche spot identificano invece apparecchi con un fascio luminoso tipicamente tondo, che crea una simmetria di rivoluzione rispetto all’asse verticale dell’apparecchio. A queste si affiancano le ottiche ellittiche che aprono il fascio luminoso su uno dei due piani verticali.

Vi sono poi le ottiche definite con il termine inglese di wall-washer, utilizzato per definire un lavaggio di una superficie molto ampia. Questa tipologia ottica garantisce dunque una luce soffusa e morbida che pervade una grande superficie.

Anche gli schermi prismatizzati riescono a garantire un controllo della distribuzione luminosa, ottimizzando il comfort visivo dell’apparecchio. In questo caso, l’utilizzo di prismi o microprismi su uno schermo, riducono le caratteristiche di abbagliamento di un prodotto su un piano luminoso più ampio.

Sempre in relazione all’emissione luminosa, gli apparecchi possono essere definiti uplighter o downlighter, che indirizzano cioè il flusso luminoso verso l’alto per un’illuminazione indiretta, il secondo invece dirige la luce verso il basso direttamente sull’area di lavoro.

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Controllo dell’abbagliamento, un ambito in trasformazione

Anche la tecnologia utilizzata per il controllo dell’abbagliamento rappresenta un ulteriore criterio di classificazione. Ma in questo ambito l’evoluzione delle sorgenti e dei materiali ha portato a superare le soluzioni proposte in passato. Come ad esempio le ottiche Batwing, che significa letteralmente ala di pipistrello, adottate per indicare apparecchi che hanno sul piano C0-C180 una curva fotometrica che ricorda le ali di pipistrello. Questo tipo di curva fotometrica ha la caratteristica di avere valori di intensità più elevati in corrispondenza delle direzioni laterali, e di avere valori più ridotti nelle zone adiacenti l’asse verticale. Questo tipo di distribuzione, fa sì che la maggior parte della luce sul piano di lavoro provenga da direzioni per le quali è minimo il rischio dei riflessi assicurando confort visivo. Oggi sono pochi i produttori che offrono apparecchi con questa emissione luminosa, molto presente in esterno (per apparecchi stradali) meno per ambienti interni. Altro temine generico, ma ancora utilizzato per identificare le ottiche è darklight, che letteralmente significa luce scura, ovvero apparecchi a bassa luminanza. Questi prodotti, ancora presenti oggi, sono connotati da una luminanza molto bassa nelle zone esterne all’angolo nominale di emissione.

Le ottiche BAP, connotano invece apparecchi con un solido fotometrico che unisce alle caratteristiche dell’ottica batwing quelle dell’ottica darklight. Apparecchi oggi poco presenti nel mercato, così come prodotti caratterizzati da un buon cut off (che significa tagliare fuori), e si riferisce al taglio dell’emissione luminosa in certe direzioni.

Andando sempre più nel dettaglio, le ottiche e di conseguenza prodotti, vengono identificati per il tipo di applicazione, come le ottiche flood light per gli esterni, per una luce senza particolare controllo, hight bay dedicato agli apparecchi con lampade a scarica, sagomatori, ovvero apparecchi che fanno uso di lenti per produrre coni luminosi dai bordi esattamente definiti (ancora oggi molto usati soprattutto in ambito museale ed espositivo), proiettori fresnel con un fascio luminoso ben definito ma dai bordi sfumati…

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I LED guidano l’evoluzione di lenti e riflettori

La diffusione della tecnologia a LED ha portato alla definizione di nuovi apparati ottici con differenze sostanziali al passato.

Per il controllo dell’emissione luminosa del LED sono infatti previste un’ottica primaria con distribuzione fotometrica, con buona approssimazione, di tipo “lambertiano”, e ottiche secondarie che sono state al centro delle principali innovazioni negli ultimi anni.

Volendo schematizzare le ottiche secondarie sono riconducibili a due grandi famiglie: le lenti che sono soggette alla rifrazione e riflessione totale interna (TIR) e i riflettori che sono soggetti solamente alla riflessione. Le prime, ovvero le lenti, sono di altissima precisione e si riesce con il loro utilizzo a controllare perfettamente il fascio luminoso emesso; generalmente sono realizzate in PMMA, PC o silicone.

Nei riflettori, invece, la distribuzione fotometrica dipende dalla geometria del riflettore stesso, dal trattamento della sua superficie e dalle caratteristiche fisiche del materiale depositato all’interno del riflettore. Generalmente sono realizzati in PC (Policarbonato) o PCHT (Policarbonato High Temperature) e hanno un limite rispetto alle lenti: quello di avere una maggior dispersione del fascio emesso, perché non controllato.

Con le lenti, dunque, è possibile controllare puntualmente il flusso emesso, soprattutto quando si utilizzano fasci molto stretti. Nei riflettori invece la luce emessa da un riflettore, è composta da due flussi: quello diretto emesso dal LED che non controllato dal riflettore genera un alone, e quello riflesso che incide sul riflettore e crea la forma desiderata. In fase di progetto è perciò importante verificare queste caratteristiche, perché potrebbe generarsi un disturbo, percepibile e fastidioso, soprattutto su superfici chiare illuminate in maniera puntuale.

In entrambi i casi in fase di progettazione, è fondamentale conoscere le caratteristiche dell’apparecchio di illuminazione, valutare la posizione dell’ottica, capire se è a vista, se crea abbagliamento, se il prodotto ha la possibilità di avere vari accessori che modificano ulteriormente il flusso luminoso, che possano creare un confort visivo…

Va poi sottolineato che nell’era delle sorgenti LED gli accessori hanno assunto un ruolo primario nella progettazione illuminotecnica, perché è sempre più necessario andare a migliorare, modificare, schermare l’emissione luminosa dei prodotti, soprattutto in applicazioni particolari, come gli ambienti museali, piuttosto che i luoghi di lavoro dove la qualità della luce è fondamentale.

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Gli input delle normative

A guidare l’evoluzione dei sistemi ottici vi sono anche le norme che, definendo nuovi requisiti illuminotecnici in relazione al tipo di applicazione, spingono il settore dell’illuminazione alla ricerca e sviluppo di soluzioni sempre più performanti.

Con riferimento all’illuminazione dei posti di lavoro, importante per garantire la sicurezza e il benessere dei lavoratori e delle persone che vivono questi spazi, le norme che trattano l’argomento sono:

• la UNI EN 12464-1:2021 (che sostituisce la UNI EN 12461:2011) dal titolo: “Luce e illuminazione – Illuminazione dei posti di lavoro – Parte 1: Posti di lavoro in interni” che stabilisce i requisiti minimi per l’illuminazione dei luoghi di lavoro interni in modo da soddisfare le esigenze di sicurezza, il comfort e la prestazione visiva delle persone;

• UNI 11165:2005 “Valutazione dell’abbagliamento molesto con il metodo UGR” «Unified Glare Rating» (indice unificato di abbagliamento luminoso) e indica un metodo per la valutazione dell’effetto di abbagliamento degli impianti di illuminazione in ambienti interni.

Nell’ultima versione della norma UNI EN 12464-1 le raccomandazioni contenute nelle tabelle di riferimento tengono maggiormente in considerazione le esigenze dell’utente. Pertanto, i requisiti per l’illuminamento necessario sono più differenziati. Inoltre, la relazione tra l’area del compito e il suo ambiente circostante e l’area di sfondo è più dettagliata. Devono cioè essere considerate, oltre all’illuminamento dell’area del compito visivo, anche altre due aree, ovvero quella immediatamente circostante e l’area di sfondo. Vengono poi chiariti i requisiti di abbagliamento per un migliore utilizzo e fornite informazioni sull’impatto degli effetti visivi e non visivi (non formanti immagini) della luce sulla performance e sul benessere delle persone.

Per avere un ambiente luminoso equilibrato, è necessaria una corretta illuminazione delle pareti e del soffitto, in questo senso la norma da prescrizioni per il livello minimo dell’illuminamento medio del soffitto e pareti e le loro relative uniformità.

Altri due parametri importanti vanno sempre considerati in fase di progettazione: l’illuminamento cilindrico e il modellato; l’illuminamento cilindrico garantisce il riconoscimento visuale, la norma prevede un valore di almeno 150 lx cilindrici medi per ambienti come scuole, uffici, sale riunioni ecc. e 50 lx cilindrici medi per gli altri ambienti. Esso è calcolato per tutta l’area del locale in piani ad altezze dal pavimento di 1,2 m per persone sedute, e 1,6 m per persone in piedi. L’uniformità dell’illuminamento cilindrico deve essere ≥0,1.

L’illuminamento modellato invece è un rapporto tra la luce direzionale e diffusa. Un valore equilibrato di modellato esalta le caratteristiche strutturali di persone e oggetti presenti nel locale. I valori da 0,2 a 0,6 sono buoni indicatori di modellato.

L’abbagliamento è un ulteriore parametro che va valutato attentamente; esso serve per garantire un buon ambiente luminoso. Per il calcolo il riferimento è la norma UNI 11165 che specifica l’indice unificato di abbagliamento (UGR). Una valutazione relativa alla sfera «psicologica», che valuta cioè il fastidio provocato dall’abbagliamento, che tuttavia non comporta una riduzione della capacità visiva. Il metodo di calcolo fornisce risultati rilevanti quasi solo per gli apparecchi di illuminazione con illuminazione diretta e considera solo l’abbagliamento diretto tramite apparecchi di illuminazione, ma non la formazione di riflessi causata dalla riflessione sulle superfici. I valori limite dell’abbagliamento sono indicati nella norma per ogni singolo compito visivo.

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L’evoluzione dei sistemi ottici

Dal confronto diretto con le aziende, abbiamo delineato le azioni messe in atto per rispondere ai nuovi requisiti imposti dall’evoluzione delle sorgenti e dalle più recenti prescrizioni normative.
Come abbiamo visto, il cuore dell’apparecchio di illuminazione, ovvero la parte più tecnica del prodotto, è ciò che fa la differenza quando si pone l’attenzione sulla tematica del controllo dell’emissione luminosa.
Per poter garantire il corretto controllo, specialmente quando ci si trova in ambienti lavorativi, vengono presi in considerazioni nuovi parametri di riferimento, come raccontano Michele Lori, sales director di Siteco Italia e Katrin Schroll, head of optics development di Siteco: “I requisiti per gli elementi ottici odierni sono aumentati in modo significativo e sono diventati molto più complessi rispetto alle vecchie ottiche lamellari per le lampade T5 o T8. Oltre a soddisfare i requisiti normativi per la limitazione dell’abbagliamento fisiologico e psicologico, è importante che l’ottica fornisca anche un aspetto visivamente piacevole per l’utente. Aspetti come, la pressione della luce generata da un apparecchio, come definita da Bartenbach, e le grandi differenze nella luminanza della superficie dell’apparecchio, non sono rappresentati nei requisiti normativi attuali ma, sono comunque molto importanti da considerare a causa della crescente luminanza degli stessi LED. Inoltre, è molto importante direzionare correttamente ed efficientemente la luce con materiali che abbiano una lunga durata in termini di invecchiamento anche in considerazione delle aumentate temperature e dell’insistenza della luce blu presenti nelle tecnologie odierne. Se dunque in passato le opzioni erano per lo più limitate alle ottiche lamellari e più tardi agli schermi prismatizzati composti da diverse lastre di materiale plastico, oggi tutto è cambiato. Una delle ragioni principali di questa ampia disponibilità è data dalla flessibilità nell’arrangiamento dei singoli LED e dalla variabilità delle loro dimensioni. Si parte con le ottiche a lenti, per poi passare ai riflettori in materiali riflettenti bianchi o speculari, alle combinazioni di lenti/riflettori, alle lastre a giuda di luce, alle camere luminose, alle lastre prismatiche o microstrutturali e alle loro combinazioni. A causa di queste infinite possibilità, l’ottica è diventata un elemento di design predominante nell’illuminazione per gli uffici”.

Con riferimento alla performance illuminotecnica, in termini di bassa luminanza e uniformità luminosa, specifica Daniele Di Somma, ufficio marketing e design di 3F Filippi: “Ogni volta che progettiamo un nuovo apparecchio, non possiamo prescindere da alcune caratteristiche essenziali. In primo luogo è necessario garantire l’uniformità della luce, ovvero assicurare un’illuminazione uniforme sull’intera area di lavoro. Un controllo accurato del flusso luminoso evita differenze significative tra le zone illuminate e quelle in ombra, riducendo l’affaticamento e migliorando il comfort visivo generale.

Le ottiche devono poi essere progettate per ridurre al minimo l’abbagliamento diretto che può causare disagio e affaticamento visivo, influenzando negativamente la produttività e il benessere degli occupanti gli ambienti di lavoro. Ad oggi in 3F Filippi diamo particolare attenzione alle nuove raccomandazioni o certificazioni LEED/WELL con richieste sul controllo angolare del fascio luminoso ancora più severe di quelle richieste dalle Normative Europee.

Infine, ottiche e schermi giocano un ruolo fondamentale nel controllo del flusso luminoso dell’apparecchio. La sfida sta nel riuscire a garantire elevate performance senza andare a discapito di abbagliamento e intensità luminosa. Per questo motivo, quando sviluppiamo un nuovo prodotto il nostro dipartimento R&D studia a sviluppa ottiche e schermi che consentono ampi passi di installazione garantendo performance, uniformità della luce e bassi valori di abbagliamento. Integrando queste caratteristiche, definiamo un sistema illuminotecnico in grado di offrire un controllo preciso della luce negli ambienti ufficio, migliorando l’efficienza, il comfort e il benessere degli occupanti”.

Entra nel dettaglio Ileana Conselvan, marketing specialist di TRILUX Italia: “Gli apparecchi Trilux per uffici si distinguono tra apparecchi con ottiche e apparecchi con lenti. La combinazione permette di avere il massimo controllo dell’illuminazione e di limitare gli abbagliamenti su videoterminali.

Dalla scelta dei materiali al design, fino ai componenti illuminotecnici degli apparecchi, tutte le soluzioni devono soddisfare i massimi requisiti in merito alla qualità dei prodotti, dei dati, del design e della luce. Le soluzioni d’illuminazione per l’ufficio, a seconda del posto di lavoro e dei requisiti, supportano i processi lavorativi, tenendo conto delle esigenze individuali dei collaboratori e garantiscono un’atmosfera che mette a proprio agio. Le tecnologie sono varie e permettono soluzioni diversificate, le principali sono: apparecchi con ottiche in alluminio, apparecchi con lenti, apparecchi con ottiche cut-off, apparecchi con tecnologia ConVision® che producono una luce particolarmente piacevole perché è direzionale e fanno percepire lo spazio e gli oggetti in modo particolarmente vivido”.

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Materiali e tecnologie: sviluppi futuri

Il futuro dello sviluppo di prodotti illuminotecnici destinati a luoghi di lavoro con emissione della luce controllata si concentra su diverse innovazioni in termini di materiali e tecnologie, introduce il tema Daniele Di Somma: “Alcuni degli obiettivi futuri includono le tecnologie di controllo intelligente, ovvero sistemi di controllo luminoso intelligenti basati su sensori avanzati, intelligenza artificiale (AI) e Internet delle cose (IoT). Tecnologie che consentono già da oggi una regolazione dinamica dell’intensità luminosa in risposta alle condizioni ambientali, alle attività svolte e alle preferenze degli utenti. Un altro tema di approfondimento riguarda le ottiche adattive in grado di adattarsi dinamicamente alle variazioni ambientali, come la presenza di persone o la luce naturale. Ciò contribuirà a massimizzare l’efficienza energetica e a mantenere livelli ottimali di illuminazione in ogni momento. Anche in questo ambito è poi fondamentale la ricerca sui materiali sostenibili, riciclabili, biodegradabili e a bassa emissione di carbonio fondamentali per ridurre l’impatto ambientale dei prodotti illuminotecnici. In 3F Filippi ogni prodotto è concepito come piattaforma adattabile ai bisogni dei nostri clienti, in modo da permetterne il suo riutilizzo, ricondizionamento, miglioramento (upgrade) e riciclo. A rafforzare l’attenzione alla sostenibilità inoltre applichiamo il Life Cycle Assessment quale valutazione del ciclo vita di un prodotto per il raggiungimento della massima efficienza energetica possibile e della massimizzazione della durata di un prodotto nel tempo. Sul fronte delle sorgenti LED la ricerca mira a migliorare l’efficienza, la durata e la qualità del colore. L’introduzione di LED avanzati, come OLED (Organic Light Emitting Diodes) e QLED (Quantum Dot LED), potrebbe portare a una maggiore flessibilità nell’implementazione di soluzioni di illuminazione controllata. Questi obiettivi riflettono la tendenza verso una illuminazione più intelligente, sostenibile e personalizzabile per i luoghi di lavoro del futuro”.

Vi è poi una forte attenzione allo sviluppo di nuove soluzioni legate al design degli apparecchi di illuminazione, come ci spiega Michele Lori con riferimento a un recente progetto: “Per il nostro apparecchio Silica 21 Eldacon P, siamo partiti dal design del nostro brevetto Eldacon a 3 strati, sviluppando una tecnologia originariamente nata con le lampade fluorescenti. Utilizzando nuove tecniche di produzione, una combinazione di stampaggio a iniezione di precisione e stampa a colori di precisione multistrato, otteniamo una riduzione dell’abbagliamento molto significativa. La costruzione brevettata di elementi ottici rifrangenti e riflettenti crea una superficie di emissione della luce omogenea attraverso un’innovativa struttura microlenticolare che raggiunge un eccellente comfort visivo, offrendo la possibilità al prodotto di essere facilmente utilizzato in qualsiasi ambiente”.

Per ottimizzare al meglio il problema della manutenzione e gestione, le nuove tecnologie, possono offrire un aiuto, come sottolinea Ileana Conselvan: “La combinazione tra l’ottica dell’apparecchio e la sua gestione sarà sempre più il tratto distintivo del lighting designer. È possibile interagire singolarmente con gli apparecchi e adattarsi di conseguenza al progetto dal punto di vista qualitativo e quantitativo. I sistemi di gestione, come LiveLink ONE, permettono di mettere in rete gli apparecchi di illuminazione in sistemi intelligenti e adattivi. In questo modo è possibile ridurre i costi di gestione e proteggere l’ambiente.

Le soluzioni per ufficio controllate tramite la gestione della luce massimizzano il comfort luminoso, riducono al minimo i costi energetici e sono una componente centrale della gestione sostenibile degli edifici”.

In conclusione, l’ottica non è solamente utile, ma è fondamentale nella progettazione illuminotecnica, perché permette di gestire la luce, offrendo l’opportunità di ottenere degli effetti particolari, di coprire determinate distanze, di garantire confort e risparmio energetico.

La scelta del giusto prodotto di illuminazione deve partire, oggi più di prima, dall’analisi dell’emissione luminosa dal vivo: la luce va vista per essere progettata, è fondamentale testare il prodotto per verificarne la pulizia del fascio luminoso, la quantità di luce emessa, l’abbagliamento diretto e indiretto, capire se i materiali con cui sono realizzati i vari componenti possono modificare la temperatura di colore della luce.