ITMI20081135A1

ITMI20081135A1 - Dispositivo di illuminazione

Info

Publication number: ITMI20081135A1
Application number: IT001135A
Authority: IT
Inventors: Trapani Paolo Di; Marta Cecilia Pigazzini
Original assignee: Trapani Paolo Di
Priority date: 2008-06-24
Filing date: 2008-06-24
Publication date: 2009-12-25
Also published as: WO2009156348A1; ES2545785T3; US8622560B2; ES2582103T3; EP3181999B1; US20140192509A1; USRE48601E1; EP2304478B1; US8469550B2; DK2304478T3; EP2304480B1; USRE46418E1; EP2918903B1; US20110194270A1; US11067251B2; DK2304480T3; EP2304478A1; WO2009156347A1; US10371354B2; US20190331318A1

Description

“DISPOSITIVO DI ILLUMINAZIONE”

DESCRIZIONE

La presente invenzione è relativa ad un dispositivo di illuminazione. Più particolarmente, l’invenzione riguarda un dispositivo di illuminazione artificiale in grado di riprodurre in ambienti chiusi la luce ed i colori del sole e del cielo, mediante abbinamento di una sorgente di luce artificiale ad ampio spettro e di un particolare diffusore cromatico nanostrutturato

Lo scopo dell’invenzione è quello di realizzare una innovativa tipologia di illuminazione artificiale in grado di ricreare un aspetto fondamentale e sino ad oggi trascurato dell’illuminazione naturale, ovverosia la contemporanea presenza di due diverse sorgenti di luce, cioè la luce del cielo e la luce del sole, che sono diverse per colore, intensità, direzionalità ed estensione spaziale. Il cielo infatti è responsabile della presenza di una luce

diffusa con dominante azzurra, cioè “fredda”, in linguaggio comune, emessa da una superficie estesa e quindi in grado di illuminare le ombre. Il sole, invece, è responsabile della presenza di una luce con componente azzurra ridotta, cioè “calda”, la quale, essendo emessa da un area sottesa ad un angolo solido limitato, illumina gli oggetti solo di luce diretta.

Il miglioramento della qualità dell’illuminazione artificiale è oggi una necessità prioritaria. Sono infatti sempre di più le circostanze per cui l’uomo si trova a trascorrere una grande parte della sua vita in condizioni di illuminazione artificiale. Questo, per le caratteristiche costruttive di numerosi spazi industriali, ospedalieri, grandi magazzini, metropolitane, aeroporti e simili, le cui zone interne non sono esposte alla luce diretta del cielo e del sole. Inoltre, in diverse regioni del pianeta, le condizioni di bassa temperatura (per esempio in Canada) o, viceversa, di alta temperatura ed umidità (per esempio a Singapore), che caratterizzano lunghi periodi dell’anno, favoriscono sempre di più lo sviluppo della così detta urbanistica sotterranea, essendo sottoterra molto più facile ottenere un adeguato controllo del clima. Infine, la qualità dell’illuminazione artificiale ha un notevole impatto sulla qualità della vita per le popolazioni che vivono alle alte latitudini, dove la luce del sole è scarsa o assente durante lunghi periodi dell’anno.

D’altra parte, la questione energetica pone oggi in primissimo piano la necessità di ridurre i consumi di energia elettrica utilizzata per illuminazione. Come si deduce dalle recenti normative, tale necessità richiede di rinunciare entro pochi anni alla tradizionale illuminazione ad incandescenza, che produce uno spettro di emissione di corpo nero simile a quello solare ma che dissipa la maggior parte dell'energia in calore, in virtù di nuove tecnologie, quali ad esempio quella dei LED e diodi laser. La tecnologia LED, già ampiamente affermata nella retro-illuminazione di schermi e pannelli, nella segnaletica stradale ed in quella applicata alle automobili, si affaccia oggi ad entrare anche nel mercato dell’illuminazione di interni e di esterni. Una delle principali difficoltà è in questo caso costituita dalla qualità dell’illuminazione, soprattutto per le tipologie di sorgenti di minor costo, che esibiscono minori consumi. Questo è il caso, ad esempio, dei LED InGaNGaN emettenti nel blu (a 430-470nm) completati dalla presenza di un fosforo che emette radiazione a larga banda nel giallo (intorno ai 580nm). Tali sorgenti hanno un profilo spettrale che si differenzia sostanzialmente da quello di un corpo nero, presentando un picco di massima intensità in corrispondenza della lunghezza d’onda di emissione del LED, ed un secondo picco di intensità minore in corrispondenza del massimo di efficienza di emissione del fosforo. La difficoltà legata a questo tipo di sorgenti è sia connessa alla temperatura colore molto alta (≈7000K), come descritto in US 7,259,400, che conferisce alla luce il caratteristico colore azzurrognolo, sia alla mancanza delle componenti verdi e rosse nello spettro. Sebbene questa mancanza non si noti nell’illuminazione di un oggetto bianco, dato che la componente gialla prodotta dal fosforo eccita in modo bilanciato i sensori sensibili al rosso ed al verde nell’occhio, essa diviene importante nell’illuminazione di ambienti colorati, dato che oggetti verdi o rossi appaiono scuri.

Nel panorama dell’attuale sviluppo tecnologico, la maggior parte degli sforzi volti al fine di migliorare la qualità dall’illuminazione si concentrano sulle caratteristiche spettrali della luce prodotta avendo lo scopo di renderla percettivamente il più possibile simile a quella solare. Nel contesto di quanto sopra illustrato, tale approccio non coglie, tuttavia, il sopradescritto aspetto fondamentale che caratterizza l’illuminazione naturale, e cioè la presenza in natura non di una ma di due diverse sorgenti di luce: il cielo ed il sole. L’effetto può essere compreso considerando la diversa CCT (Correlated Color Temperature) delle due sorgenti, definita come la temperatura del radiatore di Plank (corpo nero) che viene dall’occhio percepito di colore più simile a quello della sorgente in esame. Se si considera ad esempio l’illuminazione naturale nel tardo pomeriggio, quando il cielo, luminoso quasi quanto il sole, ha una CCT sopra i 9000K, ed il sole una CCT sotto i 4000K, è evidente che lo spettro risultante dalla somma delle due sorgenti è ben lontano da uno spettro di corpo nero, avendo due picchi separati, uno nel blu ed uno nel giallo, ed un minimo in mezzo, nel verde. Ciononostante l’occhio trova estremamente gradevole questo tipo di illuminazione. Pertanto la presenza di questo particolare bi-cromatismo, associato a luce diretta e diffusa, è un elemento importante, mai considerato sinora, da aggiungersi ai precedenti per stimare la qualità e la gradevolezza dell’illuminazione artificialmente creata.

È inoltre opportuno notare che una modalità di illuminazione basata su una sola tipologia di sorgente può al più simulare, nel caso di un profilo spettrale simile a quello del sole, l’illuminazione “lunare”. In questo contesto le ombre, essendo molto scure, non sono gradevoli. Per questo motivo spesso l’illuminazione artificiale usa molte sorgenti, o riflessioni sulle pareti o sul soffitto, per minimizzare le ombre.

Una prima proposta per una illuminazione artificiale basata sulla ricostruzione indoor dell’illuminazione naturale in quanto composta dal cielo e dal sole è stata presentata in un lavoro espositivo realizzato dai presenti inventori in varie mostre di scienza ed arte, presentate fra l’altro al Festival della Scienza di Genova nel 2003 e 2005 e presso la Stazione Ferroviaria di Vilnius (Lituania) nel 2007 (www.diluceinluce.eu). In tali contesti sono state realizzate diverse installazioni e diversi apparati sperimentali comprendenti la ricostruzione “indoor” del cielo, ovverosia la ricostruzione del medesimo processo di diffusione di Rayleigh causato dalle fluttuazioni nanometriche in densità di un mezzo trasparente che, nel caso dell' atmosfera, determina la luce ed il colore del cielo ed del sole. Come elemento diffondente è stata utilizzata una dispersione acquosa di nanoparticelle di silice, aventi diametro di circa 20nm. Tale dispersione, presentando fluttuazioni di indice di rifrazione di ampiezza importante (circa il 15%) su lunghezze di scala inferiori ad 1/10 della lunghezza d’onda, ha consentito la realizzazione di un buon diffusore operante in regime di Rayleigh. Alle concentrazioni massime utilizzate, cioè per una frazione di volume di silice pari al 2% del volume della dispersione, essa si è dimostrata in grado di produrre su un fascio di luce che la attraversa per pochi metri la stessa variazione cromatica che, in atmosfera, richiede centinaia di chilometri di percorrenza. La dispersione così realizzata è stata disposta in vasche trasparenti di PMMA per il contenimento. Si sono poi utilizzate sorgenti di luce “bianca” per simulare il sole, e cioè lampade alogene con filtri di calibrazione o lampade a scarica ai vapori di mercurio. Impiegando diverse concentrazioni della dispersione, diversi volumi di cielo, diverse geometrie di installazione comprendenti accostamenti di vasche di forma e dimensioni differenti, diverse posizioni di cielo e sole, nonché la presenza di schermi assorbenti o riflettenti per simulare le nubi, si sono ottenute spettacolari ricostruzioni degli effetti di luce dovuti alla presenza del cielo e del sole nelle diverse ore del giorno. La dispersione in acqua di nanoparticelle presenta tuttavia numerosi problemi che rendono pressoché impossibile il suo utilizzo in ambito illuminotecnico. Infatti a causa del diverso peso specifico, Ps, tra acqua e nanoparticelle, che tipicamente cresce con il valore dell’indice di rifrazione delle nanoparticelle, n1, (per es. Ps= 2,2 e n1= 1,5 per SiO2, mentre Ps= 4,23 e n1= 2,7 per TiO2), le nanoparticelle tendono a depositare per gravità sul fondo del recipiente, essendo tenute in sospensione dal solo moto browniano. Per questo la sospensione deve essere periodicamente agitata. Per lo stesso motivo la concentrazione delle nanoparticelle non è costante, ma diminuisce con l’altezza. Il problema può essere ridotto, ma non eliminato, utilizzando nanoparticelle di diametro piccolissimo, così da massimizzare l’effetto del moto browniano. In tal caso, però l’efficienza di diffusione ne risente in modo decisivo, fatto questo che comporta necessariamente l’uso di spessori di diffusori molto elevati (almeno dell’ordine della decina di cm). Inoltre la sospensione in liquido è poco stabile dal punto di vista batteriologico, soprattutto se esposta di continuo alla luce. Essa presenta poi il rischio di gelo, che ne impedisce l’uso per installazioni da esterno. Non da ultimo, il mezzo liquido presenta il problema del contenimento, tutt’altro che banale nel caso di diffusori di dimensioni medio grandi, nonché la necessità di contrastare la pressione dovuta all'altezza del liquido, che comporta l'impiego di vasche realizzate con materiale di elevato spessore (diversi cm) nel caso di altezze superiori al metro lineare.

US 6791259 B1 descrive un sistema di illuminazione a luce bianca comprendente un LED o diodo laser, un materiale diffusore della luce ed un fosforo o materiale colorante luminescente. Il materiale diffusore comprende preferibilmente particelle disperse in un supporto. Le particelle che diffondono la luce hanno un diametro tra 50 e 500 nm, preferibilmente hanno un diametro compreso tra λ/3 e λ/2, dove λ è la lunghezza d’onda del picco di emissione della sorgente di radiazione. In tale applicazione, tuttavia il nanodiffusore cromatico è integrato a livello dell’elemento attivo della sorgente, cioè è posto o prima del fosforo o nel fosforo, al fine di diffondere preferibilmente la componente blu prodotta dal LED o diodo laser, altrimenti a bassa divergenza, ed uniformarla a quella gialla diffusa dal fosforo, prodotta invece naturalmente con ampio angolo di divergenza. Il fatto che le due componenti gialla e blu siano diffuse da centri diffusori praticamente coincidenti è condizione necessaria per rimuovere il fenomeno dell’ “alone”, caratterizzato dalla presenza di un colore blu dominante nella direzione di massima emissione, e di un colore giallo dominante nella zona perifierica del cono di luce prodotto dalla sorgente, ovverosia per uniformare la distribuzione cromatica della radiazione a diversi angoli.

WO 02/089175 descrive sorgenti luminose basate sull’UV a ridotta dispersione della radiazione UV. Le sorgenti luminose sono dei LED che emettono nell’UV e che sono abbinati a riflettori UV costituiti da particelle disperse in un materiale solido trasparente alla luce visibile. Un materiale fosforescente viene applicato sulla sorgente UV per convertire la radiazione UV in luce visibile. In una particolare realizzazione il materiale fosforescente viene applicato sulla superficie del LED a UV ed uno strato di materiale diffusore viene applicato sullo strato fosforescente. Questa struttura di dispositivo di illuminazione è finalizzata a ridurre l’entità di radiazione UV non convertita in luce visibile e non si occupa del problema della riproduzione di una luce simile alla luce naturale prodotta dal sole e dal cielo. Uno scopo della presente invenzione, nelle sue diverse varianti, è quello di realizzare un nuovo tipo di dispositivo di illuminazione artificiale in grado di riprodurre la contemporanea presenza di due diverse componenti cromatiche: la luce del cielo, che ha dominante azzurra (“fredda”), e la luce del sole, con componente azzurra ridotta (“calda”), che illumina gli oggetti di luce diretta. Pertanto, mentre i dispositivi illuminanti noti sono finalizzati a produrre luce bianca uniforme, risultato a volte ottenuto mediante opportuno ed omogeneo mescolamento di sorgenti di diverso colore, la presente invenzione si propone lo scopo opposto di “separare” diverse componenti cromatiche di una sorgente a larga banda spettrale. Tale separazione di colori non avviene però in modo generico, come ad esempio mediante l’utilizzo di un rifrattore (per esempio un prisma) che devia diverse lunghezze d’onda a diversi angoli, o di un filtro che assorbe una porzione dello spettro della sorgente e trasmette la porzione complementare, o di uno specchio che ne riflette e trasmette altre porzioni. Al contrario, essa si realizza grazie allo stesso meccanismo che origina la separazione dei colori in natura, creando la corretta distribuzione spettrale caratteristica della luce del cielo e del Sole.

I suddetti ed altri scopi e vantaggi dell’invenzione vengono raggiunti con un dispositivo di illuminazione comprendente una sorgente di luce artificiale ad ampio spettro comprendente uno o più elementi attivi che emettono fotoni o che li assorbono per poi riemetterli a maggiore lunghezza d’onda, ed un diffusore cromatico posto a valle di essi e comprendente elementi di un primo materiale non liquido trasparente alla luce visibile ed avente indice rifrazione n1dispersi in un secondo materiale non liquido trasparente alla luce visibile ed avente indice rifrazione n2, per cui |n2/n1-1|>0,1 e per cui la dimensione lineare tipica, d, degli elementi dispersi del primo materiale soddisfi la condizione 5nm ≤ d ≤ 300nm, caratterizzato dal fatto che la dimensione massima (Lmax) di detto diffusore è uguale o maggiore al doppio della dimensione minima (dmin) della proiezione del più grande elemento attivo appartenente a detta sorgente di luce sul piano perpendicolare a:

a. in caso di sorgente di luce ad emissione anisotropa, la direzione di massima emissione (Imax) di detta sorgente; o

b. in caso di sorgente di luce ad emissione isotropa, la direzione definita dalla retta che congiunge i due punti più prossimi (Iprox) di detta sorgente e di detto diffusore,

come espresso dalla relazione Lmax≥ 2 dmin;

in cui la dimensione massima Lmaxdi detto diffusore è definita come la maggiore tra le massime distanze di due punti appartenenti alla proiezione del diffusore su un piano perpendicolare o parallelo alle direzioni Imaxo Iproxdefinite sopra.

Nel caso in cui Lmaxsia la distanza tra due punti appartenenti alla proiezione del diffusore su un piano perpendicolare alle direzioni Imaxo Iprox, essa viene definita anche come “dimensione trasversale” del diffusore, mentre nel caso in cui Lmaxsia la distanza tra due punti appartenenti alla proiezione del diffusore su un piano parallelo alle direzioni Imaxo Iprox, essa viene definita anche come “dimensione longitudinale” del diffusore.

Il fenomeno per cui il dispositivo proposto è in grado di realizzare la separazione e diversa distribuzione tra componenti “fredda” e “calda” della luce originariamente prodotta dalla sorgente è il processo di diffusione di luce in materiali trasparenti nano-strutturati in regime di “Rayleigh”, ovverosia in condizioni per cui l’efficienza di diffusione cresce con l’inverso della quarta potenza della lunghezza d’onda. Tale fenomeno è lo stesso che determina, in natura, il colore e la luminosità del cielo, il colore delle ombre in quanto aree illuminate dalla luce proveniente dal cielo, il colore della luce diretta del sole dopo che essa ha attraversato l’atmosfera, e le sue variazioni nel corso della giornata, delle stagioni, ecc.

Quando un fascio di luce collimato viaggia nello spazio vuoto, o in un mezzo perfettamente trasparente, cioè che non assorbe nella regione spettrale di interesse, ed omogeneo, esso propaga indisturbato, così che l’occhio può coglierne la presenza solo nel caso in cui esso si trovi sul suo diretto cammino. Se però il mezzo trasparente è disomogeneo, così che esibisca fluttuazioni spaziali di indice di rifrazione, allora il cammino del fascio risulta “disturbato”, e parte della luce viene deviata dalla sua originale traiettoria. La modalità per cui il fenomeno si manifesta dipende in modo cruciale da dimensioni e forme di tali fluttuazioni.

(i) Se le dimensioni delle disomogeneità sono molto grandi rispetto alla lunghezza d’onda, si ottiene “rifrazione”.

(ii) Se le dimensioni delle disomogeneità sono di poco maggiori rispetto alla lunghezza d’onda, si ottiene invece “diffrazione”.

(iii) Se le dimensioni delle disomogeneità sono confrontabili o di poco inferiori rispetto alla lunghezza d’onda, la luce viene diffusa in modo sostanzialmente omogeneo rispetto alle sue componenti spettrali, e principalmente ad angoli piccoli rispetto alla direzione incidente. L’effetto, spesso chiamato diffusione di Mie, è quello prodotto da nebbia e foschia. (iv) Se infine le dimensioni delle disomogeneità sono molto minori della lunghezza d’onda della luce, si ottiene il fenomeno su cui la presente invenzione si basa, ovverosia la “diffusione di Rayleigh”. Si tratta di un processo per cui la luce non polarizzata viene diffusa sostanzialmente in tutte le direzioni con ampiezza massima a 0 e 180 gradi rispetto alla direzione incidente, e con un efficienza che cresce con l’inverso della quarta potenza della lunghezza d’onda.

L’esempio più spettacolare di diffusione di “Rayleigh” in natura è quello che si realizza quando la luce solare attraversa l’atmosfera. La diffusione è in questo caso prodotta dalle fluttuazioni in indice di rifrazione associate alle fluttuazioni in densità dei gas che costituiscono l’atmosfera medesima. Tali fluttuazioni si manifestano su lunghezze di scala molto inferiori della lunghezza d’onda della luce solare e, soprattutto nel caso dell’alta atmosfera, sono tra loro spaziate di una distanza grande rispetto alla lunghezza di scala delle fluttuazioni medesime, e pertanto disposte in modo casuale. Per effetto del processo di diffusione la componente della radiazione solare di minore lunghezza d’onda (ovverosia l’azzurro, dato che il vicino ultravioletto, di lunghezza d’onda ancora minore, è sostanzialmente assorbito) risulta essere quella maggiormente diffusa. Il blu (a 430 nm), è infatti diffuso circa sei volte di più che il rosso (a 670 nm). Questa importante differenza nell’efficienza di diffusione è il motivo principale che determina il colore azzurro del cielo.

Per comprendere meglio la natura e l’importanza del processo di diffusione di luce nel cielo, la cui ricostruzione indoor rappresenta parte dello scopo della presente invenzione, è utile fare mente locale alle foto di repertorio che descrivono quanto accade sulla luna, dove l’ atmosfera è assente. Sulla luna il cielo è nero anche quando il sole è a mezzogiorno. L’ambiente lunare è illuminato da una sola sorgente, il sole, la cui luce è e rimane bianca a tutte le ore del giorno. Le zone d’ombra, illuminate solo dalla luce riflessa dagli oggetti d’intorno, sono di giorno buie quasi come di notte. Sulla terra, invece, l’ambiente è illuminato non solo dal sole ma anche dal cielo. La luce diretta del sole, privata della componente azzurra diffusa, ha un colore che varia dal giallo tenue all’arancione ed al rosso, in dipendenza del diverso spessore di atmosfera attraversata nelle diverse ore del giorno. Il colore “caldo” della luce diretta del sole si nota particolarmente quando esso illumina un oggetto attraverso una stretta finestra, la cui limitata apertura lo espone interamente alla luce del sole ma lo scherma dalla maggior parte della luce del cielo. Il cielo, a sua volta, illumina di azzurro la scena. Per notare l’ effetto è sufficiente guardare con attenzione le ombre. Sulla terra “all’ombra” non significa “al buio”, come sulla luna, ma alla luce del cielo.

All’aperto, con il sole allo zenit, in totale assenza di riflessioni, di ombre, di finestre ecc., la luce del cielo si somma a quella del sole, ottenendo qualcosa di non molto dissimile a quanto si avrebbe in assenza di atmosfera. Ma l’ombra, fosse anche solo quella della persona che osserva, è sempre presente, tanto più quanto più il sole è basso nel cielo.

Al fine di definire i parametri caratteristici dell’invenzione è opportuno tenere come riferimento gli intervalli che in natura caratterizzano (i) il rapporto tra la potenza della luce del sole e del cielo ed (ii) i valori di temperatura-colore delle due diverse sorgenti, durante diverse ore del giorno, stagioni, ecc. In una tipica giornata di primavera, nel primo pomeriggio, in condizioni di cielo sereno e ad una latitudine subalpina in Italia, i presenti inventori hanno misurato che il cielo contribuisce per circa il 20% alla luminosità totale, prodotta da cielo sole. La misura è stata effettuata confrontando la potenza della radiazione che colpisce un oggetto all’ombra di uno schermo che copre il sole, ma non il cielo, con la potenza che colpisce lo stesso oggetto in assenza di schermo. Assumendo che la radiazione diffusa dall’atmosfera verso la terra sia uguale in potenza a quella diffusa verso l’esterno dell’atmosfera, e trascurando l’effetto della curvatura terrestre, si ottiene che il cielo diffonde la radiazione incidente con una efficienza di diffusione η = 1/3, dove η è la frazione di potenza della luce incidente diffusa da tutto lo spessore del cielo. Valori leggermente minori si otterranno quando il sole è allo zenit. Valori maggiori si ottengono invece al mattino presto o alla sera. Un’ora prima del tramonto, nello stesso luogo e stagione è stata misurata una efficienza di diffusione η = 2/3. Infine si noti che all’aurora o al crepuscolo pressoché la totalità della luce incidente è diffusa (η = 1).

Per quanto riguarda la valutazione della temperatura-colore delle due sorgenti, è opportuno riferirsi alla CCT (Correlated Color Temperature), che è la temperatura del radiatore di Plank (corpo nero) che viene dall’occhio percepito di colore più simile a quello della sorgente in esame. La CCT relativa alla risultante di cielo e sole in una giornata serena a mezzogiorno è di circa 5500K, ovverosia un valore circa il 10% minore rispetto alla CCT della radiazione solare fuori dall’atmosfera (la differenza è dovuta, almeno in parte, alla radiazione blu diffusa all’esterno). La luce prodotta dal cielo sereno ha una CCT tipicamente compresa tra i 9000 ed i 12000K, con valori anche ben più alti al mattino presto o alla sera tardi. Per quanto riguarda la CCT della radiazione solare diretta, essa può raggiungere i 5200K in condizioni di sole allo Zenit, ma tipicamente varia tra i 4700K (a mezzogiorno) e i 3500K (un’ora dopo l’aurora o prima del tramonto). Valori ancora minori della CCT della radiazione solare si ottengono all’alba ed al tramonto, per effetto concomitante della diffusione di Rayleigh e della rifrazione dell’atmosfera.

Nel contesto della presente invenzione, il concetto di ombra è rivoluzionato dato che, come all’esterno, all’ombra non significa al buio, ma alla luce del cielo. Tale approccio, essendo in grado di ricostruire il contrasto cromatico tra luce ed ombra, consente di ricreare in ambienti chiusi (“indoor”) la particolare bellezza che caratterizza la natura della luce del giorno sulla terra. L’invenzione verrà ora illustrata con riferimento alle figure allegate, nelle quali:

- la Fig. 1 è un diagramma che illustra la definizione di larghezza di banda spettrale di una sorgente di luce secondo l’invenzione;

- le Figg. 2A, 2B e 3 illustrano la definizione di dimensione della sorgente di luce secondo l’invenzione;

- la Fig. 4 illustra la definizione di dimensione del diffusore secondo l’invenzione;

- la Figg. 5A-5E illustrano schematicamente una prima forma di attuazione del dispositivo di illuminazione secondo l’invenzione; - la Fig.6 illustra schematicamente una seconda forma di attuazione del dispositivo di illuminazione secondo l’invenzione;

- la Fig. 7 illustra schematicamente il tipo di illuminazione prodotto dalla forma di attuazione del dispositivo di illuminazione secondo la Fig. 6;

- la Fig. 8 illustra schematicamente una terza forma di attuazione del dispositivo di illuminazione secondo l’invenzione;

- la Fig.9 illustra schematicamente il tipo di illuminazione prodotto da un dispositivo di illuminazione secondo la tecnica nota;

- la Fig. 10 illustra schematicamente il tipo di illuminazione prodotto da un dispositivo di illuminazione secondo l’invenzione nella forma descritta in Figg. 6 e 8;

- la Fig.11 illustra schematicamente una quarta forma di attuazione del dispositivo di illuminazione secondo l’invenzione;

- le Figg. 12A, 12B, 12C illustrano schematicamente una quinta forma di attuazione del dispositivo di illuminazione secondo l’invenzione; - le Figg. 13A, 13B, illustrano schematicamente una quinta forma di attuazione del dispositivo di illuminazione secondo l’invenzione; - le Figg. 14A, 14B, 14C, 14D, 14E, 14F illustrano schematicamente ulteriori forme di attuazione del dispositivo di illuminazione secondo l’invenzione; e

- la Fig. 15 è un diagramma relativo alle caratteristiche spettrali della radiazione diffusa e trasmessa da un diffusore di materiale "nanogel" impiegato secondo l'invenzione.

Il dispositivo di illuminazione secondo l’invenzione viene realizzato in due diverse forme di attuazione principali, che non sono alternative ma possono anche essere combinate:

(i) La prima, denominata di seguito “mezzogiorno”, ha lo scopo di ricreare la condizione di illuminazione naturale tipica delle ore centrali della giornata. Essa è caratterizzata dalla presenza di due componenti, cielo e sole, tra loro di colore diverso ma ciascuna delle quali di colore univocamente definito. A mezzogiorno infatti il sole è bianco-giallino, ed il cielo ha pressoché ovunque il medesimo colore azzurro. A mezzogiorno, inoltre, il sole domina la scena, essendo direttamente visibile dalla maggior parte di essa. Se una zona è esposta alla sola luce del sole, o del cielo o ad entrambe, essa sarà illuminata con luce giallina, azzurra, o bianca. (ii) La seconda, denominata di seguito “tramonto”, ha lo scopo di ricreare la condizione di illuminazione naturale tipica della sera. In tal caso il cielo non ha ovunque lo stesso colore, a causa del lungo cammino che la luce solare percorre attraverso di esso, che permette la diffusione non solo del blu ma anche degli altri colori. Alla sera, inoltre, il sole non è necessariamente direttamente visibile, essendo basso sull’orizzonte e quindi spesso oscurato da un monte, o un caseggiato, o dalle nubi lontane. La sua presenza si percepisce per effetto della “riflessione” o “diffusione” della sua luce diretta da parte delle nubi, o delle cime di monti. La forma di attuazione “mezzogiorno” richiede la presenza di un diffusore la cui dimensione massima Lmaxsia la “dimensione trasversale”, definita come la massima distanza tra due punti appartenenti alla proiezione del diffusore sul piano perpendicolare alla direzione di massima emissione Imaxo alla direzione definita dalla retta che congiunge i due punti più prossimi (Iprox) di sorgente e diffusore. Solo questa condizione, infatti, consente di realizzare un elemento esteso che emette luce diffusa di colore azzurro uniforme, capace di colorare le ombre. Essa consente inoltre la diretta visione della sorgente da tutto il resto della scena. Come in natura, la luce diretta, privata della componente azzurra, assume un colore giallino.

La configurazione “mezzogiorno” prevede due diverse varianti.

i) Una prima variante “a pannello” è finalizzata ad ottenere l’illuminazione da parte del diffusore delle ombre create dalla presenza di precisi oggetti presenti sulla scena. A tal fine la dimensione traversale del diffusore deve essere grande non solo rispetto a quella della sorgente, ma anche rispetto a quella degli oggetti la cui ombra si intende illuminare. Si noti che le ombre sono porzioni della scena da cui la visione diretta della sorgente (per esempio il sole in natura) è coperta dalla presenza di un ostacolo, ma non la visione totale o parziale del diffusore (e.g. del cielo). Grazie alla grande dimensione del diffusore, le zone per cui l’illuminazione diretta da parte della sorgente è impedita da parte di un ostacolo possono essere comunque esposte alla luce generata dal diffusore, che quindi ne colora le ombre.

Si noti che perchè l'effetto si realizzi è necessario che la dimensione trasversa del diffusore sia grande rispetto a quella della sorgente (in almeno una direzione trasversale), al fine di poter ottenere zone d'ombra illuminate dal diffusore ma non direttamente dalla sorgente.

ii) Una seconda variante di tale tipologia, chiamata di seguito “Spot”, è finalizzata ad ottenere l’illuminazione da parte del diffusore di porzioni della scena esterne al cono di luce che la sorgente sarebbe in grado di emettere in assenza del diffusore. Tale obiettivo si raggiunge utilizzando una sorgente che generi, in assenza di diffusore, un cono di luce di apertura limitata ed un diffusore con dimensione trasversale arbitrariamente piccola rispetto alla dimensione dell’ambiente, purché essa sia sempre maggiore del doppio di quella della sorgente. In tale configurazione, la sorgente “Spot” genera due coni di luce, di apertura diversa, di diversa intensità (maggiore all’interno e minore all’esterno) e di diversa temperatura colore, più “caldo” all’interno, e più “freddo” all’esterno. Quanto più è netta la transizione tra luce e buio in assenza di diffusore, tanto più netta sarà la transizione nella intensità e nella temperatura colore tra i due coni di luce. L’effetto che questo dispositivo crea sulla scena, per quanto riguarda la differenza di intensità di illuminazione e di colorazione prodotta dai due coni di luce, è simile all’effetto di illuminazione prodotto dal sole e dal cielo. Il cono interno (“caldo”) illumina la scena come accade in natura per un oggetto esposto alla somma della luce pomeridiana del sole e di quella del cielo. Il cono esterno (“freddo”) illumina la scena come accade in natura per un oggetto in ombra, esposto alla sola luce del cielo. In tal modo tali zone appaiono alla vista come zone “in ombra”, anche se manca sulla scena l’oggetto vero (e.g. l’ostacolo) che generi tale ombra. La sorgente “Spot”, a differenza della prima variante “a pannello”, non è in grado di illuminare le ombre di oggetti reali presenti sulla scena.

Si noti che perchè l'effetto si realizzi è anche in tal caso necessario che la dimensione trasversa del diffusore sia grande rispetto a quella della sorgente (in almeno una direzione trasversale), al fine di poter ottenere coni di luce trasmessa e diffusa di diversa apertura. Tale risultato si può ottenere, ad esempio, ponendo il diffusore esteso immediatamente a valle di un ottica di raccolta in grado di collimare la luce diretta entro il cono di interesse, la quale ottica per operare correttamente deve avere dimensioni trasversali maggiori di quelle della sorgente medesima. Alternativamente, l'elemento diffusore può essere inglobato nell'ottica di raccolta medesima.

La forma di attuazione “tramonto”, al contrario, richiede necessariamente un diffusore la cui dimensione massima Lmaxsia quella longitudinale, definita come la massima distanza tra due punti appartenenti alla proiezione del diffusore su un piano parallelo alle direzioni Imaxo Iproxdefinite sopra. Solo in tal caso, infatti, si ottiene che la radiazione luminosa possa essere trasmessa nel diffusore per un cammino sensibilmente maggiore della larghezza del diffusore nel piano trasversale, come peraltro avviene alla sera in natura. Al tramonto infatti (come anche all'alba) lo spessore di atmosfera attraversato dalla luce del sole, basso sull'orizzonte, è di alcune centinaia di km, molto maggiore quindi dell’altezza dell'atmosfera, dell'ordine della decina di km. Tale condizione geometrica consente a tutte le componenti spettrali della luce della sorgente, a partire dal blu, poi dal verde, dal giallo, dall’arancione, ecc, di essere efficacemente diffuse dal “cielo”, sino a che solo la componente rossa, che rappresenta la luce diretta del sole al tramonto, raggiunge gli oggetti lontani.

A differenza della condizione "mezzogiorno", per cui si prevede che l’osservatore guardi il pannello diffusore secondo una direzione prossima a Imaxo Iprox, nella configurazione "tramonto" l'osservatore guarda il diffusore da una direzione perpendicolare.

Si noti che al fine di ottenere che diverse porzioni del diffusore emettano verso l’osservatore luce di diverso colore è indispensabile che la dimensione longitudinale del diffusore sia grande, ed in particolare sia maggiore (almeno del doppio) di quella trasversale (la quale sarà a sua volta maggiore o uguale a quella della proiezione della sorgente). In caso contrario, infatti, la luce diffusa all'interno da una porzione di diffusore verrebbe nuovamente diffusa da altre porzioni prima di essere disaccoppiata all’esterno, secondo il noto processo di “diffusione multipla”. Tale processo porterebbe ad un mescolamento tra le componenti diffusa e trasmessa della luce, e quindi ad un mescolamento delle diverse componenti cromatiche, che comprometterebbe le prestazioni del dispositivo secondo lo scopo preposto. Per “sorgente di luce artificiale ad ampio spettro” si intende ogni dispositivo che trasformi corrente elettrica in radiazione luminosa con una larghezza di banda spettrale visibile Δλ > 100 nm, come ad esempio una sorgente di luce bianca, o percepita come tale dall’occhio, quale una lampada ad incandescenza, a fluorescenza, a scarica ai vapori di mercurio, un LED o un diodo laser a luce bianca (ovverosia tale per cui la sorgente primaria sia abbinata ad un fosforo o a più fosfori), o una combinazione di LED o diodi laser di diverso colore, e simili.

La larghezza di banda spettrale visibile ∆λ è definita come l'ampiezza dell’intervallo di lunghezze d’onda nella regione dello spettro visibile tra i 400 ed i 700 nm al di fuori del quale lo spettro della sorgente assume un valore inferiore ad 1/e<2>del valore di picco, dove e=exp(1). Si noti che la presenza di picchi di emissione al di fuori della regione visibile dello spettro non contribuisce alla presente definizione di larghezza spettrale (Fig.1).

La sorgente di luce dell’invenzione può comprendere una pluralità di elementi attivi, identici o diversi tra loro, eventualmente raggruppati e/o associati ad elementi ottici quali lenti, filtri, schermi, diffusori acromatici, e simili in grado, ad esempio, di distribuire la luce uniformemente in un ampio angolo solido, oppure di concentrarla entro una piccola e ben definita apertura angolare.

Per “elemento attivo” si intende un elemento che emette fotoni, quale un filamento incandescente, un gas ionizzato, un LED o diodo laser, o un elemento che assorbe fotoni per poi riemetterli a maggiore lunghezza d’onda, quali un fosforo o un elemento luminescente, ma non un diffusore, dato che quest’ultimo non emette luce ma semplicemente ne cambia la direzione di propagazione.

Per “dimensione della sorgente” si intende la dimensione minima dell’elemento attivo più grande in essa contenuto, dmin, definita come la dimensione del lato minore del rettangolo che circoscrive la proiezione di tale elemento attivo su un piano perpendicolare a:

La Fig.2A illustra la definizione di dimensione minima (dmin) di una sorgente isotropa 20 sul piano perpendicolare alla direzione Iprox, corrispondente al piano di un nanodiffusore 26. In questo caso Lmaxè circa 5 dmin.

La Fig.2B illustra la definizione di dimensione minima (dmin) di una sorgente anisotropa costituita da un LED o diodo laser 20b ed un fosforo 24 su un piano perpendicolare alla direzione Imax.

La Fig.3 illustra la definizione di dimensione minima (dmin) per una sorgente 30 di forma ellittica. In questo caso la dimensione minima è definita come il lato minore del rettangolo entro cui la proiezione della sorgente su un piano perpendicolare alla direzione Imaxpuò essere iscritta.

Nel dispositivo secondo l’invenzione si intende che sorgente e diffusore sono due elementi distinti, ovverosia che il diffusore non è sovrapposto ad un elemento attivo, o interposto tra diversi elementi attivi, ma disposto a valle dall’elemento attivo più esterno alla sorgente medesima.

Per “diffusore cromatico nanostrutturato” si intende un oggetto comprendente elementi di un primo materiale non liquido trasparente alla luce visibile ed avente indice rifrazione n1dispersi in un secondo materiale non liquido trasparente alla luce visibile ed avente indice rifrazione n2, per cui |n2/n1-1|>0,1 e per cui la dimensione lineare tipica, d, degli elementi dispersi del primo materiale soddisfi la condizione 5nm <d<300nm, essendo preferibilmente compresa tra 10 e 200nm, più preferibilmente tra 50 e 100nm. Nel caso di un diffusore di dimensioni elevate, un intervallo di interesse per la dimensione lineare tipica, d, degli elementi dispersi è 30nm <d<50nm. Tale materiale è in grado di produrre una efficiente separazione tra componenti a minore lunghezza d’onda della radiazione incidente, che vengono diffuse, e quelle a lunghezza d’onda maggiore, che sono invece trasmesse.

Nel diffusore cromatico secondo l’invenzione gli elementi dispersi del primo materiale possono essere:

- nano-particelle solide di indice di rifrazione n1nel caso in cui il secondo materiale sia una matrice solida di indice rifrazione n2< n1.

-nano-bolle di gas di indice di rifrazione n1nel caso in cui il secondo materiale sia una matrice solida di indice rifrazione n2> n1

- nano-volumi d’aria nel caso in cui il secondo materiale sia costituito da una struttura dendritica solida di silice a bassissima densità, a sua volta composta da grappoli di nano-particelle, che in presenza della dispersione suddetta prende il nome di nanogel o aereogel.

Possibili esempi di diffusori cromatici di questo tipo sono i nanogel di silice, o una dispersione di un materiale ad elevato indice di rifrazione, ad esempio un ossido quale TiO2, ZnO, ZrO2, BaTiO2, Al2O3, SiO2, come descritto in US 6791259 B1, cosi come alcuni dei materiali elencati in WO 02/0891, in una matrice di materiale trasparente di basso indice di rifrazione, ad esempio vetro, materiale plastico o polimerico come resine epossiliche, di silicone o urea, o una dispersione di bolle d’aria di dimensioni nanometriche in simili matrici trasparenti.

Per “dimensione del diffusore” si intende la grandezza maggiore tra la dimensione trasversale e la dimensione longitudinale, come definite sopra. La Fig. 4 illustra la definizione di Lmaxcome “dimensione trasversale” del diffusore nel caso di una sorgente ad emissione anisotropa, 40 abbinata ad un diffusore curvo 46. In tal caso la massima distanza Lmintra due punti appartenenti alla proiezione del diffusore su un piano parallelo alla direzione Imaxè inferiore alla massima distanza tra due punti appartenenti alla proiezione del diffusore su un piano perpendicolare alla direzione Imax, per cui Lmaxè definita come “dimensione trasversale” del diffusore.

Il dispositivo secondo l’invenzione è preferibilmente caratterizzato dal fatto che Lmax≥ 5 dmin, più preferibilmente dal fatto che Lmax≥ 10 dmin. Generalmente, il dispositivo secondo l’invenzione è preferibilmente caratterizzato dal fatto che Lmaxè compresa nell’intervallo tra 2 e 100 dmin. Il dispositivo proposto è pensato (i) per illuminazione di interni, quali appartamenti, uffici, capannoni, centri commerciali, ambienti di lavoro, scenografie di teatro, (ii) per illuminazione di esterni, quali strade, piazze, campi sportivi, parchi, cortili, (iii) per illuminazione di oggetti in esposizione, quali plastici, prodotti in vetrina, e (iv) come oggetto luminoso a sé stante, per esempio lampada da arredamento o installazione luminosa da esterno. Una sua caratteristica è quella di poter migliorare la qualità dell’illuminazione ottenibile da parte di sorgenti “a luce fredda” a basso consumo energetico, quali i LED InGaN-GaN emettenti nel blu (per esempio a 430nm) completati dalla presenza di un fosforo che emette radiazione a larga banda nel giallo (e.g. intorno ai 580nm). La risultante delle due componenti cromatiche viene percepita dall’occhio quasi come luce bianca. Ciononostante, la corrispondente “temperatura colore” è vistosamente più alta di quella della luce solare, tanto da rendere questo tipo di sorgente poco adatto per l’illuminazione di interni. L’invenzione proposta consente di indirizzare gran parte della componente blu della luce sulle ombre, dove viene gradita dall’occhio in quanto simula l’effetto della luce del cielo, dirigendo la componente più calda prodotta dal fosforo sulle zone esposte ad illuminazione diretta, così da simulare la luce “pomeridiana” del sole.

L’utilizzo di materiali trasparenti nanostrutturati in applicazioni inerenti il trattamento della luce è una soluzione oggi considerata da un numero crescente di ambiti tecnologici.

In riferimento all’utilizzo dell’abbinamento di sorgenti artificiali e diffusori di Rayleigh ottenuti mediante dispersione in acqua di nanoparticelle di silice (SiO2), l’elemento innovativo è qui costituito dall’utilizzo di materiali solidi. Si descriveranno ora in dettaglio le caratteristiche dei materiali e dei diffusori che si intendono realizzare con essi. Con il termine “materiale diffusore nanostrutturato” ci si riferisce in questo contesto ad un materiale non liquido che esibisca variazioni spaziali nell’indice di rifrazione su lunghezze di scala tra i 5 ed i 300 nm. Con il termine “trasparente” ci si riferisce alle caratteristiche dello spettro di assorbimento del materiale. Lo spessore L del materiale, nella direzione di propagazione della luce, dipende dalla tipologia di applicazione, e può variare da qualche micron (per applicazioni su microcomponenti ottiche) alle decine di metri (nel caso di grandi installazioni). Le caratteristiche salienti che descrivono le proprietà del materiale sono la dimensione tipica della nanostruttura (o le dimensioni se, come nel caso dei nanogel, le fluttuazioni hanno più lunghezze di scala) e la concentrazione, ovverosia il numero di fluttuazioni per unità di volume. Nel seguito viene descritto il materiale in termini di una matrice omogenea e di una dispersione di nano-particelle di diametro d, intendendo in questo caso coprire anche il caso dei nanogel.

(i) Le dimensioni della nanostruttura. Esse devono consentire, ove necessario, di produrre il massimo valore del coefficiente di diffusione per unità di lunghezza alla lunghezza d'onda considerata, τ, al fine di ottenere il desiderato rapporto tra luce diffusa e trasmessa, e quindi, ad esempio, tra luminosità delle zone “in ombra” e delle zone “al sole”, utilizzando spessori minimi di diffusore. Tale efficienza deve però essere ottenuta mantenendo il più possibile il processo di diffusione nel regime di Rayleigh, al fine di ottenere il massimo contrasto cromatico o, più precisamente, la massima variazione nella Calibrated Color Temperature (CCT) tra luce diffusa e trasmessa. Questo implica, strettamente parlando, la scelta di nano particelle con diametro inferiore ai 50nm, cioè d<λ/10. Al crescere del diametro, infatti, il valore del rapporto tra ampiezza di diffusione nel blu (λ=430nm) e, per esempio, nel giallo, (λ=580nm) diminuisce sensibilmente. Considerando ad esempio il caso di una dispersione di nano-particelle con indice di rifrazione n1=2,7 in un materiale uniforme con indice n2=1,5, si ottiene che τ430/τ580=3,3418, 3,4198, 3,0929, 1,3508, 0,8627 per diametri delle nanoparticelle d=20, 50, 100, 200, e 500nm, rispettivamente. Inoltre, all’aumentare del diametro, l’efficienza di diffusione diviene anisotropa, crescendo a piccoli angoli (diffusione in avanti). Poiché però essa cresce con la 6 potenza del diametro della particella, τ∝d<6>, a parità di concentrazione numerica, è evidente che diametri grandi rendono il processo di diffusione molto più efficiente. È quindi necessario valutare, caso per caso, l’ottimo compromesso tra efficienza e contrasto cromatico desiderati. Da misure e simulazioni numeriche risolte in angolo ed in frequenza emerge che per dimensioni lineari degli elementi dispersi fino a d≈100nm la diffusione si discosta di poco dal regime di Rayleigh ideale. Valori d≈200 nm implicano invece una variazione apprezzabile. Ciononostante, elementi dispersi di tali dimensioni possono essere utili nel caso si voglia simulare l’effetto di un cielo con leggera foschia, ovverosia che diffonda a piccoli angoli (cioè dalle aree vicine al sole) luce con un certo biancore. Per quanto riguarda i valori minimi accettabili per la dimensione lineare degli elementi dispersi, si fa presente che in letteratura valori d<20nm sono già ritenuti tali da rendere il fenomeno della diffusione praticamente trascurabile, per gli spessori di materiale tipicamente considerati. In US 2008 /0012032, ad esempio, dove si considera l’impiego di una dispersione di nano-particelle in un mezzo trasparente al fine di variare il valore medio dell’indice di rifrazione del materiale composito, la richiesta di evitare la diffusione si traduce in una richiesta sul diametro delle nano-particelle d<λ/20, dove λ è la lunghezza d’onda della radiazione incidente. Considerato il fatto che la diminuzione dell’efficienza di diffusione al diminuire della dimensione lineare degli elementi dispersi può essere compensata dall’aumento della concentrazione dei medesimi e/o dello spessore del diffusore, si stabilisce che la dimensione lineare degli elementi dispersi, d, utile ai fini pratici per la presente invenzione sia compresa all’interno dell’intervallo 5nm<d<300nm, avendo presente che l’intervallo ideale è 50nm <d<100nm.

(ii) Le concentrazioni e gli spessori. La seconda quantità che determina l’efficienza di diffusione è la concentrazione delle nano-particelle, essendo il coefficiente di diffusione proporzionale al numero di particelle per unità di volume, τ ∝ n. Esistono due fattori che principalmente limitano il valore massimo di concentrazione utilizzabile. Il primo è un limite concettuale, dovuto al fatto che quando le particelle si trovano ad una distanza media tra loro pari ad alcuni diametri, fatto questo che capita per concentrazioni superiori a qualche %, esse iniziano a organizzarsi con un ordine spaziale a corto raggio, dando luogo ad effetti di interferenza che disturbano il processo di diffusione. Un secondo limite, di tipo pratico, riguarda il possibile subentrare del fenomeno di aggregazione delle nanoparticelle in clusters alle alte concentrazioni, per effetto della presenza di un potenziale attrattivo a corto raggio. A causa della dipendenza τ ∝ d<6>una percentuale anche minima di particelle aggregate (grande d effettivo) è in grado di creare un effetto dominante sul processo di diffusione. Nel caso di materiali con spessori di qualche mm, le concentrazioni necessarie per ottenere i valori desiderati di diffusione sono tuttavia molto basse. Considerando ad esempio il caso di particelle con indice di rifrazione n1=2,7 in un mezzo trasparente di spessore L=5mm e con indice n2=1,49, per ottenere una efficienza di diffusione η=0,5 nel caso di diametri d=20, 50, e 100nm sono necessarie concentrazioni numeriche di n = 4,7286*10<14>, 1,9368*10<12>, 3,0263*10<10>particelle al cm<3>, che corrispondono ad una frazione di volume di 0,1981%, 0,0127%, 0,0016%, rispettivamente. Se invece si intendono utilizzare concentrazioni elevate, per esempio dell’1% in volume, che richiedono elevato controllo nel processo di fabbricazione del materiale diffusore al fine di evitare l’aggregazione, si può ottenere lo stesso valore di efficienza (η=0,5), per gli stessi diametri (d=20, 50 e 100nm), utilizzando spessori di diffusore fino a pochi micron soltanto, i.e.990 µm, 63 µm, e 7,92 µm rispettivamente. Questo indica la possibilità di realizzare la tecnologia descritta, in certi regimi, anche in film sottile.

(iii) L’assorbimento. Il materiale deve assorbire una minima parte della radiazione incidente nel suo complesso, al fine di mantenere massima l’efficienza del dispositivo in termini di consumo energetico. Esso non deve inoltre esibire assorbimento selettivo in nessuna particolare regione dello spettro visibile, al fine di non introdurre effetti di colore innaturali e quindi non desiderati. Un assorbimento selettivo nel blu, ad esempio, ridurrebbe la colorazione delle ombre, mentre un assorbimento selettivo nel rosso renderebbe meno “caldo” il colore della luce nelle zone illuminate direttamente

(iv) La riflessione. La riflessione della luce della sorgente sulla faccia di ingresso e di uscita del diffusore può rappresentare un inconveniente in riferimento all’efficienza energetica del dispositivo. Nel caso di una matrice con indice n2=1.5, essa ammonta a circa l’8% per incidenza normale, ma il valore cresce sensibilmente all’aumentare dell’angolo di incidenza, per luce non polarizzata. Si noti che il problema sussiste anche per i nanogel, a dispetto del fatto che per essi n2=1, per il fatto che essi richiedono per la loro fragilità di essere contenuti in un elemento trasparente. In aggiunta al problema dell’efficienza si deve considerare quello della qualità dell’illuminazione prodotta. In natura, infatti, la purezza dei colori del cielo e la bellezza dei contrasti cromatici tra luce ed ombra sono strettamente connessi alla presenza di uno sfondo scuro (lo spazio interstellare) dietro al cielo. Indoor, è quindi fondamentale evitare che la luce della sorgente riflessa dal diffusore illumini pareti (ad esempio soffitti), per finire poi re-diretta sulla scena. Nella presente invenzione il problema della riflessione, nei casi in cui esso sussista, viene risolto o introducendo schermi che assorbono la luce o, dove l’efficienza del dispositivo sia un parametro cruciale, utilizzando opportuni trattamenti antiriflesso.

Un settore di particolare interesse è quello dei così detti “aereogel o nanogel”. A dispetto di quanto il nome faccia pensare, questi sono materiali solidi, secchi (senza contenuto liquido), spugnosi e porosi, tipicamente ottenuti mediante evaporazione supercritica in autoclave della componente liquida di un gel (o di un liquido ad essa sostituito dopo la formazione del gel). A differenza della evaporazione tradizionale, questo processo mantiene invariata la struttura della componente solida del gel, che forma una schiuma rigida a bassissima densità. Infatti, oltre il 99.8% del volume del materiale finale può essere occupato dall’aria. Il materiale così prodotto presenta una struttura microscopica dendritica, con caratteristiche frattali, formata da nanoparticelle di diametro tipico di 2-5 nm, raggruppate in grappoli tra loro spaziati da volumi vuoti, i quali volumi possono avere dimensioni medie inferiori ai 100 nm. I primi aereogel ad essere stati sviluppati, e quelli tutt’oggi più diffusi, sono quelli ottenuti da gel di silice (SiO2). Ne esistono però anche di altri materiali, ad esempio di ossido di alluminio, di cromo, di biossido di stagno, di carbonio ecc. A dispetto della ridottissima massa, il materiale presenta notevoli caratteristiche di rigidità, tanto che esso è utilizzato nella tecnologia spaziale, per attrezzature sportive ecc. Limitando l’analisi agli aereogel in silice, di maggior interesse per le applicazioni di illuminotecnica inerenti alla presente invenzione, esso si presenta trasparente (ovverosia assorbe una quantità minima di luce), e diffonde per Rayleigh scattering parte della componente azzurra. Infatti, la nanostruttura che lo costituisce presenta due scale tipiche di lunghezza: quella dei grappoli di nano-particelle e quella dei vuoti tra i grappoli medesimi, che possono essere entrambe ben inferiori alla lunghezza d’onda della luce. Per questo motivo gli aereogel sono anche chiamati in gergo “solid smoke”. A causa della loro trasparenza, dell’ottimo isolamento termico ed anche della capacità di diffondere la luce, gli areogel di silice sono oggi impiegati anche in edilizia, per la realizzazione di lucernari e finestrature in grado fermare il calore della luce solare, o di trattenere il calore del riscaldamento dell’ambiente, e distribuire al contempo all’interno con grande efficacia la luce solare che li colpisce. Per tali applicazioni si usano principalmente granuli di aereogel, ovverosia frammenti di qualche millimetro di spessore, contenuti all’interno di finestre di materiale trasparente. L’utilizzo illustrato è in grado di produrre una colorazione azzurra delle ombre. In riferimento all’invenzione qui proposta, è importante osservare che l’impiego di aereogel per illuminazione con luce artificiale non è stato mai considerato sino ad ora.

Come si è detto in precedenza, il dispositivo di illuminazione della presente invenzione si propone uno scopo opposto a quello tipico dei dispositivi di illuminazione della tecnica nota, ovverosia quello di rendere cromaticamente disuniforme una sorgente (che tipicamente, ma non necessariamente, è cromaticamente uniforme) con una tipologia di disuniformità (blu diffuso e giallo trasmesso) opposta a quella generata “spontaneamente” dei LED a fluorescenza. Una caratteristica del dispositivo dell’invenzione è quello di disporre un nano-diffusore molto più grande dell’ultimo elemento attivo (per esempio il fosforo), e di posizionarlo a valle di detto elemento attivo, preferibilmente separato da esso. Tale differenza in dimensioni, posizionamento e separazione spaziale tra sorgente e diffusore sono i fattori che rompono la simmetria “sferica” del sistema, finalizzata ad uniformare la distribuzione angolare dei colori, così da consentire la separazione tra le due componenti cromatiche diffuse (blu) e trasmesse (gialla), come si evince dalle descrizioni delle diverse forme di attuazione di seguito illustrate.

Forme di attuazione del dispositivo di illuminazione in configurazione “mezzogiorno”

Un primo esempio di dispositivo secondo l’invenzione è illustrato in Fig.5A, dove una sorgente anisotropa di luce bianca 52 emette luce di spettro uniforme su un ampio angolo solido, illuminando l’elemento nanodiffusore 56 sotteso a tale angolo. In presenza del nano-diffusore, la componente gialla 57 viene diffusa meno della componente blu 55. Il risultato dal punto di vista della modalità di illuminazione di un oggetto sulla scena è illustrato nelle figure 5B-D. Nella Fig. 5B un oggetto 53 è illuminato sia dalla luce diretta (gialla) che dalla luce diffusa dal pannello (azzurra); nella Fig.5C un oggetto 53c è illuminato principalmente dalla luce diretta (gialla), essendo in tal caso presente uno schermo 58 che rimuove la maggior parte della luce proveniente dal pannello diffusore 56; nella Fig. 5D un oggetto 53d è infine illuminato principalmente dalla luce diffusa (azzurra), essendo la luce diretta rimossa da parte di uno schermo 58d che genera ombra sull’oggetto medesimo.

L’effetto nel caso di una illuminazione di un ambiente mediante una sorgente 52e abbinata a un diffusore 56e è presentato in Fig. 5F. Qui la scena è in parte illuminata dalla somma di luce diretta e diffusa 51 ed in parte dalla sola luce diffusa 59. Si noti che la zona illuminata da luce diffusa 59 comprende l'ombra di un oggetto 53e posto nel centro della scena. Essa comprende inoltre una zona esterna che non sarebbe illuminata dal cono di luce prodotto dalla sorgente in assenza di elemento diffusore.

Un secondo esempio di dispositivo è quello illustrato in Fig. 6, dove una sorgente anisotropa di luce bianca è costituita da un LED o diodo laser blu 60 associato ad un fosforo 64 che emette nel giallo. La sorgente è inglobata in un corpo trasparente di contenimento 62, dove il nanodiffusore 66 è inglobato in un’ottica di raccolta, cioè una lente 63, costituente la parte inferiore del corpo trasparente 62. La lente 63 ha lo scopo di collimare la radiazione generata dalla sorgente costituita da un LED o diodo laser 60 ed un fosforo 64, o di ridurne l’angolo di divergenza. Nella configurazione tradizionale, cioè in assenza del nanodiffusore 66, la lente 63 collimerebbe la luce bianca prodotta dalla sorgente, creando un cono di data divergenza angolare e di dato gradiente di transizione tra luce e buio. Per contro, il dispositivo 72 secondo l’invenzione, come illustrato in Fig. 7, produce un cono interno ristretto di luce gialla 71 ed un cono più ampio di luce blu 75.

In una terza realizzazione illustrata in Fig. 8 si prevede di introdurre due modifiche tecniche, anche separatamente, al fine di migliorare l’efficienza del dispositivo. La prima prevede di disporre l'elemento ottico di collimazione, cioè la lente 83, ad una certa distanza dalla sorgente, e separata da essa. In tal caso si prevede di dotare tale lente, che contiene il nanodiffusore 86, di un trattamento antiriflesso. Lo scopo di tale trattamento è quello di ottimizzare la trasmissione della componente “calda” della radiazione emessa da una sorgente costituita, ad esempio, da un LED o diodo laser 80 ed un fosforo 84, evitando riflessioni che possono ridurre l’efficienza del dispositivo ed indirizzare parte di tale componente nella zona esterna, riducendo il contrasto. Lo scopo del riflettore è quello di recuperare la componente “fredda” retro-diffusa dall’elemento nano-diffusore. Infatti, in regime di diffusione di Rayleigh, l’efficienza di diffusione è identica nelle due semi sfere che comprendono la direzione da cui proviene la luce, e verso cui la luce propaga, il che implica che una quantità di luce diffusa identica a quella diretta sulla scena è diretta indietro verso la lampada. Una possibilità per risolvere, o perlomeno ridurre sostanzialmente, il problema è quello di inserire la lente e la sorgente all’interno di un riflettore 87 (sia esso sferico, parabolico, o di forma diversa, di superficie liscia o corrugata), che re-diriga la luce retro-diffusa verso l’esterno. Poiché la luce diffusa è generata da un elemento esteso ed in direzioni casuali, la presenza di un riflettore vicino al diffusore non altera di molto la divergenza della radiazione da esso accoppiata all’esterno. Nel caso in cui la geometria del sistema imponga una distanza importante tra lente e riflettore, l’utilizzo di superfici corrugate per le pareti riflettenti garantisce il mantenimento della divergenza voluta nella luce diffusa.

Un esempio schematico della tipologia di illuminazione ottenibile con il dispositivo qui proposto si evince dagli schemi presentati nelle Figg. 9 e 10. Nel primo caso una lampada spot tradizionale 90 illumina con un definito cono di luce bianca 91 una particolare regione di un ambiente, lasciando al buio tutto il resto. Nel secondo caso, uno spot 100 secondo l’invenzione, per esempio del tipo illustrato nella Fig. 8, genera un cono 101 di luce più “calda” di quello di luce “bianca” della figura precedente, di uguale apertura, avendo rimosso da esso la componente più “fredda”, che viene distribuita nel cono 103 più esterno. Le regioni esterne dell’ambiente, che prima erano al buio, sono invece ora esposte a luce azzurra diffusa, come si verifica nel caso delle ombre in ambienti esterni sulla terra. È importante osservare che i termini “blu” e “gialla”, o “fredda” e “calda” riferiti alla luce, sono solo indicativi, ed usati al fine di indicare simbolicamente un concetto. Il parametro quantitativo che determina le caratteristiche e quindi la “qualità” del dispositivo è la già descritta “calibrated color temperature” (CCT).

Misure effettuate utilizzando un nanodiffusore di materiale nanogel di 12mm di spessore, ed un LED blu con fosforo giallo con CCT=5300K, hanno prodotto per la componente “calda” trasmessa un valore di CCT=4334K, corrispondente al valore tipico per la luce diretta del sole nel primo pomeriggio, e per la componente “fredda” diffusa un valore di 9433K. I risultati sono illustrati in Fig. 15. Dai dati in figura è evidente che l’attenuazione del picco blu associato al LED che si ottiene nella componente trasmessa per effetto della diffusione di Rayleigh rende lo spettro di tale componente, che è quella che illumina direttamente la scena, molto più simile al profilo a campana proprio dello spettro di corpo nero, rendendolo quindi più simile a quello prodotto dalla luce diretta del sole.

In una quarta realizzazione di Fig. 11 si è utilizzata una pluralità di sorgenti di luce designate con 110 a valle delle quali è posto un nanodiffusore 116. La tipologia di dispositivo illustrato in Figg. 6 ed 8 non si limita all’impiego di LED o diodi laser, ma può fare uso di ogni tipo di sorgente di luce caratterizzata da una banda spettrale sufficientemente larga. Il dispositivo è adatto per illuminazione di interni, come ad esempio camere di hotel, o zone studio in appartamenti ecc. ovverosia tutti quegli ambienti in cui si vuole illuminare preferenzialmente soltanto una zona, o per creare un effetto scenografico, o per ridurre i consumi. Una seconda area di interesse è quella dell’illuminazione stradale, che beneficerebbe della possibilità di illuminare preferenzialmente una zona in luce diretta (per esempio la strada), con una componente spettrale (per esempio il giallo) dove l’occhio è particolarmente sensibile, mantenendo una illuminazione più debole e diffusa nelle zone limitrofe. Tutto questo con la colorazione naturale della luce del Sole e del cielo.

Forme di attuazione del dispositivo di illuminazione in configurazione “tramonto”

Un esempio di dispositivo secondo l’invenzione in configurazione “tramonto” è illustrato in Figg.12 A e 12B, dove una sorgente di luce bianca 120, costituita da una pluralità di LED o diodi laser a luce bianca (ad esempio LED o diodi laser UV abbinati a fosfori di diversi colori, o combinazioni di LED o diodi laser che emettono nel rosso, nel verde e nel blu), del tipo illustrata in Fig.11, è realizzata schematicamente in forma di parallelepipedo allungato. La Fig. 12A mostra la sorgente 120 in elevazione laterale, mentre la Fig. 12B mostra la sorgente 120 in pianta dall’alto. La sorgente 120 è contenuta in una struttura trasparente sul lato 120a, dalla quale la radiazione emessa è diretta verso un nanodiffusore 126. La sorgente, opportunamente collimata nel piano orizzontale, invia la luce a larga banda da essa prodotta all’interno del nanodiffusore 126. Questo diffusore è configurato come un pannello la cui lunghezza nella direzione di propagazione della luce è molto maggiore che la sua profondità. L’altezza del pannello nanodiffusore può avere valori diversi a seconda delle diverse esigenze. Al fine di consentire alla luce trasmessa di propagare all’interno dell’intera lunghezza del pannello, a dispetto del fatto che esso possa essere molto sottile, è importante che esso si comporti come una guida d’onda, ovverosia non accoppi luce trasmessa all’esterno (o ne accoppi una minima parte) in assenza degli elementi dispersi. In altri termini, l’elemento diffusore privato della nanostruttura deve essere tale da non accoppiare all’esterno la luce. Un modo di raggiungere questo obiettivo è di utilizzare come materiale diffusore la dispersione di nanoparticelle in materiale trasparente vetroso, plastico, o polimerico, il cui indice di rifrazione n2≈1,5, essendo maggiore dell’indice di rifrazione dell’aria (nair≈1), fornisce un angolo limite per riflessione interna, rispetto alla normale alla superficie, di θlim≈ 42 deg. Per questo motivo il pannello di materiale trasparente senza nanoparticelle inglobate si comporta come un’ottima guida d’onda, in grado di trasmettere da una parte all’altra la luce della sorgente per riflessione interna totale, come illustrato dalle linee 122 e 123. In presenza di nanoparticelle, si ha che la luce da esse diffusa a -42deg < θscat< 42deg viene disaccoppiata dalla guida, così da divenire visibile per l’osservatore, come illustrato in figura 12B. Quella diffusa ad angoli maggiori viene invece accoppiata, per essere eventualmente diffusa in un evento di scattering successivo. In questo modo, la porzione di diffusore vicino alla sorgente diffonde la pressoché totalità della componente azzurra; la porzione successiva diffonderà prevalentemente il verde, essendo questa la componente a minor lunghezza d’onda rimasta, e la diffonderà con efficienza di diffusione leggermente minore (data la maggiore lunghezza d’onda) di quella che caratterizza la diffusione del blu nella regione precedente. Ciò implica una attenuazione della luminosità progressivamente lungo tutto il diffusore, fino a che solo la componente rossa della radiazione rimane, per essere diffusa nella porzione estrema del diffusore.

In una variante di questa forma di attuazione, illustrata in Fig. 12C, all’interno del pannello nanodiffusore 126 possono essere inglobati degli oggetti 127, ad esempio bianchi, in grado di diffondere localmente tutte le componenti della luce incidente, e quindi di simulare le nubi. In un’altra variante l’installazione può prevedere l’accostamento (nella direzione della profondità del diffusore, cioè in quella da cui si osserva) di pannelli di lunghezza differente, o caratterizzati da diverso coefficiente di diffusione, al fine di simulare i diversi processi di diffusione che avvengono alle diverse quote in atmosfera. Ciò consente di ricostruire, ad esempio, il fatto che la parte bassa dell’atmosfera al tramonto è investita dalla componente arancione o addirittura rossa della radiazione solare, essendo tutte le altre componenti state diffuse o rifratte, mentre la parte alta della stessa atmosfera resta illuminata dalla luce bianca del sole, e pertanto diffonde verso di noi luce di colore blu.

Una ulteriore forma di attuazione del dispositivo di illuminazione in configurazione “tramonto” è illustrata in elevazione verticale nella Fig.13A e in pianta dal basso nella Fig. 13B. In questa forma di attuazione l’elemento diffusore nanostrutturato 136 ha la forma di un cilindro. Il principio di funzionamento è lo stesso del caso precedente: una sorgente 130 illumina il cilindro da sotto (o, equivalentemente, da sopra) e la luce, che propaga guidata lungo l’asse del cilindro, diffonde tutte le componenti cromatiche, a partire dal blu fino al rosso. Questo dispositivo è inteso come una lampada da ambiente, oppure, nel caso di dimensioni notevoli, come una installazione da esterno.

Una ulteriore forma di attuazione del dispositivo di illuminazione dell’invenzione, suscettibile di funzionare sia in configurazione “mezzogiorno” che in configurazione “tramonto” è illustrata nelle Figg.14A, 14B, 14C, 14D, 14E e 14F. La Fig. 14A mostra in elevazione verticale una sorgente di luce 140 che illumina dal basso un cilindro 146 di materiale trasparente nanostrutturato simile al precedente ma forato all’interno, come mostrato in Fig. 14B. La porzione “piena” del cilindro nanostrutturato 146 si comporta ancora come una guida d’onda, nel caso sia illuminata da una sorgente posta ad una estremità e che abbia una la forma di un anello, come illustrato in Fig. 14C (vista dall’alto). In questa modalità operativa il dispositivo si comporta alla vista in modo analogo al precedente, mettendo in scena i colori del cielo al tramonto, come illustrato in Fig.14A.

A differenza del caso precedente, nella Fig. 14D è mostrata una sorgente di luce costituita da una lampada di forma allungata tubolare 140a, oppure un cilindro diffusore bianco illuminato dal basso, in grado di generare luce bianca che propaga verso l’esterno, destinata ad essere inserita all’interno del foro del diffusore nanostrutturato 146, come mostrato in Fig.14E, la cui luce viene quindi anch’essa diffusa dal cilindro diffusore cavo nano-strutturato. Nel caso di questa seconda tipologia di illuminazione, un osservatore posto davanti al cilindro vedrà il tubo luminoso interno, che emette luce bianca, privato della componente azzurra diffusa. Tale tubo luminoso apparirà pertanto giallo, e cioè del colore del sole, come mostrato in Fig. 14F. Per quanto riguarda le parti laterali del cilindro, egli le vedrà diffondere verso di lui la componente azzurra della luce generata dal tubo centrale, ovverosia vedrà il colore e la luce del cielo. È interessante notare che l’osservatore vedrà la stessa distribuzione di colori indipendentemente dalla sua posizione rispetto alla sorgente, ovverosia da ogni lato. Questo fatto gli consentirà di scoprire che i diversi colori non sono legati a diverse colorazioni dell’oggetto, ma sono inerenti alla differenza esistente tra luce trasmessa e diffusa. Altre possibili varianti della presente realizzazione prevedono una struttura a base quadrata o rettangolare, o ellittica. In tal caso, la mancanza di simmetria crea nei colori sfumature diverse a seconda dei diversi angoli di visuale. Le due sorgenti di luce 140 e 140a verranno usate una alternativamente all’altra. Spegnendo la prima sorgente 140 ed accendendo la seconda 140a, si transisce quindi dalla condizione di cielo al tramonto alla condizione di cielo e sole a mezzogiorno. La spettacolare transizione tra scenario diurno e serale rinforzerà l’ evidenza del ruolo dei processi diffusivi nel determinare il colore della luce.

Per quanto riguarda l’accoppiamento della luce prodotta dalla sorgente al pannello nelle forme di attuazione con configurazione “tramonto”, esso verrà realizzato mediante installazione di opportuni elementi ottici, nel caso che la sorgente o le sorgenti impiegate non abbiano la desiderata divergenza angolare. La caratteristica necessaria per ottimizzare l’accoppiamento è che la sorgente produca una divergenza sufficientemente bassa nella direzione della profondità del pannello diffusore per consentire la propagazione guidata della luce nel materiale. La sorgente, ad esempio, composta da una batteria di LED o diodi laser, sarà inoltre estesa nella direzione verticale, nel caso del dispositivo in Fig.12A, al fine di illuminare uniformemente tutta l’estensione del pannello 126, o circolare, nel caso del dispositivo in Fig. 14A al fine di illuminare la base del cilindro diffusore tubolare 146. Riguardo alle caratteristiche spettrali della sorgente, è importante notare che una sorgente che risulti bianca all’occhio, in quanto eccita in modo adeguatamente bilanciato le tre tipologie di rivelatori (cioè R, G, B), può essere priva di porzioni importanti dello spettro, in riferimento a quello prodotto da un corpo nero alla stessa CCT. Tale sorgente può rivelarsi inadatta allo scopo in quanto incapace di generare luce diffusa del colore atteso in determinate porzioni spaziali del diffusore, che risulterebbero scure. Se si considera ad esempio il caso di un LED blu con fosforo che emette nel giallo, è evidente che tale sorgente non sarà in grado di creare il rosso acceso che ci si attende illumini la parte estrema del diffusore, così da simulare la luce del sole che illumina le nubi al tramonto, semplicemente poiché la sorgente è priva di tale componente spettrale. Sorgenti ideali sono quindi o quelle con spettro di corpo nero, oppure quelle realizzate da opportuna combinazione di LED o diodi laser e di fosfori di diversi colori. Si noti che, nel caso di una combinazione di diverse sorgenti, queste non devono essere necessariamente integrate in un unico elemento ma possono essere semplicemente accostate, a patto che l’accostamento sia sufficientemente compatto da non essere percepibile come disomogeneità dei colori diffusi nel piano verticale del diffusore.

Il dispositivo secondo l’invenzione può essere utilizzato come oggetto luminoso di arredamento, in grado di mettere in scena la bellezza dei colori del cielo. In tal caso esso è utilizzato come oggetto da osservare, piuttosto che come sorgente che illumina una scena. È però possibile realizzare entrambe le funzioni nel caso di un pannello, o sistema di pannelli, di grandi dimensioni, che coprano ad esempio l’intero soffitto, o un’intera parete di una stanza, o anche più pareti. In tal caso, il dispositivo potrebbe sostituire l’illuminazione tradizionale, fornendo, come il cielo, una illuminazione diffusa a tutto l’ambiente. Un vantaggio importante rispetto alla tipologia di illuminazione proposta nelle precedenti realizzazioni è che in questo caso non serve disporre nessuna sorgente dietro al pannello, ad una certa distanza, fatto questo che riduce notevolmente gli ingombri.

Si sono descritte alcune forme di attuazione dell’invenzione, ma evidentemente essa è suscettibile di numerose modifiche e varianti nell’ambito dell’idea inventiva come definita nelle rivendicazioni allegate.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di illuminazione comprendente una sorgente di luce artificiale ad ampio spettro (52; 60,64; 80,84) comprendente uno o più elementi attivi che emettono fotoni o che li assorbono per poi riemetterli a maggiore lunghezza d’onda, ed un diffusore cromatico (56; 66; 86) posto a valle di essi e comprendente elementi di un primo materiale non liquido trasparente alla luce visibile ed avente indice rifrazione n1dispersi in un secondo materiale non liquido trasparente alla luce visibile ed avente indice rifrazione n2, per cui |n2/n1-1|>0,1 e per cui la dimensione lineare tipica, d, degli elementi dispersi del primo materiale soddisfi la condizione 5nm <d<300nm, detto dispositivo essendo caratterizzato dal fatto che la dimensione massima (Lmax) di detto diffusore è uguale o maggiore al doppio della dimensione minima (dmin) della proiezione del maggiore di detti elementi attivi su un piano perpendicolare a: a. in caso di sorgente di luce ad emissione anisotropa, la direzione di massima emissione (Imax) di detta sorgente; o b. in caso di sorgente di luce ad emissione isotropa, la direzione (Iprox) definita dalla retta che congiunge i due punti più prossimi di detta sorgente e di detto diffusore, come espresso dalla relazione Lmax≥ 2 dmin; in cui la dimensione massima Lmaxdi detto diffusore è definita come la maggiore delle massime distanze tra due punti appartenenti alla proiezione del diffusore su un piano perpendicolare o parallelo alle direzioni Imaxo Iproxdefinite sopra.
2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che Lmax≥ 5 dmin.
3. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che Lmax≥ 10 dmin.
4. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che Lmaxè compresa nell’intervallo tra 2 e 100 dmin.
5. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che gli elementi dispersi del primo materiale sono nano-particelle solide di indice di rifrazione n1e che il secondo materiale è una matrice solida di indice rifrazione n2< n1.
6. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che gli elementi dispersi del primo materiale sono nano-bolle di gas di indice di rifrazione n1e che il secondo materiale è una matrice solida di indice rifrazione n2>n1.
7. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che gli elementi dispersi del primo materiale sono dei nano-volumi d’ aria e che il secondo materiale è costituito da una struttura dendritica solida di silice a bassissima densità, a sua volta comprendente grappoli di nano-particelle.
8. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta sorgente di luce artificiale ad ampio spettro comprende un LED o diodo laser blu (60, 80) avente picco di emissione nell’intervallo di lunghezze d’onda 430nm < λ <470 nm ed un fosforo giallo (54, 64, 84) avente picco di emissione nell’intervalle di lunghezze d’onda 560nm < λ <600 nm.
9. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta sorgente di luce artificiale ad ampio spettro comprende un LED o diodo laser UV ed una combinazione di fosfori il cui picchi di emissione cadono nella regione del rosso, del verde e del blu dello spettro visibile.
10. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta sorgente di luce artificiale ad ampio spettro comprende tre LED o diodi laser i cui picchi di emissione cadono nella regione del rosso, del verde e del blu dello spettro visibile.
11. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto diffusore cromatico è un pannello a forma di parallelepipedo (126) e che detta sorgente di luce artificiale ad ampio spettro (120, 120a) è posta in corrispondenza della faccia di area minore di detto pannello.
12. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto diffusore cromatico ha la forma di un cilindro (136) e detta sorgente di luce artificiale ad ampio spettro è posta in corrispondenza di una estremità di detto cilindro.
13. Dispositivo secondo la rivendicazione 12, caratterizzato dal fatto che detto diffusore cromatico ha la forma di un cilindro cavo e detta sorgente di luce artificiale ad ampio spettro ha una forma a corona circolare ed è posta coassialmente in prossimità di una estremità di detto cilindro.
14. Dispositivo secondo la rivendicazione 13, caratterizzato dal fatto che detto diffusore cromatico ha la forma di un cilindro cavo e detta sorgente di luce artificiale ad ampio spettro ha una forma allungata ed è posta coassialmente all’interno di detto cilindro cavo.
15. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta sorgente di luce (80,84) è posta all’interno di un riflettore (87) che re-dirige la luce retro-diffusa da detto diffusore cromatico (86) verso di esso.
16. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che |n2/n1-1|>0,5.
17. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che 10nm<d<200nm.
18. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che 50nm<d<100nm.
19. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che 30nm<d<50nm.
20. Dispositivo secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che le nano-particelle sono costituite da uno tra i seguenti materiali: TiO2, ZnO, ZrO2.
21. Dispositivo secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che le nano-particelle sono costituite da uno tra i seguenti materiali: BaTiO2, Al2O3, SiO2.