Illuminazione a LED

I LED (Light Emitting Diode) o diodi luminosi, sono dei piccoli componenti elettronici basati sul silicio e sono stati inventati negli anni sessanta, ma sono stati utilizzati per decenni solo come spie luminose o come strumenti sinottici e alfanumerici nei pannelli elettrici ed elettronici.

Il Sole visto dallo spazio in raggi ultravioletti trasformati in blu per essere visibili ai nostri occhi.

Nelle nostre abitazioni e nelle città, l'illuminazione a luce LED è stata adottata relativamente di recente, cioè dopo l'introduzione dei LED ad alta luminosità intorno al 1995.

I LED ad alta efficienza, o luminosità sono stati utilizzati anche in varie generazioni di schermi LCD di computer e oggi si utilizzano ancora nella produzione di monitor, tablet e smartphone. Nell'ultimo decennio si può dire che l'illuminazione domestica e anche stradale sta diventando dominio dei LED che progressivamente stanno sostituendo tutte le storiche lampade a scarica nei gas delle vie cittadine.

Nelle proprie abitazioni, la lotta per migliorare l'efficienza, ovvero maggior luce con minor consumo e minore dispersione termica costringe a fare una scelta obbligata. In poco tempo la scelta tra lampadine a incandescenza, a fluorescenza, alogene e a LED si è ridotta quasi a zero, infatti negli scaffali di alcuni supermercati sono rimaste solo e soltanto le lampade a LED.

Inutile discutere le scelte del "progresso" non sempre giustificate dal punto di vista scientifico, ma piuttosto stimolate da quello commerciale e politico. Si potrebbe disquisire anche sul fatto della durata, la vita delle lampadine a incandescenza ad esempio dipende (o meglio dipendeva) dalla "bontà" del vuoto prodotto nel bulbo ed era la programmazione dell'obsolescenza a decidere quanta aria doveva rimanere insieme al filamento di tungsteno. Di fatto, maggiore ossigeno nel bulbo significa minore durata.

Una lampadina diventata famosa è quella di una stazione dei pompieri in California (USA), la quale sembra abbia funzionato perfettamente per 116 anni! Credendoci o meno a questa vicenda, comunque la storia dimostra che cento anni fa le cose venivano prodotte per funzionare e non per vendere.

La qualità della luce

Quello che però pochi sottolineano è la qualità della luce a cui siamo necessariamente sottoposti. La natura ha progettato i nostri occhi per funzionare con la luce solare. La qualità, o meglio la gamma di colori (o spettro) della luce del Sole visibile è piuttosto continua e lineare, cioè ogni colore ha più o meno la stessa intensità luminosa e lo spettro globale del Sole ha una "gobba" posizionata in corrispondenza della luce gialla con una temperatura di colore di 5800 Kelvin.

Confronto tra lo spettro di tre stelle (immagine: http://www.pas.rochester.edu), nell'asse delle ordinate (verticale) l'intensità luminosa, nell'asse delle ascisse (orizzontale) la lunghezza d'onda, più è piccola la lunghezza d'onda (verso sinistra), maggiore è l'energia irradiata.

Se ci fossimo evoluti intorno al sistema della stella Antares (vedi immagine a fianco) i nostri occhi sarebbero più abituati alla luce rossa dato che la sua temperatura è di 3400 K, mentre se il nostro pianeta ruotasse intorno a Spica saremmo più tolleranti alla luce blu e ultravioletta. Da questo esempio possiamo capire che il colore è un parametro che dipende dalla temperatura che a sua volta dipende dalla lunghezza d'onda ovvero dall'energia. Vale a dire che la luce rossa colpisce con meno energia i nostri occhi rispetto alla luce gialla o a quella blu. E' risaputo ad esempio che la luce ultravioletta è dannosa sia per i nostri occhi, sia per la nostra pelle e questo fatto è dovuto proprio alla sua energia. La luce blu si trova dietro a quella violetta, a pochi passi da quella ultravioletta.
Le uniche sorgenti artificiali più simili alla luce solare erano proprio le bandite lampadine a incandescenza, queste con uno spettro continuo e lineare potevano essere intonate per simulare esattamente la luce del nostro Sole. Le lampade a fluorescenza, comunemente dette al neon, hanno uno spettro ampio e discontinuo mentre la luce dei LED "bianchi" ha in realtà uno spettro che contiene un picco di luce molto intenso nel blu, anche se ai nostri occhi appare bianca.

Nell'immagine un confronto tra lo spettro della luce solare e varie sorgenti artificiali (immagine: https://www.olympus-lifescience.com).

Più di qualche scienziato si è interrogato su questo picco blu e se possa essere pericoloso per i nostri occhi analogamente agli ultravioletti. I risultati di diverse ricerche dimostrano che l'esposizione prolungata alla luce blu è sicuramente pericolosa per i nostri occhi sotto diversi aspetti (vedi esempio qui). In primo luogo l'esposizione continua provoca un invecchiamento e degradazione della retina e in modo maggiore nei bambini, inoltre gli studi evidenziano problematiche riguardo il ciclo circadiano, ovvero la difficoltà ad addormentarsi o a svegliarsi durante la notte.

Ora bisogna considerare che l'esposizione che subiscono gli occhi è costante per alcune persone e per alcuni tipi di lavoro. Dato che l'intensità è proporzionale alla distanza (o meglio al suo quadrato), gli schermi dei vari dispositivi elettronici sono la prima minaccia diurna e notturna. L'illuminazione ambiente ha lo stesso effetto, anche se la distanza di una lampada può essere superiore rispetto ad esempio allo smartphone, l'intensità potrebbe andare di pari passo. Le luci stradali rimangono le meno influenti dato che pochi individui passano la vita per strada. Ma le luci nelle infrastrutture pubbliche - e penso alle scuole - sono irradiate dalla luce a LED.

Confronto tra lo spettro di LED a luce fredda (in azzurro) e a luce calda (in arancione), si può notare per quest'ultimo la forte emissione nel giallo e il picco blu meno intenso (immagine: https://glamox.com/nl/spectrum).

Va detto che in commercio esistono anche i LED a luce calda, il cui picco blu è relativamente inferiore come intensità a quello dei LED bianchi classici, ma a volte in realtà viene solo aumentata l'intensità della banda nel giallo per rendere la luce più calda.

Questo problema ovviamente non viene molto discusso dalle case produttrici di lampadine e di monitor multimediali, tuttavia non è ignorato. Alcuni produttori di display stanno progettando (e forse già utilizzando) degli schermi a pigmenti per "addomesticare" lo spettro dei monitor e ammorbidire l'intensità del blu per renderlo più simile alla luce solare. Per quello che ho potuto vedere gli schermi al plasma sono esenti dal problema del picco blu, in quanto il loro spettro è molto più simile ai vecchi CRT (Researchgate...).

I produttori di lenti per occhiali a loro volta stanno progettando e utilizzando materiali per filtrare la luce blu incriminata. Fino a pochi anni fa l'unico filtro disponibile era quello UV o il trattamento anti-graffio che comprendeva anche il filtro UV. Oggi presso alcuni ottici è disponibile anche il cosiddetto filtro Blue-Block, dedito a bloccare il picco blu dei LED, ma questo funzionerà veramente o sarà solo l'ennesimo escamotage commerciale?

Test Blue Block

Per vederci più chiaro ho condotto diversi esperimenti prendendo tre occhiali da vista come campioni, tra i quali uno con lenti dotate di filtro blue block e utilizzando come sorgente due torce a LED, una a luce bianca e una a emissione nel vicino UV . La luce filtrata dalle lenti è stata analizzata con uno spettrometro ottico; premesso che la ricerca andrebbe approfondita con altri strumenti, i risultati sono presentati e discussi di seguito.

Il primo grafico raggruppa lo spettro della luce LED bianca vista dallo spettrometro, "ad occhio nudo", e poi filtrata da tre occhiali, in un secondo tempo è stato aggiunto un filtro ambra Polaroid. Per leggere il grafico fare riferimento alla sua legenda. I campioni sono: 02 (nessun filtro), 03 (filtro Polaroid), 04 (occhiale generico), 05 (occhiale con filtro UV, 06 (occhiale con filtro blue-block). A prima vista non c'è un'apprezzabile differenza, tranne per il filtro ambrato della Polaroid.

Confronto delle curve dai vari spettri, la lunghezza d'onda emessa dai LED si estende da circa 380 nanometri (miliardesimi di metro) a circa 670 nm.

Immagine grezza dello spettro del LED visto dallo spettroscopio

Un occhio più analitico può però scorgere alcune caratteristiche: le curve mostrano lo stesso andamento per l'occhiale generico e per la luce non filtrata, invece il campione di occhiale con il filtro UV ha un comportamento diverso, nel blu non mostra apprezzabili differenze mentre è sempre risultato essere più trasparente alla luce verde. L'occhiale con il trattamento blu-block mostra invece un leggero slittamento della banda del blu e un leggero assorbimento riguardo all'intensità della luce verde e gialla. Per quanto riguarda il filtro ambra Polaroid è evidente il restringimento di banda nel blu e l'assorbimento nel verde e giallo, con una maggiore trasparenza verso la lunghezza d'onda più lunga del giallo (ambra appunto).

Il secondo grafico riguarda la sorgente nel vicino ultravioletto dove i campioni sono: 07 (nessun filtro), 08 (filtro Polaroid), 09 (occhiale con filtro UV, 10 (occhiale con filtro blue-block).

Confronto delle curve dai vari spettri, la lunghezza d'onda emessa dai LED nUV si estende da circa 370 nanometri (miliardesimi di metro) a circa 440 nm

Sotto i 400 nm siamo già nel dominio degli ultravioletti, come si può notare il filtro UV filtra sempre in termini di scostamento di banda ma apparentemente non nell'intensità, il filtro ambra Polaroid anch'esso produce uno slittamento della banda, ma quello che mostra un blocco di banda palesemente inferiore ai 400nm è proprio l'occhiale con il blue block, per quanto di nuovo l'intensità rimanga costante.

Conclusione

Il risultato del campione di occhiale con le lenti blu block è riassunto nell'ultimo grafico. Le lenti hanno un trattamento che le attribuisce un intonazione giallognola quando indossati, mentre appare una riflessione bluastra visti frontalmente. Per bloccare la luce blu serve un filtro giallo poichè il giallo è il colore complementare del blu. Tuttavia se si utilizzasse un normale filtro giallo ogni cosa apparirebbe di colore differente dal reale, quindi per i costruttori di lenti non è certo un lavoro semplice trovare la "ricetta" che funzioni alla perfezione. Questo spiega perchè è difficile agire sull'intensità e in effetti l'intensità del blu non diminuisce, almeno questo è quello che dice lo spettroscopio, anche allontanando la sorgente.

Il filtro funziona invece sulla filtratura di banda, nel dominio del blu mostra il suo intervento intorno ai 440 nm, tuttavia esibisce una filtratura di pochi nm. Il risultato più evidente è invece nel dominio degli ultravioletti dove filtra una ventina di nm. Sembra che il trattamento blue block produce uno slittamento di banda, dove il picco massimo si scosta di circa 10 nm. In sostanza si potrebbe dire che la luce ad alta frequenza (sopra a 440 nm) viene rallentata, sebbene l'intensità rimane costante, questo comunque è utile perchè fa diminuire l'energia che colpisce le nostre retine oculari. Per concludere si può dire che il filtro analizzato non risolve il problema - in particolare quello del picco nel blu - mentre lavora molto meglio nell'UV. Malgrado tutto il blue-block è meglio averlo che non averlo, ma l'unica protezione attuale reale per i nostri occhi è ridurre l'esposizione alla luce LED.