CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata Sorgenti luminose e strumentazione per la loro misura...

CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata

Sorgenti luminose e strumentazione per la loro misura

L. Mercatelli

Istituto Nazionale di Ottica Applicata

Corso “Apparecchi di illuminazione”

Laboratorio CE.TA.CE. Prato


Indice

• Tipologie di sorgenti luminose• Definizione di temperatura di colore, color

rendering index, colore di una sorgente• Strumenti di misura

– Luxmetro– Fototubi, termopile– Goniofotometro– Spettroradiometro


Tipologie di sorgenti luminose


In base al principio di funzionamento si possono individuare le seguenti tipologie di lampada

INCANDESCENZA

SCARICA IN GAS

FLUORESCENZA

convenzionali

alogenebassa pressione

alta pressione

AD ARCO

LAMPADE A SEMICONDUTTORE LED


Caratteristiche principali di una lampada

Efficienza [lumen/watt] rapporto fra flusso luminoso emesso e potenza elettrica assorbita.

Durata (vita media) pari al tempo medio durante il quale la lampada è capace di emettere un flusso luminoso non inferiore del 50% del flusso iniziale

Spettro della luce emessa colore della luce

Tensione di alimentazione

Costo dell’impianto e manutenzione


Le lampade ad incandescenza sono radiatori di calore: all’interno di un bulbo chiuso, il filamento di tungsteno della spirale viene reso incandescente al passaggio della corrente elettrica. Oltre che in calore, l’energia viene convertita in luce in una misura che compresa tra il 5% e il 10%.

Sorgenti incandescenti

Talvolta nel bulbo viene immesso un gas inerte (azoto, argo o cripto) per rallentare la volatilizzazione del filamento, prolungandone la durata.

Temperatura di lavoro: 2500-3000 K , vita media: 1000 h.

Aumentando la temperatura aumenta l’efficienza luminosa e la temperatura di colore. Tuttavia, diminuisce la durata della lampada in quanto il materiale del filamento evapora e diventa sempre più sottile fino a spezzarsi.


Distribuzione spettrale della radiazione emessa dalle sorgenti incandescenti


Le applicazioni più diffuse

applicazioni mediche scopi terapeutici: cura di reumatismi, dolori muscolari ecc.

Industria essiccazione di vernici e per trattamenti termici, allevamento di animali

Uso domestico, uffici, ecc..

Particolari sono le incandescenti a raggi infrarossi, fabbricate in modo tale che il filamento raggiunga temperature non superiori ai

2200 °C ed emetta perciò radiazioni quasi esclusivamente calorifiche.


Lampade ad incandescenza alogene

Bulbo riempito da un gas alogeno (iodio, bromo)

Il gas alogeno combinandosi con il tungsteno evaporato forma l’alogenuro di tungsteno, il quale si decompone vicino al filamento consentendo al tungsteno evaporato di ridepositarsi sul filamento stesso.

Il bulbo è costituito di quarzo in quanto, per mantenere il ciclo alogeno, deve essere portato alla temperatura di almeno 250°C. consistente emissione UV dipendente dalla qualità e dalle

proprietà del bulbo di quarzo. Attualmente esistono in commercio speciali quarzi UV-STOP, dalla lampada viene cioè erogata solo luce visibile


Vantaggi

4. Più luce a parità di consumo di energia elettrica grazie ad una più elevata efficienza luminosa: 15-25 lumen/watt contro 10-15 lumen/watt per le incandescenti normali.

1. Luce chiara uniforme per l’intera durata della lampada

2. Durata tipica doppia rispetto alle lampade ad incandescenza convenzionali

3. Dimensioni ridotte


Applicazioni

Sistemi richiedenti elevata potenza (max 5kW) (fotocopiatrici, spot luminosi, lampade teatrali, semafori, ecc.)

Ambiente domestico(lampade da tavolo, 20-10 W)


LAMPADE A SCARICA IN UN GAS

Funzionamento basato sul principio della scarica in un gas, dove l’energia liberata durante la scarica è usata per generare radiazione

e.m.

Una tensione applicata agli elettrodi agisce sugli e- liberi nel gas che iniziano a muoversi in direzione del polo positivo, entrando in

collisione con gli atomi del gas.

Il tubo in cui avviene la scarica è costituito da due elettrodi sigillati al suo interno e riempito con un metallo e un gas

d’innesco.


Le lunghezze d’onda generate in una scarica in gas dipendono principalmente da:

vapori degli elementi utilizzati : mercurio, sodio, alogenuri ( sodio, tallio, indio) e terre rare.

Rivestimento della parete del tubo con polvere fluorescente lampade a fluorescenza al mercurio ( a basso consumo)

Pressione del gas


Emissioni lampada a Hg. Pressioni crescenti da 31 atm a 285 atm.

- Bassa pressione (10-3 10-5 atm)

- Media pressione (210 atm)

- Alta pressione (> 10 atm), lampade HID (High Intensity Discharge)


Lampade fluorescenti

Fra gli elettrodi della lampada si genera una scarica che , attraversando i vapori di mercurio, genera (oltre ad alcune radiazioni visibili) una grande quantità di radiazioni UV di =253.7 nm. Le polveri fluorescenti (silicati o fosfati di Ca e Zn) che rivestono la parete interna del tubo convertono le emissioni UV in luce visibile. Combinazioni diverse di polveri consentono di ottenere tonalità di luce diversa

Lampade a scarica a bassa pressione, a vapori di mercurio.


Lampade fluorescenti

Lampade a scarica a bassa pressione, a vapori di mercurio.


Efficienza totale del 20%

(60 lumen/watt)

Tenendo conto delle perdite degli

alimentatori si arriva a 54 lumen/watt.

Efficienza circa 4 volte maggiore delle incandescenti


Fluorescenti a catodo caldo (più usate)

Elettrodi costituiti da un filamento di tungsteno rivestito di ossidi di metalli alcalino terrosi, che viene riscaldato a circa 950 °C.

Durante il normale funzionamento gli elettrodi si mantengono caldi per effetto del bombardamento ionico.

Fluorescenti a catodo freddo

Elettrodi costituiti da cilindri che funzionano alla temperatura di circa 150 °C e richiedono tensioni d’innesco di 600-800 V.

Recentemente sono stati sviluppati alimentatori elettronici che garantiscono un’accensione immediata senza sfarfallii , oltre ad

eliminare l’effetto stroboscopico

CNR - Istituto Nazionale di Ottica ApplicataLampada al sodio

Bassa pressione emette principalmente a = 589 nm (giallo-arancio)

Alta pressione spettro composto da più righe, luce bianco-dorata. Sono usate per l’illuminazione stradale in zone nebbiose o in galleria.

CNR - Istituto Nazionale di Ottica ApplicataLampada al sodio


LAMPADE AL MERCURIO

Bassa pressione

Emissione di radiazione nella regione UVC dello spettro, prevalentemente a

= 254 nm, lunghezza d’onda prossima a quella per cui si ha il massimo di

assorbimento del DNA ( 260 nm).


Lampade ad arco

Spettro simile alla luce solare, impiegato per ricerca. Ultimamente utilizzato nel settore automobilistico.

La sorgente luminosa è costituita da un arco elettrico che s’innesca fra i due elettrodi. Le più comuni sono allo xenon e mercurio-xenon. Lavorano in continua e

sono in assoluto le sorgenti più luminose. Lavorano ad elevata pressione e necessitano di bulbi di quarzo.


Lampade ad arco


LIGHT EMITTING DIODE [LED]Lampada a stato solido

Costituiti da un diodo che in conduzione diretta emette luce per effetto della ricombinazione dei portatori iniettati

LED emettono luce quasi-monocromatica nel rosso, giallo, verde o blu. Utilizzando alcuni fosfori si può ottenere luce bianca.

VANTAGGI

• Piccoli

•Elevata efficienza

•Economici, ridotti consumi di corrente e tensione

•Lunga durata (non c’è dispersione di calore)


Temperatura di coloreIndice di resa cromatica

Curva fotometrica


Temperatura di colore


Indice di resa cromaticaL'indice di rendimento del colore indica la resa dei colori fornita da una sorgente luminosa, paragonata ad una luce “standard”.

La misura prevede l'illuminazione di otto colori campione standard, ed il confronto con i dati ottenuti con una lampada a filamento


Curva fotometrica

La curva fotometrica è un grafico che esprime la distribuzione delle intensità luminose emesse da una sorgente. La rappresentazione più usata è quella di un diagramma polare.


Classificazione degli apparecchi

90-100% sotto orizzontale




Curva asimmetrica


Rivelatori


Scegliere un rivelatore

• Sensibilità spettrale

• Può essere cambiato picco di sensibilità o larghezza di banda ma vi deve essere sufficiente segnale iniziale

• Insensibilità alla radiazione fuori della banda d’interesse


Rivelatori al silicio

• Giunzione P-N: Diodo polarizzato inversamente

• Corrente proporzionale luce incidente

• Radiazione assorbita esponenzialmente con la distanza. Proporzionale al coeff. Assorbimento

• Coeff. Assorbimento alto per corte (UV) e basso per lunghe (IR) - trasparente per >1200 nm


Rivelatori al silicioLinearità mantenuta entro range dinamico di 10 decadi Utilizzati come standard al NIST

• Limite teorico di sensibilità corrente di buio, rumore shot, rumore termico

• Limite pratico di sensibilità irradianza che produce una corrente confrontabile con la corrente di buio


Scelta dei filtri

Risposta fotorivelatore

dTTTSKR percfiltern

percfilter

percfilterdetector )(...)()()( 21

2

1

I filtri funzionano per assorbimento o per interferenza

• Assorbimento: Legge Lambert-Beer. Banda larga, passa-alto

• Interferenza: deposizioni dielettriche causano interferenza dei fronti d’onda. Banda stretta

LeeII )()( 0


ES. Il fotodiodo viene filtrato in modo da modificarne la sensibilità e renderla più simile a quella dell’occhio umano

Filtraggio -1


Filtraggio -2


Luxmetro

• Misura W/m2 “pesati” sulla risposta dell’occhio (LUX)

FOTODIODO

FILTRO

TESTA - COSENO


Tipologie di illuminanti


Color Correction Factor


Vacuum Photodiodes

• Fototubo: sensore basato su effetto fotoelettrico

• Coating del catodo con materiali che emettono elettroni se colpiti da radiazione (es. Cesio)

• Anodo a 50-90V per raccogliere gli elettroni uscenti dal catodo. (Tecnologia odierna pochi Volts ddp)


Vacuum Photodiodes

• La sensibilità spettrale è determinata dal materiale del catodo

• Es: fototubi per UV catodo Cs-Te


Fotomoltiplicatori

• Emissione secondaria dai dinodi• Alto guadagno• Utilizzati in conteggio di singolo fotone


Termopile

Effetto Seebeck (Thomas Johann Seebeck, 1770-1831). Una corrente elettrica scorre in un circuito costituito da due conduttori metallici in serie quando le due giunzioni sono a temperature diverse. La fem è proporzionale alla differenza di temperatura delle giunzioni


Termopile

•Giunzione “calda” immersa in assorbitore•Giunzione “fredda” schermata da vernice od altro

•Sensibilità spettrale dipende da assorbitore


Filtri per Irradianza Effettiva

Combinazione filtro-sensibilità spettrale per misure di irradianza effettiva

Irradianza effettiva: irradianza pesata in proporzione all’effetto chimico o biologico che ha la luce su una determinata sostanza

Es: Funzione peso per irraggiamento della pelle umana usata per determinare il rischio UV


Campo di vista del rivelatore

Importanza del campo di vista, in accordo al tipo di misura da compiere:

• Es. Misura di irraggiamento della pelle umana: la pelle è piana e diffondente ed assorbe radiazione in proporzione all’angolo di incidenza

• Es. Misure di radianza necessitano angoli di accettazione stretti

• I fotodiodi al silicio hanno risposta coseno, ma l’introduzione di filtri davanti ne limita il campo

• Un campo di vista stretto porta a misurare segnali bassi. Per compensare il problema si aumenta la sezione del fascio misurato tramite lenti


Goniofotometro

Esistono 3 tipologie di goniofotometri:

• Rivelatore fisso, lampada mobile

• Lampada fissa, rivelatore mobile

• Rivelatore e lampada mobili


Spettroradiometro

Misure di radianza spettrale


Misure con spettroradiometro

Spectralon:

• Superficie che riflette tutte le lungh. d’onda con la stessa efficienza.

• La diffusione nello spazio rispetta la legge di Lambert

SORGENTE SPECTRALON

SPETTRORADIOMETRO


Il colore -1

In termini di spettro, il colore è:

L’EMISSIONE DELLA SORGENTE CHE NON VIENE ASSORBITA DAL CAMPIONE MA RIDISTRIBUITA NELLO SPAZIO

SORGENTE

CAMPIONE

COLORATO


Il colore -2


Luca MercatelliTel: +39 055 2308-310/311

Email: [email protected]

Web: www.inoa.it\home\fotometria

www.inoa.it\home\lucamerca

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