Sorgenti luminose e strumentazione per la loro misura Corso “Apparecchi di illuminazione” Laboratorio CE.TA.CE. Prato Sorgenti luminose e strumentazione per la loro misura L. Mercatelli Istituto Nazionale di Ottica Applicata

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 convenzionali alogene INCANDESCENZA bassa pressione alta pressione SCARICA IN GAS FLUORESCENZA 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

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

Distribuzione spettrale della radiazione emessa dalle sorgenti incandescenti

Le applicazioni più diffuse 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. applicazioni mediche  scopi terapeutici: cura di reumatismi, dolori muscolari ecc. Industria  essiccazione di vernici e per trattamenti termici, allevamento di animali

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 Luce chiara uniforme per l’intera durata della lampada Durata tipica doppia rispetto alle lampade ad incandescenza convenzionali Dimensioni ridotte 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.

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. 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. 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.

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. Pressione del gas Rivestimento della parete del tubo con polvere fluorescente lampade a fluorescenza al mercurio ( a basso consumo)

Emissioni lampada a Hg. Pressioni crescenti da 31 atm a 285 atm. - Bassa pressione (10-3 10-5 atm) Media pressione (210 atm) Alta pressione (> 10 atm), lampade HID (High Intensity Discharge) Emissioni lampada a Hg. Pressioni crescenti da 31 atm a 285 atm.

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

Efficienza circa 4 volte maggiore delle incandescenti 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

Lampada 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.

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

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 colore Indice di resa cromatica Curva fotometrica

Temperatura di colore

Indice di resa cromatica L'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 0-10% sotto orizzontale 40-60% 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 silicio Linearità 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 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

Filtraggio -1 ES. Il fotodiodo viene filtrato in modo da modificarne la sensibilità e renderla più simile a quella dell’occhio umano

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

Misure di radianza spettrale 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

Il colore -1 CAMPIONE COLORATO SORGENTE In termini di spettro, il colore è: L’EMISSIONE DELLA SORGENTE CHE NON VIENE ASSORBITA DAL CAMPIONE MA RIDISTRIBUITA NELLO SPAZIO

Il colore -2

Luca Mercatelli Contatti Tel: +39 055 2308-310/311 Email: luca.mercatelli@inoa.it Web: www.inoa.it\home\fotometria www.inoa.it\home\lucamerca