CNR - Istituto Nazionale di Ottica Applicata
Corso “Apparecchi di illuminazione”
Laboratorio CE.TA.CE. Prato
Sorgenti luminose e
strumentazione per la loro misura
L. Mercatelli
Istituto Nazionale di Ottica Applicata
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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
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Tipologie di sorgenti luminose
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In base al principio di funzionamento si possono
individuare le seguenti tipologie di lampada
 INCANDESCENZA
 SCARICA IN GAS
convenzionali
alogene
bassa pressione
alta pressione
 FLUORESCENZA
 AD ARCO
 LAMPADE A SEMICONDUTTORE  LED
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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
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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.
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Distribuzione spettrale della radiazione
emessa dalle sorgenti incandescenti
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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
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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
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Vantaggi
1. Luce chiara uniforme per l’intera durata della lampada
2. Durata tipica doppia rispetto alle lampade ad incandescenza
convenzionali
3. Dimensioni ridotte
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.
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Applicazioni
 Sistemi richiedenti elevata potenza (max 5kW)
(fotocopiatrici, spot luminosi, lampade teatrali, semafori, ecc.)
 Ambiente domestico
(lampade da tavolo, 20-10 W)
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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.
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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)
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- 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.
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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
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Lampade fluorescenti
Lampade a scarica a bassa pressione, a vapori di mercurio.
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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
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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
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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.
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Lampada al sodio
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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).
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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.
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Lampade ad arco
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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
corrente e tensione
consumi
di
• Lunga durata (non c’è dispersione
di calore)
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Temperatura di colore
Indice di resa cromatica
Curva fotometrica
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Temperatura di colore
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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
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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.
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Classificazione degli apparecchi
90-100% sotto
orizzontale
0-10% sotto
orizzontale
40-60% sotto
orizzontale
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Curva asimmetrica
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Rivelatori
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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
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Rivelatori al silicio
•
•
•
•
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
Giunzione P-N: Diodo polarizzato
inversamente
Corrente proporzionale luce incidente
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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
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Scelta dei filtri
2
Risposta fotorivelatore
perc
perc
perc
R  K  Sdetector ( )  T filter
(

)

T
(

)

...

T
1
filter2
filtern(  )d
1
I filtri funzionano per assorbimento o per
interferenza
• Assorbimento: Legge Lambert-Beer. Banda
larga, passa-alto
I (  )  I 0 (  )e  e L
• Interferenza: deposizioni dielettriche causano
interferenza dei fronti d’onda. Banda stretta
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Filtraggio -1
ES. Il fotodiodo viene
filtrato in modo da
modificarne la sensibilità e
renderla più simile a quella
dell’occhio umano
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Filtraggio -2
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Luxmetro
• Misura W/m2 “pesati” sulla risposta dell’occhio (LUX)
TESTA - COSENO
FILTRO
FOTODIODO
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Tipologie di illuminanti
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Color Correction Factor
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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)
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Vacuum Photodiodes
•
•
La sensibilità spettrale è determinata dal materiale del catodo
Es: fototubi per UV catodo Cs-Te
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Fotomoltiplicatori
•
•
•
Emissione secondaria dai dinodi
Alto guadagno
Utilizzati in conteggio di singolo fotone
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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
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Termopile
•Giunzione “calda” immersa in assorbitore
•Giunzione “fredda” schermata da vernice
od altro
•Sensibilità
spettrale
dipende
da
assorbitore
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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
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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
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Goniofotometro
Esistono 3 tipologie di goniofotometri:
• Rivelatore fisso, lampada mobile
• Lampada fissa, rivelatore mobile
• Rivelatore e lampada mobili
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Spettroradiometro
Misure di radianza spettrale
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Misure con spettroradiometro
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
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Il colore -1
CAMPIONE
SORGENTE
COLORATO
In termini di spettro, il colore è:
L’EMISSIONE DELLA SORGENTE CHE NON VIENE
ASSORBITA DAL CAMPIONE MA RIDISTRIBUITA NELLO
SPAZIO
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Il colore -2
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Contatti
Luca Mercatelli
Tel: +39 055 2308-310/311
Email: [email protected]
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www.inoa.it\home\lucamerca