Strumentazione per la misura della radiazione ottica
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Istituto Nazionale di Ottica Applicata Strumenti di misura della radiazione L. Mercatelli Istituto Nazionale di Ottica Applicata Istituto Nazionale di Ottica Applicata 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 Istituto Nazionale di Ottica Applicata 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 Istituto Nazionale di Ottica Applicata 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 Istituto Nazionale di Ottica Applicata 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 Istituto Nazionale di Ottica Applicata Filtraggio -1 ES. Il fotodiodo viene filtrato in modo da modificarne la sensibilità e renderla più simile a quella dell’occhio umano Istituto Nazionale di Ottica Applicata Filtraggio -2 Istituto Nazionale di Ottica Applicata Luxmetro • Misura W/m2 “pesati” sulla risposta dell’occhio (LUX) TESTA - COSENO FILTRO FOTODIODO Istituto Nazionale di Ottica Applicata Tipologie di illuminanti Istituto Nazionale di Ottica Applicata Color Correction Factor Istituto Nazionale di Ottica Applicata Istituto Nazionale di Ottica Applicata 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) Istituto Nazionale di Ottica Applicata Vacuum Photodiodes • • La sensibilità spettrale è determinata dal materiale del catodo Es: fototubi per UV catodo Cs-Te Istituto Nazionale di Ottica Applicata Fotomoltiplicatori • • • Emissione secondaria dai dinodi Alto guadagno Utilizzati in conteggio di singolo fotone Istituto Nazionale di Ottica Applicata 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 Istituto Nazionale di Ottica Applicata Termopile •Giunzione “calda” immersa in assorbitore •Giunzione “fredda” schermata da vernice od altro •Sensibilità spettrale dipende da assorbitore Istituto Nazionale di Ottica Applicata 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 Istituto Nazionale di Ottica Applicata Istituto Nazionale di Ottica Applicata 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 Istituto Nazionale di Ottica Applicata Spettroradiometro Misure di radianza spettrale Istituto Nazionale di Ottica Applicata 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 Istituto Nazionale di Ottica Applicata 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 Istituto Nazionale di Ottica Applicata Il colore -2 Istituto Nazionale di Ottica Applicata CONCLUSIONI • I rivelatori di LUX o rivelatori filtrati danno informazione integrale: – POSSIBILE PROBLEMA: posso avere molti lux ma emissione monocromatica – POSSIBILE ESPERIMENTO: led blu tanti lux, poche frequenze • Gli spettroradiometri danno duplice informazione: “QUANTA” luce, e “COME E’ FATTA”
