Caratterizzazione ottica

Il setup per la caratterizzazione ottica dei dispositivi comprende: una sfera integratrice LabSphere LMS-650, uno spettrometro OceanOptics USB2000 connesso alla sfera tra-mite fibra ottica, un Source Meter Keithley 2614B, una switch matrix HP 3488A ed un PC adibito al controllo della strumentazione, connessa con interfaccia GPIB IEEE-488, tramite software LabView.

La sfera integratrice Detta anche sfera di Ulbricht, essa è l’apparato universalmen-te utilizzato per la misura del flusso radianuniversalmen-te totale di una sorgenuniversalmen-te luminosa. La sua funzione specifica è quella di diffondere in modo uniforme su tutta la superficie interna la radiazione emessa dal corpo illuminante centrale. In particolare, la frazione di luce incidente sull’apertura in uscita della sfera risulterà essere insensibile alla particolare polarizzazione ed alla distribuzione spaziale, mai uniforme, della sorgente originaria. Poiché la luce incidente sulla superficie interna, dopo riflessioni multiple, viene equa-mente distribuita su tutti gli altri punti della sfera, essa può essere considerata come un diffusore ideale che distrugge (integrandola) l’informazione spaziale della sorgente preservandone invece la distribuzione spettrale di potenza.

I principali parametri costruttivi di cui si deve tenere conto in fase di progettazione della sfera sono i seguenti:

• il rapporto tra superficie delle aperture e superficie interna, che tipicamente non deve superare il 5%;

• la scelta del coating interno, che deve possedere un’elevata (> 95%) riflettività nei confronti delle lunghezze d’onda d’interesse mantenendola il più stabile possibile nel tempo (un tipico materiale utilizzato per la diffusione di radiazione compresa tra il vicino UV ed il vicino IR è il solfato di Bario);

• il numero e il posizionamento degli schermi interni, necessari al fine di evitare l’accoppiamento diretto tra i fotoni emessi dalla sorgente luminosa e l’apertura d’uscita.

La particolare sfera integratrice utilizzata, il modello LMS-650 di LabSphere riportato in figura 4.13a, ha un diametro di 65 pollici ed è geometricamente configurata in

mo-do tale da permettere la misura del flusso luminoso di sorgenti omnidirezionali come lampade o bulbi. L’accesso al suo interno è garantito dalla possibilità di separarla in due semisfere, l’una agganciata ad un supporto mobile su rotaia, l’altra, quella con l’apertura d’uscita, fissa. All’interno (Fig. 4.13b) è presente un piedistallo ad altezza regolabile che, oltre a permettere l’allineamento con il centro della sfera, porta tutte le connessioni necessarie alla caratterizzazione delle sorgenti luminose in esame. Sono inoltre presenti una lampada ausiliaria per la calibrazione del sistema e due paratie per evitare l’accoppiamento tra questa lampada, o la sorgente al centro, con l’apertura d’uscita. Su quest’ultima, infine, è collocata un piccola sfera integratrice secondaria su cui è ricavato l’aggancio per la fibra ottica.

(a) (b)

Figura 4.13: Foto della reale sfera integratrice utilizzata per la caratterizzazione ottica dei dispositivi (a). Tipica struttura interna di una sfera integratrice realizzata

per la misura di sorgenti luminose omnidirezionali (b)

Per avere una misura d’irradianza assoluta, e non relativa, è necessario calibrare l’intero sistema, formato da sfera + sistema illuminante in esame + fibra + spettrometro. Per fare ciò sono necessarie due misure di calibrazione. La prima, condotta ad intervalli regolari di 30 giorni per compensare i cambiamenti strutturali della sfera, serve a deter-minare l’esatta conversione tra numero di conteggi per unità di lunghezza d’onda del foto-detector e densità spettrale di potenza assoluta, espressa in µW/nm. Per questa misura viene impiegata un lampada alogena con spettro (di corpo nero) certificato dal NIST. La risposta del sistema allo stimolo della lampada viene registrata e confrontata con lo spettro della lampada di riferimento tabulato dall’ente certificatore. Viene così creato un file di calibrazione che sarà poi utilizzato dal programma di controllo per la

4.2. Descrizione del setup di misura

conversione in grandezze assolute delle singole misure effettuate.

La seconda calibrazione, finalizzata a correggere la misura assoluta per l’assorbi-mento di radiazione da parte della struttura della sorgente stessa, viene eseguita un unica volta per ogni specifico apparato illuminante in test. Il file di calibrazione ausi-liario viene generato inserendo la sorgente spenta all’interno della sfera e misurando la risposta del sistema allo stimolo di una seconda lampada alogena, sempre con spettro di corpo nero, posta nell’apposito ricettacolo (Fig. 4.13b). Il rapporto tra lo spettro ottenuto da questa misura e quello ottenuto in assenza di campioni all’interno della sfera produce il fattore di correzione d’assorbimento da applicare alle misure di PSD effettuate per una data sorgente.

Lo spettrometro OceanOptics USB2000 Lo spettrometro rappresenta lo stru-mento fondamentale per la determinazione della densità spettrale di potenza di una data sorgente luminosa. Da questa misura, tramite opportune elaborazioni, è infatti possibile ricavare tutte le principali caratteristiche radiometriche (flusso radiante) e fotometriche (flusso luminoso, coordinate cromatiche, CCT, CRI. . . ) della radiazione luminosa oggetto della caratterizzazione.

Il dispositivo utilizzato, prodotto da Ocean Optics, è basato su un detector a CCD lineare in Silicio operante in un range compreso tra i 350 ed i 1050 nm, con una risolu-zione spettrale di circa 0.5 nm. Le principali parti di cui è composto lo spettrometro, schematizzato in figura 4.14, sono le seguenti:

1. un connettore SMA 905 per l’aggancio della fibra ottica proveniente dalla sfera integratrice;

2. un fessura di apertura variabile che regola la quantità di luce in ingresso alla camera ottica;

3. un filtro ottico per il taglio preventivo delle lunghezze d’onda fuori interesse; 4. uno specchio collimatore ricoperto in Argento che focalizza la radiazione in

in-gresso verso il reticolo di diffrazione;

5. un reticolo per la diffrazione del fascio proveniente dallo specchio collimatore; 6. uno specchio per la focalizzazione della luce diffratta sul piano del detector; 7. un array di lenti per una seconda focalizzazione dei fotoni sugli elementi del

detector;

8. il detector a CCD responsabile della conversione in dato digitale dell’intensità spettrale della radiazione incidente. Il range di lunghezze d’onda corrispondenti

a ciascuno dei suoi 2048 pixel è determinato dalla specifica configurazione dello spettrometro, in particolare dalla scelta del numero di scanalature di cui il reticolo è composto.

Figura 4.14: Struttura interna dello spettrometro Ocea Optics USB2000+ L’acquisizione dello spettro è sincronizzata con l’accensione dei dispositivi tramite un comando di trigger esterno fornito dal Source Meter. Il tempo d’integrazione della misura d’irradianza assoluta è stato accuratamente determinato (e mantenuto costante) per ognuna della quattro tipologie di campioni in modo tale da non portare il CCD in regione non lineare, o peggio ancora in saturazione. Il programma Labiew utilizzato per la gestione delle misure fotometriche integra inoltre delle correzioni ausiliarie atte a compensare la corrente di buio, la stray light e la non linearità del detector.

Le post elaborazioni dello spettro acquisito da parte del programma di controllo, unite ai dati di caratterizzazione elettrica ricavati dal Source Meter, hanno permesso l’immediata valutazione di:

• potenza ottica totale (flusso radiante, [W]); • potenza elettrica assorbita dal dispositivo; • flusso luminoso [lm];

• efficienza luminosa [lm/W]; • coordinate cromatiche (x, y); • CCT e CRI.

Ciascuno di questi parametri è stato misurato per step successivi di corrente di pola-rizzazione, partendo da un valore minimo di 5 mA ed arrivando, con un egual passo di 5 mA, alla corrente nominale del dispositivo. Ogni misura completa ha quindi

prodot-4.2. Descrizione del setup di misura

to delle curve in cui è possibile valutare l’andamento di un particolare parametro di controllo in funzione della corrente, come quelle già riportate in figura 4.9a e 4.9b.