Strumenti di Misura

La misurazione dell’accuratezza cromatica nei sistemi LED e OLED

Misurare LED e OLED

Il futuro dell’illuminazione appartiene ai dispositivi a stato solido, che usano semiconduttori elettroluminescenti organici o inorganici per produrre luce visibile. Attualmente, la tecnologia basata su LED è matura ed è già realtà, mentre la tecnologia basata su OLED (diodo organico ad emissione di luce) è all’orizzonte, ma fatica a ritagliarsi la sua fetta di mercato nel campo dell’illuminazione (al contrario di altri mercati, come quello degli smartphone o dei display in generale)

LED Vs OLED

Non è scopo di questo articolo elencare quali siano le differenze dei due sistemi di illuminazione, tuttavia è conveniente delineare alcune caratteristiche proprie delle due tecnologie.

Un OLED è tipicamente una superficie estesa che emette luce, mentre un LED è in sostanza una sorgente luminosa puntiforme. Un pannello LED senza diffusore appare come una matrice di punti brillanti, mentre un sistema OLED genera una luce morbida e naturale. Per questo motivo, gli OLED sono sorgenti che creano meno abbagliamento.

I LED sono intrinsecamente sorgenti a banda stretta, di conseguenza per generare luce bianca necessitano la miscelazione dei colori, che si tratti di tre LED rosso, verde e blu o di un LED blu ricoperto di fosfori gialli.

L’indice di resa cromatica di questi sistemi è in generale più basso di quello dei sistemi OLED che hanno una distribuzione di potenza spettrale più uniforme su tutte le lunghezze d’onda del visibile. Di contro, i LED sono più competitivi in termini di efficienza luminosa e costi di produzione.

Misurare LED e OLED

Quando si decide di misurare una sorgente luminosa, vi sono alcune considerazioni di cui tenere conto.

La prima domanda da porsi è “perché misurare?”. Questa è più di una domanda filosofica: infatti si potrebbe misurare una sorgente di luce solo per poterla modellare ed inserire in software di simulazione, e quindi un modello teorico di tale sorgente sarebbe sufficiente. Tuttavia, la misura diventa necessaria per scopi di valutazione, ispezione, controllo o in ogni caso per poter avere dati reali.

La seconda considerazione riguarda l’angolo di misura. Per molte applicazioni, è sufficiente la misura considerando un solo angolo di visione, oppure integrando in una sfera e considerarando solo i valori di lumen (ottenendo il flusso luminoso). Per altre applicazioni è necessario valutare le variazioni di luminanza e colore a seconda dell’angolo, specialmente nel caso dei LED: in questo caso si può differenziare tra il considerare la sorgente di luce come puntiforme o come estesa.

La misura di una sorgente puntiforme viene fatta tramite goniofotometri (tipo far-field, a campo lontano), mentre per misurare sorgenti estese si usano goniofotometri a campo vicino (near-field).

Figura 1 – Esempio di mappa di luminanza a falsi colori.

Un’altra valutazione interessante è quella della valutazione dell’uniformità della sorgente. Quando si misurano sorgenti estese, è possibile misurare la luminanza in diversi punti per valutare quanto una sorgente è uniforme.

Un’alternativa valida è utilizzare strumenti bidimensionali, che effettuano un’unica misura, e tramite strumenti di analisi dedicati (mappe a falsi colori, posizionamento di punti di interesse), verificare la bontà delle sorgenti (figura 1).

Questi strumenti sono apparecchiature tipiche da laboratorio, o utilizzate dai produttori di apparecchi di illuminazione per valutare specifiche caratteristiche.

Il lighting designer, o in generale chi necessita di effettuare un controllo fotometrico o colorimetrico, utilizzerà in genere strumenti portatili per misurare le grandezze tipiche necessarie a soddisfare le norme di riferimento.

Tra questi strumenti, che devono essere in grado di misurare sorgenti che hanno regolazione di luminosità PWM, ci sono luxmetri e luminanzometri.

Luxmetri, luminanzometri e spettrofotometri: le differenze

Le differenze principali risiedono nel fatto che i luxmetri misurano l’illuminamento, cioè “la luce che giunge su una superficie”, ad esempio quando è necessario valutare quanta luce arriva sul piano di lavoro.

I luminanzometri misurano invece la luminanza, cioè quanta luce è emessa da una particolare area, ed è una grandezza indicativa dell’abbagliamento che può indurre la sorgente luminosa (si trova anche nel calcolo dell’UGR, per la valutazione dell’abbagliamento molesto).

Per la misurazione del colore esistono poi varianti a questi strumenti, che implementano dei filtri corrispondenti alle color matching function della CIE. Questi strumenti, oltre alla misura fotometrica, permettono la misurazione delle coordinate xy, e quindi permettono di derivare anche la temperatura colore.

Tuttavia, la migliore accuratezza di misura (soprattutto per quanto riguarda le sorgenti a banda stretta come i LED colorati) si ottiene utilizzando strumenti in grado di misurare la singola lunghezza d’onda.

Figura 2 – Esempio di spettrofotometro a luce incidente.

Gli spettrofotometri sostituiscono i filtri con un reticolo di diffrazione: un componente ottico costituito da una superficie incisa di linee parallele, uguali ed equidistanti, con dimensioni confrontabili con la lunghezza d’onda della luce. Tale componente sfrutta la natura ondulatoria della luce, ed è utilizzato per scomporre la luce nelle sue componenti.

Un sensore CMOS raccoglie l’energia derivante dalle singole lunghezze d’onda e le converte in segnale digitale per i calcoli colorimetrici.

Esistono spettrofotometri che misurano la luminanza oppure a luce incidente che misurano l’illuminamento (figura 2).

La distribuzione di potenza spettrale è la migliore descrizione del colore della luce.

Figura 3 – Caratterizzazione grafica di una sorgente luminosa utilizzando uno spettrofotometro

Da uno spettro è possibile ricavare non soltanto le coordinate cromatiche e la temperatura colore (come nel caso dei colorimetri con filtri), ma anche l’indice di resa cromatica (sia lo standard CRI “Ra” che i nuovi indici IES TM-30), parametri fondamentali valutare la capacità delle sorgenti di luce di rendere in maniera fedele e naturale i colori degli oggetti osservate sotto di esse (figura 3).

(a cura di cura di Cristian Bonanomi, Konica Minolta Sensing Europe B.V.)

 

Per ulteriori approfondimenti sui temi trattati: cristian.bonanomi@seu.konicaminolta.eu

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