Come si crea una fotometria

La fotometria

Fotometria di una lampada in 2D e 3D (solido fotometrico).

Figura 1. Fotometria di una lampada in 2D a sinistra e 3D a destra. L’immagine o la riproduzione al computer della fotometria in 3D si chiama anche solido fotometrico.

Qualsiasi progetto che preveda l’utilizzo di lampade, o sorgenti luminose in generale, necessita delle fotometrie delle sorgenti, sia esso per illuminazione generale o per applicazioni più specifiche. La fotometria è l’insieme delle informazioni sulla luce emessa nelle varie direzioni dalla sorgente o apparecchio luminoso, solitamente raccolti in un file e visualizzati come immagine in due o tre dimensioni (Figura 1). Il file fotometrico, viene utilizzato in programmi illuminotecnici come DIALUX o Litestar per simulare l’illuminazione di un ambiente (Figura 2) o in programmi di ottica per creare e studiare nuovi apparecchi per varie applicazioni. 

Figura 2. Questo ambiente virtuale creato con Dialux rappresenta un corridoio con le luci di emergenza. Le griglie gialle rappresentano i solidi fotometrici.

Figura 2. Questo ambiente virtuale creato con Dialux rappresenta un corridoio con le luci di emergenza. Le griglie gialle rappresentano i solidi fotometrici.

La fotometria in laboratorio

Come si ottiene il file fotometrico di una sorgente luminosa (lampada alogena, a scarica, LED, …)o di un apparecchio luminoso (faro, faretto, proiettore, …)?

Il metodo classico avviene tramite misure di laboratorio. Uno dei metodi utilizzati consiste nel fissare la sorgente o apparecchio luminoso su una tavola rotante posta in asse con un rilevatore situato ad una certa distanza ed entrambi collegati ad un computer (Figura 3). La tavola viene ruotata lungo i due assi e ad ogni rotazione viene misurata l’intensità luminosa. Una volta raccolti tutti i dati questi vengono elaborati da un software che crea il file fotometrico. Per effettuare queste misure però occorre un ambiente ed una strumentazione con caratteristiche precise: l’ambiente non deve avere altre fonti di luce e non deve riflettere la luce della sorgente. La distanza tra oggetto misurato e punto di misura deve essere circa 30 volte superiore alle dimensioni della sorgente per avere un errore inferiore al grado. Questo significa che per un faretto largo  30 cm serve un laboratorio lungo 9 metri. Se poi si vuole una precisione di mezzo grado la distanza richiesta è di 18 metri. La tavola rotante deve essere in grado di fare rotazioni precise. Il misuratore deve avere una sensibilità adeguata nella lunghezza d’onda della sorgente. Solitamente gli strumenti utilizzati lavorano bene con la luce visibile e nel vicino ultravioletto e infrarosso. Una sorgente troppo debole o  una lunghezza d’onda fuori dal range non viene letta.

Figura 3. Nell’immagine si vede un fotogoniometro, strumento di laboratorio formato da una tavola capace di ruotare lungo due assi e da un rilevatore posto ad una certa distanza collegati entrambi ad un PC. Le pareti del laboratorio sono dipinte di nero per ridurre le riflessioni.

Figura 3. Nell’immagine si vede un fotogoniometro, strumento di laboratorio formato da una tavola capace di ruotare lungo due assi e da un rilevatore posto ad una certa distanza collegati entrambi ad un PC. Le pareti del laboratorio sono dipinte di nero per ridurre le riflessioni.

Non sono molti i laboratori in Italia e in Europa con queste caratteristiche e misure di questo tipo sono piuttosto costose. La fotometria per una lampada può costare anche 1000 €. Inoltre maggiori sono le dimensioni della lampada e più diventa difficile trovare un laboratorio con le dimensioni e l’attrezzatura adatta.

La fotometria da ray tracing

Un altro metodo oggi disponibile per ottenere una fotometria è il ray tracing.

Esistono software di ottica che utilizzando copie virtuali della sorgente o dell’apparecchio luminoso ne simulano il comportamento luminoso tracciando un numero elevato di raggi. Ogni raggio rappresenta il percorso di un fotone dalla sorgente luminosa verso l’esterno. Vediamo in dettaglio come funziona.

Figura 4. I software di raytracing permettono di creare modelli 3D di sorgenti luminose e di impostare i parametri luminosi come il flusso e lo spettro.

Figura 4. I software di raytracing permettono di creare modelli 3D di sorgenti luminose e di impostare i parametri luminosi come il flusso e lo spettro.

Viene creato un modello CAD 3D dell’oggetto, sia esso un LED (Figura 4) o una lampada all’interno di proiettore, vengono applicate le proprietà dei materiali (assorbimento, rifrazione, …) e delle superfici (assorbimento, riflessione, …), e impostate le caratteristiche di emissione. Si definisce il flusso e lo spettro luminoso, i punti di emissione luminosa ed il profilo di emissione (normale alla superficie, lambertiano, isotropo, …). Questa è forse la fase più importante per un modello corretto. Una volta che il modello è pronto si imposta il numero di raggi da tracciare e si avvia la simulazione. Maggiore è il numero di raggi e maggiore è la definizione del solido fotometrico ma maggiore è anche il tempo necessario al calcolatore per tracciare tutti i raggi (Figura 5).

Figura 5. Lampada alogena 12 V ricreata al computer. In rosso alcuni raggi del raytracing ed a destra la sua fotometria.

Figura 5. Lampada alogena 12 V ricreata al computer. In rosso alcuni raggi del raytracing ed a destra la sua fotometria.

Nella misura in laboratorio la precisione della fotometria dipende dalla distanza oggetto-misuratore, dall’assenza di riflessioni nel laboratorio, dalla sensibilità e precisione dello strumento di misura. Nella fotometria con ray tracing non ci sono elementi dell’ambiente che possano dare riflessioni indesiderate alterando la misura, la distanza tra oggetto e rilevatore è infinita annullando l’errore sull’angolo di misura e l’accuratezza dipende solo dalla precisione del modello e dal numero di raggi utilizzati. Quindi non ci sono vincoli per quanto riguarda le dimensioni della sorgente o il suo spettro di emissione.

Il costo in questo caso non dipende dalle dimensioni della sorgente ma dalla sua forma poichè modelli  complessi richiedono più ore per essere riprodotti. In media il costo per la creazione di un file fotometrico da ray tracing è tra il 30% ed il 50% inferiore rispetto al costo di una misura in laboratorio.

  • Paolo

    Ciao Dario,

    Dai una spiegazione chiara su argomenti interessanti e non trattati frequentemente in questo dettaglio.

    Mi viene pero’ in mente che per quanto una simulazione ti possa dare buone informazioni e sia meno costosa, alla fine solo l’esperimento puo’ dare la conferma della bonta’ del modello e di conseguenza lo convalida, specialmente su sorgenti nuove e/o innovative.
    Quindi che accordo c’e’ generalmente tra le simulazioni e gli esperimenti diretti fotometrici?

    Un saluto
    ,
    Paolo

  • Dario Roncati

    Buongiorno,
    la simulazione offre una valida alternativa alla misura sperimentale quando questa è troppo costosa o di difficile realizzazione.

  • Claudio

    Ciao Dario, ho letto molto attentamente gli argomenti e ritengo siano interessantissimi e soprattutto ora capisco il perché nazioni come il Canada abbiano delle restrizioni sui led contrariamente all’Italia che permette il commercio di ogni tipologia di led di provenienza Cinese. Per esempio ci sono marche molto diffuse come la VTAC o la Beghelli che non rispettano alcuno dei parametri di sicurezza eppure vengono decantate come buone

  • Dario Roncati

    Qualsiasi prodotto elettrico per essere venduto all’interno della comunità europea deve avere il marchio CE. Questo in teoria garantisce che il prodotto è elettricamente e meccanicamente sicuro ed i prodotti che emettono radiazione luminosa devono essere certificati anche secondo la EN62471 sulla sicurezza fotobiologica ed esporre il grado di rischio quando questo non è zero. Purtroppo non tutti i produttori eseguono queste verifiche ma mi aspetto che un’azienda seria come la Beghelli rispetti a dovere la normativa.