Diseño e instalación de un sistema experimental de medida de la irradiancia solar : evaluación y análisis de la irradiancia solar en Madrid

Tesis Univ. Complutense de Madrid, 1980.Depto. de ÓpticaFac. de Ciencias FísicasTRUEProQuestpu

Measuring the reflectance of InGaAs/InP photodiodes

A. L. Muñoz Zurita agradece a CONACyT, México, por la beca mixta que le ha otorgado para su estancia en el IFA-CSIC[ES]La reflectancia de un fotodiodo, junto con su eficiencia cuántica interna, determinan el valor de la responsividad espectral, característica radiométrica fundamental de estos dispositivos usados en la medida de radiación óptica. En este trabajo se presenta el montaje experimental y los resultados obtenidos al medir la reflectancia de fotodiodos de InGaAs/InP de los usados habitualmente en laboratorios nacionales, procedentes de tres fabricantes diferentes. Asimismo se estudia la variación de la reflectancia con el estado de polarización de la radiación incidente para ángulos pequeños. Los resultados obtenidos indican que algunos modelos poseen una estructura antirreflejante en su superficie sensible y que para ángulos menores que 7,4º, la reflectancia no cambia con el estado de polarización, dentro de la incertidumbre de las medidas.[EN]Both the reflectance and the internal quantum efficiency determine the photodiode spectral responsivity, which is the radiometric characteristic of interest in the fields where these devices can be used for optical radiation measurements. In this work, we present the experimental set-up for measuring the photodiode reflectance as well as the results of such measurements related to InGaAs/InP-photodiodes exploited in national laboratories and coming from three different manufacturers. Changing the reflectance with varying the polarization state of the incoming optical radiation for small angles of incidence has been also studied. The obtained experimental results show that some models of photodiodes have got an anti-reflecting coating on their sensitive facets and that reflectance does not change with varying the light polarization state within the measurement uncertainty, when the angles of incidence were smaller that 7,4º.%3EPeer reviewe

Model for illuminance produced by LEDs as a function of distance

CIE 2015, Manchester/UK, June 28 - July 4, 2015; http://session2015.cie.co.at/The lighting industry has experienced a revolution with the arrival of novel lighting technologies in particular Light Emitting Diodes. LEDs have clear advantages in energy efficiency over conventional lighting technologies, and since 19 % of electricity worldwide is used for lighting, this can contribute significantly to saving energy problems worldwide and contributing to Europe¿s 2020 strategy. In order to validate performance claims and stimulate user confidence, as well as facilitate efficient development of this kind of products, dedicated metrology is needed. The objective of this work was to study goniometrical aspects of LEDs, and their dependence with distance to find a model to predict the illuminance at any distance. A modified inverse-square law model, considering only the offset of the LED virtual source with respect to their front tip is proposed. The applicability of the method was tested for 18 LED¿s types, with different angular and spectral distributions.This work was accomplished within the EMRP ENG05 Project “Metrology for Solid State Lighting”. The EMRP is jointly funded by the EMRP participating countries within EURAMET and the European Union. The authors are also grateful to Comunidad de Madrid for funding the project SINFOTON-CM: S2013/MIT-2790Peer Reviewe

Upgrade of goniospectrophtometer GEFE for near-field scattering and fluorescence radiance measurements

Proceedings of SPIE 9398; San Francisco, California, United States | February 8-9, 2015The goniospectrophotometer GEFE, designed and developed at IO¿CSIC (Instituto de ¿ Optica, Agencia Estatal Consejo Superior de Investigaciones Cient¿¿ficas), was conceived to measure the spectral Bidirectional Reflectance Distribution Function (BRDF) at any pair of irradiation and detection directions. Although the potential of this instrument has largely been proved, it still required to be upgraded to deal with some important scattering features for the assessment of the appearance. Since it was not provided with a detector with spatial resolution, it simply could not measure spectrophotometric quantites to characterize texture through the Bidirectional Texture Function (BTF) or translucency through the more complex Bidirectional Scattering¿Surface Reflectance Distribution Function (BSSRDF). Another requirement in the GEFE upgrading was to provide it with the capability of measuring fluorescence at different geometries, since some of the new pigments used in industry are fluorescent, which can have a non¿negligible impact in the color of the product. Then, spectral resolution at irradiation and detection had to be available in GEFE. This paper describes the upgrading of the goniospectrophotometer GEFE, and its new capabilities through the presentation of sparkle and goniofluorescence measurements. In addition, the potential of the instrument to evaluate translucency by the measurement of the BSSRDF is briefly discussed.Authors are grateful to EMRP for funding the project “Multidimensional reflectometry for industry”. The EMRP is jointly funded by the EMRP participating countries within EURAMET and the European Union. Authors are also grateful to Comunidad de Madrid for funding the project SINFOTON-CM: S2013/MIT-2790.Peer Reviewe

Gonio-espectrofotómetro para medidas de BRDF de patrones de reflectancia y objetos gonio-aparentes

En los últimos años, diferentes organizaciones internacionales de estandarización, como la Comisión Internacional de Iluminación (CIE), han estado trabajando sobre la problemática de la medida de la apariencia de los objetos, cuestión de extremada importancia en nuestra sociedad por las implicaciones de todo tipo que se derivan de ella. El concepto de apariencia está relacionado con los atributos perceptivos de color, brillo, translucidez y textura de los objetos; por tanto, la medida de la apariencia tiene que estar relacionada con la de esas otras magnitudes y sus posibles interrelaciones. En el caso del color de objetos, su medida se basa en la de la reflectancia o la transmitancia y en la correspondiente escala (observadores patrones), siendo una ciencia que a priori está bien establecida y para la que existe instrumentación disponible comercialmente. Sin embargo, existen todavía problemas de diversa índole pendientes de resolución. Por una parte, los materiales modernos de estructura superficial compleja (gonioaparentes) producen percepciones de color muy diferentes en distintos ángulos de incidencia y de observación. Ello quiere decir que ya no basta con la especificación del color para una geometría determinada, como se hace hasta ahora, sino que hay que medir su reflectancia o transmitancia en varios ángulos de incidencia y observación e intentar predecir la dependencia de las coordenadas de color en función de la geometría, lo que se podría denominar como goniocolorimetría y que está desarrollándose en la actualidad con los esfuerzos de diversos grupos de investigación en el mundo, entre los que está el grupo en el que se ha desarrollado esta tesis. Por otra parte, en las medidas de reflectancia total que se realizan en la actualidad, si se mide un mismo patrón blanco de reflectancia en distintos instrumentos con esfera integradora, aún aplicando los factores de corrección correspondientes, se obtienen valores de reflectancia ligeramente diferentes que no son achacables a errores experimentales de medida, sino que podrían deberse a la falta de lambertianidad del patrón. La solución a los problemas anteriores se encuentra en la medida de la Función Bidireccional de la Distribución de Difusión (BSDF, Bidireccional Scattering Distribution Function) usando un gonioespectrofotómetro. La función bidireccional de la distribución de scattering se define como el cociente entre la radiancia de un objeto en cada dirección del espacio y la irradiancia que recibe. Indica por tanto, cómo un objeto distribuye espacialmente la luz que refleja o transmite, por lo que es la característica básica a determinar para establecer la apariencia física de los objetos: color, brillo, textura y translucidez. Este tipo de medida presenta aún problemas importantes desde el punto de vista metrológico como es la realización de patrones de medida para su calibración o el establecimiento de una ecuación de medida que considere todas las fuentes de incertidumbre y que permita, en consecuencia, trazar este tipo de medida al sistema internacional de unidades. El conocimiento de la BSDF de los materiales es también muy importante en otras áreas científicas y tecnológicas, puesto que la distribución espacial de la luz tras interaccionar con un objeto bien por reflexión, bien por transmisión, se puede relacionar con la estructura del mismo. Algunos ejemplos de áreas tecnológicas en las que estas medidas son importantes son: visión artificial, desarrollo de nuevos materiales (gonioaparentes, materiales fotónicos, pigmentos de interferencia), reproducción de objetos en pantallas, etc. En consecuencia la medida de la BSDF es una herramienta de análisis muy útil para investigar estructuras superficiales (rugosidad, por ejemplo) o de lámina delgada sobre una superficie si se mide la distribución reflejada, o para ver estructuras en el volumen de objetos que no absorban totalmente la radiación, si se mide la distribución transmitida. Asimismo, medidas de BSDF con baja incertidumbre sirven para establecer modelos de interacción entre la radiación y los objetos y/o refinar los modelos existentes. En los últimos años, entidades de calado internacional como el National Institute for Standards and Technology (NIST) de los Estados Unidos, el National Physical Laboratory (NPL) del Reino Unido, el Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) de Alemania o el Laboratoire National de Essais (LNE) de Francia han construido nuevos goniómetros para la medida de la BSDF, lo que indica la importancia que se otorga a este tema de investigación por parte de estas entidades de reconocido prestigio en este campo. Además esto pone de manifiesto que el tipo de medidas goniométricas que hay que realizar no se puede llevar a cabo completamente con instrumentos comerciales existentes, pues es necesario medir la BSDF en todo el espacio, al tiempo que considerar variaciones locales sobre la superficie del objeto de esta función y tener en cuenta los posibles efectos de fluorescencia de dicho objeto. Es necesario, en consecuencia, poder iluminar el objeto de forma espectral, en cualquier dirección de incidencia, y analizar la radiación reflejada y/o transmitida en todas las direcciones del espacio, teniendo la capacidad de realizar un análisis espectral de la radiación reflejada y siendo capaz de distinguir la zona superficial de la que proviene. El Laboratorio de Fotometría, Radiometría y Fibras Ópticas del Instituto de Óptica Daza de Valdés del CSIC es el Laboratorio de Referencia a nivel regional, nacional e internacional para las magnitudes relacionadas con la medida de radiación óptica, y Laboratorio Asociado al Centro Español de Metrología (CEM). Es además miembro de pleno derecho del Comité Consultivo para la Fotometría y la Radiometría del Comité Internacional de Pesas y Medidas, CIPM, y firmante del Acuerdo de Reconocimiento Mutuo de Laboratorios Nacionales, ratificado por los países miembros de la Convención del Metro. En consecuencia, la misión fundamental de este laboratorio es la de desarrollar, mantener y difundir los patrones para medida de radiación óptica. Por ello en esta tesis nos hemos fijado como objetivo el diseño y construcción de un gonioespectrofotómetro para la medida de la BSDF (BRDF en el caso de materiales opacos) de materiales. El sistema desarrollado, que se ha denominado GEFE (acrónimo para GonioEspectroFotómetro Español), permite realizar medidas absolutas, de baja incertidumbre, de la función bidireccional de la distribución de reflectancia (BRDF) tanto dentro como fuera del plano de incidencia. El diseño es muy versátil tanto en el sistema de iluminación como en el de detección pues presenta características que, hasta donde nuestro conocimiento abarca, son únicas hasta la fecha. El sistema de iluminación es fijo y, en principio, no presenta ninguna restricción respecto al tipo de fuente a utilizar: banda ancha o monocromática, coherente o no coherente; no existiendo tampoco restricciones respecto al rango espectral. Este hecho unido a la capacidad de análisis espectral incorporado también en la detección, permite estudiar los efectos que las diferentes fuentes de radiación pueden tener sobre todo tipo de superficies, en particular las estructuradas. Como se decidió que el sistema de iluminación fuera fijo, se precisa que la muestra pueda orientarse en las distintas direcciones del espacio con respecto a la dirección de iluminación. De ahí la necesidad de utilización de un brazo robotizado de seis ejes, que permite realizar las medidas en todos los ángulos de incidencia, garantizando en todo momento la constancia espacial de la proyección del área de medida. Una de las claves para el diseño de GEFE ha sido poder caracterizar las regiones próximas a la incidencia normal y a ángulos rasantes; por tanto, la minimización de ángulos muertos ha sido un objetivo prioritario en nuestro diseño. Después de valorar diferentes posibilidades, se optó por incorporar un sistema periscópico, cuyo elemento inferior es semirreflejante. Esta solución permite realizar medidas de la radiación reflejada en incidencia normal y hacer que la oclusión de la muestra no sea total en ninguna dirección de observación. Finalizado el diseño y construcción, se ha procedido a la caracterización radiométrica de todo el instrumento, con el objetivo de determinar la ecuación y la incertidumbre de medida del instrumento. Al ser un instrumento único por alguna de sus características, ha sido necesario desarrollar rutinas y procedimientos de caracterización específicos para determinar sus propiedades radiométricas. Los datos espectrales de la función bidireccional de la distribución de reflectancia (BRDF) llevan toda la información necesaria para describir, por ejemplo, el color de una superficie. Sin embargo, su dependencia simultánea con la longitud de onda y las direcciones de iluminación y observación la convierten en una función de la que es difícil obtener conclusiones directas. Por ello hemos propuesto formas de representación que permitan obtener información inmediata sobre el color u otros atributos. Además se ha aplicado a la BRDF la técnica de Análisis de Componentes Principales (PCA) para expresar esta función de una manera más intuitiva y manejable. Se ha demostrado que, separando la parte espectral de la parte geométrica, se puede encontrar un número pequeño de espectros cuya combinación lineal reproduce la BRDF sin pérdida de información. Los resultados obtenidos han demostrado tener una enorme riqueza informativa, esencial para obtener modelos físicos, y proporcionar datos de gran potencial e interés para la industria. Por último, el instrumento se ha usado para la realización de patrones de factor de reflectancia 0:45 y reflectancia hemisférica y en la caracterización de materiales gonioaparentes. Estos materiales tienen la característica de cambiar considerablemente de tono de color en función de las condiciones geométricas de irradiación/observación, por lo que tienen un gran interés en la industria, sobre todo en automoción, ofreciendo asimismo muchas posibilidades para su aplicación en seguridad. BIBLIOGRAFIA CONSULTADA [1] M. R. Pointer, N. J. Barnes, P. J. Clarke and M. J. Shaw, A new goniospectrophotometer for measuring gonio-apparent materials, Coloration Technology, 121, pp. 96-103 (2005). [2] C. Bordier, C. Andraud and J. 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Calibrating the elements of a multispectral imaging system

We describe a method to calibrate the elements of a multispectral system aimed at skylight imaging, which consists of a monochrome charge-coupled device (CCD) camera and a liquid-crystal tunable filter (LCTF). We demonstrate how to calibrate these two devices in order to build a multispectral camera that can obtain spectroradiometric measurements of skylight. Spectral characterizations of the tunable filter and the camera are presented together with a complete study into correcting temporal and spatial noise, which is of key importance in CCDs. We describe all the necessary steps to undertake this work and all the additional instrumentation that must be used to calibrate the radiometric devices correctly. We show how this complete study of our multispectral system allows us to use it as an accurate, high resolution spectroradiometer.This work was financed by the Spanish Red Temática “CIENCIA Y TECNOLOGÍA DEL COLOR” (FIS2005-25312-E), the Spanish Ministry of Education and Science, and the European Fund for Regional Development (FEDER) through grant FIS2007-60736. We thank our English colleague A. L. Tate for revising our English text.Peer reviewe

Parámetros relevantes en el estudio de la no-linealidad de fotodiodos

OPTOEL 2015, Salamanca 13 a 15 de julio de 2015; http://optoel2015.usal.es/El comportamiento lineal en la respuesta de un fotodiodo es una condición fundamental en medidas radiométricas, espectrofotométricas y de radiación pulsada o continua. Por tanto, se requiere que la respuesta eléctrica del fotodiodo sea proporcional al flujo radiante incidente y que se mantenga estable en el tiempo y en un rango de irradiancia. Sin embargo, diversas medidas publicadas evidencian una falta de linealidad dependiente de la estructura interna del fotodiodo, de la potencia y del tamaño del haz incidente. Este trabajo, para caracterizar la no-linealidad en la respuesta de fotodiodos como función de estos mismos factores, adopta el modelo de eficiencia cuántica interna desarrollado por Ferrero et al. en el Instituto de Óptica (CSIC). Además, mediante simulaciones para distintos supuestos, evalúa la influencia de cada parámetro en la no-linealidad de respuesta comparando resultados de las simulaciones con datos experimentales seleccionados en una recopilación bibliográfica.Los autores agradecen al EMRP la subvención del proyecto NEWSTAR. El programa EMRP está financiado conjuntamente por los países de EURAMET participantes y la Unión Europea.Peer Reviewe

Spanish facilities and fisrst results in measuring thermodynamic temperature using the radiance method

Newport Pagnell, Buckinghamshire, May 18-19 2015; https://royalsociety.org/science-events-and-lectures/2015/05/new-kelvin/Currently, the dissemination of the kelvin, according to the International Temperature Scale (ITS-90), at high temperatures is realised at the Centro Español de Metrología (CEM) by using the fixed points of Ag and Cu and a standard radiation thermometer. Recently, absolute radiometry has been proposed by the CCT Working Group 5 [1] to be included in future revisions of the Mise-en-Practique for the kelvin (MeP-K). The Centro Español de Metrologia (CEM) in collaboration with the Instituto de Óptica of the Consejo Superior de Investigaciones Científicas (IO-CSIC) has been working in the following lines linked to this new alternative to disseminate the kelvin: ¿ Absolute calibration, i.e., calibration in terms of the thermodynamic temperature, of commercial radiation thermometers, by using a facility based on a monochromator and a high stability lamp [2]. At present, the uncertainties of these measurements, obtained with a KE-LP2 radiation thermometer, are about the ones obtained with the ITS-90 method, i. e. from 0,3 K to 1,1 K (from 1084,62 °C to 2474 °C, k = 2). Some improvements in the facilities described in [2] have been implemented in order to reduce uncertainty. ¿ Development of a filter radiometer to measure the thermodynamic temperature. It has been designed by CEM based in NPL previous work [3]. This filter radiometer can be calibrated with a laser based experimental setup, which improves the above measurement uncertainty [4]: from 0,2 K to 0,7 K (from 1084,62 °C to 2474 °C, k = 2). Because of some problems with the radiometer stability at 2500 °C, some changes in the design have been done. The facilities used in [2] and [4] are currently been developed at CEM site as the transportation of the instruments for calibration has caused significant drifts. A complete description of IO-CSIC and new CEM facilities will be presented, together with the results obtained on the determination of the WP1 InK cells thermodynamic temperatures by using both, a radiation thermometer with an absolute calibration, and a filter radiometer.Peer Reviewe