Optoelettronica per la spettroscopia

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Le soluzioni Ocean Optics possono essere preziose non solo nella spettroscopia ottica, ma anche nel riconoscimento colori in svariate condizioni d’impiego

Nei suoi laboratori di Dunedin, in Florida, Ocean Optics progetta e sviluppa da oltre 15 anni apparecchi e strumenti per le misure ottiche, nonché metodi per rivelare e interpretare l’interazione della luce con la materia. Fra le tecnologie messe a punto per questi compiti si trovano sensori chimici, strumentazione analitica, fibre ottiche e componenti optoelettronici che possono essere convenientemente utilizzati nelle indagini ottiche in molti campi applicativi fra cui la medicina, la biologia, il monitoraggio inquinanti e la ricerca scientifica in generale.

Particolarmente avanzati sono gli studi in corso nel suo dipartimento Thin Film Division, dove si progettano e si producono filtri dicroici brevettati per illuminazione, architettura e intrattenimento, nonché ottiche di precisione e rivestimenti per applicazioni scientifiche, militari e civili. In questi anni Ocean Optics ha progettato e fabbricato circa 900 diversi spettrometri che sono stati venduti per un totale che ha già abbondantemente superato le 90000 unità.

Questi strumenti sono stati e sono tuttora utilizzati nelle più svariate applicazioni fra cui anche la vulcanologia: i ricercatori della NASA ne hanno montato uno su un supporto motorizzato e dotato di ruote che è stato poi radiocomandato fino all’interno di un vulcano per misurare il colore del biossido di zolfo, buon indicatore del livello di rischio potenziale nelle condizioni del magma.

Ocean Optics fa parte del gruppo Halma, ma mantiene inalterata la sua vocazione scientifica e continua a progettare e produrre anche componenti e dispositivi miniaturizzati per la spettroscopia ottica ed elettronica installabili su svariati tipi di supporti e impiegabili per il riconoscimento delle sostanze in medicina preventiva, nella farmacologia, nell’industria dell’alimentazione, nel monitoraggio dell’inquinamento atmosferico metropolitano e in un’infinità di occasioni applicative.

Fig. 1 - Ocean Optics progetta e fabbrica strumenti e dispositivi che servono a rivelare e interpretare l’interazione della luce con la materia

Sensori di luce
Fra i prodotti Ocean Optics più recenti si trova la sonda a fluorescenza per fibre ottiche QF600-8-VIS/NIR, progettata in modo tale da eliminare la riflessione dell’energia di eccitazione che nelle tradizionali sonde genera abbastanza fluorescenza per distorcere le misure. La nuova sonda usa una fibra ottica per la ricezione del segnale con attorno sette fibre ottiche che servono a dirigere l’energia di eccitazione nella zona dove avviene la rilevazione. Grazie alla possibilità di scegliere la lunghezza d’onda in base alle caratteristiche spettrali di volta in volta richieste la nuova sonda permette di rilevare segnali con precisione migliore di circa un ordine di grandezza rispetto alle sonde tradizionali. In opzione sono disponibili soluzioni per applicazioni di misura specifiche con fibre sensibili su diversi intervalli di lunghezza d’onda, fibre provviste di connettori con diverso diametro e fibre con caratteristiche chimico fisiche selettive come l’immunità rispetto a taluni agenti atmosferici.

Il nuovo Optical Transmittance Spectrometer (OTS) è uno spettrometro per le misure in tempo reale sull’efficacia di trasmissione ottica delle lenti. Facile da usare e versatile, questo strumento può essere utilizzato per misurare la trasmissibilità ottica di tutti quei componenti, rivestimenti e filtri che interagiscono con le radiazioni luminose. Inoltre, riconosce i colori e può, quindi, essere usato nelle misure di fotocromia, elettrocromia e sensibilità alla luce solare. Il principio di funzionamento sfrutta un array CCD lineare a elevata risoluzione configurato per lavorare nell’intervallo di lunghezze d’onda compreso fra 380 e 780 nm. I campioni possono essere alloggiati nell’apposito supporto se hanno diametro compreso fra 10 e 76 mm e altezza massima di 15 mm, mentre le misure di trasmissione ottica sono eseguibili con un’accuratezza minima di ±0,1%. La luce per le misure è emessa da una sorgente alogena di tungsteno da 20 W coadiuvata da alcune ottiche di precisione che si occupano di collimare il fascio e aumentarne la densità di energia, mentre un opportuno contenitore isola la zona di misura dalle condizioni luminose ambientali. Infine, un software basato su Windows calcola la percentuale di luce trasmessa, evidenzia i colori rilevati e visualizza tutte le informazioni che possono servire a interpretare il comportamento ottico del campione.

Colori luminosi
La divisione Optical Thin Film ha messo a punto un compatto strumento portatile denominato ColorBug che può essere molto utile a quanti lavorano sulla luminosità dei colori come ingegneri, architetti, arredatori, grafici e fotografi. Alimentato con una mini batteria ricaricabile agli ioni di litio, il ColorBug può essere installato dappertutto e comandato in remoto anche con un telefono cellulare per rilevare il colore della luce presente nell’ambiente e analizzarne lo spettro delle lunghezze d’onda ricevute. Nello strumento è anche disponibile una porta USB.

Il SeaChanger Nemo sfrutta un efficace principio di generazione luminosa al plasma che consente a basso costo, allo stato solido, con ridotti consumi e buona efficienza energetica di ottenere un’elevata intensità luminosa. Grazie alle ottiche specifiche ETC FOV e ai filtri dicroici disponibili in assortimento, inoltre, la luce può essere modulata nei colori che si desiderano, ma la versatilità d’installazione del Nemo consente anche di poter usare tutte le ottiche ETC eventualmente preesistenti e già montate nelle applicazioni. La sorgente al plasma Nemo LIFI genera ben 15000 Lumen consumando 180 W e questo rendimento è almeno sei volte maggiore rispetto alle tradizionali lampade perché si traduce in 83 Lumen per Watt che si confrontano con i circa 12 Lumen per Watt medi attualmente disponibili in commercio. Le ottime doti di tolleranza termica e repellenza all’umidità, inoltre, permettono di garantire l’ampio ciclo vitale di 15000 ore di funzionamento anche nell’impiego domestico, dove il Nemo si accontenta di sistemi di ventilazione compatti, silenziosi ed economici.

Spettrometri modulari e portatili
Ocean Optics ha realizzato i dispositivi ottici di misura JAZ in contenitori modulari che ne consentono il montaggio su piattaforme multiple utilizzabili per la rivelazione ottica multi punto e multi spettrale. Questi strumenti sfruttano spettrometri elementari basati su array di sensori CCD che rielaborano i segnali su otto canali. Ciascun spettrometro è governato da un microprocessore e ha un proprio display a cristalli liquidi, il che consente di fare a meno di un PC esterno di supervisione, anche se ne è previsto comunque l’allacciamento per la raccolta dei dati misurati e per poter eventualmente aggiungere ulteriori funzionalità. Tutti i moduli hanno a bordo una batteria agli ioni di litio ricaricabile, una porta USB e una Ethernet con la quale si può lavorare in remoto anche tramite Internet e persino fornendo l’alimentazione grazie alle innovative connessioni Power-over-Ethernet.

Fig. 2 - La piattaforma ottica JAZ è realizzata da Ocean Optics in versione modulare per misure multiple oppure in versione portatile per misure sul campo

Questi strumenti possono misurare l’assorbimento luminoso, la riflettività, la trasparenza e l’intensità dell’emis
sione luminosa e sono, quindi, utilizzabili nel riconoscimento delle alterazioni negli alimenti, nella lavorazione dei farmaci o nel controllo dei processi chimici. Gli stessi spettrometri sono anche disponibili nella versione JAZ Lighting dedicata alle misure radiometriche sui pannelli a cristalli liquidi, sui LED e OLED, sulle sorgenti a fluorescenza e sulle sorgenti nell’ultravioletto. La struttura è la medesima dei precedenti, ma cambia la sensibilità in funzione delle bande di lunghezza d’onda. Infine, c’è anche una versione portatile utilizzabile per rivelare sul campo la presenza di gas inquinanti, attraverso semplici analisi che possono essere fatte da personale appositamente dislocato sul territorio.

Nuovi sono gli spettrometri portatili della famiglia Maya tutti basati su array di sensori ottici 2D FFT-CCD a elevata sensibilità e basso costo e suddivisi nelle due serie di prodotti Maya2000 e Maya2000 Pro. Questi sensori hanno una buona risposta all’ultravioletto e un’ampia risposta dinamica con 14 gradini di calibrazione, doti che permettono di rilevare efficacemente le basse intensità luminose, nonché i segnali tipicamente rivelabili nei laboratori chimici o medicali, come ad esempio per ispezionare le sequenze DNA oppure nelle analisi Raman. A bordo c’è un’interfaccia USB 2.0 e si possono aggiungere opportune lenti dicroiche per la modulazione del segnale. Infine, per la memorizzazione e l’elaborazione delle immagini raccolte con i Maya si può far uso dell’apposito software SpectraSuite basato su Java.
 

Lucio Pellizzari

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