Рабочий эталон измерения усредненной силы света светодиодов

В последнее время возросла тенденция использования светоизлучающих диодов (СИД) в различных устройствах — от стандартных индикаторов в аудио- и видеотехнике, портативных компьютерах и игрушках до светофоров, дисплеев и автомобильных светильников. Светодиодные технологии демонстрируют взрывной рост на протяжении последних лет, и прогнозируются довольно широкие дальнейшие перспективы светодиодов.

Основной движущей силой такого развития является постоянно растущий уровень яркости СИД. Кроме того, на рынок приходят новые материалы и технологические процессы изготовления кристаллов. Одновременно с увеличением разновидностей как светодиодов, так и их возможных применений повышаются требования к уровню компетентности, необходимого проектировщикам и архитекторам для построения светодиодных систем освещения. Современный рынок оптоэлектронных компонентов требует понимания не только оптических свойств СИД, но и методов их измерения.

При измерении широкого диапазона разных типов СИД следует учитывать многомерные свойства оптического излучения не только относительно излучаемого диода, но и их влияние на приемник. Диапазон возможных влияний на результат измерений значителен, и, соответственно, возрастает неопределенность измерения.

Низкий уровень мощности излучения некоторых СИД может ограничить разрешающую способность измерений спектрального и пространственного распределения. Для увеличения сигнала датчика при измерении усредненной силы света СИД его устанавливают на относительно небольшом расстоянии при довольно большом телесном угле исходящем от СИД излучения. В этом случае диод рассматривается не как точечный источник, поэтому результаты измерений значительно варьируют, в зависимости от используемых геометрических условий. Чтобы минимизировать такое расхождение результатов, данные геометрические условия стандартизуются таким образом, чтобы разные пользователи могли сравнивать и воспроизводить измеренные значения.

Рекомендации относительно стандартизации условий измерения характеристик СИД были разработаны международной комиссией по освещению (МКО) и предложены для использования в светотехнических лабораториях. Данные рекомендации распространяются только на единичные монохромные СИД и не относятся к многоцветным диодам, светодиодным кластерам и матрицам для телевизионных экранов, а также излучающим поверхностям OLED.

В связи с отсутствием верхнего эталонного звена в области измерений СИД в Украине, возникла необходимость в создании рабочего эталона для измерения интегральных характеристик видимого излучения СИД — потока и усредненной силы света СИД (УСС СИД).

При создании рабочего эталона были поставлены следующие задачи:

– измерения должны выполняться в двух геометриях МКО — А и В;

– крепление СИД должно обеспечивать прохождение механической оси СИД через центр входного отверстия апертуры;

– изготовление прецизионной апертуры с площадью входного отверстия 100 мм2;

– использование фотометрической сферы для обеспечения равномерного распределения излучения по поверхности детектора;

– применение кремниевого фотодиода с площадью чувствительной поверхности равной или большей 100 мм2, диапазоном чувствительности в видимой области спектра и линейной характеристикой;

– использование для снятия показаний датчика фиксирующего прибора с малой погрешностью измерения.

Для фиксации СИД и подключения к нему источника питания постоянным током используется индивидуально разработанная платформа из стеклотекстолита, которая крепится к вертикальной стойке винтами. Стойка имеет каретку, механизм которой позволяет горизонтально перемещать платформу. Это содействует более точной установке фронтального конца светодиода на расстоянии от апертуры 316 и 100 мм — геометрия МКО А и В, соответственно.

Выравнивание СИД происходит при помощи прицельного устройства (см. рис. 1).

Рис. 1. Использование прицельного устройства

С помощью линзы с нанесенными вертикальной и горизонтальной линиями выполняется установка СИД в необходимое положение со следующим фиксированием его контактов, которые одновременно играют роль проводников и держателей.

Помимо таких достоинств как дешевизна и простота, данный способ имеет некоторые существенные недостатки, а именно  — невысокую точность регулирования и большую трудоемкость, поэтому в ближайшем будущем планируется разработка более технологичного способа фиксации СИД.

В основу средства измерения положен метод эталонного датчика, который калибруется при помощи эталонной лампы типа А (КГМ).

СИД и эталонная лампа имеют разные размеры, пространственное и угловое распределение. Поэтому для выравнивания излучения СИД и эталонной лампы, которое попадает в спектрофотометр, используется интегрирующий фотометрический шар малого диаметра, а именно, Dш = 70 мм. Это также позволяет размещать эталонную лампу на расстоянии, отличном от геометрий МКО А и В, что значительно упрощает процесс калибрования. Недостатком использования сферы является наименьшая чувствительность среди всех других примеров входной геометрии спектрофотометра в режиме видимого излучения.

Учитывая рекомендации МКО для определения усредненной силы света СИД в геометриях А и В, измерения должны проводиться с использованием апертуры, площадь отверстия которой равна 100 мм2, т.е. диаметр отверстия приблизительно равен dА = 11,284 мм.

Довольно большое значение при измерении УСС СИД играет положение апертуры относительно светодиода. Во-первых, расстояние должно измеряться от кончика светодиода до поверхности апертуры. Во-вторых, апертура должна размещаться острыми краями отверстия в сторону СИД (см. рис. 2). Такое расположение позволяет предотвратить отражение света диода от поверхности фаски и попадание его в фотометрический шар, что фактически привело бы к увеличению телесного угла.

Рис. 2. Положение апертуры относительно СИД

Фотометрическая головка состоит из корригирующего фильтра и датчика, зафиксированных в корпусе. В качестве датчика использован фотодиод ФД 288. Основные его характеристики и условия эксплуатации приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные характеристики фотодиода ФД 288
Площадь фоточувствительного элемента (ФЧЭ), мм2	100,0
Форма фоточувствительного элемента, мм	круг ∅11,3
Режим включения (без представления напряжения смещения)	фотогальванический
Темновой ток при 20°С при подаче напряжения смещения 1 В, мкА, не больше	0,15
Область спектральной чувствительности по уровню 10% от максимума, мкм	0,3…1,0
Токовая монохроматическая чувствительность (λ = 0,3 мкм), А/Вт, не меньше	0,04
Токовая монохроматическая чувствительность (λ = 0,55 мкм), А/Вт, не меньше	0,24
Корпус	металло-стеклянный
Входное окно плоское, материал	лейкосапфир
Масса, г, не больше	15,0

Разнесенный вид средства измерения по компонентам представлен на рисунке 3.

Рис. 3. Средство измерения усредненной силы света СИД. Разнесенный вид (1 — фотодиод ФД 288; 2 — корригирующий светофильтр; 3 — входная прецизионная апертура; 4 — измеряемый светодиод; 5 — платформа-держатель; 6 — интегрирующий фотометрический шар диаметром 70 мм)

Калибровка средства измерения УСС СИД проводилось на материальной базе Национального научного центра «Институт метрологии». В качестве опорного источника излучения применялся стандартный источник типа А — лампа КГМ. Калибровка выполнялась по эталонному приемнику ФД 288 №2 с известной ампер-ваттной спектральной характеристикой методом замещения.

Рис. 4. Схема установки для калибрования

Рис. 5. Средство измерения усредненной силы света СИД, общий вид

Схема установки для передачи шкалы светового потока созданной установке для измерения светового потока СИД и УСС СИД представлена на рисунке 4.

Вид средства измерения УСС СИД в рабочем положении приведен на рисунке 5.

Измеренный сигнал для перерасчета в УСС СИД подставляется в формулу (1) или (2), в зависимости от предварительно выбранной геометрии:

, кд, (1)

или

, кд, (2)

где F — корригирующий коэффициент спектрального несоответствия; dА и dВ — расстояния геометрии А и В (0,316 и 0,1 м), соответственно; y — измеренный сигнал, А; SЕ — чувствитель-
ность разработанного фотометра, А/лк.

Расчет корригирующего коэффициента F проводится по формуле (3). Необходимо заметить, что коэффициент спектрального несоответствия рассчитывается индивидуально для каждого типа СИД.

, (3)

где Sт(λ) — относительное спектральное распределение тестируемого СИД; Sет(λ) — относительное спектральное распределение эталонного датчика; Sотн(λ) — относительная спектральная чувствительность фотометрической головки; V(λ) — относительная спектральная световая эффективность излучения для стандартного фотометрического наблюдателя МКО.

Перечень неопределенностей калибровки средства измерения представлен в таблице 2.

Таблица 2. Перечень неопределенностей калибровки средства измерения УСС СИД
Компонент неопределенности	Тип	Составляющая неопределенности эталона
Эталонный фотометр	B	0,20 (A) 0,28 (B)
Долговременный дрейф эталонного фотометра СИД	B	0,08
Температурные отклонения эталонного фотометра СИД	B	0,03
Спектральные отклонения эталонного фотометра СИД, F*	A	0,08—1,0
Измерение расстояния	A	0,10 (A) 0,20 (B)
Стабилизация постоянного тока	A	0,05
Засветка и многоразовые отражения	B	0,05 (A), 0,10 (B)
Трансимпендансное усиление	B	0,01
Выравнивание осей	A	0,20—2,00
Температура окружающей среды (±1 K)	B	0,02—0,50
Стабильность светодиодов	A	0,24—0,70
Относительная объединенная неопределенность эталона	0,41—2,4 (A)	0,50—2,4 (B)
Относительная расширенная неопределенность (k = 2)	0,82—4,8 (A)	0,99—4,8 (B)

Примечание: в скобках указаны геометрии А и В.

В завершение необходимо заметить, что работа над данным средством измерения продолжается. В ближайшее время планируется замена фотометрического шара ∅70 мм на ∅150 мм, избавление от корригирующего фильтра путем замены датчика и усовершенствование конструкции в целом.

Литература

1. CIE 127:2007 2nd edition. Measurement of LEDs, 2007//ISO, 1993. Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement, 1993.

Дмитрий Зубков, аспирант, кафедра «Светотехника и источники света», Харьковская национальная академия городского хозяйства