Описаны условия и средства измерения одной из самых важных характеристик излучения светодиодов — усредненной силы света. Приведены особенности конструирования и калибрования эталонного средства измерения этой величины с помощью эталонного датчика, связанного с первичным государственным эталоном Украины.
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 |