LED – dominantní technologie osvětlení
Pokud by existovala nějaká otázka, že by LED diody byly tak dominantní osvětlovací technologií, stačí se podívat kolem sebe. Jsou prakticky všude. Od standardních indikátorů na stereo zařízení, laptopech a hračkách až po semafory, proměnlivé dopravní značky a automobilové osvětlení, LED diody zaznamenaly v posledních několika letech explozivní růst a konec je v nedohlednu. Mnoho z toho je způsobeno stále se zvyšující úrovní jasu, které je dosahováno pomocí nových materiálů a procesů výroby plátků, stejně jako příchodem modrých a bílých LED pro RGB (Full Color) a obecné aplikace osvětlení. S rostoucí úrovní náročnosti používání LED roste i potřeba přesných měření optických vlastností LED. V oboru optoelektroniky se pohybuji již téměř 25 let a zdaleka nejčastější typ otázek, na které se vždy ptám, se týká měření LED. (Co je to lumen? Jak převedu z lumenů na kandelu? Jak přesně změřím jas? Proč moje měření není stejné jako vaše?) Doufám, že se těmto a mnoha podobným problémům budu věnovat v následujícím článku. Podrobnosti o optickém měření v této diskuzi budou rozděleny do čtyř samostatných, ale vzájemně souvisejících témat. Jsou to: Fotometrické veličiny, Radiometrické veličiny, Veličiny vlnové délky nebo Chromatičnosti a nakonec veličiny Úhlové nebo Goniometrické. Přestože o jednotkách, normách a testovacích metodologiích výše lze snadno napsat celou knihu, pokusím se shrnout běžnější a základní oblasti zájmu.
Fotometrie
Fotometrie je jednoduše měření světla ve viditelném spektru (přibližně 380nm-770nm). Toto je světlo viditelné pouhým okem průměrného lidského pozorovatele. Existuje mnoho různých typů fotometrických jednotek, jako jsou nits (cd/m2), lux (lumen/m2), footcandles (lumen/ft2), stilb (cd/cm2) atd. Všechny jsou založeny na dvou základních fotometrických standardech, LUMEN a CANDELA. Candela je jednotka svítivosti, kterou lze definovat jako množství světelného toku (celkový světelný výkon vyzařovaný ze zdroje a vyjádřený v lumenech) na jednotku prostorového úhlu v daném směru. Lumen lze definovat jako světelný tok vyzařovaný na jednotku prostorového úhlu z jednotného bodového zdroje, jehož svítivost je 1 kandela. (1 kandela=1 lumen/steradián) Je také důležité porozumět definici steradiánu, což je prostorový úhel (kužel) ve středu koule o poloměru „r“, která překrývá plochu „r2“ na povrchu koule. (Viz obrázek 1) Povrch koule je 4π r2; proto má koule 4π steradiány. Většina dnes dodávaných standardních LED se měří v kandelách, avšak vzhledem k rostoucí poptávce po LED jako náhradě za žárovky na trhu s obecným osvětlením se nyní Lumen často používá jako jednotka měření světelného výkonu. Jednoduchý způsob převodu z Candela na Lumeny je znázorněn na obrázku 2 (níže). Krok 1.) Získejte plný úhel LED w=π * (θ1/2)2 w=π(25)2, za předpokladu, že poloviční úhel LED je 25° w=π(.43633)2, převeďte stupně na radiány 0,598 Krok 2.) Vypočítejte lumeny f=Iv * wf=2,00 * 0,598 za předpokladu, že jas LED je 2000 mcd f=1,196 lumenů. Přestože jsou možné empirické výpočty pro převod mnoha různých typů fotometrických jednotek, skutečná naměřená hodnota se může lišit od vypočítaná hodnota v důsledku změn v charakteristikách prostorového vyzařování LED. Ve většině případů je empirický výpočet dostatečně přesný. Další fotometrické převody jsou znázorněny na obrázku 3. Přestože existuje nespočet dalších možných převodů, například candela na nit nebo lambert na candela, neexistuje žádný jednoduchý přímý multiplikační faktor, který by bylo možné použít. Mohou být vyžadovány informace, jako je plocha zdroje a/nebo detektoru nebo vzdálenost měření a úhlové charakteristiky. Fotometrické měření LED může být spíše uměním než exaktní vědou. Existují různé geometrie, elektrické a montážní problémy, které mohou výrazně ovlivnit optické vlastnosti LED. Protože žádné dvě LED diody nejsou úplně stejné, existují kroky, které výrazně zvýší přesnost vašeho měření. Patří mezi ně, ale nejsou omezeny na:
Znalost optického středu vyzařování světla LED vs. mechanického středu. Při umísťování LED do typického testovacího zařízení je obvykle umístěno tak, aby se předpokládalo, že světlo vychází z mechanického středu zařízení. Často tomu tak není. (Viz obrázek 4) Optický střed se často odchyluje o 5° nebo více od mechanického středu LED. Ačkoli to nemusí představovat velký problém při měření zařízení se širokým pozorovacím úhlem, jako je 40° nebo větším, u zařízení s úzkým úhlem mohou být rozdíly v odečtech značné. (Je třeba poznamenat, že doporučení CIE (Commission Internationale de l'Eclairage) je používat jako referenční měření spíše mechanickou osu LED než optickou osu)
Měření výkonu v určitém časovém intervalu nebo při stabilizaci. Při prvním zapnutí LED se teplota přechodu zvýší v důsledku spotřebované elektrické energie. (Teplota přechodu LED je určena Tj=Ta+(Vf*If)*Rth(ja)) Může trvat několik sekund nebo několik minut, než výstup světla dosáhne tepelné rovnováhy a stabilizované hodnoty. Pokles produkce o 5-20 % nebo více není neobvyklý. Nejedná se o trvalou degradaci a obnoví se po deaktivaci. Často není praktické čekat delší dobu, když mnoho LED vyžaduje testování, proto je často stanoven časový interval, jako je 5 sekund, i když výstup nemusí být stabilizovaný.
Zajištění stálé okolní teploty během testování. LED diody obvykle mění jas a barvu s teplotou. Jak teplota stoupá, výkon klesá a barva se posouvá směrem k vyššímu konci spektra. To bude rozvedeno v diskusi o kolorimetrii.
Vždy používejte zdroj konstantního proudu. Propustné napětí (Vf) LED může kolísat od zařízení k zařízení, proto, pokud je použit standardní zdroj napájení nebo zdroj napětí, nemusí každá LED přijímat stejný proud.
Použijte snadno reprodukovatelné testovací nastavení. Zložitá nastavení mohou být v pořádku pro měření laboratorního typu, ale když mnoho LED diod vyžaduje testování, každá s odlišným stylem balení, pozorovacím úhlem, barvami atd., systém, který lze rychle upravit a přitom zajistit identické vyrovnání mechanické osy a garantovat detektor. vždy vidí, že je vyžadována stejná část emisního kužele.
Ujistěte se, že veškeré vybavení je řádně udržováno a kalibrováno
Radiometrie
Radiometrie označuje celkové záření nebo měření veškerého světla, ať už ve viditelném, infračerveném nebo ultrafialovém spektru. Základní jednotkou radiometrického optického výkonu (Radiant Power) je watt (W). Watt je absolutní jednotkou, protože je nezávislý na vlnové délce. Jeden watt infračerveného světla obsahuje tolik energie jako jeden watt viditelného světla. Dalšími radiometrickými pojmy, které se běžně měří, jsou intenzita záření (W/Steradián), záření (W/m2) a záření (W/m2 sr). Primární metodou pro měření celkového zářivého výkonu/světelného toku je použití integrační koule. (Viz obrázek 5) Integrační koule měří světlo vyzařované z LED ve všech směrech. Obecně jsou tato měření nezávislá na úhlu pohledu a nepodléhají nepřesnostem úhlového měření pozorovaným při fotometrickém testování, nicméně chyby jsou stále možné. Široce se používají koule o průměru přibližně 3 a 6 palců. Pokud je kritická přesnost, upřednostňují se typy s větším průměrem kvůli příznivému poměru plochy koule k velikosti LED a portů, což však také vede ke ztrátě intenzity. Hlavním zdrojem chyb měření bylo umístění LED uvnitř integrační koule. Nejnovější specifikace přijatá CIE, publikace 127, uvádí, že celé balení LED by mělo být uvnitř koule, která se nazývá měření 2 světelného toku. Při provádění radiometrických měření by měla být dodržována stejná opatření jako při fotometrickém měření LED. Stejně jako u fotometrických převodů existuje nespočet radiometrických převodů, které jsou možné za předpokladu příslušných informací. Radiometrické hodnoty jsou běžně vyžadovány pro aplikace používané ve spojení s fotodetektorem, jako je vláknová optika, skenování nebo snímání.
Kolorimetrie
Vědecké měření a kvantifikace barvy LED se nazývá kolorimetrie. Jeho jednotky jsou obvykle uvedeny jako chromatické souřadnice nebo ve vlnové délce. Vnímání barev je velmi komplikované, protože nezávisí pouze na různých fyzikálních vlastnostech světla, ale také na věcech, jako jsou okolní předměty, mechanické vlastnosti zařízení, reakce oka diváka a také jeho psychický stav. CIE zavedla standardy pro měření viditelného světla, pokud jde o „standardní odezvu lidského oka“. Tato tzv. standardní křivka pozorovatele byla poprvé vytvořena v roce 1931 (viz obrázek 6a). Z této křivky se získají hodnoty tristimulu pro přesné definování barvy. Systém tristimulů X, Y, Z je založen na předpokladu, že každá barva je kombinací tří základních barev; červená, zelená a modrá. Diagram chromatičnosti CIE z roku 1931 (viz obrázek 6b) je odvozen z hodnot tristimulu následovně: x=X/(X+Y+Z) nebo x=červená/(červená {{6} } Zelená + Modrá) y=Y/(X+Y+Z) nebo y=Zelená/(Červená + Zelená + Modrá) Od ( x + y + z) =1, třetí osa, z=1 – (x + y)
Barevné souřadnice jsou normálně určeny pouze osami x a y. Obecně platí, že většina specifikací poskytovaných výrobci LED neuvádí chromatické souřadnice, ale spíše vrchol a dominantní vlnovou délku (pokud LED není bílá). Dominantní vlnová délka, specifikovaná v nanometrech, se získá z barevných souřadnic diskutovaných výše. Je to v podstatě barva, kterou lidské oko skutečně vnímá. Vrcholová vlnová délka je vlnová délka při maximální spektrální intenzitě. Špičková hodnota je snadno dosažitelná, a proto je nejběžnější hodnotou udávanou výrobci LED, má však malý praktický význam pro aplikace, které jsou pozorovány lidským okem, protože dvě LED mohou mít stejnou špičkovou vlnovou délku, ale mohou být vnímány jako různé. barvy. V současné době je nejpřesnější metodou měření barev použití spektroradiometru. Toto zařízení provádí kompletní spektrální rozložení výkonu měřeného zdroje, ze kterého lze matematicky vypočítat všechny fotometrické, radiometrické a kolorimetrické parametry. Přesnost vlnové délky zařízení by měla být lepší než 0,5 nm, preferováno je 0,1 nm. Jak již bylo zmíněno, existuje několik faktorů, které mohou ovlivnit získanou hodnotu. Jedním z nich je teplota. S rostoucí okolní teplotou se zvyšuje i vlnová délka LED. Toto zvýšení bude typicky od 0,1 nm/°C do 0,2 nm/°C v závislosti na typu použité LED.
Goniometrická / úhlová charakterizace
Posledním tématem diskuse je goniometrická nebo úhlová charakterizace. Goniometr je zařízení, které měří prostorové rozložení nebo vyzařovací diagram LED (viz obrázek 8). Toho lze dosáhnout buď pohybem detektoru kolem LED nebo nakloněním LED, zatímco detektor zůstává v klidu. V každém případě se provede několik výstupních měření pro každý úhel, když se provede rotace od 0°-180°. Po dokončení se získá profil vyzařovaného paprsku v jedné rovině. Často se předpokládá, že protože většina LED je kulatá, vyzařovací diagram je symetrický. Zdá se, že to dokonce naznačují grafické znázornění úhlu pohledu, které poskytuje mnoho výrobců LED. Často tomu tak není. Jak již bylo zmíněno dříve, geometrické a montážní odchylky, ke kterým dochází při výrobě LED diod, mohou značně ovlivnit její optické vlastnosti. Může být nutné provést další skenování a zaznamenat více rovin pohledu. Navíc některé LED diody se speciálním tvarem, jako je oválný nebo eliptický typ, mají v podstatě dva obrazce záření (například 30° x 70°), proto je nutné jak 0°, tak 90° skenování zařízení. Pokud není goniometr snadno dostupný, je možné získat hrubý vyzařovací diagram pomocí fotodetektoru a ručním otáčením detektoru LED nebo, zaznamenáváním výstupních úrovní a vykreslováním datových bodů, což však může být velmi zdlouhavé a časově náročné. . Z toho, co bylo diskutováno, by mělo být jasné, že měření světla může být vysoce nepřesné ve srovnání s jinými specifičtějšími elektrickými charakteristikami, jako je napětí, proud nebo odpor. Chybu měření může způsobit mnoho faktorů, jako je barva, geometrie zařízení, zarovnání LED do testovacího zařízení, teplota atd. Často je klasifikován jako více umění než věda. Přestože je přesnost měření ±5 % stále považována za standardní a široce přijatelnou v průmyslu, s pečlivou pozorností je možná přesnost lepší než ±2,5 %.
