Szybki rozwój oświetlenia półprzewodnikowego wygenerował zapotrzebowanie na precyzyjne i niezawodne pomiary strumienia świetlnego. Aby opracować energooszczędne systemy LED, konieczna jest dokładna ocena mocy optycznej, stabilności barwy, wpływu nagrzewania i rzeczywistego spadku strumienia świetlnego. Najpopularniejszą metodą pomiaru jest metoda stosowana na integrująca sfera która jest obudową optyczną specjalnie zaprojektowaną do odbioru całkowitego światła emitowanego przez lampę lub emiter półprzewodnikowy, niezależnie od kierunku emitowanego światła.
W przeciwieństwie do punktowych technik pomiarowych, za pomocą dyfuzyjnych ścianek odblaskowych, kula całkująca uśrednia energię promieniowania. To uśrednienie eliminuje efekty kątowe i pozwala uzyskać rzeczywistą wartość całkowitego strumienia świetlnego. Technika ta jest niezwykle ważna dla producentów, laboratoriów certyfikujących i ośrodków badawczo-rozwojowych fotometrii, gdzie wymagana jest mierzalna dokładność pomiarów w odniesieniu do przyrządów do testowania diod LED.

Zachowanie fizyczne wewnątrz sfery integrującej

Uśrednianie przestrzenne jest zasadą leżącą u podstaw całkującego systemu pomiaru sfery. Światło emitowane przez diodę LED w niewielkiej części trafia bezpośrednio do detektora. Większość z nich pada na wewnętrzną powierzchnię kuli i rozprasza się w każdym kierunku, zanim dotrze do czujnika. Takie rozpraszacze wielopunktowe tworzą jednorodną fotometryczną powierzchnię wewnętrzną.
Jakość pomiaru w dużym stopniu zależy od materiału powłoki. Wysokowydajne sfery integrujące wykorzystują w swoich powłokach współczynnik odbicia światła powyżej 95 i wyjątkowo niską fluorescencję. Ze względu na wysokie długości fal szczytowych diod LED, neutralność widmowa powłoki jest niezwykle istotna.

Geometria sferyczna i jej wpływ na pomiar

Średnica kuli jest bardzo ważna przy wyborze. Zbyt mała kula może powodować wysoką absorpcję własną, ponieważ dioda LED i jej uchwyt blokują odbicia wewnętrzne. Zbyt duża kula powoduje duże tłumienie optyczne, co skutkuje słabą reakcją detektora.
Standardowe średnice kul podczas pracy z narzędziami pomiarowymi LED wynoszą od 0.3 do 2 metrów, w zależności od rozmiaru produktu i natężenia generowanego światła. Większe kule są preferowane do stosowania z lampami, oprawami oświetleniowymi lub modułami wieloprocesorowymi, natomiast mniejsze kule idealnie nadają się do oceny pojedynczych diod LED.
Jednorodność przestrzenna zależy również od geometrii wewnętrznej. Należy zapobiegać padaniu światła bezpośredniego na detektor, ponieważ bezpośrednie padanie sztucznie koryguje amplitudę detektora. Sfera całkująca jest zaprojektowana z wieloma zestawami przesłon, tak aby światło docierające do detektora przeszło przez szereg odbić, co zwiększa dokładność uśredniania.

Rysunek: Sfera integrująca

Wymagania stabilizacyjne przed pomiarem

W pomiarze strumienia świetlnego konieczna jest stabilizacja temperaturowa diod LED. Zmiany strumienia świetlnego diod LED są spowodowane nagrzewaniem się punktów styku, dlatego moc wyjściowa musi być mierzona w stałych warunkach elektrycznych i termicznych.
Profesjonalne laboratoria ustalają:
• Określony okres stabilizacji.
• Jednolita zgodność z obowiązującymi przepisami.
• Regulowane odprowadzanie ciepła.
• Rozpoczęcie pomiaru po osiągnięciu progu stabilizacji strumienia
Różnicę w strumieniu świetlnym, nawet przy niewielkich zmianach temperatury złącza, można zmierzyć szczególnie pomiędzy prototypami, partiami produkcyjnymi lub innymi warunkami degradacji termicznej stosowanymi w LM-80 testy starzenia.

Proces pomiaru oparty na sferze

Kula całkująca to przyrząd pomiarowy o dokładnym strumieniu świetlnym, który wykorzystuje podejście metodologiczne. Odbywa się to poprzez wstępne wzorcowanie systemu w warunkach otoczenia, a następnie standaryzowane testy. Etap kalibracji obejmuje użycie lamp referencyjnych o jakości laboratoryjnej, które zawierają już identyfikowalne wartości optyczne. Pomiary takich lamp przeprowadza się w kuli w celu ustalenia współczynników konwersji między pomiarami fotodiody a pomiarami bezwzględnego strumienia świetlnego.
Producenci LISUN produkować wysokiej klasy systemy, które łączą cykle kalibracji przy użyciu zautomatyzowanych sekwencji, korekcji liniowości fotometrycznej, kompensacji błędów widmowych, a także cyfrowego wywołania kalibracji.
Po kalibracji systemu próbki diod LED są wzbudzane. Detektory zbierają emitowany strumień światła i przekształcają go na jednostki fotometryczne, wykorzystując odpowiednio sferę całkującą i detektor.
Tabela: Typowe wartości kalibracji stosowane w pomiarach świetlnych opartych na kuli

Charakterystyki cieplne podczas pomiaru strumienia

Moc świetlna diod LED jest silnie zmienna w zależności od temperatury. Wraz ze wzrostem prądu przewodzenia, temperatura złącza spada w sposób nieliniowy. Degradacja ta przyjmuje zazwyczaj charakter 10-20% w warunkach wysokiego naprężenia termicznego. Aby zniwelować ten efekt i zintegrować systemy sferyczne, konieczne jest zastosowanie mechanizmów stabilizacji termicznej.
Profesjonalne konfiguracje wykorzystują:
• Uchwyty montażowe radiatora
• Precyzyjne sterowniki prądu
• Połączenia przewodów o niskiej rezystancji. Przewody o niskiej rezystancji.
• Rejestrowanie danych na podstawie zmian temperatury.
Ciepło generowane przez złącza nie jest jedynym czynnikiem wpływającym na środowisko. Spójność sygnału wyjściowego zależy od temperatury otoczenia w komorze, okresu wstępnego spalania oraz tętnień w przebiegu.

Rozwiązywanie błędów niezgodności widmowej

W przypadkach, gdy diody LED są używane do generowania rozkładów widmowych z ostrymi pikami, konwencjonalne czujniki fotometryczne mogą powodować błędy w pomiarach. Gdy czułość detektora nie jest zgodna z krzywą wydajności świetlnej materii obciążającej człowieka, występuje rozbieżność widmowa. Sfera całkująca kompensuje to zastąpienie skalibrowanymi czujnikami spektroradiometrycznymi, a nie prostymi fotodiodami.
Nowe urządzenia do testowania diod LED posiadają wbudowane spektrometry z wbudowaną korekcją widmową. Algorytmy korekcyjne wykorzystują pamięć ważenia widmowego lamp, aby uzyskać poprawny strumień świetlny bez konieczności ręcznej kompensacji.

Obsługa absorpcji światła wewnątrz kuli

Radiatory, pakiety LED, oprawy okablowania, a także akcesoria montażowe pochłaniają część strumienia świetlnego. To zjawisko nazywa się absorpcją własną. W przeciwnym razie nie będzie to opłacalne i będzie generować nieprawidłowo obliczoną wartość lumenów.
Profesjonalne procedury pomiarowe kompensują poprzez:
1. Pomiar linii bazowej sfery przy braku DUT.
2. Pomiar przy wyłączonym urządzeniu DUT
3. Pomiary z włączonym urządzeniem testowanym
4. Stosowanie współczynników korekcyjnych.
Dzięki temu można mieć pewność, że wyniki pomiarów końcowych nie zostaną zakłócone przez absorpcję światła przez konstrukcje wsporcze.

Liniowość detektora podczas pomiaru diod LED o dużej mocy

Wraz z rozwojem modułów LED o statusie muzealnym, może wystąpić nasycenie detektora. Ekspozycja powyżej liniowych obszarów czujnika będzie dawać fałszywe odczyty. Laboratoria mogą tego uniknąć, stosując filtry tłumiące lub wybierając kanały detektora o wysokim strumieniu i niskiej czułości.
Prawidłowo zaprojektowane systemy pomiaru kuli zintegrowanej obejmują:
• Podwójne kanały detektora
• Obwody detekcji z automatycznym ustawianiem zakresu.
• Wzmocnienie o niskim poziomie szumów
• Niepotrzebne, nadmiarowe współczynniki kalibracji
Gwarantuje to właściwe wychwytywanie strumienia zarówno przy niskiej, jak i wysokiej intensywności użytkowania.

Zastosowania, w których pomiar sfery usprawnia podejmowanie decyzji inżynieryjnych

Ośrodki prowadzące badania oceniające mieszanki luminoforów LED wykorzystują systemy sferyczne, które służą do sprawdzania wydajności konwersji luminoforu. Producenci mierzący profil obciążenia termicznego sterowników testują zmiany strumienia świetlnego w różnych temperaturach. Twórcy modułów o wysokiej jasności mierzą zanik światła w procesie przyspieszonego starzenia. Zespoły zajmujące się produkcją seryjną służą do certyfikacji dostawców. Grupy te mogą obiektywnie mierzyć wskaźniki wydajności za pomocą skalibrowanej sfery całkującej.

Wniosek

Kula integrująca jest jednym z najdokładniejszych optycznych przyrządów pomiarowych stosowanych w dziedzinie pomiaru pełnego strumienia świetlnego diod LED. Stabilność termiczna montażu i złożona logika kompensacji czujnika sprawiają, że kula umożliwia wykonywanie bardzo wiarygodnych pomiarów. Dokładność lub powtarzalność stabilności widmowej dostępna w nowoczesnych systemach wbudowanych w przyrządy do testowania diod LED nie jest powtarzalna przy użyciu konwencjonalnych, kierunkowych metod pomiaru. Laboratoria wyposażone w systematyczne procesy zyskały ogromną wiedzę w zakresie ilościowego określania wydajności diod LED na każdym etapie rozwoju produktu, od formulacji materiału do wprowadzenia na rynek, dzięki czemu decyzje inżynieryjne są podejmowane w oparciu o rzeczywistą zdolność świetlną, a nie zmienność obliczeniową.