ЛЕД диоде – доминантна технологија осветљења
Ако се икада поставља питање да би ЛЕД диоде биле тако доминантна технологија осветљења, само погледајте около. Они су практично свуда. Од стандардних индикатора на стерео опреми, лаптоп рачунарима и играчкама до семафора, променљивих знакова порука и аутомобилског осветљења, ЛЕД диоде су уживале у експлозивном расту у последњих неколико година без краја. Много тога је због све већег нивоа осветљености који се постиже новим материјалима и процесима производње плочица, као и појаве плавих и белих ЛЕД диода за РГБ (пун боје) и опште осветљење. Како ниво софистицираности коришћења ЛЕД диода расте, расте и потреба за прецизним мерењем оптичких својстава ЛЕД диода. Ја сам у индустрији оптоелектронике скоро 25 година и далеко најчешћи тип питања које ми увек постављају односи се на мерење ЛЕД-а. (Шта је лумен? Како да конвертујем из лумена у канделу? Како да прецизно измерим осветљеност? Зашто моје мерење није исто као ваше?) Надам се да ћу се позабавити овим и многим сличним проблемима у следећем чланку. Детаљи оптичког мерења у овој дискусији биће подељени у четири одвојене, али међусобно повезане теме. То су: фотометријске величине, радиометријске величине, величине таласне дужине или хроматичности и коначно угаоне или гониометријске величине. Иако се читава књига може лако написати о јединицама, стандардима и методологијама тестирања горе наведених, покушаћу да сумирам уобичајеније и основне области интересовања.
Фотометрија
Фотометрија је једноставно мерење светлости у видљивом спектру (приближно 380нм-770нм). Ово је светлост која се види голим оком просечног људског посматрача. Постоји много различитих типова фотометријских јединица као што су гњиде (цд/м2), лукс (лумен/м2), ножне свеће (лумен/фт2), стилб (цд/цм2) итд. Све оне се заснивају на два основна фотометријска стандарда, ЛУМЕН и КАНДЕЛА. Кандела је јединица светлосног интензитета, која се може дефинисати као количина светлосног флукса (укупне светлосне снаге емитоване из извора и изражене у лумени) по јединици чврстог угла у датом правцу. Лумен се може дефинисати као светлосни ток који се емитује по јединици чврстог угла из униформног тачкастог извора чији је светлосни интензитет 1 кандела. (1 кандела=1 лумен/стерадијан) Такође је важно разумети дефиницију стерадијана, који је чврсти угао (конус) у центру сфере полупречника „р“ која обухвата област „р2“ на површини сфера. (Види слику 1) Површина сфере је 4π р2; дакле, сфера има 4π стерадиана. Већина стандардних ЛЕД диода које се данас испоручују се мери у канделама, међутим, због све веће потражње за ЛЕД диодама као заменом за жаруље са жарном нити на тржишту општег осветљења, лумен се сада често користи као јединица мере за излаз светлости. Једноставан метод за претварање из Цандела у лумен приказан је на слици 2 (испод). Корак 1.) Добијте чврсти угао ЛЕД-а в=π * (θ1/2)2 в=π(25)2, под претпоставком да је полуугао ЛЕД диоде 25° в=π(.43633)2, претворите степене у радијане .598 Корак 2.) Израчунајте лумене ф=Ив * вф=2,00 * ,598, под претпоставком да је осветљеност ЛЕД диоде 2000 мцд ф=1,196 лумена Иако су емпиријски прорачуни могући за претварање много различитих типова фотометријских јединица, стварна измерена вредност може да се разликује од израчунату вредност због варијације у карактеристикама просторног зрачења ЛЕД. У већини случајева, емпиријски прорачун је довољно тачан. Додатне фотометријске конверзије су приказане на слици 3. Иако постоји безброј других могућих конверзија, на пример кандела у нит или ламберт у канделу, не постоји једноставан фактор директног множења који се може користити. Можда ће бити потребне информације као што је површина извора и/или детектора, или мерна удаљеност и угаоне карактеристике. Фотометријско мерење ЛЕД диода може бити више уметност него егзактна наука. Постоје различити проблеми са геометријом, електричном енергијом и монтажом који могу у великој мери утицати на оптичка својства ЛЕД диода. Пошто нема две потпуно исте ЛЕД диоде, постоје кораци који ће у великој мери повећати тачност вашег мерења. Ово укључује, али није ограничено на:
Познавање оптичког центра за емитовање светлости ЛЕД-а наспрам механичког центра. Када се ЛЕД диоде постављају у типично испитивање, обично се поставља на такав начин да се претпостави да светлост излази из механичког центра уређаја. Ово често није случај. (Погледајте слику 4) Оптички центар често одступа за 5° или више од механичког центра ЛЕД-а. Иако ово можда не представља велики проблем када се мере уређаји са широким углом гледања као што је 40° или више, за уређаје са уским углом разлике у очитањима могу бити знатне. (Треба имати на уму да је препорука ЦИЕ (Цоммиссион Интернатионале де л'Ецлаираге) да се као референца за мерење користи механичка осу ЛЕД-а уместо оптичке осе)
Мерење излаза у одређеном временском интервалу или када је стабилизован. Када се ЛЕД први пут укључи, температура споја се повећава због потрошене електричне енергије. (Температура споја ЛЕД-а је одређена са Тј=Та+(Вф*Иф)*Ртх(ја)) Може проћи неколико секунди или неколико минута пре него што излазна светлост достигне термичку равнотежу и стабилизовану вредност. Смањење производње од 5-20% или више није неуобичајено. Ово није трајна деградација и опоравиће се након искључивања. Често није практично чекати дуже временске периоде када многе ЛЕД диоде захтевају тестирање, стога се често успоставља постављени временски интервал као што је 5 секунди иако излаз можда није стабилизован.
Осигурајте да је температура околине конзистентна током тестирања. ЛЕД диоде обично мењају осветљеност и боју са температуром. Како температура расте, излаз се смањује и боја се помера ка вишем крају спектра. Ово ће бити разрађено у дискусији о колориметрији.
Увек користите извор константне струје. Напон унапред (Вф) ЛЕД-а може да варира од уређаја до уређаја, стога, ако се користи стандардно напајање или извор напона, сваки ЛЕД можда неће добити исту струју.
Користите подешавање теста који се лако може поновити. Сложена подешавања могу бити у реду за мерења лабораторијског типа, међутим, када многе ЛЕД диоде захтевају тестирање, свака са различитим стиловима паковања, угловима гледања, бојама итд., Систем који се може брзо модификовати, истовремено осигуравајући идентично поравнање механичке осе и гарантујући детектор увек види исти део емисионог конуса је потребан.
Уверите се да је сва опрема правилно одржавана и калибрисана
Радиометрија
Радиометрија се односи на укупно зрачење или мерење целокупне светлости било у видљивом, инфрацрвеном или ултраљубичастом спектру. Основна јединица радиометријске оптичке снаге (Радиант Повер) је ват (В). Ват је апсолутна јединица јер је независан од таласне дужине. Један ват инфрацрвене светлости садржи снагу колико и један ват видљиве светлости. Други радиометријски појмови који се обично мере су интензитет зрачења (Вати/стерадијан), Озраченост (В/м2) и Радијанце (В/м2 ср). Примарни метод за мерење укупне снаге зрачења/светлосног флукса је коришћење интегришуће сфере. (Погледајте слику 5) Интегришућа сфера мери светлост која се емитује из ЛЕД-а у свим правцима. Генерално, ова мерења су независна од угла гледања и не подлежу угаоним нетачностима које се виде при фотометријском тестирању, међутим, грешке су и даље могуће. Пречници сфера од приближно 3 и 6 инча се широко користе. Ако је тачност критична, преферирају се типови већег пречника због повољног односа површине сфере и величине ЛЕД диоде и портова, међутим, ово такође резултира губитком интензитета. Главни извор грешке у мерењу је место где се ЛЕД диода позиционира унутар интегришуће сфере. Најновија спецификација коју је усвојио ЦИЕ, Публикација 127, наводи да цео пакет ЛЕД диоде треба да буде унутар сфере која се назива мерењем 2 светлосног флукса. Исте мере предострожности које се користе за фотометријско мерење ЛЕД диода такође треба да се поштују када се раде радиометријска мерења. Као и код фотометријских конверзија, постоји безброј радиометријских конверзија које су могуће уз одговарајуће информације. Радиометријске вредности су обично потребне за апликације које се користе заједно са фото детектором, као што су оптичка влакна, скенирање или сенсинг.
Колориметрија
Научно мерење и квантификација ЛЕД боје назива се колориметрија. Његове јединице се обично дају као координате хроматике или у таласној дужини. Перцепција боја је веома компликована јер не зависи само од различитих физичких својстава светлости већ и од ствари као што су околни објекти, механичка својства уређаја, реакција очију посматрача као и њихово психичко стање. ЦИЕ је успоставио стандарде за мерење видљиве светлости јер се односи на „стандардни одговор људског ока“. Ова такозвана стандардна крива посматрача је први пут успостављена 1931. године (види слику 6а). Из ове криве се добијају вредности тристимулуса за тачно дефинисање боје. Кс, И, З тристимулус систем је заснован на претпоставци да је свака боја комбинација три основне боје; црвена, зелена и плава. Дијаграм хроматичности ЦИЕ из 1931. (види слику 6б) је изведен из вредности тристимулуса на следећи начин: к=Кс/(Кс+И+З) или к=црвено/(црвено {{6} } Зелена + Плава) и=И/(Кс+И+З) или и=Зелена/(Црвена + Зелена + Плава) Од ( к + и + з) =1, трећа оса, з=1 – (к + и)
Координате хроматичности су обично одређене само к и и осом. Уопштено говорећи, већина спецификација које пружају произвођачи ЛЕД-а не наводе координате хроматичности, већ вршну и доминантну таласну дужину (осим ако је ЛЕД бела). Доминантна таласна дужина, наведена у нанометрима, добија се из координата боје о којима је горе дискутовано. У суштини, то је боја коју људско око заправо перципира. Врхунска таласна дужина је таласна дужина при максималном спектралном интензитету. Максималну вредност је лако добити и стога је најчешћа вредност коју наводе произвођачи ЛЕД диода, међутим, она има мало практичног значаја за апликације које се посматрају људским оком јер две ЛЕД диоде могу имати исту вршну таласну дужину, али се могу схватити као различите боје. Тренутно, најпрецизнији метод за мерење боје је коришћење спектрорадиометра. Овај уређај врши потпуну спектралну дистрибуцију снаге извора који се мери из које се сви фотометријски, радиометријски и колориметријски параметри могу математички израчунати. Прецизност таласне дужине опреме треба да буде боља од 0,5 нм са пожељним 0,1 нм. Као што је раније поменуто, постоји неколико фактора који могу утицати на добијену вредност. Једна од њих је температура. Како температура околине расте, расте и таласна дужина ЛЕД-а. Ово повећање ће обично бити од 0,1 нм/°Ц-0,2 нм/°Ц у зависности од типа ЛЕД који се користи.
Гониометријска / угаона карактеризација
Последња тема за дискусију је гониометријска или угаона карактеризација. Гониометар је уређај који мери просторну дистрибуцију или образац зрачења ЛЕД диоде (погледајте слику 8). Ово се може постићи померањем детектора око ЛЕД диоде или нагињањем ЛЕД диоде док детектор остаје непомичан. У оба случаја, врши се неколико излазних мерења за сваки угао док се врши ротација од 0°-180°. По завршетку добија се профил зраченог снопа у једној равни. Често се претпоставља да, пошто је већина ЛЕД диода округла, образац зрачења је симетричан. Чини се да то чак указују и графички прикази угла гледања које пружају многи произвођачи ЛЕД диода. То често није случај. Као што је раније поменуто, геометријске варијације и варијације склопа које се јављају током производње ЛЕД диода могу у великој мери утицати на његова оптичка својства. Можда ће бити потребно извршити додатно скенирање и снимити више равни погледа. Поред тога, неке ЛЕД диоде специјалног облика, попут овалног или елиптичног типа, у суштини имају два обрасца зрачења (30° к 70° на пример), стога је неопходно скенирање уређаја и од 0° и од 90°. Ако гониометар није лако доступан, могуће је добити грубу шему зрачења коришћењем фото детектора и ручним ротирањем ЛЕДор детектора, снимањем излазних нивоа и исцртавањем тачака података, међутим, ово може бити веома заморно и дуготрајно. . Требало би да буде јасно из онога што је дискутовано да мерење светлости може бити веома непрецизно у поређењу са другим специфичнијим електричним карактеристикама као што су напон, струја или отпор. Постоји много фактора као што су боја, геометрија уређаја, поравнање ЛЕД диоде са испитним уређајем, температура итд. који могу изазвати грешку у мерењу. Често се класификује као више уметност него наука. Иако се тачност мерења од ±5% и даље сматра стандардном и широко прихватљивом у индустрији, уз пажљиву пажњу, могуће су тачности веће од ±2,5%.
