Светодиоды - доминирующая технология освещения
Если когда-либо возникнет вопрос, что светодиоды будут доминирующей технологией освещения, просто посмотрите вокруг. Они практически везде. От стандартных индикаторов на стереооборудовании, ноутбуках и игрушках до светофоров, знаков с изменяемыми сообщениями и автомобильного освещения - светодиоды переживают взрывной рост за последние несколько лет, и конца этому не видно. Во многом это связано с постоянно растущим уровнем яркости, достигаемым с помощью новых материалов и процессов изготовления пластин, а также с появлением синих и белых светодиодов для RGB (полноцветного) и общего освещения. С повышением уровня сложности использования светодиодов возрастает и потребность в точных измерениях оптических свойств светодиодов. Я работаю в оптоэлектронике почти 25 лет, и, безусловно, самый распространенный тип вопросов, которые мне всегда задают, связан с измерением светодиодов. (Что такое люмен? Как преобразовать люмен в канделу? Как точно измерить яркость? Почему мои измерения не совпадают с вашими?) Я надеюсь решить эти и многие подобные проблемы в следующей статье. Детали оптических измерений в этой дискуссии будут разбиты на четыре отдельные, но взаимосвязанные темы. Это: фотометрические величины, радиометрические величины, величины длины волны или цветности и, наконец, угловые или гониометрические величины. Хотя целую книгу можно легко написать о единицах, стандартах и методологиях тестирования, перечисленных выше, я постараюсь обобщить наиболее общие и основные области, представляющие интерес.
Фотометрия
Фотометрия - это просто измерение света в видимом спектре (примерно 380-770 нм). Это свет, видимый невооруженным глазом обычного человека-наблюдателя. Существует множество различных типов фотометрических единиц, таких как нит (кд / м2), люкс (люмен / м2), фут-кандела (люмен / фут2), стильб (кд / см2) и т. Д. Все они основаны на двух основных фотометрических стандартах, ЛЮМЕН и КАНДЕЛА. Кандела - это единица силы света, которую можно определить как количество светового потока (общая световая мощность, излучаемая источником и выраженная в люменах) на единицу телесного угла в заданном направлении. Люмен можно определить как световой поток, излучаемый на единицу телесного угла из однородного точечного источника, сила света которого составляет 1 канделу. (1 кандела=1 люмен / стерадиан) Также важно понимать определение стерадиана, который представляет собой телесный угол (конус) в центре сферы радиуса «r», которая образует область «r2» на поверхности сфера. (См. Рисунок 1) Площадь поверхности сферы равна 4π r2; следовательно, сфера имеет 4π стерадиана. Большинство стандартных светодиодов, поставляемых сегодня, измеряются в канделах, однако из-за растущего спроса на светодиоды в качестве замены ламп накаливания на рынке общего освещения, люмен в настоящее время часто используется в качестве единицы измерения светоотдачи. Простой способ преобразования Candela в Lumens показан на Рисунке 2 (ниже). Шаг 1.) Получите твердый угол светодиода w=π * (θ1 / 2) 2 w=π (25) 2, предполагая, что половина угла светодиода составляет 25 ° w=π (.43633) 2, преобразовать градусы в радианы. .598 Шаг 2.) Рассчитайте люмены f=Iv * wf=2,00 * .598, предполагая, что яркость светодиода составляет 2000 мкд f=1,196 люмен. Хотя эмпирические расчеты возможны для преобразования многих различных типов фотометрических единиц, фактическое измеренное значение может отличаться от расчетное значение из-за изменения пространственных характеристик излучения светодиода. В большинстве случаев эмпирический расчет достаточно точен. Дополнительные фотометрические преобразования показаны на рисунке 3. Хотя существует множество других возможных преобразований, например, кандела в нит или ламберта в канделу, нет простого прямого коэффициента умножения, который можно было бы использовать. Может потребоваться такая информация, как площадь источника и / или детектора, расстояние измерения и угловые характеристики. Фотометрические измерения светодиодов могут быть больше искусством, чем точной наукой. Существуют различные геометрические, электрические и сборочные проблемы, которые могут сильно повлиять на оптические свойства светодиодов. Поскольку нет двух абсолютно одинаковых светодиодов, существуют шаги, которые значительно повысят точность ваших измерений. К ним относятся, но не ограничиваются:
Сравнение оптического центра излучения светодиода с механическим центром. При размещении светодиодов в типичном испытательном приспособлении его обычно размещают таким образом, чтобы можно было предположить, что свет исходит из механического центра устройства. Часто это не так. (См. Рис. 4) Оптический центр часто отклоняется на 5 ° или больше от механического центра светодиода. Хотя это может не представлять большой проблемы при измерении устройств с широким углом обзора, например 40 ° или больше, для устройств с узким углом различия в показаниях могут быть значительными. (Следует отметить, что рекомендация CIE (Международная комиссия по освещению) заключается в использовании механической оси светодиода, а не оптической оси в качестве эталона измерения)
Измерение выхода через определенный интервал времени или при стабилизации. При первом включении светодиода температура соединения увеличивается из-за потребляемой электроэнергии. (Температура перехода светодиода определяется как Tj=Ta + (Vf * If) * Rth (ja)). Может пройти несколько секунд или несколько минут, прежде чем световой поток достигнет теплового равновесия и стабилизированного значения. Снижение выпуска на 5-20% и более не редкость. Это не постоянная деградация, и она восстановится после обесточивания. Часто нецелесообразно ждать продолжительные периоды времени, когда многие светодиоды требуют тестирования, поэтому часто устанавливается установленный временной интервал, такой как 5 секунд, даже если выходная мощность не может быть стабилизирована.
Обеспечение постоянной температуры окружающей среды во время тестирования. Яркость и цвет светодиодов обычно меняются в зависимости от температуры. По мере повышения температуры выходная мощность уменьшается, а цвет смещается к верхнему краю спектра. Это будет подробно рассмотрено при обсуждении колориметрии.
Всегда используйте источник постоянного тока. Прямое напряжение (Vf) светодиода может колебаться от устройства к устройству, поэтому, если используется стандартный источник питания или источник напряжения, каждый светодиод может не получать одинаковый ток.
Используйте легко воспроизводимую испытательную установку. Сложные настройки могут быть подходящими для лабораторных измерений, однако, когда требуется тестирование многих светодиодов, каждый из которых имеет разные стили упаковки, углы обзора, цвета и т. Д., Система, которую можно быстро модифицировать, обеспечивая идентичное выравнивание механической оси и гарантируя работу детектора. всегда видит одно и то же сечение эмиссионного конуса.
Убедитесь, что все оборудование правильно обслуживается и откалибровано.
Радиометрия
Радиометрия относится к общему излучению или измерению всего света в видимом, инфракрасном или ультрафиолетовом спектре. Базовая единица радиометрической оптической мощности (мощность излучения) - ватт (Вт). Ватт - это абсолютная единица измерения, поскольку она не зависит от длины волны. Один ватт инфракрасного света содержит столько же мощности, сколько один ватт видимого света. Другие радиометрические параметры, которые обычно измеряются, - это интенсивность излучения (Вт / стерадиан), энергетическая освещенность (Вт / м2) и энергетическая яркость (Вт / м2 ср). Основной метод измерения общей мощности излучения / светового потока - использование интегрирующей сферы (см. Рисунок 5). Интегрирующая сфера измеряет свет, излучаемый светодиодом во всех направлениях. Обычно эти измерения не зависят от угла обзора и не подвержены неточностям угловых измерений, наблюдаемых при фотометрических испытаниях, однако ошибки все же возможны. Широко используются сферы диаметром примерно 3 и 6 дюймов. Если точность имеет решающее значение, предпочтительны типы большего диаметра из-за благоприятного отношения площади сферы к размеру светодиода и портов, однако это также приводит к потере интенсивности. Основным источником погрешности измерения было расположение светодиода внутри интегрирующей сферы. Последняя спецификация, принятая CIE, публикация 127, гласит, что весь пакет светодиода должен находиться внутри сферы, что называется измерением светового потока 2. При проведении радиометрических измерений следует соблюдать те же меры предосторожности, что и при фотометрическом измерении светодиодов. Как и в случае фотометрических преобразований, существует множество радиометрических преобразований, которые возможны при наличии соответствующей информации. Радиометрические значения обычно требуются для приложений, используемых вместе с фотодетектором, таких как волоконная оптика, сканирование или зондирование.
Колориметрия
Научное измерение и количественная оценка цвета светодиода называется колориметрией. Единицы измерения обычно задаются в виде координат цветности или длины волны. Восприятие цвета очень сложно, потому что оно зависит не только от различных физических свойств света, но и от таких вещей, как окружающие предметы, механические свойства устройств, реакция глаз зрителя, а также их психологическое состояние. CIE установил стандарты для измерения видимого света, поскольку он относится к «стандартной реакции человеческого глаза». Эта так называемая стандартная кривая наблюдателя была впервые установлена в 1931 году (см. Рисунок 6a). По этой кривой получаются трехцветные значения для точного определения цвета. Трехцветная система X, Y, Z основана на предположении, что каждый цвет представляет собой комбинацию трех основных цветов; красный, зеленый и синий. Диаграмма цветности CIE 1931 года (см. Рис. 6b) получена из значений трехцветных импульсов следующим образом: x=X / (X + Y + Z) или x=Red / (Red {{6}) } Зеленый + Синий) y=Y / (X + Y + Z) или y=Зеленый / (Красный + Зеленый + Синий) Поскольку ( x + y + z)=1, третья ось, z=1 - (x + y)
Координаты цветности обычно задаются только осями x и y. Как правило, в большинстве спецификаций, предоставляемых производителями светодиодов, указаны не координаты цветности, а скорее пиковая и доминирующая длина волны (если только светодиод не белый). Доминирующая длина волны, указанная в нанометрах, получается из цветовых координат, обсуждаемых выше. По сути, это цвет, который на самом деле воспринимается человеческим глазом. Пиковая длина волны - это длина волны максимальной спектральной интенсивности. Пиковое значение легко получить, и поэтому оно является наиболее распространенным значением, указанным производителями светодиодов, однако оно не имеет практического значения для приложений, которые просматриваются человеческим глазом, поскольку два светодиода могут иметь одинаковую максимальную длину волны, но могут восприниматься как разные. цвета. В настоящее время наиболее точным методом измерения цвета является спектрорадиометр. Это устройство выполняет полное спектральное распределение мощности измеряемого источника, на основании которого можно математически рассчитать все фотометрические, радиометрические и колориметрические параметры. Точность измерения длины волны оборудования должна быть лучше 0,5 нм, предпочтительно 0,1 нм. Как упоминалось ранее, существует несколько факторов, которые могут повлиять на полученное значение. Один из них - температура. С повышением температуры окружающей среды увеличивается и длина волны светодиода. Это увеличение обычно составляет от 0,1 нм / ° C до 0,2 нм / ° C в зависимости от типа используемого светодиода.
Гониометрические / угловые характеристики
Последняя тема для обсуждения - гониометрические или угловые характеристики. Гониометр - это устройство, которое измеряет пространственное распределение или диаграмму направленности светодиода (см. Рисунок 8). Это можно сделать, перемещая датчик вокруг светодиода или наклоняя светодиод, когда датчик остается неподвижным. В любом случае выполняется несколько выходных измерений для каждого угла при повороте от 0 ° до 180 °. По завершении получается профиль излучаемого пучка в одной плоскости. Часто предполагается, что, поскольку большинство светодиодов круглые, диаграмма направленности симметрична. На это, похоже, даже указывают графические изображения угла обзора, предоставляемые многими производителями светодиодов. Часто это не так. Как упоминалось ранее, геометрические изменения и вариации сборки, возникающие при производстве светодиодов, могут сильно повлиять на его оптические свойства. Может потребоваться дополнительное сканирование и запись нескольких плоскостей обзора. Кроме того, некоторые светодиоды специальной формы, такие как овальные или эллиптические, по существу имеют две диаграммы направленности (например, 30 ° x 70 °), поэтому необходимо сканирование устройства как под углом 0 °, так и под углом 90 °. Если гониометр недоступен, можно получить грубую диаграмму направленности, используя фотодетектор и вручную вращая светодиод или детектор, записывая уровни выходного сигнала и нанося точки данных, однако это может быть очень утомительным и трудоемким. . Из того, что обсуждалось, должно быть ясно, что измерение света может быть очень неточным по сравнению с другими более конкретными электрическими характеристиками, такими как напряжение, ток или сопротивление. Существует множество факторов, таких как цвет, геометрия устройства, расположение светодиода в испытательном приспособлении, температура и т. Д., Которые могут вызвать ошибку измерения. Его часто называют скорее искусством, чем наукой. Хотя точность измерения ± 5% по-прежнему считается стандартной и широко приемлемой в отрасли, при особом внимании возможна точность более ± 2,5%.
