LED-id – domineeriv valgustustehnoloogia
Kui kunagi tekkis küsimus, et LED-id on nii domineeriv valgustustehnoloogia, vaadake lihtsalt ringi. Neid on peaaegu kõikjal. Alates stereoseadmete, sülearvutite ja mänguasjade standardnäitajatest kuni valgusfoorideni, muutuvate teademärkide ja autovalgustuseni – LED-id on viimastel aastatel plahvatuslikult kasvanud, ilma lõppu näha. Suurem osa sellest on tingitud üha suurenevast heleduse tasemest, mis saavutatakse uute materjalide ja vahvlite valmistamise protsessidega, samuti siniste ja valgete LED-ide tulemisega RGB (täisvärvi) ja üldvalgustuse rakenduste jaoks. LED-ide kasutamise keerukuse taseme tõustes kasvab ka vajadus LED-ide optiliste omaduste täpsete mõõtmiste järele. Olen olnud optoelektroonikatööstuses peaaegu 25 aastat ja kõige tavalisem küsimus, mida mulle alati esitatakse, on seotud LED-i mõõtmisega. (Mis on luumen? Kuidas teisendada luumeneid kandelaks? Kuidas heledust täpselt mõõta? Miks ei ole minu mõõt teie omaga sama?) Loodan, et käsitlen neid ja paljusid sarnaseid probleeme järgmises artiklis. Optilise mõõtmise üksikasjad selles plaadis jagatakse neljaks eraldi, kuid omavahel seotud teemaks. Need on: fotomeetrilised suurused, radiomeetrilised suurused, lainepikkuse või kromaatilisuse suurused ja lõpuks nurk- või goniomeetrilised suurused. Kuigi ülaltoodud ühikutest, standarditest ja testimismetoodikatest saab hõlpsasti kirjutada terve raamatu, püüan teha kokkuvõtte levinumad ja põhilised huvivaldkonnad.
Fotomeetria
Fotomeetria on lihtsalt valguse mõõtmine nähtavas spektris (ligikaudu 380-770 nm). See on valgus, mida näeb keskmise inimvaatleja palja silmaga. Fotomeetrilisi ühikuid on palju erinevat tüüpi, näiteks nits (cd/m2), luks (luumen/m2), jalaküünlad (luumen/ft2), stilb (cd/cm2) jne. Kõik need põhinevad kahel põhilisel fotomeetrilisel standardil, LUMEN ja CANDELA. Candela on valgustugevuse ühik, mida saab defineerida kui valgusvoo hulka (allikast kiiratav koguvalgusvõimsus ja väljendatud luumenites) ruuminurga ühiku kohta antud suunas. Luumenit saab defineerida kui valgusvoogu, mis kiirgab ruuminurga ühiku kohta ühtlasest punktallikast, mille valgustugevus on 1 kandela. (1 kandela=1 luumen/steradiaan) Samuti on oluline mõista steradiaani määratlust, mis on ruuminurk (koonus) raadiusega "r" sfääri keskpunktis, mis katab ala "r2" pinnal. sfäär. (Vt joonist 1) Kera pindala on 4π r2; seetõttu on sfääril 4π steradiaani. Enamikku tänapäeval tarnitavaid standardseid LED-e mõõdetakse kandelates, kuid kuna üldvalgustuse turul on hõõglambi asemel üha suurem nõudlus LED-ide järele, kasutatakse nüüd sageli valguse väljundi mõõtühikuna luumenit. Lihtne meetod Candelast Lumensiks teisendamiseks on näidatud joonisel 2 (allpool). Samm 1.) Määrake LED-i täisnurk w=π * (θ1/2)2 w=π(25)2, eeldades, et LED-i poolnurk on 25° w=π(.43633)2, teisendage kraadid radiaanideks .598 Etapp 2.) Arvutage luumenid f=Iv * wf=2,00 * 0,598, eeldades, et LED-i heledus on 2000 mcd f=1,196 luumenit Kuigi empiirilised arvutused on võimalikud paljude erinevat tüüpi fotomeetriliste ühikute teisendamiseks, võib tegelik mõõdetud väärtus erineda arvutatud väärtus LED-i ruumilise kiirguse omaduste muutumise tõttu. Enamasti on empiiriline arvutus piisavalt täpne. Täiendavad fotomeetrilised teisendused on näidatud joonisel 3. Ehkki võimalikud on arvukad muud teisendused, näiteks kandela nitiks või lambert kandelaks, ei ole lihtsat otsest korrutustegurit, mida saaks kasutada. Nõutav võib olla teave, näiteks allika ja/või detektori pindala või mõõtmiskaugus ja nurgaomadused. LED-ide fotomeetriline mõõtmine võib olla rohkem kunst kui täppisteadus. Erinevad geomeetria, elektri- ja montaažiprobleemid võivad LED-ide optilisi omadusi oluliselt mõjutada. Kuna kaks LED-i pole täpselt ühesugused, on mõned sammud, mis suurendavad oluliselt teie mõõtmise täpsust. Nende hulka kuuluvad, kuid mitte ainult:
LED-ide valguse emissiooni optilise keskuse ja mehaanilise keskuse tundmine. LED-ide paigutamisel tüüpilisse testseadmesse asetatakse see tavaliselt nii, et eeldatakse, et valgus tuleb seadme mehaanilisest keskpunktist. Sageli see nii ei ole. (Vt joonist 4) Optiline kese kaldub sageli LED-i mehaanilisest keskpunktist 5° või rohkem kõrvale. Kuigi laia vaatenurgaga, näiteks 40° või suurema vaatenurgaga seadmete mõõtmisel ei pruugi see probleeme tekitada, võivad kitsa nurga seadmete puhul näitude erinevused olla märkimisväärsed. (Tuleb märkida, et CIE (Commission Internationale de l'Eclairage) soovitus on kasutada mõõtmise võrdlusalusena valgusdioodi mehaanilist telge, mitte optilist telge.
Väljundi mõõtmine kindla ajavahemiku järel või stabiliseerumisel. Kui LED esimest korda pingesse lülitatakse, tõuseb ristmiku temperatuur tarbitud elektrienergia tõttu. (LED-i ristmiku temperatuur määratakse järgmiselt: Tj=Ta+(Vf*If)*Rth(ja)) Võib kuluda mitu sekundit või mitu minutit, enne kui valgusväljund on saavutanud termilise tasakaalu ja stabiliseerunud väärtuse. Tootlikkuse vähenemine 5-20% või rohkem ei ole haruldane. See ei ole püsiv lagunemine ja taastub pärast pingest vabastamist. Sageli ei ole otstarbekas oodata pikka aega, kui paljud LED-id vajavad testimist, seetõttu kehtestatakse sageli teatud ajavahemik, näiteks 5 sekundit, isegi kui väljund ei pruugi olla stabiliseerunud.
Katsetamise ajal tuleb tagada, et ümbritseva õhu temperatuur oleks ühtlane. LED-ide heledus ja värvus muutuvad tavaliselt temperatuuriga. Temperatuuri tõustes väljund väheneb ja värvus nihkub spektri kõrgema otsa suunas. Seda käsitletakse kolorimeetria arutelus.
Kasutage alati konstantset vooluallikat. LED-i päripinge (Vf) võib seadmeti kõikuda, mistõttu standardse toiteallika või pingeallika kasutamisel ei pruugi iga LED saada sama voolu.
Kasutage kergesti reprodutseeritavat testiseadet. Keerulised seadistused võivad laboratoorsete mõõtmiste jaoks sobida, kuid kui testimist vajavad paljud LED-id, millest igaühel on erinev pakendistiil, vaatenurk, värvid jne, on süsteem, mida saab kiiresti muuta, tagades samal ajal mehaanilise telje identse joonduse ja detektori. alati näeb sama osa heitekoonusest on vaja.
Veenduge, et kõik seadmed oleksid korralikult hooldatud ja kalibreeritud
Radiomeetria
Radiomeetria viitab kogukiirgusele või kogu valguse mõõtmisele nii nähtavas, infrapuna- kui ka ultraviolettspektris. Radiomeetrilise optilise võimsuse (kiirgusvõimsus) põhiühik on vatt (W). Vatt on absoluutne ühik, kuna see ei sõltu lainepikkusest. Üks vatt infrapunavalgust sisaldab sama palju võimsust kui üks vatt nähtavat valgust. Teised tavaliselt mõõdetavad radiomeetrilised terminid on kiirgusintensiivsus (vatti/steradiaan), kiirgustihedus (W/m2) ja kiirgustihedus (W/m2 sr). Peamine meetod kiirguse koguvõimsuse/valgusvoo mõõtmiseks on integreeriva sfääri kasutamine. (vt joonis 5) Integreeriv kera mõõdab LED-i kõigis suundades kiirgavat valgust. Üldjuhul on need mõõtmised vaatenurgast sõltumatud ega allu fotomeetrilisel testimisel täheldatavatele nurgamõõtmiste ebatäpsustele, kuid vead on siiski võimalikud. Laialdaselt kasutatakse sfääri läbimõõtu umbes 3 ja 6 tolli. Kui täpsus on kriitiline, eelistatakse suurema läbimõõduga tüüpe tänu kera pindala ja LED-i ja portide suuruse soodsale suhtele, kuid see toob kaasa ka intensiivsuse kaotuse. Mõõtmisvea peamine allikas on olnud LED-i paigutamine integreerivas sfääris. CIE poolt vastu võetud uusim spetsifikatsioon, väljaanne 127, väidab, et kogu LED-i pakett peaks olema sfääri sees, mida nimetatakse 2-valgusvoo mõõtmiseks. Radiomeetriliste mõõtmiste tegemisel tuleks järgida samu ettevaatusabinõusid, mida kasutatakse LED-ide fotomeetrilisel mõõtmisel. Nagu fotomeetriliste teisenduste puhul, on asjakohase teabe korral võimalikud hulgaliselt radiomeetrilisi teisendusi. Radiomeetrilisi väärtusi nõutakse tavaliselt rakendustes, mida kasutatakse koos fotodetektoriga, näiteks fiiberoptikas, skaneerimises või tuvastuses.
Kolorimeetria
LED-värvi teaduslikku mõõtmist ja kvantifitseerimist nimetatakse kolorimeetriaks. Selle ühikud antakse tavaliselt kromaatilisuse koordinaatidena või lainepikkusena. Värvitaju on väga keeruline, kuna see ei sõltu mitte ainult valguse erinevatest füüsikalistest omadustest, vaid ka asjadest nagu ümbritsevad objektid, seadme mehaanilised omadused, vaataja silmade reaktsioon ja ka nende psühholoogiline seisund. CIE on kehtestanud standardid nähtava valguse mõõtmiseks, kuna see on seotud "standardse inimsilma reaktsiooniga". See niinimetatud standardvaatleja kõver loodi esmakordselt 1931. aastal (vt joonis 6a). Sellelt kõveralt saadakse kolmivärvi väärtused värvi täpseks määratlemiseks. X, Y, Z tristimulus süsteem põhineb eeldusel, et iga värv on kombinatsioon kolmest põhivärvist; punane, roheline ja sinine. 1931. aasta CIE värvidiagramm (vt joonist 6b) tuletatakse tristiimulite väärtustest järgmiselt: x=X/(X+Y+Z) või x=punane/(punane {{6} } Roheline + Sinine) y=Y/(X+Y+Z) või y=Roheline/(Punane + Roheline + Sinine) Alates ( x + y + z) =1, kolmas telg, z=1 – (x + y)
Kromaatilisuse koordinaadid määratakse tavaliselt ainult x- ja y-teljega. Üldiselt ei loetle enamik LED-tootjate pakutavaid spetsifikatsioone kromaatilisuse koordinaate, vaid pigem tipp- ja domineerivat lainepikkust (välja arvatud juhul, kui LED on valge). Domineeriv lainepikkus, mis on määratud nanomeetrites, saadakse ülalpool käsitletud värvikoordinaatidest. See on sisuliselt värv, mida inimsilm tegelikult tajub. Tipplainepikkus on lainepikkus maksimaalse spektri intensiivsusega. Tippväärtust on lihtne saada ja seetõttu on see LED-tootjate poolt kõige levinum väärtus, kuid sellel on inimsilmaga vaadeldavate rakenduste jaoks vähe praktilist tähtsust, kuna kahel LED-il võib olla sama tipplainepikkus, kuid neid võib tajuda erinevana. värvid. Praegu on kõige täpsem meetod värvi mõõtmiseks spektroradiomeetri kasutamine. See seade teostab mõõdetava allika täieliku spektraalse võimsusjaotuse, mille põhjal saab matemaatiliselt arvutada kõik fotomeetrilised, radiomeetrilised ja kolorimeetrilised parameetrid. Seadme lainepikkuse täpsus peaks olema parem kui 0,5 nm, eelistatavalt 0,1 nm. Nagu eelnevalt mainitud, on mitmeid tegureid, mis võivad saadud väärtust mõjutada. Üks neist on temperatuur. Kui ümbritsev temperatuur tõuseb, suureneb ka LED-i lainepikkus. See tõus on tavaliselt vahemikus 0,1 nm/°C kuni 0,2 nm/°C, olenevalt kasutatud LED-i tüübist.
Goniomeetriline / nurga iseloomustus
Arutelu viimane teema on goniomeetriline või nurga iseloomustus. Goniomeeter on seade, mis mõõdab LED-i ruumilist jaotust või kiirgusmustrit (vt joonis 8). Seda saab saavutada, liigutades detektorit LED-i ümber või kallutades LED-i, kui detektor jääb paigale. Mõlemal juhul tehakse iga nurga kohta mitu väljundmõõtmist, kui pööratakse 0°-180°. Lõpetamisel saadakse kiiratava kiire profiil ühes tasapinnas. Sageli eeldatakse, et kuna enamik LED-e on ümmargused, on kiirgusmuster sümmeetriline. Tundub, et sellele viitavad isegi paljude LED-tootjate pakutavad vaatenurga graafilised kujutised. Sageli see nii ei ole. Nagu eelnevalt mainitud, võivad LED-ide valmistamisel esinevad geomeetrilised ja koostuvariatsioonid oluliselt mõjutada selle optilisi omadusi. Võib osutuda vajalikuks teha täiendav skaneerimine ja salvestada mitu vaatetasandit. Lisaks on mõnel erikujulisel LED-il, nagu ovaalne või elliptiline tüüp, sisuliselt kaks kiirgusmustrit (näiteks 30° x 70°), mistõttu on vajalik seadme skaneerimine nii 0° kui 90°. Kui goniomeetrit pole käepärast, on võimalik toorkiirgusmuster saada fotodetektori ja LED- või detektori käsitsi pööramise, väljundtasemete salvestamise ja andmepunktide graafiku abil, kuid see võib olla väga tüütu ja aeganõudev . Arutletu põhjal peaks olema selge, et valguse mõõtmine võib olla väga ebatäpne võrreldes muude spetsiifilisemate elektriliste omadustega, nagu pinge, vool või takistus. Mõõtmisviga võivad esile kutsuda paljud tegurid, nagu värv, seadme geomeetria, LED-i joondamine testseadmega, temperatuur jne. Seda liigitatakse sageli pigem kunstiks kui teaduseks. Kuigi mõõtmistäpsust ±5% peetakse endiselt standardseks ja tööstuses laialdaselt vastuvõetavaks, on hoolika tähelepanu korral võimalikud täpsused, mis on paremad kui ±2,5%.
