Устройство для измерения пространственного распределения силы излучения твердотельных источников излучения
Предлагаемая полезная модель предназначена для измерения пространственного распределения силы света светодиодов, светодиодных осветителей и силы излучения лазерных диодов и монохроных светодиодов.
Задачей полезной модели является создание устройства, обеспечивающего с высокой точностью измерение пространственного распределения силы света и излучения твердотельных источников излучения.
Предлагаемое устройство позволяет проводить измерения в различных стабильных температурных условиях и минимизировать ошибки измерения силы света и излучения, обусловленные дрейфом и флуктуациями температуры, а также позволяет расширить номенклатуру испытуемых твердотельных источников излучения.
Полезная модель относится к измерительной технике в части создания устройства измерения пространственного распределения силы света и силы излучения твердотельных источников света.
Устройство может быть использовано в качестве средства измерения пространственного распределения силы света светодиодов, светодиодных осветителей и силы излучения лазерных диодов и светодиодов.
Известна установка, предназначенная для измерения фотометрических и цветовых характеристик переносных эталонных светодиодов [1]. Установка состоит из: набора переносных эталонных светодиодов со встроенным терморезистором; системы питания светодиодов; системы терморегулирования эталонных светодиодов; автоматизированного гониометра; держателя светодиодов; фотометра; радиометра; спектрометра; системы юстировки, состоящей из юстировочного лазера и цифровой камеры; блока установки приемников и юстировочного лазера; автоматизированной платформы линейного перемещения; персонального компьютера.
Недостатками данной установки являются то, что обеспечена возможность измерения фотометрических и радиометрических характеристик только эталонных светодиодов; система терморегулирования обеспечивает контроль и управление температурой только эталонных светодиодов. Система юстировки светодиодов не обеспечивает одновременное наблюдения за положением испытуемого эталонного светодиода в фронтальной и профильной плоскости. При этом после завершения юстировки светодиода в одной плоскости и юстировки его по другой, нужно возвращаться в исходное положение, так как при таком способе юстировки необходимый результат достигается методом последовательных приближений.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству (прототип) является гониофотометрическая установка для определения углового распределения силы света отдельных светодиодов и светотехнических изделий [2]. Гониометр, входящий в эту установку, представляет собой платформу, способную свободно поворачиваться вокруг вертикальной оси, на которой размещен исследуемый источник. Положение вращающейся части платформы контролируется датчиком угла поворота, который соединен с контроллером, обеспечивающий регистрацию сигнала фотометрической головки (ФГ) и управление всем процессом измерений. Контроллер соединен с компьютером, на котором установлена программа измерения и обработки результатов. Каждому отсчету датчика угла поворота ставится в соответствие значение силы света измеренное с помощью фотометрической головки.
Недостатками данной установки является отсутствие контроля температуры испытуемых светодиодов и светотехнических изделий, отсутствие системы визуализации юстировки устанавливаемых источников излучения, невозможность измерения силы излучения испытуемых источников излучения.
Задачей полезной модели является создание устройства, обеспечивающего с высокой точностью измерение пространственного распределения силы света светодиодов и силы излучения светодиодов и лазерных диодов.
Поставленная задача решается тем, что устройство для измерения пространственного распределения силы излучения твердотельных источников излучения содержит гониометр, обеспечивающий возможность вращения вокруг вертикальной оси и горизонтальной оси испытуемых твердотельных источников излучения с помощью двух поворотных платформ с сертифицированными значениями углов поворота, держатель источников излучения установленный на поворотную платформу, вращающуюся вокруг горизонтальной оси, оптическую скамью; фотометр, включающий фотометрическую головку и блок регистрации, держатель фотометрической и фотодиодной головок, систему питания источников излучения, состоящую из программируемого источника тока/мультиметра и цифрового мультиметра; персональный компьютер. Для управления гониометром использован двухканальный контроллер шаговых двигателей, обеспечивающий автоматизированное управление поворотными платформами. Для измерения силы излучения использован радиометр, включающий фотодиодную головку и блок регистрации. Для прецизионной установки испытуемого излучателя и при необходимости получение фиксированных изображений с помощью функции стоп-кадра, фотометрической и фотодиодной головок использована система юстировки и измерения расстояния, состоящая из двух цифровых камер, двух координатных меток, юстировочного лазера, двулучевого юстировочного лазера, набора калиброванных концевых мер и угольника. Для контроля температуры испытуемых твердотельных излучателей использована система термостабилизации, состоящая из термоконтроллера, элемента Пельтье и датчика температуры, обеспечивающая задание и поддержание стабильной температуры. Все это позволяет проводить измерения в различных стабильных температурных условиях и минимизировать ошибки измерения силы света и излучения, обусловленные дрейфом и флуктуациями температуры, а также позволяет расширить номенклатуру испытуемых твердотельных источников излучения.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена схема предлагаемой полезной модели.
Устройство, изображенное схематически на фигуре 1, согласно полезной модели содержит: гониометр 1, обеспечивающий возможность вращения вокруг вертикальной оси и горизонтальной оси испытуемых твердотельных источников излучения 2 с помощью двух поворотных платформ 3, 4 с сертифицированными значениями углов поворота; контроллер шаговых двигателей 5, обеспечивающий автоматизированное управление поворотных платформ; держатель источников излучения 6, установленный на поворотную платформу вращающуюся вокруг горизонтальной оси; оптическую скамью 7; фотометр, включающий ФГ 8 и блок регистрации 9, радиометр, включающий фотодиодную головку 10 и блок регистрации 11; держатель фотометрической и фотодиодной головок 12; систему юстировки и измерения расстояния 13, состоящую из двух цифровых камер 14 и 15, двух координатных меток 16 и 17, котировочный лазер 18, двулучевой котировочный лазер 19, набор калиброванных концевых мер и угольника 20; систему термостабилизации, состоящую из термоконтроллера 21, элемента Пельтье 22 и датчика температуры 23; систему питания источников излучения, состоящую из программируемого источника тока/мультиметра 24 и цифрового мультиметра 25; персональный компьютер 26.
Измерение пространственного распределения силы излучения силы излучения твердотельных источников излучения, осуществляют следующим образом. Испытуемый твердотельный излучатель 2 закрепляют в держателе источников излучения 6. Устанавливают датчик температуры 23 на испытуемом твердотельном источнике излучения. Если твердотельный источник излучения представляет собой отдельный светодиод, светодиодный модуль или лазерный диод, то устанавливают необходимую температуру. Устанавливают фотометрическую 8 или фото диодную головку 10 на держатель 12. Юстируют положение центра источника излучения и центра фоточувствительной плоскости фотометрической 8 или фото диодной головок 10 с помощью системы юстировки и измерения расстояния 13 и измеряют расстояние между ними. Затем с помощью программируемого источника тока/мультиметра 24 устанавливают необходимый режим питания твердотельных источников излучения. Значения тока и напряжения в цепи питания измеряют мультиметром 25. Запускают программу устройства, которая активирует используемые приборы. Устанавливают последовательно в программе тип установленного приемника - фотометр, если измеряется сила света или радиометр, если измеряется сила излучения, то число отсчетов в каждой точке измерений. После чего измеряют темновой ток фотометра или радиометра, при этом сигналы фотоприемников регистрируются блоком регистрации фотометра 9 или блоком регистрации радиометра 11 и передаются на персональный компьютер 26, с помощью которого выполняется обработка сигналов, а данные сохраняются в отдельный файл. Затем устанавливают в программе вид измерений (в одной плоскости, в двух взаимоперпендикулярных плоскостях или по всем углам), диапазон углов поворота, шаг по углу поворота, число отсчетов в каждой точке измерений. Включают испытуемый твердотельный источник излучения и начинают измерения. После старта измерений гониометр по командам компьютера 26 поворачивает установленный испытуемый излучатель с заданным шагом по углу в пределах установленного диапазона углов поворота, после каждого шага гониометра производятся запись сигналов фотоприемников регистрируемых блоком регистрации фотометра 9 или блоком регистрации радиометра 11. Данные передаются на персональный компьютер 26. Одновременно с помощью компьютера осуществляется регистрация значений тока и напряжения в цепи питания лазерных и светодиодных излучателей, а также значения температуры, измеряемые системой термостабилизации. Полученные результаты измерений сохраняются в файл и отображаются одновременно на мониторе компьютера в численном виде, а также графически в двухмерном или квазитрехмерном виде, в зависимости от вида измерений.
Значение силы света Iv, i, в канделах, при установленных углах источника излучения, рассчитывают по формуле по результатам измерения освещенности фотометром Ev, i и расстояния l между входной апертурой фотометра и корпусом твердотельного источника излучения
Значение силы излучения Iе,i , рассчитывается по формуле подобной (1), в ваттах на стереорадиан, по результатам измерения плотности мощности излучения Е
рассчитываемой по формуле
где 
- среднее арифметическое значение мощности излучения, Вт; - площадь диафрагмы фотодиодной головки, м2 .
Относительную суммарную стандартную неопределенность измерений пространственного распределения силы света на установке оценивают по формуле
где 
- относительная суммарная стандартная неопределенность измерений освещенности фотометром, u°l - относительная стандартная неопределенность измерения расстояния с помощью концевых мер согласно сертификату об их калибровке, u°(
) и u°(
) - относительная стандартная неопределенность измерений углов поворота поворотных площадок, %.
Относительную суммарную стандартную неопределенность измерений пространственного распределения плотности мощности на установке оценивают по формуле
где 
- относительная стандартная неопределенность измерений мощности излучения радиометром, %; u°кал(К) - относительная стандартная неопределенность калибровочного коэффициента фотодиодной головки, приведенная в свидетельстве о калибровке, % u°() - относительная стандартная неопределенность определения площади диафрагмы фотодиодной головки, %.
Предлагаемое устройство для измерения пространственного распределения силы излучения твердотельных источников излучения позволяет расширить номенклатуру испытуемых твердотельных источников излучения, расширить функциональные возможности в части измерения пространственного распределения силы излучения твердотельных источников излучения, повышает точность измерения за счет установки и контроля температуры твердотельных источников излучения различных типов, обеспечивает задание и поддержание стабильной температуры источников излучения, что позволяет проводить измерения в различных стабильных температурных условиях и минимизировать ошибки измерения силы света и излучения обусловленные дрейфом и флуктуациями температуры, а также позволяет расширить номенклатуру испытуемых твердотельных источников излучения, система юстировки и измерения расстояния обеспечивает одновременную визуализацию процесса юстировки испытуемого твердотельного источника излучения в двух взаимоперпендикулярных плоскостях, а при необходимости получение фиксированных изображений с помощью функции стоп-кадра и точное измерение расстояния между механическим центром источника излучения и центром фоточувствительной плоскости фотометрической или фотодиодной головок.
Источники информации, принятые во внимание:
1. М.Lindemann, R.Maas. Photometry and colometry of reference LEDs by using a compact goniophotometer. Journel of Metrology of India. Vol.24, 
3, 2009, P.143-152;
2. Г.Азизян, А.Артамонов, С.Никифоров. Гониофотометрическая установка для определения углового распределения силы света. Полупроводниковая светотехника., - 2010. - 1, - С.41-43.
Устройство для измерения пространственного распределения силы излучения твердотельных источников излучения, включающее гониометр, обеспечивающий возможность вращения вокруг вертикальной оси и горизонтальной оси испытуемых твердотельных источников излучения с помощью двух поворотных платформ, держатель источников излучения, установленный на поворотную платформу, вращающуюся вокруг горизонтальной оси, оптическую скамью, фотометр, включающий фотометрическую головку, установленную на держатель, и блок регистрации, систему питания источников излучения, состоящую из программируемого источника тока/мультиметра и цифрового мультиметра, персональный компьютер, отличающееся тем, что содержит двухканальный контроллер шаговых двигателей, обеспечивающий автоматизированное управление поворотными платформами, радиометр, включающий фотодиодную головку и блок регистрации, обеспечивающий измерение силы излучения твердотельных источников, систему юстировки и измерения расстояния, состоящую из двух цифровых камер, двух координатных меток, юстировочного лазера, двулучевого юстировочного лазера, набора калиброванных концевых мер и угольника; обеспечивающую одновременную визуализацию процесса юстировки испытуемого твердотельного источника излучения в двух взаимоперпендикулярных плоскостях и получение фиксированных изображений с помощью функции стоп-кадра, систему термостабилизации, состоящую из термоконтроллера, элемента Пельтье и датчика температуры, обеспечивающую задание и поддержание стабильной температуры.
