Устройство для измерения усредненной силы света светодиодов

Предлагаемая полезная модель предназначена для измерения усредненной силы света, силы света и излучения светодиодов и светодиодных осветителей.

Задачей полезной модели является создание устройства, обеспечивающего с высокой точностью измерение усредненной силы света, силы света и излучения светодиодов и светодиодных осветителей.

Предлагаемое устройство позволяет проводить измерения усредненной силы света, силы света и излучения в различных стабильных температурных условиях и минимизировать ошибки измерения усредненной силы света, силы света и силы излучения, обусловленные дрейфом и флуктуациями температуры, а также позволяет расширить номенклатуру испытуемых светодиодов и светодиодных излучателей.

Полезная модель относится к измерительной технике в части создания устройства для измерения усредненной силы света светодиодов.

Устройство может быть использовано в качестве средства измерения усредненной силы света, силы света и излучения светодиодов и светодиодных осветителей.

Так как универсальной геометрии измерений, применимой к большому числу типов светодиодов, не существует, то для корректного сравнении их оптических характеристик Международная комиссия по освещению (МКО) рекомендовало характеристику излучения светодиодов, называемую усредненной силой света, которая определяется как сила света в стандартных условиях А и В. Эти условия отличаются расстоянием между светодиодом и плоскостью апертурной диафрагмы фотоприемника, установленных на одной механической оси: для условия А - 316 мм, для условия В - 100 мм, что соответствует телесному углу 0,001 ср для условия А, и 0,01 ср для условия В [1]. При этом соответствующие плоские углы раствора равны примерно 2° и 6,5°. Оба условия обуславливают использование приемника с круговой апертурной диафрагмой площадью 100 мм² (диаметр 11,3 мм). Измерение фотометрических и радиометрических величин, согласно [1], можно проводить методами, реализующими как детекторный, так и излучательный подход. При реализации детекторного подхода при измерении усредненной силы света следует применять калиброванный фотометр с индексом спектрального рассогласования f₁ не хуже 3% [1]

Известно устройство для измерения усредненной силы света светодиодов [2]. Оно включает основание, которое предоставляет собой опорную плиту со специальным вертикальным выступом, имеющим сквозное цилиндрическое отверстие, параллельно основанию опорной плиты, и предназначенное для установки фотометрической головки фотометра с внешнего выступа. С другой стороны выступа установлен гониометр, с закрепленным испытуемым светодиодом на одной оптической оси с фотометрической головкой. Фототек фотометрической головки преобразуется в напряжение и регистрируется цифровым прибором. Гониометр обеспечивает поворот испытуемого светодиода вокруг вертикальной оси ±90°, и 360° вокруг горизонтальной оси. Основная конструкция устройства обеспечивает измерение усредненной силы света светодиодов при условии МКО В. Для обеспечения измерений при условии А в отверстие опорной плиты вместо фотометрической головки устанавливается цилиндрическая втулка, а фотометрическая головка закрепляется на другом конце втулки. Недостатками данного устройства является то, что обеспечена возможность измерения только усредненной силой света светодиодов; отсутствует система терморегулирования, контроля и управления температурой светодиодов, отсутствует система юстировки и измерения расстояния.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству (прототип) является установка, предназначенная для измерения фотометрических и цветовых характеристик возимых эталонных светодиодов [3]. Установка состоит из: набора возимых 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 усредненной силы света, силы света и излучения 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 во фронтальной и профильной плоскостях 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.

Задачей полезной модели является создание устройства, обеспечивающего с высокой точностью измерение усредненной силы света, силы света и излучения светодиодов и светодиодных излучателей.

Поставленная задача решается тем, что устройство для измерения усредненной силы света светодиодов содержит: сертифицированный гониометр, обеспечивающий возможность вращения вокруг вертикальной оси и горизонтальной оси испытуемых светодиодов и светодиодных излучателей с помощью двух поворотных платформ; держатель источников излучения установленный на поворотную платформу, вращающуюся вокруг горизонтальной оси; оптическую скамью; фотометр, включающий фотометрическую головку и блок регистрации; радиометр, включающий фотодиодную головку и блок регистрации; держатели 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 прецизионной установки испытуемого светодиода и светодиодного излучателя и при необходимости получения их фиксированных изображений с помощью функции стоп-кадра, использована система юстировки и измерения расстояния, состоящая из двух цифровых камер, двух координатных меток, юстировочного лазера, двулучевого юстировочного лазера, набора калиброванных концевых мер, угольника и глубиномера. Для контроля температуры испытуемых светодиодов и светодиодных излучателей использована система термостабилизации, состоящая из термоконтроллера, элемента Пельтье, радиатора и датчика температуры, обеспечивающая задание и поддержание стабильной температуры. Все это позволяет проводить измерения при различных стабильных температурных условиях и минимизировать ошибки измерения силы света и излучения, обусловленные дрейфом и флуктуациями температуры, а также позволяет расширить номенклатуру испытуемых светодиодов и светодиодных излучателей.

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 светодиодов и светодиодных излучателей 2 с помощью двух поворотных платформ 3, 4; контроллер шаговых двигателей 5; держатель источников излучения 6; оптическую скамью 7; фотометр, включающий фотометрическую головку 8 и блок регистрации 9; радиометр, включающий фотодиодную головку 10 и блок регистрации 77; держатели фотометрической и фотодиодной головок 72; систему юстировки и измерения расстояния 13, состоящую из двух цифровых камер 14 и 15, двух координатных меток 16 и 77, котировочный лазер 18, двулучевой юстировочный лазер 19, набор калиброванных концевых мер, угольника и глубиномера 20; систему термостабилизации, состоящую из термоконтроллера 27, элемента Пельтье и радиатора 22 и датчика температуры 23; систему питания источников излучения, состоящую из программируемого источника тока/мультиметра 24 и цифрового мультиметра 25; персональный компьютер 26.

Измерение усредненной силы света, силы света и излучения светодиодов и светодиодных излучателей, в общем случае осуществляют следующим образом. Испытуемый светодиод (или светодиодный излучатель) 2 закрепляют в держателе источников излучения 6. Устанавливают датчик температуры 23 на испытуемом источнике излучения, а затем необходимое значение температуры. Устанавливают фотометрическую 8 или фотодиодную головку 10 на держатель 12. Юстируют положение центра источника излучения и центра фоточувствительной плоскости фотометрической 8 или фотодиодной головок 10 с помощью системы юстировки и измерения расстояния 13 и измеряют расстояние между ними. 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, а также число отсчетов измерений. При необходимости, дополнительно проводят юстировку установленного излучателя и центра фоточувствительной плоскости фотометрической 8 или фотодиодной головок 10 управляя командами с компьютера гониометром, а по окончании повторно измеряют расстояние между ними. Затем с помощью программируемого источника тока/мультиметра 24 устанавливают необходимый режим питания светодиодных источников излучения. Значения тока и напряжения в цепи питания измеряют мультиметром 25. После чего измеряют темновой ток фотометра или радиометра, при этом сигналы фотоприемников регистрируются блоком регистрации фотометра 9 или блоком регистрации радиометра 77 и передаются на персональный компьютер 26, с помощью которого выполняется обработка сигналов, а данные сохраняются в отдельный файл. Включают испытуемый светодиод или светодиодный излучатель и начинают измерения. После старта измерений производится 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 светодиодных излучателей, а также значения температуры, измеряемые системой термостабилизации. Полученные результаты измерений сохраняются в файл и отображаются одновременно на мониторе компьютера в численном и графическом виде.

Усредненную силу света светодиода для условия МКО А (или В), в канделах, определяют по формуле:

где l_A(B) - расстояние, соответствующее стандартным условиям МКО А или В, м; E_A(B) - освещенность, измеренная фотометром при стандартных условиях МКО А или В, лк.

Значение силы света I_v,i, в канделах, рассчитывают по формуле по результатам измерения освещенности фотометром E_v,i, и расстояния l между входной апертурой фотометра и светодиодным источником излучения

Значение силы излучения I_е,i рассчитывается по формуле подобной (2), в ваттах на стереорадиан, по результатам измерения плотности мощности излучения Е, которая рассчитывается по формуле

где - среднее арифметическое значение мощности излучения, Вт; - площадь диафрагмы фотодиодной головки, м² .

Относительную суммарную стандартную неопределенность измерений освещенности u°_с(E_А(В)) при условиях МКО А (или В) рассчитывают по формуле

где - относительная стандартная неопределенность измерения освещенности в условиях А и В, %; u°_кал(E) - относительная стандартная неопределенность измерения освещенности фотометра. u°_кад(E)=U/k, где U=0,8; k - коэффициент охвата.

Относительную суммарную стандартную неопределенность определения усредненной силы света u°_с(I _LED(В)) при условии МКО А (или В) рассчитывают по формуле

где u°_l - относительная стандартная неопределенность измерения расстояния с помощью концевых мер согласно сертификату об их калибровке.

Относительную суммарную стандартную неопределенность измерений освещенности, силы света и излучения вычисляют по формулам аналогичным (4)-(5).

Предлагаемое устройство для измерения усредненной силы света светодиодов позволяет: расширить номенклатуру испытуемых светодиодов и светодиодных осветителей; повышает точность измерения за счет минимизации ошибки измерения силы света и излучения, обусловленных дрейфом и флуктуациями температуры с помощью установки и контроля температуры источников излучения различных типов, что также позволяет проводить измерения при различных стабильных температурных условиях; повышает точность измерения за счет системы юстировки и измерения расстояния с одновременной визуализацией процесса юстировки испытуемого источника излучения в двух взаимоперпендикулярных плоскостях, а также прецизионным измерением расстояния между излучателем и плоскостью входной апертуры фотометрической или фотодиодной головок

Источники информации, принятые во внимание:

1. CIE 127:2007 Technical report CIE. Measurement of LEDs. 2nd edition Publication. - Vienna, CIE Central Bureau, 2007 - 32 p.

2. Патент CN 2556614 (Y) от 25.07.2002 на полезную модель «Average luminous intensity measurer of light-emitting diode». Заявитель - Univ Zhejiang. Автор - Chao Bao. Опубликовано 18.06.2003. (Китай).

3. M.Lindemann, R.Maas. Photometry and colometry of reference LEDs by using a compact goniophotometer. Joumel of Metrology of India. Vol.24, 3, 2009, P.143-152;

Устройство для измерения усредненной силы света светодиодов, включающее гониометр, обеспечивающий возможность вращения вокруг вертикальной оси и горизонтальной оси испытуемых светодиодов и светодиодных осветителей с помощью двух поворотных платформ, двухканальный контроллер шаговых двигателей, обеспечивающий автоматизированное управление поворотными платформами, держатель источников излучения, оптическую скамью, фотометр, включающий фотометрическую головку и блок регистрации, радиометр, включающий фотодиодную головку и блок регистрации, держатели фотометрической и фотодиодной головок, систему питания источников излучения, состоящую из программируемого источника тока/мультиметра и цифрового мультиметра, персональный компьютер, отличающееся тем, что содержит систему юстировки и измерения расстояния, состоящую из двух цифровых камер, двух координатных меток, юстировочного лазера, двулучевого юстировочного лазера, набора калиброванных концевых мер, угольника и глубиномера; обеспечивающую одновременную визуализацию процесса юстировки испытуемого 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 испытуемых источников излучения.