Эталонный монохромный светодиод
Предлагаемая полезная модель предназначена для применения при проведении измерений координат цветности, доминантной длины волны, пиковой длины волны, полуширины спектра, чистоты цвета, силы света и силы излучения, яркости и энергетической яркости светодиодов, светодиодных осветителей и других источников излучения, а также, при проведении колориметрических, фотометрических и спектрорадиометрических измерений в качестве эталонного или опорного источника излучения. Задачей полезной модели является создание стабильного эталонного монохромного светодиода имеющего равномерное распределение мощности излучения в пределах стандартных углов фотометрического и колориметрического наблюдателя, который можно использовать в качестве эталонного или референсного источника излучения при проведении высокоточных фотометрических и колориметрических измерений светодиодов, светодиодных осветителей, а также других источников излучения. Предлагаемая полезная модель позволяет повысить стабильность оптических характеристик светодиода при различных токах питания, за счет применения термостабилизации теплоотводящего корпуса светодиода, что уменьшает ошибки измерений, обусловленных старением и флуктуациями оптических характеристик светодиода. Отсутствует необходимость регулировки напряжения прямого смещения и предварительных измерений для установления зависимости напряжения питания светодиода от температуры. Для регулировки температуры эталонного светодиода можно применять серийно выпускаемые термоконтроллеры. Сочетание диффузного отражателя и полупрозрачной рассеивающей пластины обеспечивает равномерное распределение мощности эталонного монохромного светодиода в пределах стандартных углов фотометрического и колориметрического наблюдателя.
Полезная модель относится к измерительной технике в части создания устройства для измерения колориметрических и фотометрических характеристик излучения монохромных светодиодов.
Эталонный монохромный светодиод применяют при проведении измерений координат цветности, доминантной длины волны, пиковой длины волны, полуширины спектра, чистоты цвета, силы света и силы излучения, яркости и энергетической яркости светодиодов, светодиодных осветителей и других источников излучения, а также, при проведении колориметрических, фотометрических и спектрорадиометрических измерений в качестве эталонного или опорного источника излучения.
Так как, светодиоды имеют существенные отличия от других источников излучения, то для их корректного сравнения Международная комиссия по освещению (МКО) разработала специальные рекомендации по измерению оптических характеристик излучения светодиодов [1]. Измерение фотометрических и радиометрических величин, согласно [1], можно проводить методами, реализующими как детекторный, так и излучательный подход. Если устройства, на которых проводятся измерение оптических характеристик светодиодов, реализуют излучательный подход, то они должны калиброваться с использованием эталонных референсных светодиодов. Эталонный светодиод в соответствии с [1] должен работать при постоянном токе питания светодиодного чипа и постоянных температурных условиях, что необходимо для обеспечения стабильности оптических характеристик. Для стабилизации температуры эталонного светодиода рекомендуют помещать его в термостабилизированный корпус. Указывается, что в случае использования системы термоконтроля, эталонный светодиод стабилизирован по температуре, посредством встраивания устройства (терморезистора или термотранзистора) для контроля температуры светодиодного чипа, посредством управления его прямым напряжением питания на основе предварительно экспериментально установленной зависимости прямого напряжения питания светодиодного чипа от температуры. Также рекомендовано, чтобы пространственное и спектральное распределение мощности излучения было равномерным или близким по отношению к испытуемому светодиоду.
Известно эталонное устройство для передачи размера единиц координат цветности, коррелированной цветовой температуры и яркости самосветящихся объектов [2]. В этом устройстве применяют сменные референсные светодиодные источники излучения, которые состоят из светодиодных чипов с линзами, встроенных в специальный корпус с воздушно-принудительным охлаждением. Эти источники имеют излучение близкое к монохроматическому, и соответствует красному, зеленому, синему, желтому, а также и белому цвету свечения. Для обеспечения равномерного распределения мощности излучения, светодиодные источники вставляют в фотометрический шар, имеющий специальное посадочное место, а также диффузную рассеивающую пластину на выходе. Основными недостатками референсных светодиодных источников излучения, являются отсутствие функций контроля и управление температурой светодиодного чипа, что не позволяет обеспечить стабильность его оптических характеристик.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому (прототип) является монохромный возимый эталонный светодиод, предназначенный для применения в качестве эталонного или референсного источника излучения в фотометрических и колориметрических измерениях светодиодов: светового потока, силы света, координат цветности, доминантной длины волны, чистоты цвета, а также пиковой длины волны [3]. Монохромный возимый эталонный светодиод состоит из: светодиода с линзой; термостатированного корпуса эталонного светодиода; встроенного терморезистора, установленного на выходных контактах светодиода и используемого в качестве индикатора температуры. Стабилизацию температуры светодиодного чипа осуществляют на основе показаний терморезистора, посредством управления его прямым напряжением питания с помощью внешнего специального устройства, обеспечивающего пропорционально-интегрально-дифференциальный алгоритм (ПИД) регулирования, и на основе предварительно экспериментально установленной зависимости прямого напряжения питания от температуры светодиодного чипа.
К недостаткам данного эталонного светодиода относится расположение терморезистора на выходных контактах светодиода, что обуславливает большую разность температур между чипом светодиода и терморезистора, регулирование температуры по прямому напряжению смещения светодиода, которое в общем случае зависит от старения светодиода. Для установления зависимости напряжения смещения от температуры светодиодного чипа требуются прецизионные измерения для каждого отдельного светодиодного чипа. Для осуществления ПИД-регулировки необходимо применение специально разработанного регулирующего устройства. Кроме того, при изготовлении монохромного эталонного светодиода, который должен иметь равномерное распределение мощности излучения, необходимо проводить отбор из большого числа светодиодов.
Задачей полезной модели является создание стабильного эталонного монохромного светодиода имеющего равномерное распределение в пределах стандартных углов фотометрического и колориметрического наблюдателя, который можно использовать в качестве эталонного или референсного источника излучения при проведении высокоточных фотометрических и колориметрических измерений светодиодов, светодиодных осветителей, а также других источников излучения.
Поставленная задача решается тем, что эталонный монохромный светодиод включает монохромный светодиодный чип, установленный на теплоотводящий корпус светодиода, линзу; корпус, терморезистор и элемент Пельтье. Монохромный светодиодный чип, установлен на теплоотводящий светодиодный корпус и закреплен плоской тыльной стороной корпуса на элемент Пельтье, на который (или на теплоотводящий корпус) установлен терморезистор. Это обеспечивает возможность контроля и управления температурой корпуса светодиода с помощью серийно выпускаемых термоконтроллеров. С лицевой стороны корпуса светодиода, на расстоянии от 0,1 до 1 мм от линзы установлен диффузный отражатель, имеющий цилиндрическую форму, на внутреннюю поверхность которого нанесено высокоотражающее покрытие, типа BaSО4. Полученная конструкция установлена на основании корпуса, и закрыта крышкой корпуса, на которой закреплена полупрозрачная рассеивающая пластина.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена предлагаемая полезная модель. Полезная модель изображена схематически на фигуре 1, содержит: светодиодный чип 1 установленный на теплоотводящий корпус 2 светодиода с плоской тыльной стороной, и имеющий линзу 3; элемент Пельтье 4; терморезистор 5; диффузный отражатель 6; основание корпуса 7; полупрозрачную рассеивающую пластину 8; крышку корпуса 9, контактные выводы питания 10 светодиода, элемента Пельтье и терморезистора.
Эталонный монохромный светодиод работает следующим образом: постоянный ток инжекции подается на светодиодный чип 1, температура которого регулируется Пельтье элементом 4 на основании значения сопротивления терморезистора 5. Поскольку тепловое сопротивление корпуса светодиода составляет величину от 5 до 10 К/Вт и указывается производителем, то температура чипа светодиода может быть установлена без проведения дополнительных исследований. Тепло выделяемое Пельтье элементом отводится через корпус 7.
Предлагаемый эталонный монохромный светодиод позволяет: повысить стабильность оптических характеристик светодиода при различных токах питания и увеличить его время жизни, за счет применения термостабилизации теплоотводящего корпуса светодиода, что способствует минимизации ошибок фотометрических и колориметрических измерений, обусловленных старением светодиода и флуктуациями оптических характеристик источника излучения,. Отсутствует необходимость регулировки напряжения прямого смещения и предварительных измерений для установления зависимости напряжения питания светодиода от температуры. Для регулировки температуры эталонного светодиода можно применять серийно выпускаемые термоконтроллеры. Сочетание диффузного отражателя и полупрозрачной рассеивающей пластины обеспечивает равномерное распределение мощности излучения эталонного монохромного светодиода в пределах стандартных углов фотометрического и колориметрического наблюдателя.
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 RU 91761 U1 от 03.11.2009 на полезную модель «Эталонное устройство для передачи размера единиц координат цветности самосветящихся объектов». Заявители - Институт физики НАН Беларуси, БелГИМ. Авторы - Тарасова О.Б. (БелГИМ), Скумс Д.В. (БелГИМ), Лысенок О.Н. (БелГИМ), Никоненко С.В. (Институт физики). Опубликовано 27.02.2010. (Российская Федерация)
3. 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;
Эталонный монохромный светодиод, включающий монохромный светодиодный чип, установленный на теплоотводящий корпус светодиода, линзу, корпус и терморезистор, отличающийся тем, что содержит элемент Пельтье, на котором закреплены теплоотводящий корпус светодиода плоской тыльной стороной и терморезистор, на лицевой стороне теплоотводящего корпуса светодиода на расстоянии от 0,1 до 1 мм от линзы расположен диффузный отражатель, имеющий цилиндрическую форму, на внутреннюю поверхность которого нанесено высокоотражающее покрытие, элемент Пельтье с терморезистором, светодиодом и диффузным отражателем установлен на основании корпуса и закрыт крышкой корпуса, на которой закреплена полупрозрачная рассеивающая пластина, обеспечивающая равномерное распределение мощности излучения на выходе светодиода.
