Эталонный источник излучения на основе белого светодиода
Предлагаемая полезная модель предназначена для применения при проведении измерений силы света и силы излучения, светового потока, яркости и энергетической яркости, коррелированной цветовой температуры светодиодов, светодиодных осветителей и других источников излучения, а также, при проведении спектрофотометрических, фотометрических и колориметрических измерений в качестве эталонного или опорного источника излучения. Задачей полезной модели является создание эталонного стабильного источника излучения на основе белого 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 измерений фотометрических характеристик излучения белых светодиодов, колориметрических и спектрофотометрических измерений образцов имеющих различную природу происхождения. Эталонный источник излучения на основе белого светодиода включает светодиод белого свечения, установленный на теплоотводящий корпус; корпус эталонного источника излучения, терморезистор, полупрозрачную рассеивающую пластину, элемент Пельтье, на который закреплены теплоотводящий корпус светодиода плоской тыльной стороной и терморезистор, обеспечивающие возможность контроля и управления температурой теплоотводящего корпуса с помощью серийно выпускаемых термоконтроллеров, с лицевой стороны корпуса светодиода на расстоянии от 0,1 до 1 мм от светодиодного чипа установлен диффузный отражатель, имеющий коническую форму, на внутреннюю поверхность которого нанесено высокоотражающее покрытие, типа ВаSO4. Предлагаемое устройство эталонного источника излучения на основе белого светодиода позволяет повысить стабильность оптических характеристик используемого светодиода и увеличить его время жизни, за счет применения термостабилизации корпуса светодиода, что способствует минимизации ошибок фотометрических, колориметрических и спектрофотометрических измерений, обусловленных флуктуациями оптических характеристик источника излучения. Отсутствует необходимость в предварительных измерениях для установления зависимости напряжения инжекции светодиода от температуры. Для регулировки температуры эталонного светодиода можно применять серийно выпускаемые термоконтроллеры. Конструкция устройства обеспечивает равномерное распределение мощности излучения в пределах стандартных углов фотометрического и колориметрического наблюдателя.
Полезная модель относится к измерительной технике в части создания устройства для измерения фотометрических характеристик излучения, белых светодиодов и спектрофотометрических и колориметрических измерений образцов имеющих различную природу происхождения.
Эталонный источник излучения на основе белого светодиода применяют при проведении измерений силы света и силы излучения, светового потока, яркости и энергетической яркости, коррелированной цветовой температуры светодиодов, светодиодных осветителей и других источников излучения, а также, при проведении спектрофотометрических, фотометрических и колориметрических 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 белого свечения, которые состоят из светодиодных чипов с линзами, встроенных в специальный корпус с воздушно-принудительным охлаждением. 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.
Другим известным эталонным устройством является белый эталонный светодиод, предназначенный для применения в качестве эталонного или референсного источника излучения в фотометрических и колориметрических измерениях светодиодов: светового потока, силы света, яркости и коррелированной цветовой температуры [3]. Белый 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.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому (прототип) является эталонное осветительное устройство способное обеспечить эталонное светодиодное излучение (ЭОУ) [4], предназначенное для применения в качестве эталонного или референсного источника излучения при измерении оптических характеристик светодиодов и светодиодных осветителей. ЭОУ состоит из двух блоков: кубического корпуса содержащего светодиод с линзой или без нее, и цилиндрического корпуса, содержащего полупрозрачные рассеивающие пластины, выходные диафрагмы и/или линзу в различных сочетаниях. Светодиод или светодиодный модуль имеют встроенный датчик термоконтроля, и датчик контроля тока светодиода. Датчики используется в качестве индикатора температуры и тока для осуществления контроля температуры светодиодного чипа, посредством управления внешним специальным устройством. Кубический корпус, имеет выходное отверстие для вывода излучения. На выходное отверстие кубического корпуса устанавливают цилиндрический блок, что обеспечивает равномерное распределение мощности излучения на выходе ЭОУ.
К недостаткам данного эталонного источника излучения относится применение датчика температуры, только в качестве индикатора, что обуславливает необходимость проведения предварительных прецизионных измерений для установления зависимости оптических характеристик от температуры при различных токах питания. Размещение белого светодиода, особенно без линзы, в корпусе кубической формы приводит к появлению перепоглощения излучения светодиодного чипа люминофором, что обуславливает отклонение оптических характеристик излучения светодиода от его исходных характеристик.
Задачей полезной модели является создание эталонного стабильного источника излучения на основе белого 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 измерений фотометрических характеристик излучения, белых светодиодов, колориметрических и спектрофотометрических измерений образцов, имеющих различную природу происхождения.
Поставленная задача решается тем, что эталонный источник излучения на основе белого светодиода, установленного на теплоотводящий корпус; корпус эталонного источника излучения, терморезистор, полупрозрачную рассеивающую пластину, отличающийся тем, что содержит элемент Пельтье, на который закреплены теплоотводящий корпус светодиода и терморезистор, обеспечивающие возможность контроля и управления температурой теплоотводящего корпуса с помощью серийно выпускаемых термоконтроллеров, с лицевой стороны корпуса светодиода на расстоянии от 0,1 до 1 мм от чипа светодиода установлен диффузный отражатель, имеющий коническую форму, на внутреннюю поверхность которого нанесено высокоотражающее покрытие, типа BaSO4, которые установлены на основании корпуса эталонного источника излучения, и закрыты крышкой корпуса, на которой закреплена полупрозрачная рассеивающая пластина, обеспечивающая равномерное угловое распределение мощности излучения на выходе источника излучения.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена предлагаемая полезная модель. Полезная модель изображена схематически на фигуре 1, содержит: светодиод белого свечения 1 установленный на теплоотводящий корпус 2; элемент Пельтье 3; терморезистор 4; диффузный конический отражатель 5; основание корпуса 6; полупрозрачную рассеивающую пластину 7; крышку корпуса 8, контактные выводы питания 9 светодиода, элемента Пельтье и терморезистора.
Эталонный источник излучения на основе белого светодиода работает следующим образом: постоянный ток инжекции подается на светодиод белого свечения 1, температура которого регулируется Пельтье элементом 3 на основании значения сопротивления терморезистора 4. Поскольку тепловое сопротивление корпуса светодиода составляет величину от 5 до 10 К/Вт и указывается производителем, то температура чипа светодиода может быть задана без проведения предварительных исследований. Тепло, выделяемое Пельтье элементом, отводится через корпус 6.
Предлагаемый эталонный источник излучения на основе белого светодиода 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, колориметрических и спектрофотометрических измерений, обусловленных флуктуациями оптических характеристик источника излучения. Отсутствует необходимость в предварительных измерениях для установления зависимости напряжения инжекции светодиода от температуры, что используется для регулировки температуры светодиодного чипа согласно [1]. Для регулировки температуры эталонного светодиода можно применять серийно выпускаемые термоконтроллеры. Использование диффузного отражателя конической формы, на внутреннюю поверхность которого нанесено высокоотражающее покрытие, типа BaSO4 существенно снижает перепоглощение излучения люминофором светодиода, что уменьшает отклонение оптических характеристик излучения светодиода от его исходных характеристик и соответственно уменьшает ошибки фотометрических, колориметрических и спектрофотометрических измерений. Сочетание диффузного отражателя конической формы и полупрозрачной рассеивающей пластины обеспечивает равномерное угловое распределение мощности излучения эталонного источника излучения на основе белого 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. Joumel of Metrology of India. Vol.24, 
3, 2009, P.143-152;
4. Standard illuminant apparatus capable of providing standard led light: пат. US 2009167189 США, МПК7 H01J 61/52, F21S 6/00, F21V 3/00, F21V 8/00 / Wu Kuei-Neng, Chen Cheng-Hsien; Chang Chia-Ying; Huang Ming-Chieh (Тайвань); заявитель Industrial Technology Research Institute. - 12/196500; заявл. 22.08.2008; опубл. 02.07.2009
Эталонный источник излучения на основе белого светодиода, включающий светодиод белого свечения, установленный на теплоотводящий корпус, корпус эталонного источника излучения, терморезистор, полупрозрачную рассеивающую пластину, отличающийся тем, что содержит элемент Пельтье, на котором закреплены теплоотводящий корпус и терморезистор, обеспечивающие возможность контроля и управления температурой теплоотводящего корпуса с помощью серийно выпускаемых термоконтроллеров, с лицевой стороны корпуса светодиода на расстоянии от 0,1 до 1 мм от чипа светодиода установлен диффузный отражатель, имеющий коническую форму, на внутреннюю поверхность которого нанесено высокоотражающее покрытие типа BaSO4, которые установлены на основании корпуса эталонного источника излучения и закрыты крышкой корпуса, на которой закреплена полупрозрачная рассеивающая пластина, обеспечивающая равномерное угловое распределение мощности на выходе эталонного источника.
