Lysdioder – dominerande ljusteknik
Om det någonsin skulle finnas någon tvekan om att lysdioder skulle vara en så dominerande belysningsteknik är det bara att ta en titt. De finns nästan överallt. Från standardindikatorer på stereoutrustning, bärbara datorer och leksaker till trafikljus, variabla meddelandeskyltar och bilbelysning, LED har haft en explosionsartad tillväxt under de senaste åren utan något slut i sikte. Mycket av detta beror på de ständigt ökande nivåerna av ljusstyrka som uppnås med nya material och wafertillverkningsprocesser samt tillkomsten av blå och vita lysdioder för RGB (Full Color) och allmänna belysningstillämpningar. När nivån av sofistikering för att använda lysdioder ökar, ökar också behovet av noggranna mätningar av lysdiodernas optiska egenskaper. Jag har varit i optoelektronikbranschen i nästan 25 år nu och den överlägset vanligaste typen av fråga jag alltid får är relaterad till mätning av en LED. (Vad är ett lumen? Hur konverterar jag från lumen till candela? Hur mäter jag ljusstyrkan exakt? Varför är mitt mått inte detsamma som ditt?) Jag hoppas kunna ta upp dessa och många liknande problem i den efterföljande artikeln. Detaljerna för optisk mätning i denna skivstaussion kommer att delas upp i fyra separata men relaterade ämnen. Dessa är: fotometriska storheter, radiometriska kvantiteter, våglängds- eller kromaticitetsstorheter och slutligen vinkel- eller goniometriska storheter. Även om en hel bok lätt kan skrivas om ovanståendes enheter, standarder och testmetodik, ska jag försöka sammanfatta de mer vanliga och grundläggande intresseområdena.
Fotometri
Fotometri är helt enkelt mätningen av ljus i det synliga spektrumet (ungefär 380nm-770nm). Detta är ljus som ses av en genomsnittlig mänsklig observatör med blotta ögat. Det finns många olika typer av fotometriska enheter som nits (cd/m2), lux (lumen/m2), fotljus (lumen/ft2), stilb (cd/cm2) etc. Alla dessa är baserade på två grundläggande fotometriska standarder, LUMEN och CANDELA. Candela är enheten för ljusintensitet, som kan definieras som mängden ljusflöde (total ljusstyrka som avges från en källa och uttrycks som lumen) per enhet rymdvinkel i en given riktning. Lumen kan definieras som det ljusflöde som avges per enhet rymdvinkel från en enhetlig punktkälla vars ljusstyrka är 1 candela. (1 candela=1 lumen/steradian) Det är också viktigt att förstå definitionen av steradian, som är den rymda vinkeln (konen) i mitten av en sfär med radien "r" som täcker ett område "r2" på ytan av sfären. (Se figur 1) Ytan på en sfär är 4π r2; därför har en sfär 4π steradianer. De flesta standard-lysdioder som levereras idag mäts i candela, men på grund av den ökande efterfrågan på lysdioder som ersättning för glödlampor på marknaden för allmän belysning används Lumen nu ofta som en måttenhet för ljuseffekt. En enkel metod för att konvertera från Candela till Lumens visas i figur 2 (nedan). Steg 1.) Få den solida vinkeln för lysdioden w=π * (θ1/2)2 w=π(25)2, förutsatt att LED-halvvinkeln är 25° w=π(.43633)2, omvandla grader till radianer .598 Steg 2.) Beräkna lumen f=Iv * wf=2,00 * ,598, förutsatt att LED-ljusstyrkan är 2000mcd f=1,196 lumen Även om empiriska beräkningar är möjliga för att konvertera många olika typer av fotometriska enheter, kan det faktiska uppmätta värdet skilja sig från det beräknade värdet på grund av variation i lysdiodens rumsliga strålningsegenskaper. I de flesta fall är den empiriska beräkningen tillräckligt korrekt. Ytterligare fotometriska omvandlingar visas i figur 3. Även om det finns otaliga andra omvandlingar som är möjliga, till exempel candela till nit eller lambert till candela, finns det ingen enkel direkt multiplikationsfaktor som kan användas. Information som källans och/eller detektorns område eller mätavstånd och vinkelegenskaper kan krävas. Den fotometriska mätningen av lysdioder kan vara mer av en konst än en exakt vetenskap. Det finns olika geometriska, elektriska och monteringsproblem som i hög grad kan påverka de optiska egenskaperna hos lysdioder. Eftersom inga två lysdioder är exakt likadana finns det steg som avsevärt förbättrar noggrannheten i din mätning. Dessa inkluderar men är inte begränsade till:
Att känna till lysdiodernas ljusemissions optiska centrum vs. mekaniskt centrum. När du placerar lysdioder i en typisk testarmatur placeras den vanligtvis på ett sådant sätt att det antas att ljuset kommer från enhetens mekaniska centrum. Detta är ofta inte fallet. (Se figur 4) Det optiska centrumet avviker ofta 5° eller mer från det mekaniska LED-centrumet. Även om detta kanske inte utgör några större problem när man mäter enheter med en bred betraktningsvinkel som t.ex. 40° eller större, kan skillnaderna i avläsningar vara avsevärda för enheter med smal vinkel. (Det bör noteras att CIE (Commission Internationale de l'Eclairage) rekommendation är att använda den mekaniska axeln för lysdioden snarare än den optiska axeln som mätreferens)
Mätning av uteffekten vid ett visst tidsintervall eller när den är stabiliserad. När lysdioden först tänds ökar temperaturen i korsningen på grund av den elektriska ström som förbrukas. (Kopplingstemperaturen för lysdioden bestäms av Tj=Ta+(Vf*If)*Rth(ja)) Det kan ta flera sekunder eller flera minuter innan ljusuttaget har nått termisk jämvikt och ett stabiliserat värde. En minskning av produktionen med 5-20 % eller mer är inte ovanligt. Detta är inte permanent nedbrytning och kommer att återhämta sig vid strömavbrott. Det är ofta inte praktiskt att vänta längre perioder när många lysdioder kräver testning, därför upprättas ofta ett inställt tidsintervall som 5 sekunder även om utsignalen kanske inte är stabiliserad.
Se till att den omgivande temperaturen är konsekvent under testningen. Lysdioder ändras vanligtvis i ljusstyrka och färg med temperaturen. När temperaturen stiger minskar uteffekten och färgen skiftar mot den högre änden av spektrumet. Detta kommer att utvecklas i diskussionen om kolorimetri.
Använd alltid en konstant strömkälla. Framspänningen (Vf) för en lysdiod kan fluktuera från enhet till enhet, därför, om en vanlig strömkälla eller spänningskälla används, kanske varje lysdiod inte får samma ström.
Använd en lätt reproducerbar testinställning. Utarbetade inställningar kan vara bra för mätningar av laboratorietyp, men när många lysdioder kräver testning, var och en med olika paketstilar, betraktningsvinklar, färger etc., ett system som snabbt kan modifieras samtidigt som det säkerställer identisk inriktning av den mekaniska axeln och garanterar detektorn ser alltid samma sektion av utsläppskonen krävs.
Se till att all utrustning är korrekt underhållen och kalibrerad
Radiometri
Radiometri avser total strålning eller mätning av allt ljus oavsett om det är i det synliga, infraröda eller ultravioletta spektrumet. Den grundläggande enheten för radiometrisk optisk effekt (Radiant Power) är watt (W). Watten är en absolut enhet eftersom den är oberoende av våglängden. En watt infrarött ljus innehåller lika mycket effekt som en watt synligt ljus. Andra radiometriska termer som vanligtvis mäts är strålningsintensitet (Watt/Steradian), Irradians (W/m2) och Radians (W/m2 sr). Den primära metoden för att mäta total strålningseffekt/ljusflöde är att använda en integrerande sfär. (Se figur 5) Den integrerande sfären mäter ljus som sänds ut från lysdioden i alla riktningar. Generellt är dessa mätningar oberoende av betraktningsvinkeln och inte föremål för vinkelmätningsfel som ses vid fotometrisk testning, men fel är fortfarande möjliga. Sfärdiametrar på cirka 3 och 6 tum används ofta. Om noggrannheten är kritisk är de större diametertyperna att föredra på grund av det gynnsamma förhållandet mellan sfärytan och storleken på lysdioden och portarna, men detta resulterar också i en förlust av intensitet. En stor källa till mätfel har varit var man ska placera lysdioden inuti den integrerande sfären. Den senaste specifikationen som antagits av CIE, publikation 127, säger att hela paketet med lysdioden ska vara inuti sfären som kallas en 2 ljusflödesmätning. Samma försiktighetsåtgärder som används för fotometrisk mätning av lysdioder bör också följas vid radiometriska mätningar. Precis som med fotometriska omvandlingar finns det en myriad av radiometriska omvandlingar som är möjliga givet lämplig information. Radiometriska värden krävs normalt för applikationer som används i samband med en fotodetektor såsom fiberoptik, skanning eller avkänning.
Kolorimetri
Den vetenskapliga mätningen och kvantifieringen av LED-färg kallas kolorimetri. Dess enheter ges vanligtvis som kromaticitetskoordinater eller i våglängd. Färguppfattningen är mycket komplicerad eftersom den inte bara beror på ljusets olika fysiska egenskaper utan också på saker som omgivande föremål, apparatens mekaniska egenskaper, betraktarens ögonrespons såväl som deras psykologiska tillstånd. CIE har fastställt standarder för mätning av synligt ljus när det gäller "standardsvaret för mänskliga ögat." Denna så kallade standard observatörskurva etablerades första gången 1931 (se figur 6a). Från denna kurva erhålls tristimulusvärdena för att exakt definiera en färg. X, Y, Z tristimulus systemet är baserat på antagandet att varje färg är en kombination av tre primära färger; röd, grön och blå. 1931 CIE-kromaticitetsdiagrammet (se figur 6b) härleds från tristimulusvärdena av följande: x=X/(X+Y+Z) eller x=Röd/(Röd {{6} } Grön + Blå) y=Y/(X+Y+Z) eller y=Grön/(Röd + Grön + Blå) Sedan ( x + y + z) =1, tredje axeln, z=1 – (x + y)
Kromaticitetskoordinaterna anges normalt endast av x- och y-axeln. I allmänhet listar de flesta specifikationer som tillhandahålls av LED-tillverkare inte kromaticitetskoordinaterna, utan snarare toppen och dominerande våglängd (såvida inte lysdioden är vit). Den dominerande våglängden, specificerad i nanometer, erhålls från färgkoordinaterna som diskuterats ovan. Det är i huvudsak färgen som faktiskt uppfattas av det mänskliga ögat. Toppvåglängden är våglängden vid den maximala spektrala intensiteten. Toppvärdet är lätt att få fram och är därför det vanligaste värdet som anges av LED-tillverkare, men det har liten praktisk betydelse för applikationer som ses med det mänskliga ögat eftersom två lysdioder kan ha samma toppvåglängd men kan uppfattas som olika färger. För närvarande är den mest exakta metoden för att mäta färg att använda en spektroradiometer. Denna enhet utför en fullständig spektral effektfördelning av källan som mäts från vilken alla fotometriska, radiometriska och kolorimetriska parametrar kan beräknas matematiskt. Utrustningens våglängdsnoggrannhet bör vara bättre än 0,5 nm med 0,1 nm att föredra. Som tidigare nämnts finns det flera faktorer som kan påverka det erhållna värdet. En av dessa är temperatur. När omgivningstemperaturen stiger, ökar även LED-våglängden. Denna ökning kommer vanligtvis att vara från 0,1nm/°C-0,2nm/°C beroende på vilken typ av lysdiod som används.
Goniometrisk / vinkelkarakterisering
Det sista ämnet för diskussion är goniometrisk eller vinkelkarakterisering. En goniometer är en enhet som mäter den rumsliga fördelningen eller strålningsmönstret för en lysdiod (se figur 8). Detta kan åstadkommas genom att antingen flytta detektorn runt lysdioden eller genom att luta lysdioden medan detektorn förblir stationär. I båda fallen görs flera utmatningsmätningar för varje vinkel när en rotation från 0°-180° utförs. Efter färdigställandet erhålls en profil av den utstrålade strålen i ett plan. Det antas ofta att eftersom de flesta lysdioder är runda är strålningsmönstret symmetriskt. Detta verkar till och med indikeras av de grafiska representationerna av betraktningsvinkeln som tillhandahålls av många LED-tillverkare. Så är ofta inte fallet. Som tidigare nämnts kan de geometriska och monteringsvariationer som uppstår under tillverkningen av lysdioder i hög grad påverka dess optiska egenskaper. Det kan vara nödvändigt att utföra en extra skanning och spela in flera synplan. Dessutom har vissa specialformade lysdioder, såsom den ovala eller elliptiska typen, i huvudsak två strålningsmönster (t.ex. 30° x 70°), därför är både en 0° och 90° skanning av enheten nödvändig. Om en goniometer inte är lättillgänglig är det möjligt att erhålla ett råstrålningsmönster genom att använda en fotodetektor och manuellt rotera LED- eller detektorn, registrera utgångsnivåerna och plotta datapunkterna, men detta kan vara mycket tråkigt och tidskrävande . Det bör framgå av det som diskuterats att mätningen av ljus kan vara mycket inexakt jämfört med andra mer specifika elektriska egenskaper som spänning, ström eller resistans. Det finns många faktorer som färg, enhetsgeometri, inriktning av lysdioden i en testfixtur, temperatur etc. som kan inducera mätfel. Det klassas ofta som mer av en konst än en vetenskap. Även om en mätnoggrannhet på ±5 % fortfarande anses vara standard och allmänt acceptabel i branschen, med noggrann uppmärksamhet, är noggrannheter bättre än ±2,5 % möjliga.
