Радиометрические (энергетические) характеристики светодиодов

Радиометрия занимается измерениями полного светового излучения во всех (видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом) оптических диапазонах. Основная единица радиометрической оптической мощности — ватт (Вт). Ватт — абсолютная величина, не зависящая от длины волны. Один ватт инфракрасного света несёт такую же мощность, как один ватт видимого света. Другие измеряемые радиометрические величины — энергетическая сила излучения (Вт/ср), энергетическая освещённость (Вт/м²) и энергетическая яркость (Вт/ср×м²). Основной метод измерения полной оптической мощности основан на использовании сферического интегратора (см. рис. 3).

Рис. 3 — сферический интегратор

Сферический интегратор измеряет свет, испускаемый светодиодом во всех направлениях. По большому счету, эти измерения не зависят от угла свечения и не подвержены угловым погрешностям, характерным для фотометрического тестирования. Наиболее широкое применение получили сферы диаметром от 75 до 150 мм. Если критична точность измерений, то предпочтителен больший диаметр, так как немаловажным является соотношение площади сферы к размеру светодиода. Однако при измерениях светодиодов с различным пространственным распределением силы света ошибки неизбежны. Главным фактором, вносящим ошибку в измерения, является местоположение светодиода в сфере. Последняя спецификация, принятая CIE, предполагает, что корпус светодиода должен полностью находиться в сфере — это так называемое «2π» измерение светового потока.
В ходе радиометрических измерений светодиодов должны соблюдаться те же самые предосторожности, что и при фотометрии.

Колориметрические (спектральные) характеристики светодиодов

Колориметрия — научное измерение и определение цветовых характеристик светодиодов. Колориметрические параметры светодиодов обычно выражены в координатах цветности или в длинах волн. Цветовое восприятие человека весьма сложно, поскольку оно зависит не только от различных физических свойств света, но также и от окружающих объектов, механических свойств излучателя, физиологического отклика глаза наблюдателя и его психологического состояния. В 1931 году Международной комиссией по освещению (CIE) были измерены реакции на цвет нескольких тысяч людей и введено понятие «стандартного наблюдателя». Реакцию такого абстрактного наблюдателя на цвета различного спектра описали через tristimulus — три кривые, названные X, Y и Z (см. рис. 4).
Система tristimulus базируется на условии, что каждый цвет — это комбинация трёх первичных цветов: красного, зелёного и синего. Диаграмма цветности CIE (см. рис. 5) получена из значений tristimulus следующим образом:
X = X / (X+Y+Z) или X = Красный / (Красный + Зелёный + Синий)
Y = Y / (X+Y+Z) или Y = Зелёный / (Красный + Зелёный + Синий)
Поскольку, (X + Y + Z) = 1, третья ось Z = 1 — (X + Y)

Рис. 4 — ординаты кривых сложения (CIE spectral tristimulus values)

Рис. 5 — диаграмма цветности CIE (1931г)

Обычно координаты цветности определяются только осями X и Y. Но если светодиод не имеет «белого» свечения, большинство спецификаций, предоставляемых изготовителями, содержат не координаты цветности, а скорее пиковую и доминирующую длины волн. Доминирующая длина волны используется для обозначения цвета в координатах CIE и измеряется в нанометрах (нм). Это, по существу, цвет, фактически воспринимаемый человеческим глазом. Пиковая длина волны — это длина волны максимальной спектральной интенсивности. Пиковое значение легко определить, и поэтому оно является наиболее частым параметром, указываемым изготовителями светодиодов. Однако пиковая длина волны имеет меньшее практическое значения для применений в области спектра, воспринимаемой человеческим зрением: два светодиода могут иметь одинаковую пиковую длину волны, но будут оценены человеком как имеющие различные цвета.
В настоящее время самый точный метод измерения цвета — с использованием спектрорадиометра. Данное устройство регистрирует и измеряет спектральное распределение мощности источника света, после чего могут быть математически вычислены все фотометрические, радиометрические и колориметрические параметры. Точность определения оборудованием длины волны должна быть не хуже, чем 0,5 нм (желательно 0,1 нм).
Как мы уже говорили, существуют различные факторы, влияющие на полученный результат. Одним из них является температура. С повышением температуры окружающей среды увеличивается и температура активной области светодиода, соответственно увеличивается длина волны излучения светодиода. Это увеличение обычно имеет значение в пределах 0,1-0,2 нм/ºC в зависимости от типа используемого кристалла. Некоторые светодиоды, например, красного свечения, могут демонстрировать и отрицательную температурную зависимость длины волны.

Гониометрические (угловые) характеристики светодиодов

Гониометрия занимается измерением угловых характеристик светодиодов. Гониометр — устройство, измеряющее пространственное распределение силы света светодиода (см. рис. 6). Суть этого метода основана на пошаговой фиксации значений силы света светодиода при его повороте на известный угол, что может быть реализовано перемещением датчика вокруг светодиода или наклонами светодиода относительно неподвижного датчика. Несколько измерений выхода света делаются для каждого угла, при выполнении вращения от 0º до 180º. В результате мы получаем профиль излучения в одной плоскости. Так как большинство светодиодов имеет круглую форму линзы, то чаще всего диаграмма направленности излучения (индикатриса) является симметричной.

Рис. 6 — диаграмма пространственного
распределения силы света

Многие производители светодиодов предоставляют именно такую диаграмму в качестве графического представления угла свечения светодиода. Но, как мы уже говорили, отклонения в геометрии и погрешности, внесённые в ходе производства светодиодов, могут существенно затронуть их оптические свойства. По-хорошему, необходимо выполнить дополнительные сканирования и сделать измерения в различных плоскостях. Кроме того, некоторые светодиоды специфических форм (овальных или эллиптических) имеют две диаграммы направленности (30º x 70º, например), поэтому необходимо как 0º, так и 90º сканирование. Если гониометр недоступен, то получить грубую диаграмму направленности возможно с использованием фотодатчика, вручную вращая светодиод или датчик, и регистрируя уровень выхода с фиксацией точки данных. Однако такой метод может быть весьма утомительным и отнимающим много времени.

Эксплуатационные характеристики светодиодов или тест на деградацию

Заключительная тема для обсуждения — основная качественная характеристика светодиодов, а именно срок их службы. Эксплуатация — это серьезно, ведь лампы перегорают… Кроме того, световой поток лампы уменьшается в процессе работы. Срок службы — важнейший эксплуатационный параметр источников света — отражает оба этих неприятных факта: различают полный (пока прибор не перегорит) и полезный (пока световой поток не упадет ниже определённого предела) срок службы. Проектируя световое решение, нельзя забывать о дальнейшей эксплуатации осветительной установки, в частности, о замене ламп. Частая замена ламп в труднодоступных местах может превратить эксплуатацию в кошмар. Ещё более худший вариант — длительная работа установки с перегоревшими лампами, разрушающими световой образ, что очень актуально для установок наружного архитектурного освещения. Современные источники света сильно отличаются по сроку службы. Если верить сообщениям СМИ, абсолютным лидером здесь являются светодиоды: лампу накаливания пришлось бы поменять более 100 раз, а светодиоды горят и горят…
Но на самом деле это не соответствует действительности. Подавляющее большинство поставляемых сегодня промышленностью светодиодов деградирует в течение нескольких месяцев (подробнее в нашей статье о деградации светодиодов). Чтобы протестировать светодиоды на скорость деградации, необходимо следовать определённым критериям:
— поддержание стабильности режимов работы светодиодов. Прежде всего, это стабилизация тока питания, постоянство значения которого должно иметь место на протяжении всего срока тестирования;
— соблюдение температурного режима. В течение всего срока тестирования температура субстрата в местах установки светодиодов должна быть постоянной, и не превышать максимальную температуру, заявленную производителем или вычисленную исходя из тепловых свойств светодиодов;
— соблюдение всех необходимых предосторожностей при проведении измерений.

Из всего вышесказанного становится очевидно, что измерение света может быть очень неточным по сравнению с измерением более определённых электрических параметров (напряжение, ток, сопротивление). Существует множество факторов, таких как цвет, геометрия прибора, точность выравнивания светодиода в креплении измерительной установки, температура и т.д., которые могут привести к ошибке в измерениях. Подобные измерения всё ещё больше относятся к искусству, нежели к науке. Точность измерений ±5% в настоящее время считают стандартной и широко применимой в промышленности, но при соблюдении осторожности и должного внимания вполне реально получить ±2,5%.