автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Разработка и исследование приборов для измерения оптических параметров и характеристик светодиодов

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

На правах рукописи УДК 681.786.4

Круглов Олег Владимирович

Разработка и исследование приборов для измерения оптических параметров и характеристик* светодиодов.

Специальность: 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

4847498

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

2 6 МАЙ 2011

Санкт - Петербург 2011

4847498

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики.

Научный руководитель:

доктор технических наук,

профессор Ишанин Геннадий Григорьевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Путилин Эдуард Степанович

кандидат технических наук, доцент Белобородое Виталий Владимирович

Ведущая организация:

ЗАО «Светлана-Оптоэлектроника»

Защита диссертации состоится «31»мая 2011 года в 17 час на заседании диссертационного совета при Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: г. Санкт-Петербург, пер. Гривцова, д. 14, аул. 313.а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики.

Ваши отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах), заверенные печатью, просим направлять на адрес университета: 197101: г. Санкт-Петербург Кронвекский пр.49 секретарю диссертационного совета Д 212.227.01

Автореферат разослан « 30 » апреля 2011 г.

Учёный секретарь {, Д <

диссертационного совета !! ¡},, Л

Д 212.227.01 к.т.н., доцент I Красавцев В.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Повышенное внимание мирового сообщества к проблеме энергосохранения использования электрической энергии не обошло стороной и нашу страну. В период 2009-2013гг. ведущие страны (Австралия, Великобритания, Евросоюз, Россия США) полностью откажутсч от ламп накаливания. Правительством РФ рассматривается также возможность запрета с 2015 года компактных люминесцентных ламп.

Наиболее перспективными энергосберегающими источниками являются светоизлучающие диоды (СИД), которые обладают рядом преимуществ:

« «экологичность» (отсутствие ртути)

• большой срок эксплуатации

• эффективная и Еысокая световая отдача

• компактность и удобство монтажа

• широкий выбор оттенков

• низкий нагрев

• электрическая безопасность

• хорошая совместимость с сенсорными микропроцессорными системами управления

Обладая высокими техническими характеристиками, светодиодные светильники создают эффективное освещение.

По утверждению специалистов [1], в нашей стране производство светодиодного освещения во много раз более развито, чем в других странах. Так доля светодиодного освещения в России в 2008 году составила 3,5% от общего объема рынка осветительной продукции, при среднегодовых темпах роста в 14%, что даже выше среднемировых показателей. Сейчас уже более 200 предприятий в нашей стране конкурируют на рынке светодиодной продукции.

В свою очередь для измерения основных параметров этих перспективных энергосберегающих источников оптического излучения требуются, доступные, надежные, серийно производимые измерительные приборы на уровне рабочих и эталонных средств измерений, с соответствующим метрологическим и методическим обеспечением, и этот спрос будет только расти.

Цель работы.

Целью работы является исследование и разработка методов и приборов для измерения полного светового потока, координат цветности, коррелированной темпера1уры к пространственных характеристик излучения светодиодов.

Задачи исследования

Для достижения поставленной цели необходимо:

1. Осуществить критический анализ существующих методов измерения параметров и характеристик СИД и оценить метрологические характеристики, серийно выпускаемых приборов

2. Выбрать алгоритм работы и схему построения современных оптико-электронных приборов для измерения оптических параметров и характеристик светодиодов

3. Провести теоретические и экспериментальные исследования, обеспечивающие решение поставленных задач.

Методы исследований.

Работа выполнена на основе теории оптических и оптико-электронных приборов и систем. При выполнении диссертационной работы использовались методы интегрального исчисления, математической статистики, компьютерные методы расчёта и моделирования. Эксперименты выполнялись с помощью интегральной и спектральной оптико-электронной аппаратуры в лабораторных условиях, а результаты обрабатывались посредством компьютерной техники.

Научная новизна работы.

1. Разработана программа для расчёта систематической погрешности связанной с переходом от источника типа А (калибровка фотометрическойголовки) к спектру излучения светодиодаи расчёта поправочного коэффициента для учёта этой погрешности.

2. Проведены исследования и разработан прибор на основе интегрирующей сферы со спектральным ФГ1У для экспресс измерения полного светового потока и координат цветности СИД.

3. Посредством компьютерного моделирования проведена оптимизация параметров гониометрического комплекса для измерения характеристик СИД.

4. Предложена новая схема построения приборов для измерения пространственных параметров СИД «за одно измерение».

Основные результаты, выносимые па защиту.

1. Принцип построения микропроцессорного прибора для экспресс измерения полного светового потока и цветовых характеристик светодиодов, основанный на сочетании интегрирующей сферы с «интегральным» или спектральным фотоприёмным устройством.

2. Обобщённая структура гониометрического стенда и принципы построения полуавтоматического комплекса с оптимизированными параметрами для измерения индикатрис излучения СИД.

3. Программа для расчёта систематической погрешности связанной с переходом от источника типа А (калибровка фотометрической головки) к спектру излучения светодиода.

4. Альтернативные методы и способы построения приборов для измерения индикатрис из лучения светодиодов в пространстве за одно измерение, с помощью волоконной оптики.

5. Методики исследования метрологических характеристик разработанных приборов, и использованных в них приемников оптического излучения.

Практические результаты работы.

Основными практическими результатами можно считать следующие:

1. Исследованы и разработаны: приборы с «интегральным» и спектральным ФПУ для экспресс измерения полного светового потока и цветовых характеристик СИД, которые можно использовать в качестве рабочих средств измерений.

2. Разработаны алгоритм и программа для расчёта систематической погрешности связанной с переходом от источника типа А (калибровка фотометрической головки) к спектру излучения светодиода и вычисления поправочного коэффициента для учёта этой погрешности.

3. Проведены исследования метрологических характеристик целого класса приемников и источников оптического излучения.

4. Предложены несколько схем для создания прибора (по новой методике), которая позволяет измерять пространственные характеристики СИД за одно измерение. По одной из схем изготовлен макет ФПУ и проведены экспериментальные исследования.

Разработанные приборы в настоящее время востребованы фирмами, выпускающими СИД в России, а в перспективе могут стать рабочими средствами измерения оптического излучения СИД в СНГ и за рубежом.

Реализация результатов работы.

Результаты работы подтверждены актом внедрения теоретических и экспериментальных исследований по тематике диссертации на научно-производственном предприятии ООО «НТП ТКА» (Санкт-Петербург), а также тремя актами использования результатов диссертации предприятиями и университетами.

Личный вклад автора

Автором осуществлен критический анализ выпускаемых в России и за рубежом приборов для измерения параметров и характеристик СИД. Проведён ряд экспериментальных исследований на основе которых разработаны «интегральный» и спектральный приборы для измерения полного светового потока СИД. Создана модель полуавтоматического гониометрического комплекса. Разработана программа для расчёта систематической погрешности связанной с переходом от источника типа А (калибровка фотомегрической головки) к спектру излучения светодиода и выдачи поправочного коэффициента для учёта этой

5

погрешности. Разработана, теоретически обоснована и экспериментально подтверждена перспективная схема прибора для измерения пространственных характеристик СИД за одно измерение на основе световолоконной, плосковогнутой линзы.

Апробация работы.

Основные результаты работы и научные положения, выносимые на защиту, докладывались и обсуждались на 6 конференциях одна из которых международная.

Публикации.

Основные результаты проведённых исследований опубликованы в 11 печатных работах, из них: 3 статьи, опубликованы в журналах, входящих в «Перечень ВАК РФ» 1 в «Перечень ВАК Украины».

Структура и объём работы.

Диссертация состоит изведения и 4 глав, заключения, библиографического списка и двух приложений. Основная часть работы изложена на 138 страницах машинописного текста, содержит 65 рисунков, 16 таблиц и 40 наименований библиографического списка.

Краткое содержание.

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, отражены основные цели и задачи исследования, определяются объекты исследования, отмечена научная новизна работы.

В первой главе произведён аналитический обзор параметров и характеристик СИД и их сравнение с наиболее распространенными источниками освещения. Выявлены основные характеристики СИД, необходимые инженерам и разработчикам дня успешного решения поставленных задач:

• фотометрические (световые) характеристики;

• гониометрические (угловые) характеристики;

Основным параметром при выборе энергосберегающих источников является эффективность, определяемая отношением излучаемого полного светового потока к потребляемой мощности.

Рассмотрены основные производственные факторы, которые могут существенно влиять на оптические свойства светодиодов.

Проведён анализ существующих, гониометрических методик измерения индикатрис излучения и методов измерения полного светового потока СИД.

В качестве примеров рассмотрены комплексы: OL 700-30 фирмы Optronic Laboratories, GO-H 1300 фирмы Optronic Laboratories, 940-LED компании Gamma Scientific, LEDGON. Приведены их сравнительные характеристики.

Отмечена их высокая информативность, которая позволяет измерять и рассчитывать практически все параметры и характеристики СИД, интересующие разработчиков. Это сделало её наиболее выгодной при создании комплексов для контроля оптических параметров и характеристик СИД.

Рассмотрены два варианта решения проблемы оснащения предприятий приборами для контроля параметров и характеристик СИД:

1. Наиболее простое и быстрое решение, это создание приборов путём модернизации, (учитывающей особенности СИД), уже имеющихся методик и приборов для измерения параметров и характеристик классических источников излучения. Создание аналогов с оптимизированными характеристиками, учитывающими опыт иностранных коллег и требования наших производителей СИД.

2. Более сложное и трудоёмкое решение, но наиболее перспективное это разработка приборов на новых принципах и методиках измерений.

Подчеркнуто, что метод «интегрирующей сферы» является наиболее подходящим для применения в производственных условиях, учитывая, такие особенности СИД, как малый размер, незначительный нагрев, угол излучения до 170°, для реализации рабочего средства измерения светового потока. Он является наиболее простым, достаточно точным и позволяет проводить измерения светового потока источника с произвольным распределением излучения в окружающем пространстве на порядки быстрее, чем гониометрический метод.

На основе проведённого анализа сформулированы основные задачи для исследований, целью которых является разработка приборов для измерения основных параметров и характеристик СИД.

Во второй главе для решения задачи построения приборов, для экспресс измерений полного светового потока, предлагается использовать «интегрирующею сферу», в сочетании с «интегральным» (один приёмник со спектральной чувствительностью приведенной к чувствительности человеческого глаза) или спектральным ФПУ устройством рисунок 1.

ФПУ

Блок обр аботки

ФПУ интегрального типа

1- фотомегрнческиП шар для выравнивания (перемешивают) пространственного спектра »плучеиптя СИД., 2 - коррнптрующее устройство. З-приёмннк оптического излучения

1 - фотометрическим шар для (зыравнишшня (перемешивания) пространственного систра излучения СИД.,

2 - диспсрпц>ую1цее устройство 3-1 пор годная диодная лмнооса

Рисунок 1.Структурная схема приборов (А) и схемы ФПУ (Б)

В рамках работы при разработке упрощенного варианта «интегрального» прибора для определения полного светового потока по методу «интегрирующей сферы» были рассмотрены фотоприемники на основе внутреннего фотоэффекта для регистрации оптического излучения-фотодиоды. Фотодиоды привлекательны своей ценой, небольшими размерами и механической прочностью.

Проведённый анализ характеристик фотодиодов, показал, что отечественные фотоприемники по своим характеристикам достаточно близки к зарубежным аналогам, но существенно дешевле и доступнее. В связи с этим для дополнительного исследования метрологических характеристик были выбраны серийно выпускаемые фотодиоды ФД - 263, ФД -288, КДФ-11 ЗА 1, КДФ(бхб). Была измерена относительная спектральная характеристика чувствительности отобранных фотоприемников S х от„ (?0 и её разброс, в партии серийно выпускаемых фотодиодов, (примерно 5000 шт)

Анализ проведенных измерений показал, что наибольший разброс спектральных характеристик в области от 400 до 1000 ни наблюдается у кремниевых фотодиодов ФД-263. На длине волны 550 нм разброс достигает 100%, а на 400 нм 300%. Наименьшим разбросом (не более 20%) обладают специально разработанные кремниевые фотодиоды КДФ-113А1 рисунок 2.

Во второй главе также рассматриваются теоретические и практические вопросы, спектральной коррекции чувствительности фотоприемника 8ф(А.) к относительной спектральной световой эффективность излучения У(а) светофильтрами. Производиться расчет и исследование корректирующих элементов и систем оптического тракта прибора вносящих свой вклад.

Общий коэффициент пропускания исправляющего светофильтра рассчитывается по формуле:

т(А) = П^ '

¡-номера цветных стекол, составляющих светофильтр,

к,(л.)-показатель поглощения цветных стекол с индексом, соответствующим номеру цветного стекла, ^-толщина соответствующих цветных стекол.

Для оценки погрешности использовалась методика, предложенная МКО публикации №53 и № 69). Расчет погрешности коррекции спектральной чувствительности фотоприемника (фотометрической головки) основан на отличии реакции идеального фотоприемника (табулированное значение спектральной чувствительности которого известно) от реального фотоприемника на излучение, относительное спектральное распределение которого отличается от того, при котором была произведена градуировка.

Js, (Л) ■ (À)dÀ • JS (А) • tp' (Л)М

jS3(Л)-р: (Л)с/Л* fs (Л)-<рА{ЛЩ

к100% (2)

Где: 8(А,)-относительная спектральная чувствительность исследуемого фотоприёмника,

5э(Л)-относительная спектральная чувствительность эталонного фотоприемника.

А

v (^-относительное распределение спектральной плотности потока источника, на котором производится градуировка, источник типа "А".

(а'(л)-относительное распределение спектральной плотности потока табулированных источников.

Для обработки результатов была разработана программа рисунок 3, в приложении Microsoft Excel (операционная оболочка Windows). Программа позволяет, вводя толщины, используемых для коррекции цветных стекол и измеренные токи фотоприемника при определении его спектральной чувствительности получить полную информацию о погрешности коррекции спектральной чувствительности фотоприемного устройства.

Проведены исследования цветных плёнок фирм Oracal и LEE Filters на возможность замены ими, цветных стекал не выпускаемых промышленностью марок для коррекции спектральной чувствительности.

Изучено влияние на спектральную чувствительность прибора, спектрального коэффициента отражения стенок интегрирующего шара, шгаяние которого было внесено в разработанную программу, что позволило получить погрешность спектральной коррекции S(X) к \ЦХ) не превышающую 3% рисунок 4.

на фонекривой видности глаза У(Х.)

ФПУ спектрального типа.

Для минимизации размеров спектрального ФПУ, как и прибора в целом, в его основу был заложен полихроматор. В качестве диспергирующего элемента по-лихроматора была выбрана вогнутая дифракционная решётка в связи с её большим удобством, и более низкой стоимостью

По результатам исследований обоснованы требована* к диспергирующему устройству. Расчеты показали, что хорошие результаты измерений коорди-

го

наты цветности, возможно, получить даже при шаге интегрирования, равном 20 им, рисунок 5. При этом вычисленные координаты цветности отличались друг от друга на величину, не превышающую значения 0,004, что вполне соответствует требованиям ГОСТа 8.205

3 0,002

шаг интегрирования (нм}

! @СИД№54 ! ¡а СИД№45

Ш СИД№53 ае СИД№55

а СИД№47 □ ист А

Рисунок 5. Погрешность определения координат цветности тепловых источников и выбранных светодиодов в зависимости от шага интегрирования.

Распределение спектральной плотности потока излучения можно изображать в виде столбиков для каждого участка спектра шириной ДА. и высотой, равной среднему значению потока излучения на этом участке спектра. Спектральная плотность потока излучения будет определяться выражением:

Л г ЛФ,/ , дФ/

Искомый эффективный световой поток можно получить, интегрируя функцию спектральной плотности распределения потока излучения Фе,/А) в заданном спектральном диапазоне.

780

= • \УЩФа(Щл (4)

380

Для расчета дифракционной решётки использовался алгоритм основанный на расчёте предложенном в ГОИ Пейсахсоном И.В. для расчёта вогнутых дифракционных решёток по схеме с плоским полем.

Рисунок 6 .Оптическая схема полихроматора на область Я = 380 + 780им. 1. -входная щель;2- дифракционная решётка; 3- гибридная диодная линейка.

По результатам расчётов и анализа проведённых исследований была создана экспериментальная пара приборов (в настоящее время внедренная в производство и выпускаемая для предприятий-производителей СИД) на основе метода «интегрирующей сферы». ФГ1У «интегрального» и ФПУ спектрального типа, которые использовались для отработки методики измерений и исследования метрологических характеристик СИД

Первый прибор, сочетает «интегрирующею сферу» с «интегральным» ФПУ. и имеет простую конструкцию, которая состоит из двух функциональных блоков: фотоприемного устройства и блока обработки сигнала, рисунок 7.

Рисунок 7. Внешний вид прибора и схема фотоприемного устройства.

Второй прибор сочетает «интегрирующею сферу» со спектральным ФПУ рисунок 8. Методика его работы основана на измерении спектрального состава оптического излучения с последующей математической обработкой результатов измерений.

Оптическая схема прибора, представляет собой полихроматоп на дифрак ционной решетке с регистрацией разложенного излучения фотодиодной гиб ридной линейкой.

Рисунок 8. Модель и внешний вид прибора со спектральным ФПУ

Знание спектрального распределения излучения источника дает возможность определить необходимые световые величины, координаты цветности, цветовую температуру, вывод данных осуществляется в графическом и табличном виде, как в блок обработки результатов, так и на компьютер. Данная модификация прибора имеет целый ряд преимуществ перед прибором с интегральным ФПУ. Основными из которых являются: высокая точность, в следствии корекции 8(1), цифровыми фильтрами, и информативность (графики и таблицы спектров, координаты цветности, цветовая температура).

Также во второй главе рассматривается проблема формального подхода к рекомендациям МКО за № 127,что при сканировании на гониометрических комплексах, может приводить к значительным погрешностям измерения параметров СИД.

Предложено совершать сканирование индикатрисы излучения с углом поворота допускающим перекрытие световых потоков соседних точек по площади равной площади не перекрываемой круглым ПОИ. Отмечается необходимость введения поправок в существующую рекомендацию МКО.

Рассматривается общая концепция автоматического гониометрического комплекса для измерения параметров и характеристик СИД в пространстве с учётом отмеченных особенностей

В третьей главе приведены результаты исследования метрологических характеристик, разработанных приборов, описаны методики калибровки, поверки и производиться расчёт ряда погрешностей оптического тракта.

Относительная погрешность, вызванная нелинейностью чувствительности прибора &„,%, определена по формуле:

в„ =(Г"*" ~ Г°)х100% (5)

го

ч

то-действителыюе значение коэффициента пропускания используемого фильтра.

г

""' ф,,'

Фvl- измеренный световой поток без ослабителя. Фу2 измеренный световой поток с ослабителем.

Проверка отклонения градуировки прибора от эталона осуществлена с помощью комплекса из группы эталонных фотометров и источника света ти-па((А)- светоизмерительной лампы с цветовой температурой 2856 К либо с помощью группы эталонных светоизмерительных ламп типа СИС.

Рассчитывали относительную погрешность отклонения градуировки

по формуле

хЮО (6)

где:

Ф*,- световой поток измеренный прибором

<1\ =

Vср

2Х (?)

_£=]_

з

N

где: = =

к„

Где Мо-показания образцового фотометра (8)

К0 - коэффициент преобразования образцового фотометра. Я-радиус входной диафрагмы прибора Еу освещенность в люксах Относительную спектральную чувствительность прибора № рассчитывали по формуле:

(л)--С-7

(9)

где:

^отн.(^) - относительную спектральную чувствительность прибора на длине волны X и определяют по формуле:

м-—— (Ю)

где:

(Л)-относительная спектральная чувствительность опорного приемника на длине волны Я.

/"' (л)-измеренное значение силы тока опорного приемника на длине волны Я на установке для измерения спектральной чувствительности фотоприёмноков оптического излучения в диапазоне 350-1100 нм.(ГОСТ 8.195-89). Г (Л) показания исследуемого прибора на длине волны X измеренные на той же установке.

Расчёт относительной погрешности измерения, вызванной отклонением относительной спектральной чувствительности от относительной спектральной световой эффективности для пяти источников излучения: натриевый (НЛВД), ртутный высокого давления (РПВД), трехполосный люминесцентный (ЛЛ), ме-таллогалоидный (МГЛ) с тремя добавками редкоземельными добавками, а так же для 5 типов светодиодов различного спектрального состава излучения осуществляется в разработанной программе блок-схема рисунок 3 по формуле 2.

Рисунок 9. Спектральная чувствительность приборов на фоне У(Ь) и спектральной плотности энергетической яркости красных и синих СИД

Из результатов исследований видно, что в связи с тем, что СИД обладают достаточно узким спектром, на краях спектральной кривой чувствительности приборов рисунок 8, погрешность измерения синих и красных СИД весьма значительна.

Этот недостаток будет присущ всем «интегральным» приборам, и накладывает необходимость введения поправочных коэффициентов

0.78 0.78

I <р? (Л) ■ Я, (Л)с/Л • \<р" (Л) • (ЛЩ

К =

0.78

0.38 15

Ф'1 -относительное распределение спектральной плотности потока излучения источника типа А;

(А) - относительная спектральная чувствительность эталонного прибора; (л) -относительная спектральная чувствительность прибора. (А)-относительное распределение спектральной плотности потока излучения светодиода;

Расчёт коэффициента осуществляется автоматически в программе для пяти СИД: (синий Хтах=460, белый ?чпах=460, зелёный ?^,м=570, оранжевый Хтаах=600, красный Ятах=640).

На основе анализа физических процессов работы фотодиода, установлены зависимости темнового тока и чувствительности от температуры. Рассматриваются достоинства и недостатки использования фотогальванического и фотодиодного режимов работы. Проведён анализ погрешностей электронного тракта приборов.

По результатам исследований метрологических характеристик собранной модели со спектральным ФПУ, произведена оценка погрешности рассеянного излучения, температурного смещения и дефокусировки спектральных линий на точность измерения параметров СИД спектральным ФПУ.

Для уменьшения потока рассеянного света перед входной щелью поли-хроматора предлагается установить светофильтр, пропускающий только исследуемую область спектра и «срезающий» ту область, которая в основном определяет рассеянный свет. В качестве такого фильтра была выбрана комбинация из двух фильтров: БС - 8 (2,0 мм) и СЗС 21 (1,5мм). Это снизило содержание рассеянного излучения до (2 - 3) %.

Оценка общей погрешности разрабатываемых приборов базировалась на требованиях поверочных схем ГОССТАНДАРТА и рекомендациях МКО.

Достигнутые значения составляющих и суммарных погрешностей приведены в таблице 1.

Приведенные результаты показывают, что существенный вклад в суммарную погрешность вносит оптическая часть, качество которой и определяет метрологические характеристики приборов. Особо стоит отметить погрешность спектральной коррекции интегральных ФПУ, которая может достигать для узкополосных СИД спектр которых находиться на фронтах спектральной кривой чувствительности прибора, 30 %. Расчёт поправочных коэффициентов в свою очередь требует дополнительных трудоёмких измерений, именно это обстоятельство позволяет предполагать, что дальнейшее развитие получат именно приборы со спектральным типом ФПУ

Таблица 1. Достигнутые значения составляющих и суммарных погрешностей

№ Наименование погрешности Условное обозначение (МКО) Достигнутое значение, %

«Интегр.» прибор Спектр, прибор

1 Погрешность спектральной коррекции ФПУ (с учётом поправочного коэффициента)./ погрешность вносимая рассеянным излучением. 5 3

2 Погрешность градуировки. 0 1-2 1-2

3 4~ Пог решность нелинейности световой характеристики ®я ; -2 1-2

Погрешность электронного тракта 2-3 2-3

5 Суммарная погрешность измерения ДФ 10 7

В таблице 2 и на графике на рисунка 10 представлены результаты измерений полного светового потока различных типов СИД разработанными приборами.

Таблица 2. Результаты измерений полного светового потока разработанными

приборами.

приОор № 63 {интегр ФПУ) прибор № 66 (интегр ФПУ) прибор № 75 (спектральное ФПУ)

СИД цвет МЛ1.1 млм млм

В1_-В00317М красный 60 58 60

АЛ 307 НМ зелёный 60 60 61

Б-001 белый 300 300 310

К4ПД 36Б1-К красный 12 11 12

1.-934 ОТ зелёный 210 200 215

1-934 МВС синий 29 28 нет сигналэ

АЛ 336 Б красный 42 39 43

В-003 синий 1,5 1,7 нет сигнале

1.-934 ее! красный 240 230 235

1.-314 зелёный 2 40 230 238

1.-151 ЗР!С-0 зелёный 110 105 99

1513 ЭРС-Е красный 130 120 135

6-052 зелёный 170 168 170

СР-002 жёлтый 110 100 108

Из приведённых исследований видно, что прибор для измерения полного светового потока СИД со спектральным ФПУ превосходит свой аналог с интегральным ФПУ по точности и информативности, но проигрывает на порядок по чувствительности. Из-за слабой чувствительности диодной линейки в коротковолновой части видимого диапазона.

В четвёртой главе предложены варианты схем комплексов для оперативного измерения пространственных световых характеристик СИД. за одно измерение.

Один из вариантов представляет собой полусферу из металла или пластика в которой зафиксированы, в определённых точках, соответствующие заданным углам, световоды рисунок11 (а), которые оптически сочлены с ПЗС матрицей или диодной линейкой. Возможен также вариант установки вместо световодов миниатюрных фотодиодов, опрос которых осуществлять в определённой последовательности рисунок) 1 (б).

Рассмотрен также вариант использования волоконной оптики для измерения пространственных характеристик источника оптического излучения рисунок! 1 (в). Волоконные световоды уже давно нашли широкое применение в системах оптической связи, медицине, вычислительной технике и т.п. Световоды с волокнами, диаметр которых существенно превышает длину волны, используют для передачи изображения без его преобразования или с преобразованием формы.

Так применение волоконной шайбы с радиусом кривизны 36,5 мм позволит в 49° поле снимать индикатрису излучения СИД с шагом 191. рисунок 12.

Рисунок 10. Результаты измерений полного светового потока

а

Рисунок 1 1

Альтернативные схемы создания приборов.

Рисунок 12. Схема применения волоконной шайбы.

Теоретически возможно привязать волокна шайбы, имеющие точные угловые координаты к сгруппированным ПЗС элементам матрицы камеры стоящей за ней. Это позволит получать пространственное распределение силы света СИД по матрице.

Рассматривается возможность создания гибридной схемы рисунок 13. В этой схеме в двух плоскостях устанавливаются корригированные диоды, а в центральной части сферы вклеивается плосковогнутая оптоволоконная шайба. Вогнутая сторона шайбы устанавливается по внутренней поверхности сферы . За шайбой устанавливаются корригирующие фон фильтры, и камера с ПЗС, рисунок 12. Подобная схема позволит измерять центральную часть диаграммы излучения СИД с достаточно малым шагом, диоды предназначены для контроля по периферии и наведения СИД

На этапе исследования возможности применения и создания таких схем в экспериментальной установке рисунок 14, исследовалась шайба с Кч,к=70 мм,

19

Ржил=0,5 мм, что позволяет сканировать центральную часть имеющею угловой размер в 1 б" с углом сканирования равным 28'.

Рисунок 14. Экспериментальная установка

Шаг санирования этих перспективных систем определяется размером оптоволоконных жил и радиусом кривизны используемой шайбы и позволяет в комплексе с ПЗС матрицей получать пространственное распределение силы света узконаправленных СИД в пространстве с шагом в несколько секунд, что необходимо при использовании СИД в прибора управления объектами по лучу.

Заключение

Основные результаты исследований, изложенные в работе:

1. Проведён критический анализ существующих методов и приборов для измерения оптических параметров и характеристик светодиодов. Рассмотрены основные факторы которые могут существенно влиять на погрешность измерения параметров и характеристик СИД.

2. Проведён ряд исследований источников (СИД), приемников (фотодиоды) и элементов, корректирующих спектральную чувствительность разрабатываемых приборов.

3. Разработана программа для расчёта систематической погрешности измерения приборами, связанная с переходом от источника типа «А» (калибровка фотометрической головки) к спектру излучения светодиода и методика расчёта поправочного коэффициента позволяющая устранить эту погрешность.

4. Разработаны, изготавливаются и реализуются фирмой ТКА приборы для экспресс измерения полного светового потока СИД на основе метода интегрирующей сферы с фильтровой коррекцией чувствительности под чувствительность человеческого глаза и со спектральным ФПУ.

5. Исследованы особенности и погрешности измерения индикатрис излучения СИД на гониометрических комплексах. Выработан ряд рекомендаций, и смоделирована схема полуавтоматического гониометрического комплекса повышенной точности.

6. Проведён расчёт погрешностей измерения полного светового потока СИД «интегральным» ФПУ. Выявлена значительная погрешность «интегральных» приборов из-за невозможности идеального приведения спектральной чувствительности прибора, за счёт коррекции фильтрами, к чувствительности человеческого глаза.

7. Разработаны принципы и схемы построения приборов нового поколения, для измерения индикатрис излучения светодиодов в пространстве за одно измерение. Одна из схем проверена экспериментально.

Основные результаты исследований отражены в следующих публикациях:

По перечню ВАК РФ:

1. Круглов О.В., Кузьмин В.Н, 1 омский К.А.. Измерение светового потока светодиодов.// Ж. Светотехника №3 2009г с.34-36

2. Антонов В.В., Круглов О.В.,. Кузьмин В.Н. Денситометры для измерения оптической плотности кинофотоматериалов. // Ж. Мир техники Кино № 15 2010 г. с.22-24

3. Антонов В.В., Круглов О.В., Кузьмин В.Н. Спектроколориметр для контроля качества проецируемого изображения// Ж. Мир техники Кино статья № 15 2010 г. с. 18-21

По перечню ВАК Украины:

4. Круглов О.В., Ишанин Г.Г Измерение спектральных и пространственных параметров и характеристик светодиодов // Ж. Вестник ЧГТУ с.113-117.

Другие работы:

5. Круглов О.В. Измерение полного светового потока светодиодов. // Сборник трудов КМУ VI, Выпуск 1. «Оптотехника и оптическое приборостроение» СПбГУ ИТМО. 2009С.263-268.

6. Антонов В.В., Круглов О.В, Кузьмин В.Н, Томский К.А.,. Николаев С.Е Приборы для измерения нормируемых характеристик микроклимата в музеях. // Материалы VI международной научно-практической конференции «Сохранность и доступность культурных и исторических памятников. Современные подходы.»"20-22.10.2009. с259-268

7. Антонов В.В., Круглов О.В. Особенности разработки спектрального УФ-радиометра. // Сборник трудов КМУ VII, Выпуск 2«Оптотехника и оптическое приборостроение». СПбГУ ИТМО. 2010 с.88-89

8. Антонов В.В., Круглов О.В., Кузьмин В.Н.. Приборы для измерения оптических параметров и характеристик светодиодов. // Ж. Полупроводниковая Светотехника №3 2010г. с.26-31

9. Antonov V.V., Tomsky K.A. Kruglov O.V. Kuzmin V.N. Nikolaev S.E. Spectrocolorimetr for measuring color characteristics of the sources of optical radiation //15 International workshop on inorganic and organic electroluminescence and 2010 International conference on the science and technology of emissive displays and lighting and 18 advanced display technologies international symposium -St.Petersburg State Institute of technology 2010, p.291-292.

10.Антонов B.B, Круглое O.B., Кузьмин B.H, Николаев С.Е, А.С. Троицкий Спектроденситометр для измерения оптической плотности материалов, используемых в светотехнической промышленности. // Тезисы докладов XVII конференции «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение» -М.ФГУП ВНИИОФИ. 2009 с.88-90.

11. Антонов В.В., Круглов О.В, Кузьмин В.Н., Томский К.А. Проблемы измерения ультрафиолетового излучения. XX Всероссийский научно-технический семинар «Проблемы метрологического обеспечения в здравоохранении и производстве медицинской техники» М.ФГУП ВНИИОФИ 2009г.-(вьшущены на диске).

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении "Университетские телекоммуникации".

197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49. Тел. (812) 233 4669. Объем! п.л. Тираж 100 экз.

Введение.

Глава 1. Обзор существующих методов и приборов для измерения оптических параметров и характеристик светодиодов.

1.1 Параметры и характеристики светодиодов и методы их измерений.

1.2. Обзор методов и приборов для измерения оптических парамет- 22 ров и характеристик светодиодов.

1.2.1. Гониометрический метод.

1.2.2. Метод "интегрирующей сферы".

1.3. Обзор приборов и систем для измерения оптических параметров и характеристик светодиодов.

Глава 2. Исследовательские работы и разработанные приборы.

2.1. Схемы разрабатываемых приборов.

2.2. ФГ1У «интегрального» типа.

2.2.1. Выбор приёмника оптического излучения для прибора 36 с «интегральным» ФПУ.

2.2.2. Исследование возможности селекции ПОИ по их 37 спектральным характеристикам.

2.2.3. Результаты исследований спектральных характеристик фото- 41 приемников.

2.2.4.Теория, расчет и исследование корректирующих элементов 43 и систем оптического тракта ФПУ «интегрального» типа

2.3. ФПУ «спектрального» типа.

2.3.1. Разработка и исследование требований к диспергирующему 53 устройству.

2.3.2. Теория и расчет оптической схемы полихроматора.

2.4. Приборы разработанные на основе проведённых исследований.•

2.4.1. Прибор на основе ФПУ «интегрального» т ипа.

2.4.2. Прибор на основе спектрального ФПУ.

2.5. Исследование нсдосч атков гониометрических комплексов.

2.5.1. Роль геометрии ПОИ, при сплошном сканировании индикат- 72 рис излучения СИД, на гониометрический комплексах.

2.5.2. Общая концепция оптимизации гониометрического комплекса 76 для измерения параметров и характеристик СИД в пространстве.

2.5.3. Модель гониометрического комплекса.

Глава 3. Расчёт погрешностей.

3.1. Расчёт погрешностей прибора для измерения светового потока.

3.1.1. Операции и средства калибровки при расчёте погрешности.

3.1.2. Проверка нелинейности прибора.

3.1.3. Проверка градуировки прибора.

3.1.4. Расчет и систематической погрешности связанной с перехо- 85 дом от источника типа А (калибровка фотометрической головки) к спектру излучения свегодиода для прибора с «интегральным» ФПУ.

3.1.4.1. Методика проверки коррекции спектральной чувстви- 85 тельности для прибора.

3.1.4.2. Расчёт поправочного коэффициента для прибора с «инте- 91 тральным» ФПУ.

3.1.5. Расчёт погрешности вносимой интегрирующей сферой.

3.2. Погрешность возникающая за счёт рассеянного (паразитного) из- 93 лучения в спектральном приборе ( полихроматоре).

3.3. Исследования аберраций иолихроматора.

3.4. Температурное смещение и дефокусировка спектральных линий.

3.5. Погрешность электронного измерительного канала.

3.5.1. Физические процессы работы фотодиода.

3.5.2. Анализ погрешностей электронного тракта приборов.

3.6. Оценка суммарной погрешности разработанных приборов.

Глава 4. Комплексы для оперативного измерения пространственных световых характеристик СИД.

4.1. Схемы построения.

4.2. Типы световодов.

4.3. Общие сведения по применению стекловолокна.

4.3.1. Пример применения волокна для передачи изображения без его 125 преобразования.

4.3.2. Передача изображения с его преобразованием из одной формы 126 в другую.

4.4. Прохождение излучения через световоды.

4.5. Светопропускание световодов.

4.6. Экспериментальный стенд.

Актуальность работы

Повышенное внимание мирового сообщества к проблеме энергосохранения и использования электрической энергии не обошло стороной и нашу страну. В период 2009-2013 гг. ведущие страны (Австралия, Великобритания, Евросоюз, Россия США) полностью откажутся от ламп накаливания. Правительством РФ рассматривается также возможность запрета с 2015 года компактных люминесцентных ламп.

Наиболее перспективными энергосберегающими источниками являются светоизлучающие диоды (СИД), которые обладают рядом преимуществ:

• «экологичность» (отсутствие ртути)

• большой срок эксплуатации

• эффективная и высокая световая отдача

• компактность и удобство монтажа

• широкий выбор оттенков

• низкий нагрев

• электрическая безопасность

• хорошая совместимость с сенсорными микропроцессорными системами управления

Обладая высокими техническими характеристиками, светодиодные светильники создают эффективное освещение.

По утверждению специалистов [1], в нашей стране производство светодиодного освещения во много раз более развито, чем в других странах. Так доля светодиодного освещения в России в 2008 году составила 3,5% от общего объёма рынка осветительной продукции, при среднегодовых темпах роста в 14%, что даже выше среднемировых показателей. Сейчас уже более 200 предприятий в нашей стране конкурируют на рынке светодиодной продукции.

В свою очередь для измерения основных параметров этих перспективных энергосберегающих источников оптического излучения требуются, доступные, надежные, серийно производимые измерительные приборы на уровне рабочих и эталонных средств измерений, с соответствующим метрологическим и методическим обеспечением, и этот спрос будет только расти.

Общая характеристика работы

Цель работы.

Целью работы является исследование и разработка методов и приборов для измерения полного светового потока, координат цветности, коррелированной температуры и пространственных характеристик излучения светодиодов. Задачи исследования

Для достижения поставленной цели необходимо:

1 .Осуществить критический анализ существующих методов измерения параметров и характеристик СИД и оценить метрологические характеристики, серийно выпускаемых приборов

2.Выбрать алгоритм работы и схему построения современных оптико-электронных приборов для измерения оптических параметров и характеристик светодиодов

3.Провести теоретические и экспериментальные исследования, обеспечивающие решение поставленных задач.

Методы исследования

Работа выполнена на основе теории оптических и оптико-электронных приборов и систем. При выполнении диссертационной работы использовались методы интегрального исчисления, математической статистики, компьютерные методы расчёта и моделирования. Эксперименты выполнялись с помощью интегральной и спектральной оптико-электронной аппаратуры в лабораторных условиях, а результаты обрабатывались посредством компьютерной техники.

Научная новизна работы

1. Разработана программа для расчёта систематической погрешности, связанной с переходом от источника типа А (калибровка фотометрической головки) к спектру излучения светодиода, и расчёта поправочного коэффициента для учёта этой погрешности.

2. Проведены исследования и разработан прибор на основе интегрирующей сферы со «спектральным» ФПУ для экспресс измерения полного светового потока и координат цветности СИД.

3. Посредством компьютерного моделирования проведена оптимизация параметров гониометрического комплекса для измерения характеристик СИД.

4. Предложена новая схема построения приборов для измерения пространственных параметров СИД «за одно измерение».

Основные результаты, выносимые на защиту

1. Принцип построения микропроцессорного прибора для экспресс измерения полного светового потока и цветовых характеристик светодиодов, основанный на сочетании интегрирующей сферы с «интегральным» или «спектральным» фотоприёмным устройством.

2. Обобщённая структура гониометрического стенда и принципы построения полуавтоматического комплекса с оптимизированными параметрами для измерения индикатрис излучения СИД.

3. Программа для расчёта систематической погрешности связанной с переходом от источника типа А (калибровка фотометрической головки) к спектру излучения светодиода.

4. Альтернативные методы и способы построения приборов для измерения индикатрис из лучения светодиодов в пространстве за одно измерение, с помощью волоконной оптики.

5. Методики исследования метрологических характеристик разработанных приборов, и использованных в них приемников оптического излучения Практическая результаты работы

Основными практическими результатами можно считать следующие:

1. Исследованы и разработаны: приборы с «интегральным» и «спектральным» ФПУ для экспресс измерения полного светового потока и цветовых характеристик СИД, которые можно использовать в качестве рабочих средств измерений.

2. Разработаны алгоритм и программа для расчёта систематической погрешности, связанной с переходом от источника типа А (калибровка фотометрической головки) к спектру излучения светодиода, и вычисления поправочного коэффициента для учёта этой погрешности.

3. Проведены исследования метрологических характеристик целого класса приемников и источников оптического излучения.

4. Предложены несколько схем для создания прибора (по новой методике), которая позволяет измерять пространственные характеристики СИД за одно измерение. По одной из схем изготовлен макет ФПУ и проведены экспериментальные исследования.

Разработанные приборы в настоящее время востребованы фирмами, выпускающими СИД в России, а в перспективе могут стать рабочими средствами измерения оптического излучения СИД в СНГ и за рубежом.

Реализация результатов работы

Результаты работы подтверждены актом внедрения теоретических и экспериментальных исследований по тематике диссертации на научно-производственном предприятии ООО «НТП ТКА» (Санкт-Петербург), а также тремя актами использования результатов диссертации предприятиями и университетами.

Личный вклад автора

Автором осуществлен критический анализ выпускаемых в России и за рубежом приборов для измерения параметров и характеристик СИД. Проведён ряд экспериментальных исследований на основе которых разработаны «интегральный» и «спектральный» приборы для измерения полного светового потока СИД. Создана модель полуавтоматического гониометрического комплекса. Разработана программа для расчёта систематической погрешности, связанной с переходом от источника типа А (калибровка фотометрической головки) к спектру излучения светодиода, и выдачи поправочного коэффициента для учёта этой погрешности. Разработана, теоретически обоснована и экспериментально подтверждена перспективная схема прибора для измерения пространственных характеристик СИД за одно измерение на основе световолоконной, плосковогнутой линзы.

Апробация работы

Основные результаты работы и научные положения, выносимые на защиту, докладывались и обсуждались на различных Российских и международных конференциях: VI, VII Всероссийские конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, Россия, 2008, 2009, 2010 г.); XVII конференция «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение» (Москва, Россия, 2008 г.); X Всероссийский научно-технический семинар «Проблемы метрологического обеспечения в здравоохранении и производстве медицинской техники» (Сочи, Россия, 2009 г.); VI Международная научно-практическая конференция «Сохранность и доступность культурных и исторических памятников. Современные подходы» (Санкт-Петербург, Россия, 2009 г.); 15 International workshop on inorganic and organic electroluminescence and 2010 International conference on the science and technology of emissive displays and lighting and 18 advanced display technologies international symposium (Санкт-Петербург, Россия, 2010 г.).

Публикации

Основные результаты проведённых исследований опубликованы в 11 печатных работах, из них: 3 статьи, опубликованы в журналах, входящих в «Перечень ВАК РФ» 1 в «Перечень ВАК Украины».

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения , 4 глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и двух приложений. Основная часть работы изложена на 138 страницах машинописного текста, содержит 65 рисунков, 16 таблиц и 40 наименований библиографического списка.

Основные результаты исследований отражены в следующих публикациях:

По перечню ВАК РФ:

1. Круглов О.В., Кузьмин В.Н, Томский К.А. Измерение светового потока светодиодов.// Ж. Светотехника №3 2009г с.34-36

2. Антонов В.В., Круглов О.В.,. Кузьмин В.Н. Денситометры для измерения оптической плотности кинофотоматериалов. // Ж. Мир техники Кино №

• 15 2010г. с.22-24

3. Антонов В.В., Круглов О.В., Кузьмин В.Н. Спектроколориметр для контроля качества проецируемого изображения// Ж. Мир техники Кино статья № 15 2010 г. с. 18-21

По перечню ВАК Украины:

4. Круглов О.В., Ишанин Г.Г Измерение спектральных и пространственных параметров и характеристик светодиодов // Ж. Вестник ЧГТУ с.113-117.

Другие работы:

5. Круглов О.В. Измерение полного светового потока светодиодов. // Сборник трудов КМУ VI, Выпуск 1. «Ототехника и оптическое приборостроение» СПбГУ ИТМО. 2009с.263-268.

6. Антонов В.В., Круглов О.В, Кузьмин В.Н, Томский К.А.,. Николаев С.Е Приборы для измерения нормируемых характеристик микроклимата в музеях. //Материалы VI международной научно-практической конференции «Сохранность и доступность культурных и исторических памятников. Современные подходы.»"20-22.10.2009. с259-268

7. Антонов В.В., Круглов О.В. Особенности разработки спектрального УФ-радиометра. // Сборник трудов КМУ VII, Выпуск 2«Оптотехника и оптическое приборостроение». СПбГУ ИТМО. 2010 с.88-89

8. Антонов В.В., Круглов О.В., Кузьмин В.Н. Приборы для измерения оптических параметров и характеристик светодиодов. // Ж. Полупроводниковая Светотехника №3 2010г. с.26-31

9. Antonov V.V., Tomsky К.А. Kruglov O.V. Kuzmin V.N. Nikolaev S.E. Spectrocolorimetr for measuring color characteristics of the sources of optical radiation //15 International workshop on inorganic and organic electroluminescence and 2010 International conference on the science and technology of emissive displays and lighting and 18 advanced display technologies international symposium —St.Petersburg State Institute of technology 2010, p.291-292.

10. Антонов B.B, Круглов O.B., Кузьмин В.Н, Николаев С.Е, А.С. Троицкий Спектроденситометр для измерения оптической плотности материалов, используемых в светотехнической промышленности. // Тезисы докладов XVII конференции «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение» -М.ФГУП ВНИИОФИ. 2009 с.88-90.

11. Антонов В.В., Круглов О.В, Кузьмин В.Н., Томский К.А. Проблемы измерения ультрафиолетового излучения. XX Всероссийский научно-технический семинар «Проблемы метрологического обеспечения в здравоохранении и производстве медицинской техники» М.ФГУП ВНИИОФИ 2009г.-(выпущены на диске).

Заключение