LED – Menguasai Teknologi Pencahayaan
Sekiranya terdapat sebarang persoalan bahawa LED akan menjadi teknologi pencahayaan yang mendominasi, lihat sahaja. Mereka hampir di mana-mana. Daripada penunjuk standard pada peralatan stereo, komputer riba dan mainan kepada lampu isyarat, tanda mesej berubah-ubah dan lampu automotif, LED telah menikmati pertumbuhan yang meletup sejak beberapa tahun kebelakangan ini tanpa dapat dilihat penghujungnya. Sebahagian besar daripada ini adalah disebabkan oleh tahap kecerahan yang semakin meningkat yang dicapai dengan bahan baharu dan proses fabrikasi wafer serta kemunculan LED biru dan putih untuk RGB (Warna Penuh) dan aplikasi pencahayaan am. Apabila tahap kecanggihan untuk menggunakan LED meningkat, begitu juga dengan keperluan untuk pengukuran tepat sifat optik LED. Saya telah berada dalam industri Optoelektronik selama hampir 25 tahun sekarang dan setakat ini jenis soalan yang paling biasa saya selalu ditanya adalah berkaitan dengan pengukuran LED. (Apakah itu lumen? Bagaimanakah saya menukar daripada lumen kepada candela? Bagaimanakah cara mengukur kecerahan dengan tepat? Mengapa ukuran saya tidak sama dengan ukuran anda?) Saya berharap dapat menangani isu ini dan banyak isu yang serupa dalam artikel seterusnya. Butiran pengukuran optik dalam diskfstaussion ini akan dipecahkan kepada empat topik yang berasingan tetapi saling berkaitan. Ini ialah: Kuantiti fotometrik, Kuantiti radiometrik, Kuantiti Panjang Gelombang atau Kromatik dan akhirnya Kuantiti Sudut atau Goniometrik. Walaupun keseluruhan buku boleh ditulis dengan mudah pada unit, piawaian dan metodologi ujian di atas, saya akan cuba meringkaskan bidang minat yang lebih biasa dan asas.
Fotometri
Fotometri hanyalah ukuran cahaya dalam spektrum yang boleh dilihat (kira-kira 380nm-770nm). Ini adalah cahaya yang dilihat oleh mata kasar pemerhati manusia biasa. Terdapat pelbagai jenis unit fotometrik seperti nits (cd/m2), lux (lumen/m2), footcandles (lumen/ft2), stilb (cd/cm2) dan lain-lain. Semua ini adalah berdasarkan dua piawaian fotometri asas, LUMEN dan CANDELA. Candela ialah unit keamatan bercahaya, yang boleh ditakrifkan sebagai jumlah fluks bercahaya (jumlah kuasa bercahaya yang dipancarkan daripada sumber dan dinyatakan sebagai lumen) per unit sudut pepejal dalam arah tertentu. Lumen boleh ditakrifkan sebagai fluks bercahaya yang dipancarkan per unit sudut pepejal daripada sumber titik seragam yang keamatan bercahaya ialah 1 candela. (1 candela=1 lumen/steradian) Ia juga penting untuk memahami definisi steradian, iaitu sudut pepejal (kon) di tengah-tengah sfera jejari "r" yang menyelaraskan kawasan "r2" pada permukaan sfera itu. (Lihat rajah 1) Luas permukaan sfera ialah 4π r2; oleh itu, sfera mempunyai 4π steradian. Kebanyakan LED standard yang dibekalkan hari ini diukur dalam candela, bagaimanapun, disebabkan peningkatan permintaan untuk LED sebagai pengganti kepada pijar dalam pasaran pencahayaan am, Lumen kini sering digunakan sebagai unit ukuran untuk output cahaya. Kaedah mudah untuk menukar daripada Candela kepada Lumens ditunjukkan dalam Rajah 2 (di bawah). Langkah 1.) Dapatkan Sudut Pepejal LED w=π * (θ1/2)2 w=π(25)2, dengan mengandaikan separuh sudut LED ialah 25° w=π(.43633)2, tukar darjah kepada radian .598 Langkah 2.) Kira Lumen f=Iv * wf=2.00 * .598, dengan mengandaikan kecerahan LED ialah 2000mcd f=1.196 Lumens Walaupun pengiraan empirikal adalah mungkin untuk menukar pelbagai jenis unit fotometrik, nilai diukur sebenar mungkin berbeza daripada nilai yang dikira disebabkan oleh variasi dalam ciri sinaran spatial LED. Dalam kebanyakan kes, pengiraan empirikal adalah cukup tepat. Penukaran fotometrik tambahan ditunjukkan dalam rajah 3. Walaupun terdapat pelbagai penukaran lain yang mungkin, contohnya candela kepada nit atau lambert kepada candela, tidak ada faktor pendaraban langsung yang mudah yang boleh digunakan. Maklumat seperti kawasan sumber dan/atau pengesan, atau jarak pengukuran dan ciri sudut mungkin diperlukan. Pengukuran fotometri LED boleh menjadi lebih seni daripada sains tepat. Terdapat pelbagai isu geometri, elektrik dan pemasangan yang boleh menjejaskan sifat optik LED. Disebabkan tiada dua LED yang betul-betul serupa, terdapat langkah-langkah yang akan meningkatkan ketepatan pengukuran anda. Ini termasuk tetapi tidak terhad kepada:
Mengetahui pusat optik pelepasan cahaya LED berbanding pusat mekanikal. Apabila meletakkan LED ke dalam lekapan ujian biasa, ia biasanya diletakkan sedemikian rupa untuk menganggap cahaya terpancar dari pusat mekanikal peranti. Ini selalunya tidak berlaku. (Lihat rajah 4) Pusat optik sering menyimpang 5° atau lebih besar daripada pusat mekanikal LED. Walaupun ini mungkin tidak menimbulkan banyak masalah apabila mengukur peranti dengan sudut tontonan yang luas seperti 40° atau lebih tinggi, untuk peranti sudut sempit, perbezaan bacaan boleh menjadi ketara. (Perlu diingatkan bahawa syor CIE (Commission Internationale de l'Eclairage) adalah menggunakan paksi mekanikal LED dan bukannya paksi optik sebagai rujukan pengukuran)
Mengukur output pada selang masa tertentu atau apabila stabil. Apabila LED pertama kali ditenagakan, suhu simpang meningkat disebabkan oleh kuasa elektrik yang digunakan. (Suhu simpang LED ditentukan oleh Tj=Ta+(Vf*If)*Rth(ja)) Ia mungkin mengambil masa beberapa saat atau beberapa minit sebelum output cahaya mencapai keseimbangan terma dan nilai yang stabil. Penurunan dalam pengeluaran 5-20% atau lebih adalah perkara biasa. Ini bukan kemerosotan kekal dan akan pulih apabila dinyahtenagakan. Selalunya tidak praktikal untuk menunggu tempoh masa yang panjang apabila banyak LED memerlukan ujian, oleh itu, selang masa yang ditetapkan seperti 5 saat sering ditetapkan walaupun output mungkin tidak stabil.
Memastikan suhu ambien adalah konsisten semasa ujian. LED biasanya berubah dalam kecerahan dan warna dengan suhu. Apabila suhu meningkat, output berkurangan dan warna berubah ke arah hujung spektrum yang lebih tinggi. Ini akan dihuraikan dalam perbincangan Colorimetry.
Sentiasa gunakan sumber arus malar. Voltan hadapan (Vf) LED boleh turun naik dari peranti ke peranti, oleh itu, jika bekalan kuasa standard atau punca voltan digunakan, setiap LED mungkin tidak menerima arus yang sama.
Gunakan persediaan ujian yang mudah dihasilkan semula. Persediaan yang terperinci mungkin baik untuk ukuran jenis makmal, namun, apabila banyak LED memerlukan ujian, setiap satu dengan gaya pakej yang berbeza, sudut pandangan, warna dsb., sistem yang boleh diubah suai dengan cepat sambil menginsuranskan penjajaran yang sama pada paksi mekanikal dan menjamin pengesan sentiasa melihat bahagian yang sama bagi kon pelepasan diperlukan.
Memastikan semua peralatan diselenggara dan ditentukur dengan betul
Radiometri
Radiometri merujuk kepada jumlah sinaran atau ukuran semua cahaya sama ada dalam spektrum boleh dilihat, inframerah atau ultraungu. Unit asas kuasa optik radiometrik (Radiant Power) ialah watt (W). Watt ialah unit mutlak kerana ia bebas daripada panjang gelombang. Satu watt cahaya inframerah mengandungi kuasa sebanyak satu watt cahaya nampak. Istilah radiometrik lain yang biasa diukur ialah keamatan sinaran (Watts/Steradian), Sinaran (W/m2) dan Radiance (W/m2 sr). Kaedah utama untuk mengukur jumlah kuasa sinaran/fluks bercahaya adalah dengan menggunakan sfera penyepaduan. (Lihat rajah 5) Sfera penyepaduan mengukur cahaya yang dipancarkan daripada LED ke semua arah. Secara amnya ukuran ini tidak bergantung pada sudut pandangan dan tidak tertakluk kepada ketidaktepatan ukuran sudut yang dilihat semasa menguji secara fotometrik, namun ralat masih mungkin berlaku. Diameter sfera lebih kurang 3 dan 6 inci digunakan secara meluas. Jika ketepatan adalah kritikal, jenis diameter yang lebih besar diutamakan kerana nisbah luas sfera yang menggalakkan kepada saiz LED dan port, walau bagaimanapun, ini juga mengakibatkan kehilangan keamatan. Sumber utama ralat pengukuran ialah tempat meletakkan LED di dalam sfera penyepaduan. Spesifikasi terkini yang diterima pakai oleh CIE , Publication 127, menyatakan bahawa keseluruhan pakej LED harus berada di dalam sfera yang dipanggil pengukuran fluks bercahaya 2. Langkah berjaga-jaga yang sama digunakan untuk mengukur LED secara fotometrik juga harus diikuti semasa membuat pengukuran radiometrik. Seperti penukaran fotometrik, terdapat pelbagai penukaran radiometrik yang mungkin diberikan berdasarkan maklumat yang sesuai. Nilai radiometrik biasanya diperlukan untuk aplikasi yang digunakan bersama-sama dengan pengesan foto seperti dalam gentian optik, pengimbasan atau penderiaan.
Kolorimetri
Pengukuran saintifik dan kuantifikasi warna LED dipanggil Colorimetry. Unitnya biasanya diberikan sebagai koordinat kromatik atau dalam panjang gelombang. Persepsi warna adalah sangat rumit kerana ia bukan sahaja bergantung kepada pelbagai sifat fizikal cahaya tetapi juga pada benda-benda seperti objek sekeliling, sifat mekanikal peranti, tindak balas mata penonton serta keadaan psikologi mereka. CIE telah menetapkan piawaian untuk pengukuran cahaya yang boleh dilihat kerana ia berkaitan dengan "tindak balas mata manusia standard." Ini dipanggil keluk pemerhati piawai pertama kali ditubuhkan pada tahun 1931 (lihat rajah 6a). Daripada lengkung ini, nilai tristimulus untuk menentukan warna dengan tepat diperolehi. Sistem tristimulus X, Y, Z adalah berdasarkan andaian bahawa setiap warna adalah gabungan tiga warna primer; merah, hijau dan biru. Rajah Kromatik CIE 1931 (lihat rajah 6b) diperoleh daripada nilai tristimulus dengan yang berikut: x=X/(X+Y+Z) atau x=Red/(Merah {{6} } Hijau + Biru) y=Y/(X+Y+Z) atau y=Hijau/(Merah + Hijau + Biru) Sejak ( x + y + z) =1, paksi ketiga, z=1 – (x + y)
Koordinat kromatik biasanya ditentukan oleh paksi x dan y sahaja. Secara amnya, kebanyakan spesifikasi yang disediakan oleh pengeluar LED tidak menyenaraikan koordinat kromatik, tetapi lebih kepada puncak dan panjang gelombang dominan (melainkan LED berwarna putih). Panjang gelombang dominan, dinyatakan dalam nanometer, diperoleh daripada koordinat warna yang dibincangkan di atas. Ia pada asasnya adalah warna yang sebenarnya dilihat oleh mata manusia. Panjang gelombang puncak ialah panjang gelombang pada keamatan spektrum maksimum. Nilai puncak mudah diperoleh dan oleh itu merupakan nilai paling biasa yang ditentukan oleh pengeluar LED, namun, ia mempunyai sedikit kepentingan praktikal untuk aplikasi yang dilihat dengan mata manusia kerana dua LED mungkin mempunyai panjang gelombang puncak yang sama tetapi boleh dianggap sebagai berbeza. warna. Pada masa ini, kaedah yang paling tepat untuk mengukur warna adalah dengan menggunakan Spektroradiometer. Peranti ini melakukan pengagihan kuasa spektrum lengkap bagi sumber yang diukur dari mana semua parameter fotometri, radiometrik dan kolorimetrik boleh dikira secara matematik. Ketepatan panjang gelombang peralatan hendaklah lebih baik daripada 0.5nm dengan keutamaan 0.1nm. Seperti yang dinyatakan sebelum ini, terdapat beberapa faktor yang boleh mempengaruhi nilai yang diperolehi. Salah satunya ialah suhu. Apabila suhu ambien meningkat, begitu juga dengan panjang gelombang LED. Peningkatan ini biasanya daripada 0.1nm/°C-0.2nm/°C bergantung pada jenis LED yang digunakan.
Pencirian Goniometrik / Sudut
Topik terakhir untuk perbincangan ialah pencirian goniometrik atau sudut. Goniometer ialah peranti yang mengukur taburan spatial atau corak sinaran LED (lihat rajah 8). Ini boleh dicapai dengan sama ada menggerakkan pengesan di sekeliling LED atau dengan mencondongkan LED semasa pengesan kekal pegun. Dalam kedua-dua kes, beberapa ukuran output diambil untuk setiap sudut semasa putaran dari 0°-180° dilakukan. Setelah selesai, profil pancaran sinaran dalam satu satah diperolehi. Selalunya diandaikan bahawa kerana kebanyakan LED adalah bulat, corak sinaran adalah simetri. Ini malah nampaknya ditunjukkan oleh perwakilan grafik sudut tontonan yang disediakan oleh banyak pengeluar LED. Ini selalunya tidak berlaku. Seperti yang dinyatakan sebelum ini, variasi geometri dan pemasangan yang berlaku semasa pembuatan LED boleh mempengaruhi sifat optiknya. Ia mungkin perlu melakukan imbasan tambahan dan merekodkan berbilang satah pandangan. Selain itu, beberapa LED berbentuk khas seperti jenis bujur atau elips, pada asasnya mempunyai dua corak sinaran (30° x 70° sebagai contoh), oleh itu, imbasan 0° dan 90° bagi peranti adalah perlu. Jika goniometer tidak tersedia, adalah mungkin untuk mendapatkan corak sinaran kasar dengan menggunakan pengesan foto dan memutar pengesan LEDor secara manual, merakam tahap output dan memplot titik data, bagaimanapun, ini boleh menjadi sangat membosankan dan memakan masa. . Perlu jelas daripada apa yang telah dibincangkan bahawa pengukuran cahaya boleh menjadi sangat tidak tepat berbanding dengan ciri elektrik lain yang lebih spesifik seperti voltan, arus atau rintangan. Terdapat banyak faktor seperti warna, geometri peranti, penjajaran LED ke dalam lekapan ujian, suhu dan lain-lain yang boleh menyebabkan ralat pengukuran. Ia sering diklasifikasikan sebagai lebih daripada seni daripada sains. Walaupun ketepatan pengukuran ±5% masih dianggap standard dan boleh diterima secara meluas dalam industri, dengan perhatian yang teliti, ketepatan yang lebih baik daripada ±2.5% adalah mungkin.
