Олег владимирович разработка и исследование приборов для измерения оптических параметров и характеристик светодиодов.

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Санкт – Петербург 2011

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

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Ишанин Геннадий Григорьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Путилин Эдуард Степанович кандидат технических наук, доцент Белобородов Виталий Владимирович

Ведущая организация: ЗАО «Светлана-Оптоэлектроника»

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

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского госу дарственного 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.

Автореферат разослан « 30 » апреля 2011 г.

Учёный секретарь диссертационного совета Д 212.227.01 к.т.н., доцент Красавцев В.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Повышенное внимание мирового сообщества к проблеме энергосохране ния использования электрической энергии не обошло стороной и нашу страну.

В период 2009-2013гг. ведущие страны (Австралия, Великобритания, Евросоюз, Россия США) полностью откажутся от ламп накаливания. Правительством РФ рассматривается также возможность запрета с 2015 года компактных люминес центных 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 систе мами управления Обладая высокими техническими характеристиками, светодиодные све тильники создают эффективное освещение.

По утверждению специалистов [1], в нашей стране производство светоди одного освещения во много раз более развито, чем в других странах. Так доля светодиодного освещения в России в 2008 году составила 3,5% от общего объ ема рынка осветительной продукции, при среднегодовых темпах роста в 14%, что даже выше среднемировых показателей. Сейчас уже более 200 предпри ятий 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 мето дическим 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 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 характеристи ки, серийно выпускаемых приборов 2. Выбрать алгоритм работы и схему построения современных оптико электронных приборов для измерения оптических параметров и характери стик светодиодов 3. Провести теоретические и экспериментальные исследования, обеспе чивающие 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 ин тегральной и спектральной оптико-электронной аппаратуры в лабораторных условиях, а результаты обрабатывались посредством компьютерной техники.

Научная новизна работы.

1. Разработана программа для расчёта систематической погрешности связан ной 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 пото ка и координат цветности СИД.

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

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

Основные результаты, выносимые на защиту.

1. Принцип построения микропроцессорного прибора для экспресс измере ния 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 построе ния полуавтоматического комплекса с оптимизированными параметрами для измерения индикатрис излучения СИД.

3. Программа для расчёта систематической погрешности связанной с пере ходом 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 спектраль ным ФПУ для экспресс измерения полного светового потока и цветовых харак теристик СИД, которые можно использовать в качестве рабочих средств изме рений.

2. Разработаны алгоритм и программа для расчёта систематической по грешности связанной с переходом от источника типа А (калибровка фотомет рической 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 методи ке), которая позволяет измерять пространственные характеристики СИД за од но измерение. По одной из схем изготовлен макет ФПУ и проведены экспери ментальные исследования.

Разработанные приборы в настоящее время востребованы фирмами, вы пускающими 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 экс периментальных исследований по тематике диссертации на научно производственном предприятии ООО «НТП ТКА» (Санкт-Петербург), а также тремя актами использования результатов диссертации предприятиями и уни верситетами.

Личный вклад автора Автором осуществлен критический анализ выпускаемых в России и за ру бежом приборов для измерения параметров и характеристик СИД. Проведён ряд экспериментальных исследований на основе которых разработаны «инте гральный» 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 спек тру излучения светодиода и выдачи поправочного коэффициента для учёта этой погрешности. Разработана, теоретически обоснована и экспериментально под тверждена перспективная схема прибора для измерения пространственных ха рактеристик СИД за одно измерение на основе световолоконной, плосковогну той линзы.

Апробация работы.

Основные результаты работы и научные положения, выносимые на защи ту, докладывались и обсуждались на 6 конференциях одна из которых между народная.

Публикации.

Основные результаты проведённых исследований опубликованы в 11 пе чатных работах, из них: 3 статьи, опубликованы в журналах, входящих в «Пе речень 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 характери стик СИД и их сравнение с наиболее распространенными источниками освеще ния. Выявлены основные характеристики СИД, необходимые инженерам и разра ботчикам для успешного решения поставленных задач:

• фотометрические (световые) характеристики;

• гониометрические (угловые) характеристики;

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

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

Проведён анализ существующих, гониометрических методик измерения ин дикатрис 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 рассчи тывать практически все параметры и характеристики СИД, интересующие раз работчиков. 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 мо дернизации, (учитывающей особенности СИД), уже имеющихся методик и приборов для измерения параметров и характеристик классических ис точников излучения. Создание аналогов с оптимизированными характе ристиками, учитывающими опыт иностранных коллег и требования на ших 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 под ходящим для применения в производственных условиях, учитывая, такие осо бенности СИД, как малый размер, незначительный нагрев, угол излучения до 1700, для реализации рабочего средства измерения светового потока. Он явля ется наиболее простым, достаточно точным и позволяет проводить измерения светового потока источника с произвольным распределением излучения в ок ружающем пространстве на порядки быстрее, чем гониометрический метод.

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

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

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 привлека тельны своей ценой, небольшими размерами и механической прочностью.

Проведённый анализ характеристик фотодиодов, показал, что отечествен ные фотоприемники по своим характеристикам достаточно близки к зарубеж ным аналогам, но существенно дешевле и доступнее. В связи с этим для допол нительного исследования метрологических характеристик были выбраны се рийно выпускаемые фотодиоды ФД – 263, ФД –288, КДФ-113А1, КДФ(6х6).

Была измерена относительная спектральная характеристика чувствительности отобранных фотоприемников S х. отн.() и её разброс, в партии серийно выпус каемых фотодиодов. (примерно 5000 шт) Анализ проведенных измерений показал, что наибольший разброс спек тральных характеристик в области от 400 до 1000 нм наблюдается у кремние вых 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.

1, отн.ед 0, 0, 0, № 0, № 0,5 № № 0, 0, 0, 340 440 540 640 740 840 нм Рисунок 2.Разброс спектральных характеристик фотодиодов КДФ Во второй главе также рассматриваются теоретические и практические вопро сы, спектральной коррекции чувствительности фотоприемника Sф() к относи тельной спектральной световой эффективность излучения V() светофильтра ми. Производиться расчет и исследование корректирующих элементов и систем оптического тракта прибора вносящих свой вклад.

Общий коэффициент пропускания исправляющего светофильтра рассчи тывается по формуле:

(1) К i ( )ti ( ) i е где:

i-номера цветных стекол, составляющих светофильтр, кi()-показатель поглощения цветных стекол с индексом, соответствующим но меру цветного стекла, ti-толщина соответствующих цветных стекол.

Для оценки погрешности использовалась методика, предложенная МКО (f1(Z) публикации №53 и № 69). Расчет погрешности коррекции спектральной чувствительности фотоприемника (фотометрической головки) основан на отли чии реакции идеального фотоприемника (табулированное значение спектраль ной чувствительности которого известно) от реального фотоприемника на из лучение, относительное спектральное распределение которого отличается от того, при котором была произведена градуировка.

( ) A ( ) d S ( ) i ( ) d S э f1 ( z) 1 * 100% (2) i A ( ) ( )d S ( ) ( ) d S э Где: S()-относительная спектральная чувствительность исследуемого фо топриёмника, Sэ()-относительная спектральная чувствительность эталонного фотопри емника.

A ()-относительное распределение спектральной плотности потока ис точника, на котором производится градуировка, источник типа “А”.

i ()-относительное распределение спектральной плотности потока табу лированных источников.

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

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

Изучено влияние на спектральную чувствительность прибора, спектраль ного коэффициента отражения стенок интегрирующего шара, влияние которого было внесено в разработанную программу, что позволило получить погреш ность спектральной коррекции S() к V() не превышающую 3% рисунок 4.

Рисунок 3. Алгоритм программы.

он д т.е V(L) 0, S(L) 0, 0, 0, нм 380 430 480 530 580 630 680 730 Рисунок 4. Итоговая спектральная чувствительность «интегрального»прибора на фонекривой видности глаза V() 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 требования к диспергирующе му устройству. Расчеты показали, что хорошие результаты измерений коорди наты цветности, возможно, получить даже при шаге интегрирования, равном нм, рисунок 5. При этом вычисленные координаты цветности отличались друг от друга на величину, не превышающую значения 0,004, что вполне соответст вует требованиям ГОСТа 8. 0, СИД№54 СИД№53 СИД№ СИД№45 СИД№55 ист А 0, погрешность 0, 0, 5 10 20 30 шаг интегрирования (нм) Рисунок 5. Погрешность определения координат цветности тепловых источни ков и выбранных светодиодов в зависимости от шага интегрирования.

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

Фe, lim (Фe ) Фe (3) Искомый эффективный световой поток можно получить, интегрируя функцию спектральной плотности распределения потока излучения Фе,() в за данном спектральном диапазоне.

Фv К max V ( )Фe ( ) d (4) Для расчета дифракционной решётки использовался алгоритм основанный на расчёте предложенном в ГОИ Пейсахсоном И.В. для расчёта вогнутых ди фракционных решёток по схеме с плоским полем.

Рисунок 6.Оптическая схема полихроматора на область 380 780нм.

1-входная щель;

2- дифракционная решётка;

3- гибридная диодная линейка.

По результатам расчётов и анализа проведённых исследований была соз дана экспериментальная пара приборов (в настоящее время внедренная в про изводство и выпускаемая для предприятий-производителей СИД) на основе ме тода «интегрирующей сферы». ФПУ «интегрального» и ФПУ спектрального типа, которые использовались для отработки методики измерений и исследо вания 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 результа тов измерений.

Оптическая схема прибора, представляет собой полихроматор 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 возмож ность определить необходимые световые величины, координаты цветности, цветовую температуру, вывод данных осуществляется в графическом и таблич ном виде, как в блок обработки результатов, так и на компьютер. Данная моди фикация прибора имеет целый ряд преимуществ перед прибором с интеграль ным ФПУ. Основными из которых являются: высокая точность, в следствии корекции S(), 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 пара метров СИД.

Предложено совершать сканирование индикатрисы излучения с углом по ворота допускающим перекрытие световых потоков соседних точек по площа ди равной площади не перекрываемой круглым ПОИ. Отмечается необходи мость 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 харак теристик, разработанных приборов, описаны методики калибровки, поверки и производиться расчёт ряда погрешностей оптического тракта.

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

Н ( изм ) 100%, (5) где:

0-действительное значение коэффициента пропускания используемого фильт ра.

Ф изм 2, Ф Фv1- измеренный световой поток без ослабителя.

Фv2 измеренный световой поток с ослабителем.

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

Рассчитывали относительную погрешность отклонения градуировки Фv Ф vср по формуле гр (6) Ф vсс где:

Фv- световой поток измеренный прибором Ф (7) vi i Фv ср No R где: Фv Еv A Ko Где N0-показания образцового фотометра (8) К0 - коэффициент преобразования образцового фотометра.

R-радиус входной диафрагмы прибора ЕV освещенность в люксах фг Относительную спектральную чувствительность прибора S отн. ( ) рассчитывали по формуле:

S отн. ( ) фг S отн. ( ), (9) max S отн. ( ) где:

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

оп I ( ) S отн. ( ) (10) S отн. ( ) I оп. ( ) где:

оп.

S отн. ( ) -относительная спектральная чувствительность опорного приемни ка на длине волны.

I оп. ( ) -измеренное значение силы тока опорного приемника на длине волны на установке для измерения спектральной чувствительности фотоприёмноков оптического излучения в диапазоне 350-1100 нм.(ГОСТ 8.195-89).

I. ( ) показания исследуемого прибора на длине волны 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 осу ществляется в разработанной программе блок-схема рисунок 3 по формуле 2.

отн.ед 1, 0,9 1 прибор 2 прибор 0, 3 прибор 4 прибор 0, 5 прибор св 0, св 0,5 V(L) 0, 0, 0, 0, 0, нм 400 450 500 550 600 650 700 Рисунок 9. Спектральная чувствительность приборов на фоне V(L) и спек тральной 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 зна чительна.

Этот недостаток будет присущ всем «интегральным» приборам, и накла дывает необходимость введения поправочных коэффициентов 0.78 0. A ( ) S э ( )d eсв ( ) S eпр ( ) d e 0.38 0. К 0.78 0. (11) св пр ( ) eA ( )d ( ) S ( ) d S e э e 0.38 0. Где:

eA –относительное распределение спектральной плотности потока излу чения источника типа А;

S э ( ) - относительная спектральная чувствительность эталонного прибора;

S eпр ( ) -относительная спектральная чувствительность прибора.

eсв ( ) -относительное распределение спектральной плотности потока излу чения светодиода;

Расчёт коэффициента осуществляется автоматически в программе для пяти СИД: (синий max=460, белый max=460, зелёный max=570, оранжевый max=600, красный max=640).

На основе анализа физических процессов работы фотодиода, установлены зависимости темнового тока и чувствительности от температуры. Рассматри ваются достоинства и недостатки использования фотогальванического и фото диодного 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 иссле дуемую область спектра и «срезающий» ту область, которая в основном опре деляет 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 приве дены в таблице 1.

Приведенные результаты показывают, что существенный вклад в суммар ную погрешность вносит оптическая часть, качество которой и определяет мет рологические характеристики приборов. Особо стоит отметить погрешность спектральной коррекции интегральных ФПУ, которая может достигать для уз кополосных СИД спектр которых находиться на фронтах спектральной кривой чувствительности прибора, 30 %. Расчёт поправочных коэффициентов в свою очередь требует дополнительных трудоёмких измерений, именно это обстоя тельство позволяет предполагать, что дальнейшее развитие получат именно приборы со спектральным типом ФПУ Таблица 1. Достигнутые значения составляющих и суммарных погрешностей Наименование погрешности Условное обозначение Достигнутое значение, % № (MKO) «Интегр.» Спектр.

прибор прибор 1 Погрешность спектральной коррекции ФПУ (с 5 кор f1(Z) учётом поправочного коэффициента)./ погреш ность вносимая рассеянным излучением.

2 Погрешность градуировки. 1-2 1- гр 3 Погрешность нелинейности световой характе- 1-2 1- Н ристики 4 Погрешность электронного тракта 2-3 2- е 5 Суммарная погрешность измерения 10 Ф.

В таблице 2 и на графике на рисунка 10 представлены результаты измере ний полного светового потока различных типов СИД разработанными прибо рами.

Таблица 2. Результаты измерений полного светового потока разработанными приборами.

прибор № 63 прибор № 66 прибор № (интегр ФПУ) (интегр ФПУ) (спектральное ФПУ) СИД цвет млм млм млм BL-BD0317M красный 60 58 АЛ 307 НМ зелёный 60 60 Б-001 белый 300 300 К 4 ПД 36Б1-К красный 12 11 L-934 GT зелёный 210 200 L-934 MBC синий 29 28 нет сигнала АЛ 336 Б красный 42 39 B-003 синий 1,5 1,7 нет сигнала L-934 set красный 240 230 L-314 зелёный 240 230 L-151 SRC-D зелёный 110 105 1513 SRC-E красный 130 120 G-052 зелёный 170 168 GR-002 жёлтый 110 100 Из приведённых исследований видно, что прибор для измерения полного светового потока СИД со спектральным ФПУ превосходит свой аналог с инте гральным ФПУ по точности и информативности, но проигрывает на порядок по чувствительности. Из-за слабой чувствительности диодной линейки в коротко волновой части видимого диапазона.

мм л 300 прибор № прибор № ТКА-ВД ИС 4 1 3 t T C Б E -D M М 0 0 se - - К G - B 7 - -0 - 6 0 Н C C Б 1 4 M L R Б B 03 R R 3 G 3 0 S 6 -9 S G 3 Л 3 - D -9 L А -B Л L Д L - А П L B L К Рисунок 10. Результаты измерений полного светового потока В четвёртой главе предложены варианты схем комплексов для оператив ного измерения пространственных световых характеристик СИД. за одно изме рение.

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 по следовательности рисунок11 (б).

Рисунок 11. Альтернативные схемы создания приборов.

Рассмотрен также вариант использования волоконной оптики для изме рения пространственных характеристик источника оптического излучения ри сунок11 (в). Волоконные световоды уже давно нашли широкое применение в системах оптической связи, медицине, вычислительной технике и т.п. Светово ды с волокнами, диаметр которых существенно превышает длину волны, ис пользуют для передачи изображения без его преобразования или с преобразо ванием формы.

Так применение волоконной шайбы с радиусом кривизны 36,5 мм позво лит в 490 поле снимать индикатрису излучения СИД с шагом 19/. рисунок 12.

1 13 Рисунок 12. Схема применения волоконной шайбы.

Теоретически возможно привязать волокна шайбы, имеющие точные угло вые 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, ри сунок 12. Подобная схема позволит измерять центральную часть диаграммы излучения СИД с достаточно малым шагом, диоды предназначены для контро ля по периферии и наведения СИД.

Рисунок 13. Гибридная схема На этапе исследования возможности применения и создания таких схем в экспериментальной установке рисунок 14, исследовалась шайба с Rкр ш=70 мм, Dжил=0,5 мм, что позволяет сканировать центральную часть имеющею угловой размер в 160 с углом сканирования равным 28/.

Рисунок 14. Экспериментальная установка Шаг санирования этих перспективных систем определяется размером оп товолоконных 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 изме рения оптических параметров и характеристик светодиодов. Рассмотрены основ ные 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 измере ния приборами, связанная с переходом от источника типа «А» (калибровка фо тометрической 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 интегри рующей сферы с фильтровой коррекцией чувствительности под чувствитель ность человеческого глаза и со спектральным ФПУ.

5. Исследованы особенности и погрешности измерения индикатрис излуче ния СИД на гониометрических комплексах. Выработан ряд рекомендаций, и смоделирована схема полуавтоматического гониометрического комплекса по вышенной точности.

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

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

Основные результаты исследований отражены в следующих публи кациях:

По перечню ВАК РФ:

1. Круглов О.В., Кузьмин В.Н, Томский К.А.. Измерение светового пото ка светодиодов.// Ж. Светотехника №3 2009г с.34- 2. Антонов В.В., Круглов О.В.,. Кузьмин В.Н. Денситометры для измере ния оптической плотности кинофотоматериалов. // Ж. Мир техники Кино № 15 2010 г. с.22- 3. Антонов В.В., Круглов О.В., Кузьмин В.Н. Спектроколориметр для контроля качества проецируемого изображения// Ж. Мир техники Ки но статья № 15 2010 г. с.18- По перечню ВАК Украины:

4. Круглов О.В., Ишанин Г.Г Измерение спектральных и пространствен ных 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 при боростроение» 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 микрокли мата в музеях. // Материалы VI международной научно-практической конференции «Сохранность и доступность культурных и исторических памятников. Современные подходы.»”20-22.10.2009. с259- 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- 8. Антонов В.В., Круглов О.В., Кузьмин В.Н.. Приборы для измерения оптических параметров и характеристик светодиодов. // Ж. Полупро водниковая Светотехника №3 2010г. с.26- 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 opti cal radiation // 15 International workshop on inorganic and organic elec troluminescence and 2010 International conference on the science and technology of emissive displays and lighting and 18 advanced display tech nologies international symposium –St.Petersburg State Institute of technol ogy 2010, p.291-292.

10. Антонов В.В, Круглов О.В., Кузьмин В.Н, Николаев С.Е, А.С. Троиц кий Спектроденситометр для измерения оптической плотности мате риалов, используемых в светотехнической промышленности. // Тезисы докладов XVII конференции «Фотометрия и ее метрологическое обес печение» -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).

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении “Университетские телекоммуникации”.

197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49. Тел. (812) 233 4669.

Объем 1,5 п.л. Тираж 100 экз.