Описываются этапы разработки, конструктивные особенности и метрологические характеристики комплекса для измерений фотометрических и колориметрических пара-метров светодиодов, созданного в ФГУП «ВНИИОФИ» вместе с четырьмя соответст-вующими методиками выполнения измерений.
Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений (ФГУП «ВНИИОФИ») ‒ ведущее научно-производственное предприятие страны по созданию государственной системы обеспечения единства измерений. Одними из наиболее востребованных направлений его деятельности, с учётом внедрения светодиодов (СД), являются измерения колориметрических и фотометрических характеристик световых приборов. Решением этих задач занимается научно-исследовательское отделение радиометрии, фотометрии, спектрофотомерии и колориметрии некогерентного излучения (НИО РФСК). Оно создаёт, совершенствует и хранит эталоны воспроизведения единиц радиометрических, спектрорадиометрических, фотометрических и колориметрических величин и обеспечивает единство в этих направлениях оптико-физических измерений.
Также НИО РФСК интенсивно занимается:
- измерениями самосветящих объектов (источники излучения «традиционные» и светодиодные,светофоры,аэродромные огни,проблесковые маяки и т.д.), а именно измерениями их фотометрических (силы света, с возможностью измерения пространственного светораспределения, светового потока, яркости, освещённости от них, коэффициента пульсации) и колориметрических параметров (координат цвета и цветности, коррелированной цветовой температуры (КЦТ));
- калибровкой оборудования для измерения колориметрических величин самосветящих и несамосветящих объектов (координаты цвета и цветности, цветовая температура).
В рамках развития работ по повышению энергоэффективности лаборатория колориметрии, фотометрии и радиометрии НИО РФСК в последнее время усовершенствовала используемые измерительные возможности для обеспечения измерений фотометрических и колориметрических характеристик СД и продукции на их основе на новом качественном уровне.
В период 2008‒2009 гг. был разработан и введён в действие метрологический комплекс для измерения силы света, светового потока, координат цветности и яркости СД-излучателей. Комплекс внесён в Государственный реестр средств измерений (ГР № 41797-09). Он предназначен для обеспечения единства измерений при определении фотометрических и колориметрических параметров и характеристик СД и продукции на их основе, к которым относятся световой поток, пространственное распределение силы света, координаты цветности, относительные спектры источников излучения и яркость (рис. 1).
Рис. 1. Метрологический комплекс для измерения фотометрических и колориметрических параметров светодиодов
Метрологическая проработка данных, связанная с определением вкладов различных факторов в результаты измерений, представляет собой необходимый этап получения информации на этапах разработки СД-излучателей. Последние имеют узкополосные спектры излучения, и классические методы фотометрии и колориметрии для них не подходят.
Рис. 2. Структурная схема метрологического комплекса для измерения фотометрический и колориметрических параметров светодиодов
Разработка комплекса велась поэтапно. На первом этапе был проведён анализ международного опыта измерений СД [1] и разработана структурная схема метрологического комплекса для измерения фотометрических величин самосветящих объектов. На втором этапе была разработана гониофотометрическая установка для измерения пространственного распределения силы света CД (рис. 2‒4) и разработана соответствующая методика.
Рис. 3. Гониометр GMS10μ.
Основные элементы установки ‒ гониометр и фотометр с преобразователем производства фирмы X-Rite GmbH Optronic (Германия). Измеряемый излучатель устанавливается в высокоточный механический, автоматизированный гониометр, позволяющий поворачивать излучатель в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Сигнал регистрируется фотометром наивысшего класса точности (f11 ‒ показатель качества коррекции под функцию V(λ) ‒не более 0,8%). При этом возможность измерения пространственного распределения силы света позволяет с высокой точностью рассчитывать световой поток.
Рис. 4. Фотометр SMS10μ
Для определения яркости, координат цветности, КЦТ и относительного спектра самосветящих объектов в видимой области спектра в составе комплекса применяется спектрорадиометр CS-2000 производства фирмы KoniсaMinolta Ltd (Япония). Он имеет прослеживаемость единицы спектральной плотности энергетической яркости от Государственного первичного эталона ГЭТ-86-89 (рис. 5).
Рис. 5. Спектрорадиометр CS-2000
Основные характеристики комплекса:
— Гониометр GMS10μ
Диапазоны поворота: в горизонтальной плоскости ‒ ±160°, в вертикальной плоскости ‒ ±130°; точность установки угла поворота ‒ 0,01°.
— Фотометр SMS10С
Фотометр на основе кремниевого фотодиода, скорригированного под функцию V(λ).
— Спектрорадиометр CS-2000
Прибор работает в видимой области спектра, от 380 до 780 нм, с возможностью вывода значений длины волны с шагом в 1 нм.
Основные метрологические характеристики комплекса:
Диапазон измерения силы света, кд: 1·10-4 ÷1500
Диапазон измерения светового потока, лм 1·10-2 ÷2000
Диапазоны измерения координат цветности
х 0,0039÷0,7347
у 0,0048÷0,8338
Диапазон измерения яркости, кд/м2: 0,001¸300000
Предел допускаемой относительной погрешности при измерении силы света, % ±0,2·10-2
Предел допускаемой относительной погрешности при измерении светового потока, % ±0,2·10-2
Предел допускаемой абсолютной погрешности при измерении координат цветности, абс. ед.
Dх ±0,0002
Dу ±0,0004
Предел допускаемой относительной погрешности при измерении яркости, % 0,5
В процессе разработки метрологического комплекса во ФГУП «ВНИИОФИ» на основе экспериментальных данных были разработаны и занесены в федеральный реестр 4 методики измерений:
— МВИ 02-2009 ФР.1.37.2009.06544 «Методика выполнения измерений (МВИ 02-2009) силы света излучателей на основе полупроводниковых многослойных наноразмерных гетероструктур (светодиодов) с использованием спектрорадиометрического метода».
— МВИ 03-2009 ФР.1.37.2009.06545 «Методика выполнения измерений (МВИ 03-2009) светового потока излучателей на основе полупроводниковых многослойных наноразмерных гетероструктур (светодиодов) с использованием гониофотометрического комплекса Optronik 10m».
— МВИ 04-2009 ФР.1.37.2009.06546 «Методика выполнения измерений (МВИ 04-2009) яркости излучателей на основе полупроводниковых многослойных наноразмерных гетероструктур (светодиодов) с использованием спектрорадиометра Konica-Minolta CS-2000».
— МВИ 05-2009 ФР.1.37.2009.06547 «Методика выполнения измерений (МВИ 05-2009) координат цветности излучателей на основе полупроводниковых многослойных наноразмерных гетероструктур (светодиодов)».
[1] CIE 127:2007 «Measurement of LEDs»
Авторы: Т.Б. ГОРШКОВА, И.В. РЫЖКОВ, В.И. САПРИЦКИЙ