RU115469U1

RU115469U1 - DEVICE FOR MEASURING THE AVERAGE LED LIGHT POWER

Info

Publication number: RU115469U1
Application number: RU2011148566/28U
Authority: RU
Inventors: Александр Викторович Данильчик; Владимир Анатольевич Ждановский; Виталий Зигмундович Зубелевич; Евгений Викторович Луценко; Сергей Викторович Никоненко; Николай Викторович Ржеуцкий
Priority date: 2011-11-29
Filing date: 2011-11-29
Publication date: 2012-04-27

Abstract

Устройство для измерения усредненной силы света светодиодов, включающее гониометр, обеспечивающий возможность вращения вокруг вертикальной оси и горизонтальной оси испытуемых светодиодов и светодиодных осветителей с помощью двух поворотных платформ, двухканальный контроллер шаговых двигателей, обеспечивающий автоматизированное управление поворотными платформами, держатель источников излучения, оптическую скамью, фотометр, включающий фотометрическую головку и блок регистрации, радиометр, включающий фотодиодную головку и блок регистрации, держатели фотометрической и фотодиодной головок, систему питания источников излучения, состоящую из программируемого источника тока/мультиметра и цифрового мультиметра, персональный компьютер, отличающееся тем, что содержит систему юстировки и измерения расстояния, состоящую из двух цифровых камер, двух координатных меток, юстировочного лазера, двулучевого юстировочного лазера, набора калиброванных концевых мер, угольника и глубиномера; обеспечивающую одновременную визуализацию процесса юстировки испытуемого источника излучения в двух взаимоперпендикулярных плоскостях и получение фиксированных изображений с помощью функции стоп-кадра, систему термостабилизации, состоящую из термоконтроллера, элемента Пельтье и датчика температуры, обеспечивающую задание и поддержание стабильной температуры испытуемых источников излучения. A device for measuring the average luminous intensity of LEDs, including a goniometer, which provides the ability to rotate around the vertical axis and the horizontal axis of the tested LEDs and LED illuminators using two turntables, a two-channel stepper motor controller that provides automated control of turntables, a holder for radiation sources, an optical bench, a photometer , including a photometric head and a registration unit, a radiometer, including a photodiode head and a registration unit, holders of photometric and photodiode heads, a power supply system for radiation sources, consisting of a programmable current source / multimeter and a digital multimeter, a personal computer, characterized in that it contains an adjustment system and distance measurement, consisting of two digital cameras, two fiducial marks, an alignment laser, a two-beam alignment laser, a set of calibrated gauge blocks, a square and a depth gauge; providing simultaneous visualization of the alignment process of the tested radiation source in two mutually perpendicular planes and obtaining fixed images using the freeze frame function, a thermal stabilization system consisting of a temperature controller, a Peltier element and a temperature sensor, which ensures the setting and maintenance of a stable temperature of the tested radiation sources.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике в части создания устройства для измерения усредненной силы света светодиодов.The utility model relates to measuring technique in terms of creating a device for measuring the average light intensity of LEDs.

Устройство может быть использовано в качестве средства измерения усредненной силы света, силы света и излучения светодиодов и светодиодных осветителей.The device can be used as a means of measuring the average light intensity, light intensity and radiation of LEDs and LED illuminators.

Так как универсальной геометрии измерений, применимой к большому числу типов светодиодов, не существует, то для корректного сравнении их оптических характеристик Международная комиссия по освещению (МКО) рекомендовало характеристику излучения светодиодов, называемую усредненной силой света, которая определяется как сила света в стандартных условиях А и В. Эти условия отличаются расстоянием между светодиодом и плоскостью апертурной диафрагмы фотоприемника, установленных на одной механической оси: для условия А - 316 мм, для условия В - 100 мм, что соответствует телесному углу 0,001 ср для условия А, и 0,01 ср для условия В [1]. При этом соответствующие плоские углы раствора равны примерно 2° и 6,5°. Оба условия обуславливают использование приемника с круговой апертурной диафрагмой площадью 100 мм² (диаметр 11,3 мм). Измерение фотометрических и радиометрических величин, согласно [1], можно проводить методами, реализующими как детекторный, так и излучательный подход. При реализации детекторного подхода при измерении усредненной силы света следует применять калиброванный фотометр с индексом спектрального рассогласования f′₁ не хуже 3% [1]Since there is no universal measurement geometry applicable to a large number of types of LEDs, for the correct comparison of their optical characteristics, the International Commission on Lighting (CIE) recommended a characteristic for the emission of LEDs, called the average light intensity, which is defined as the light intensity under standard conditions A and B. These conditions differ in the distance between the LED and the plane of the aperture diaphragm of the photodetector mounted on the same mechanical axis: for condition A - 316 mm, for condition B - 100 mm, which corresponds to a solid angle of 0.001 sr for condition A, and 0.01 sr for condition B [1]. In this case, the corresponding flat solution angles are approximately 2 ° and 6.5 °. Both conditions determine the use of a receiver with a circular aperture diaphragm with an area of 100 mm ² (diameter 11.3 mm). The measurement of photometric and radiometric quantities, according to [1], can be carried out by methods that implement both the detector and radiative approaches. When implementing the detector approach for measuring the averaged light intensity, a calibrated photometer with a spectral mismatch index f ′ ₁ no worse than 3% should be used [1]

Известно устройство для измерения усредненной силы света светодиодов [2]. Оно включает основание, которое предоставляет собой опорную плиту со специальным вертикальным выступом, имеющим сквозное цилиндрическое отверстие, параллельно основанию опорной плиты, и предназначенное для установки фотометрической головки фотометра с внешнего выступа. С другой стороны выступа установлен гониометр, с закрепленным испытуемым светодиодом на одной оптической оси с фотометрической головкой. Фототек фотометрической головки преобразуется в напряжение и регистрируется цифровым прибором. Гониометр обеспечивает поворот испытуемого светодиода вокруг вертикальной оси ±90°, и 360° вокруг горизонтальной оси. Основная конструкция устройства обеспечивает измерение усредненной силы света светодиодов при условии МКО В. Для обеспечения измерений при условии А в отверстие опорной плиты вместо фотометрической головки устанавливается цилиндрическая втулка, а фотометрическая головка закрепляется на другом конце втулки. Недостатками данного устройства является то, что обеспечена возможность измерения только усредненной силой света светодиодов; отсутствует система терморегулирования, контроля и управления температурой светодиодов, отсутствует система юстировки и измерения расстояния.A device for measuring the average light intensity of LEDs [2]. It includes a base, which provides a base plate with a special vertical protrusion having a through cylindrical hole parallel to the base of the base plate, and designed to mount the photometric head of the photometer from the outer protrusion. A goniometer is installed on the other side of the protrusion, with the LED under test mounted on the same optical axis with a photometric head. The photo library of the photometric head is converted to voltage and recorded by a digital device. The goniometer provides rotation of the LED under test around a vertical axis ± 90 °, and 360 ° around a horizontal axis. The basic design of the device provides the measurement of the average light intensity of the LEDs under the condition of MCO B. To ensure the measurements under condition A, a cylindrical sleeve is installed in the hole of the base plate instead of the photometric head, and the photometric head is fixed at the other end of the sleeve. The disadvantages of this device is that it is possible to measure only the average light intensity of the LEDs; there is no system of temperature control, control and temperature control of LEDs, there is no system of adjustment and distance measurement.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству (прототип) является установка, предназначенная для измерения фотометрических и цветовых характеристик возимых эталонных светодиодов [3]. Установка состоит из: набора возимых эталонных светодиодов со встроенным терморезистором; системы питания светодиодов; системы терморегулирования эталонных светодиодов; автоматизированного гониометра; держателя светодиодов; фотометра; радиометра; спектрометра; системы юстировки, состоящей из юстировочного лазера и цифровой камеры; блока установки приемников и юстировочного лазера; автоматизированной платформы линейного перемещения; персонального компьютера.The closest in technical essence to the claimed device (prototype) is an installation designed to measure the photometric and color characteristics of portable reference LEDs [3]. The installation consists of: a set of portable reference LEDs with a built-in thermistor; LED power systems; thermal control systems of standard LEDs; automated goniometer; LED holder; photometer; radiometer; spectrometer; an alignment system consisting of an alignment laser and a digital camera; receiver installation unit and alignment laser; automated linear displacement platform; personal computer.

Недостатками данной установки являются то, что обеспечена возможность измерения усредненной силы света, силы света и излучения только эталонных светодиодов; система терморегулирования обеспечивает контроль и управление температурой только эталонных светодиодов. Система юстировки светодиодов не обеспечивает одновременное наблюдения за положением испытуемого эталонного светодиода во фронтальной и профильной плоскостях При этом после завершения юстировки светодиода в одной плоскости и юстировки его по другой, нужно возвращаться в исходное положение, так как при таком способе юстировки необходимый результат достигается методом последовательных приближений.The disadvantages of this installation are that it is possible to measure the average light intensity, light intensity and radiation of only standard LEDs; the temperature control system provides temperature control and control only reference LEDs. The LED alignment system does not provide simultaneous monitoring of the position of the test reference LED in the frontal and profile planes. After aligning the LED in one plane and aligning it in the other, you need to return to its original position, since with this alignment method the necessary result is achieved by the method of successive approximations .

Задачей полезной модели является создание устройства, обеспечивающего с высокой точностью измерение усредненной силы света, силы света и излучения светодиодов и светодиодных излучателей.The objective of the utility model is to create a device that provides with high accuracy the measurement of the average light intensity, light intensity and radiation of LEDs and LED emitters.

Поставленная задача решается тем, что устройство для измерения усредненной силы света светодиодов содержит: сертифицированный гониометр, обеспечивающий возможность вращения вокруг вертикальной оси и горизонтальной оси испытуемых светодиодов и светодиодных излучателей с помощью двух поворотных платформ; держатель источников излучения установленный на поворотную платформу, вращающуюся вокруг горизонтальной оси; оптическую скамью; фотометр, включающий фотометрическую головку и блок регистрации; радиометр, включающий фотодиодную головку и блок регистрации; держатели фотометрической и фотодиодной головок; систему питания источников излучения, состоящую из программируемого источника тока/мультиметра и цифрового мультиметра; персональный компьютер. Для управления гониометром использован двухканальный контроллер шаговых двигателей, обеспечивающий автоматизированное управление поворотными платформами. Для прецизионной установки испытуемого светодиода и светодиодного излучателя и при необходимости получения их фиксированных изображений с помощью функции стоп-кадра, использована система юстировки и измерения расстояния, состоящая из двух цифровых камер, двух координатных меток, юстировочного лазера, двулучевого юстировочного лазера, набора калиброванных концевых мер, угольника и глубиномера. Для контроля температуры испытуемых светодиодов и светодиодных излучателей использована система термостабилизации, состоящая из термоконтроллера, элемента Пельтье, радиатора и датчика температуры, обеспечивающая задание и поддержание стабильной температуры. Все это позволяет проводить измерения при различных стабильных температурных условиях и минимизировать ошибки измерения силы света и излучения, обусловленные дрейфом и флуктуациями температуры, а также позволяет расширить номенклатуру испытуемых светодиодов и светодиодных излучателей.The problem is solved in that the device for measuring the average light intensity of the LEDs contains: a certified goniometer that provides the ability to rotate around the vertical axis and horizontal axis of the tested LEDs and LED emitters using two rotary platforms; a holder of radiation sources mounted on a turntable rotating around a horizontal axis; optical bench; a photometer including a photometric head and a recording unit; a radiometer including a photodiode head and a recording unit; holders of photometric and photodiode heads; a power supply system for radiation sources, consisting of a programmable current source / multimeter and a digital multimeter; Personal Computer. To control the goniometer, a two-channel stepper motor controller is used, which provides automated control of turntables. For precision installation of the test LED and LED emitter and, if necessary, obtaining their fixed images using the freeze frame function, an alignment and distance measurement system consisting of two digital cameras, two coordinate marks, an alignment laser, a two-beam alignment laser, and a set of calibrated end measures was used , angle and depth gauge. To control the temperature of the tested LEDs and LED emitters, a thermal stabilization system was used, consisting of a temperature controller, a Peltier element, a radiator, and a temperature sensor, which ensures setting and maintaining a stable temperature. All this makes it possible to carry out measurements under various stable temperature conditions and minimize errors in measuring the intensity of light and radiation caused by drift and temperature fluctuations, and also allows you to expand the range of tested LEDs and LED emitters.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена схема предлагаемой полезной модели.The essence of the utility model is illustrated in the drawing, which shows a diagram of the proposed utility model.

Устройство, изображенное схематически на фигуре 1, согласно полезной модели содержит: гониометр 1, обеспечивающий возможность вращения вокруг вертикальной оси и горизонтальной оси испытуемых светодиодов и светодиодных излучателей 2 с помощью двух поворотных платформ 3, 4; контроллер шаговых двигателей 5; держатель источников излучения 6; оптическую скамью 7; фотометр, включающий фотометрическую головку 8 и блок регистрации 9; радиометр, включающий фотодиодную головку 10 и блок регистрации 77; держатели фотометрической и фотодиодной головок 72; систему юстировки и измерения расстояния 13, состоящую из двух цифровых камер 14 и 15, двух координатных меток 16 и 77, котировочный лазер 18, двулучевой юстировочный лазер 19, набор калиброванных концевых мер, угольника и глубиномера 20; систему термостабилизации, состоящую из термоконтроллера 27, элемента Пельтье и радиатора 22 и датчика температуры 23; систему питания источников излучения, состоящую из программируемого источника тока/мультиметра 24 и цифрового мультиметра 25; персональный компьютер 26.The device shown schematically in figure 1, according to a utility model, comprises: a goniometer 1, which allows rotation around the vertical axis and horizontal axis of the test LEDs and LED emitters 2 using two rotary platforms 3, 4; stepper motor controller 5; holder of radiation sources 6; optical bench 7; a photometer including a photometric head 8 and a recording unit 9; a radiometer including a photodiode head 10 and a recording unit 77; holders of photometric and photodiode heads 72; an adjustment and distance measuring system 13, consisting of two digital cameras 14 and 15, two coordinate marks 16 and 77, a quotation laser 18, a two-beam adjustment laser 19, a set of calibrated end gauges, a square and a depth gauge 20; a thermal stabilization system consisting of a temperature controller 27, a Peltier element and a radiator 22 and a temperature sensor 23; a power supply system for radiation sources, consisting of a programmable current source / multimeter 24 and a digital multimeter 25; personal computer 26.

Измерение усредненной силы света, силы света и излучения светодиодов и светодиодных излучателей, в общем случае осуществляют следующим образом. Испытуемый светодиод (или светодиодный излучатель) 2 закрепляют в держателе источников излучения 6. Устанавливают датчик температуры 23 на испытуемом источнике излучения, а затем необходимое значение температуры. Устанавливают фотометрическую 8 или фотодиодную головку 10 на держатель 12. Юстируют положение центра источника излучения и центра фоточувствительной плоскости фотометрической 8 или фотодиодной головок 10 с помощью системы юстировки и измерения расстояния 13 и измеряют расстояние между ними. Запускают программу устройства, которая активирует используемые приборы. Устанавливают последовательно в программе тип установленного приемника - фотометр, если измеряется сила света или радиометр, если измеряется сила излучения, а также число отсчетов измерений. При необходимости, дополнительно проводят юстировку установленного излучателя и центра фоточувствительной плоскости фотометрической 8 или фотодиодной головок 10 управляя командами с компьютера гониометром, а по окончании повторно измеряют расстояние между ними. Затем с помощью программируемого источника тока/мультиметра 24 устанавливают необходимый режим питания светодиодных источников излучения. Значения тока и напряжения в цепи питания измеряют мультиметром 25. После чего измеряют темновой ток фотометра или радиометра, при этом сигналы фотоприемников регистрируются блоком регистрации фотометра 9 или блоком регистрации радиометра 77 и передаются на персональный компьютер 26, с помощью которого выполняется обработка сигналов, а данные сохраняются в отдельный файл. Включают испытуемый светодиод или светодиодный излучатель и начинают измерения. После старта измерений производится запись сигналов фотоприемников регистрируемых блоком регистрации фотометра 9 или блоком регистрации радиометра 11. Данные передаются на персональный компьютер 26. Одновременно с помощью компьютера осуществляется регистрация значений тока и напряжения в цепи питания светодиодных излучателей, а также значения температуры, измеряемые системой термостабилизации. Полученные результаты измерений сохраняются в файл и отображаются одновременно на мониторе компьютера в численном и графическом виде.The measurement of the averaged light intensity, light intensity and radiation of LEDs and LED emitters, in the General case, as follows. The test LED (or LED emitter) 2 is fixed in the holder of the radiation sources 6. Install the temperature sensor 23 on the test radiation source, and then the required temperature value. Install the photometric 8 or photodiode head 10 on the holder 12. Adjust the position of the center of the radiation source and the center of the photosensitive plane of the photometric 8 or photodiode heads 10 using the alignment system and measure the distance 13 and measure the distance between them. Run the device program, which activates the devices used. The type of the installed receiver is installed sequentially in the program - a photometer, if the light intensity is measured, or a radiometer, if the radiation intensity is measured, as well as the number of measurement samples. If necessary, an additional adjustment of the installed emitter and the center of the photosensitive plane of the photometric 8 or photodiode heads 10 is carried out by controlling the commands from the computer with a goniometer, and at the end, the distance between them is re-measured. Then, using the programmable current source / multimeter 24, the necessary power mode of the LED radiation sources is set. The values of current and voltage in the power circuit are measured with a multimeter 25. After that, the dark current of the photometer or radiometer is measured, while the signals of the photodetectors are registered by the photometer registration unit 9 or the radiometer registration unit 77 and transmitted to a personal computer 26, with which the signals are processed, and the data saved to a separate file. The test LED or LED emitter is turned on and measurements are started. After the start of the measurements, the signals of the photodetectors recorded by the registration unit of the photometer 9 or the registration unit of the radiometer 11 are recorded. The data are transmitted to a personal computer 26. At the same time, the computer records the current and voltage in the power supply circuit of the LED emitters, as well as the temperature values measured by the thermal stabilization system. The obtained measurement results are saved to a file and displayed simultaneously on a computer monitor in numerical and graphic form.

Усредненную силу света светодиода для условия МКО А (или В), в канделах, определяют по формуле:The average light intensity of the LED for the conditions of the MCO A (or B), in candelas, is determined by the formula:

где l_A(B) - расстояние, соответствующее стандартным условиям МКО А или В, м; E_A(B) - освещенность, измеренная фотометром при стандартных условиях МКО А или В, лк.where l _{A (B)} is the distance corresponding to the standard conditions of the MCO A or B, m; E _{A (B)} - illumination measured by a photometer under standard conditions of MCO A or B, lux.

Значение силы света I_v,i, в канделах, рассчитывают по формуле по результатам измерения освещенности фотометром E_v,i, и расстояния l между входной апертурой фотометра и светодиодным источником излученияThe value of luminous intensity I _{v, i} , in candela, is calculated by the formula according to the results of measuring the illumination with a photometer E _{v, i} , and the distance l between the input aperture of the photometer and the LED radiation source

Значение силы излучения I_е,i рассчитывается по формуле подобной (2), в ваттах на стереорадиан, по результатам измерения плотности мощности излучения Е_σ, которая рассчитывается по формулеThe value of the radiation force I _{e, i is} calculated by a formula similar to (2), in watts per stereoradian, by measuring the radiation power density E _σ , which is calculated by the formula

где - среднее арифметическое значение мощности излучения, Вт; ^σ - площадь диафрагмы фотодиодной головки, м².Where - the arithmetic average of the radiation power, W; ^σ is the diaphragm area of the photodiode head, m ² .

Относительную суммарную стандартную неопределенность измерений освещенности u°_с(E_А(В)) при условиях МКО А (или В) рассчитывают по формулеThe relative combined standard uncertainty of measurement u ° illumination _with (E _{A (B))} for the ICE conditions A (or B) is calculated by the formula

где - относительная стандартная неопределенность измерения освещенности в условиях А и В, %; u°_кал(E) - относительная стандартная неопределенность измерения освещенности фотометра. u°_кад(E)=U/k, где U=0,8; k - коэффициент охвата.Where - relative standard uncertainty of illumination measurement in conditions A and B,%; u ° _cal (E) is the relative standard uncertainty of measuring the illumination of the photometer. u ° _cad (E) = U / k, where U = 0.8; k is the coverage factor.

Относительную суммарную стандартную неопределенность определения усредненной силы света u°_с(I_LED(В)) при условии МКО А (или В) рассчитывают по формулеThe relative total standard uncertainty of determining the average luminous intensity u ° _c (I _{LED (B)} ) under the condition of MCO A (or B) is calculated by the formula

где u°_l - относительная стандартная неопределенность измерения расстояния с помощью концевых мер согласно сертификату об их калибровке.where u ° _l is the relative standard uncertainty of distance measurement using end measures according to their calibration certificate.

Относительную суммарную стандартную неопределенность измерений освещенности, силы света и излучения вычисляют по формулам аналогичным (4)-(5).The relative total standard uncertainty of measurements of illumination, light intensity and radiation is calculated by formulas similar to (4) - (5).

Предлагаемое устройство для измерения усредненной силы света светодиодов позволяет: расширить номенклатуру испытуемых светодиодов и светодиодных осветителей; повышает точность измерения за счет минимизации ошибки измерения силы света и излучения, обусловленных дрейфом и флуктуациями температуры с помощью установки и контроля температуры источников излучения различных типов, что также позволяет проводить измерения при различных стабильных температурных условиях; повышает точность измерения за счет системы юстировки и измерения расстояния с одновременной визуализацией процесса юстировки испытуемого источника излучения в двух взаимоперпендикулярных плоскостях, а также прецизионным измерением расстояния между излучателем и плоскостью входной апертуры фотометрической или фотодиодной головокThe proposed device for measuring the average light intensity of LEDs allows you to: expand the range of tested LEDs and LED illuminators; improves measurement accuracy by minimizing the measurement error of light and radiation due to drift and temperature fluctuations by setting and monitoring the temperature of various types of radiation sources, which also allows measurements under various stable temperature conditions; improves measurement accuracy due to the alignment system and distance measurement with simultaneous visualization of the alignment process of the test radiation source in two mutually perpendicular planes, as well as precision measurement of the distance between the emitter and the input aperture plane of the photometric or photodiode heads

Источники информации, принятые во внимание:Sources of information taken into account:

1. CIE 127:2007 Technical report CIE. Measurement of LEDs. 2nd edition Publication. - Vienna, CIE Central Bureau, 2007 - 32 p.1. CIE 127: 2007 Technical report CIE. Measurement of LEDs. 2nd edition Publication. - Vienna, CIE Central Bureau, 2007 - 32 p.

2. Патент CN 2556614 (Y) от 25.07.2002 на полезную модель «Average luminous intensity measurer of light-emitting diode». Заявитель - Univ Zhejiang. Автор - Chao Bao. Опубликовано 18.06.2003. (Китай).2. Patent CN 2556614 (Y) dated July 25, 2002 for the utility model “Average luminous intensity measurer of light-emitting diode”. Applicant - Univ Zhejiang. Posted by Chao Bao. Published 06/18/2003. (China).

3. M.Lindemann, R.Maas. Photometry and colometry of reference LEDs by using a compact goniophotometer. Joumel of Metrology of India. Vol.24, №3, 2009, P.143-152;3. M. Lindemann, R. Maas. Photometry and colometry of reference LEDs by using a compact goniophotometer. Joumel of Metrology of India. Vol.24, No. 3, 2009, P.143-152;

Claims

Device for measuring the average light intensity of LEDs, including a goniometer, which allows rotation of the test LEDs and LED illuminators around the vertical axis and horizontal axis using two rotary platforms, a two-channel stepper motor controller that provides automated control of rotary platforms, a radiation source holder, an optical bench, a photometer including a photometric head and a recording unit, a radiometer including a photodiode head and a re itrations, holders of photometric and photodiode heads, a power supply system for radiation sources consisting of a programmable current source / multimeter and a digital multimeter, a personal computer, characterized in that it contains an alignment and distance measurement system consisting of two digital cameras, two coordinate marks, an alignment laser , a two-beam adjustment laser, a set of calibrated end gauges, a square and a depth gauge; providing simultaneous visualization of the alignment of the test radiation source in two mutually perpendicular planes and obtaining fixed images using the freeze frame function, a thermal stabilization system consisting of a temperature controller, a Peltier element and a temperature sensor, which provides setting and maintaining a stable temperature of the tested radiation sources.