Una panoramica sulle misure ottiche

L'industria del LED sta rapidamente crescendo e questo porta naturalmente alla necessità di effettuare misure affidabili che spesso costituiscono la base per un confronto equo tra i dispositivi di diversi produttori. Di conseguenza, esiste una spinta a livello industriale per gli standard che garantiscono misure accurate e ripetibili delle proprietà ottiche per i dispositivi LED classici e quelli a stato solido (SSL). Al seguente link un interessante articolo dal titolo "Risparmio energetico: il ruolo chiave dell’illuminazione a stato solido"

Introduzione

La relazione CIE 127: 2007 della Commissione Internazionale sull'illuminazione copre le linee guida su come le grandezze fotometriche, radiometriche e colorimetriche per singoli LED dovrebbero essere misurate nei laboratori di calibrazione. Tuttavia, il rapporto lascia la responsabilità nei confronti dei produttori di LED e prodotti SSL per garantire che le apparecchiature misurino correttamente le proprietà ottiche dei loro prodotti.

La distribuzione dello spettro di una sorgente luminosa descrive la quantità di energia radiometrica emessa dalla sorgente stessa per unità di lunghezza d'onda. La conoscenza della distribuzione dello spettro luminoso in una sorgente consente all'utente di derivare altre proprietà ottiche utili per la sorgente luminosa, comprese le coordinate cromatiche, la lunghezza d'onda dominante, la purezza, la temperatura di colore correlata (CCT), l'indice di rendering dei colori ( CRI), lunghezza d'onda di picco, lunghezza d'onda del centroid e FWHM.

Le prestazioni ottiche dei LED e dei prodotti SSL possono essere misurate per mezzo di una sfera di integrazione. Le discrepanze delle prestazioni, che sono osservate per lo stesso prodotto SSL quando sono testate in due sistemi di misura ottici diversi, sono spesso dovute a procedure di calibrazione incoerenti e differenze nella gestione del dispositivo in esame. In particolare, le linee guida per la calibrazione delle apparecchiature usate per le sorgenti luminose convenzionali non sono sempre adeguate per il prodotto LED e SSL dovuto al loro elevato contenuto spettrale nella regione blu.

Tipicamente vengono utilizzati due strumenti di misura diversi per caratterizzare la distribuzione radiante dello spettro luminoso in una sorgente (figura 1): una sfera di integrazione che raccoglie tutte le luci da una sorgente luminosa posta all'interno della sfera; un goniometro che misura la distribuzione dello spettro di una sorgente luminosa da diversi angoli e integra i risultati per produrre una distribuzione spettrale combinata per la sorgente luminosa. A causa della sua facilità d'uso, una sfera è spesso preferita ad un goniometro per misurare le prestazioni dei singoli LED e dei prodotti SSL. Al seguente link un interessante articolo dal titolo "Illuminazione a LED: un futuro radioso".

Figura 1: una sfera (a) e un goniometro (b) per le misure dei parametri ottici

La sfera di integrazione

Esistono due tipi di configurazioni per una sfera di integrazione utilizzata per caratterizzare le prestazioni ottiche dei LED e dei prodotti SSL (Figura 2). Una congiunzione 4π è più adatta per una sorgente luminosa omnidirezionale, mentre una congiunzione 2π è più adatta per una sorgente luminosa che emette in avanti (figura 2).

Figura 2: Tipiche configurazioni di sfere di integrazione per le misure ottiche: una congiunzione omnidirezionale 4π (sinistra) e una 2π (a destra).

In generale un sistema completo di test è costituito dai seguenti componenti:

una sfera di integrazione;
standard di calibrazione di riferimento (lampada spettrale, LED di riferimento), calibrati da un laboratorio certificato ISO / IEC 17025 e alimentatori appropriati;
spettroradiometro;
lampada ausiliaria e alimentazione;
computer e software per la calibrazione e la misura.

Le sfere di integrazione possono essere utilizzate per caratterizzare una varietà di sorgenti luminose, inclusi LED e prodotti SSL. Tuttavia, per ottenere risultati più accurati per i LED, è necessario rispettare determinate procedure di calibrazione. In particolare, il processo di calibrazione standard per una sfera di integrazione deve essere adattato ai LED in modo da tenere conto adeguatamente dell'alto livello radiale nella regione blu. Al seguente link un approfondimento dal titolo "LED Matrix Player: la scheda per gestire matrici e strisce di led".

Procedure di calibrazione

La sfera di integrazione e lo spettroradiometro corrispondente devono essere adeguatamente tarati prima di misurare qualsiasi prodotto LED o SSL. Una possibile calibrazione è la seguente procedura:

1. Raccogliere la lettura di fondo per la sfera d'integrazione. Questa lettura viene utilizzata per reimpostare il rivelatore della sfera di integrazione a "zero". Per questa misura, il sistema a sfera deve essere oscurato da tutta la luce ambiente. È consigliabile mantenere lo stesso livello di luce ambiente durante tutto il processo di misura.

2. Calibrazione della lunghezza d'onda con standard di riferimento. La sfera di integrazione deve essere prima calibrata per la lunghezza d'onda. A tal fine, la luce da uno o più standard di riferimento (ad es. Lampade di origine HgAr e HeNe) dovrebbe essere diretta nella sfera di integrazione.

3. Calibrazione spettrale con lampada a banda larga. La risposta spettrale combinata della sfera di integrazione e dello spettroradiometro deve essere calibrata a uno standard spettrale a banda larga, calibrata da un laboratorio certificato ISO / IEC 17025. Per garantire una risposta accurata attraverso lo spettro visivo, la luce di una lampada spettrale a banda larga dovrebbe essere diretta nella sfera di integrazione.

4. Calibrazione assoluta con un LED bianco. Una tipica lampada spettrale a banda larga (incandescente) ha un'energia molto bassa nella regione blu e una energia significativamente maggiore nelle regioni rosse e infrarosse. Ciò può provocare maggiori quantità di luce strappata dalla regione infrarossa alla regione visibile dello spettrometro durante la fase di calibrazione spettrale. Anche il basso rapporto segnale / rumore nella regione blu rende la calibrazione spettrale meno affidabile rispetto alle regioni rosse e infrarosse. Un LED bianco, al contrario, emette solo la luce nello spettro visibile e niente nello spettro a infrarossi. Quindi la quantità di luce "scorretta" che raggiunge lo spettrometro è notevolmente inferiore. Inoltre, rispetto ad altre sorgenti luminose, i LED bianchi emettono in genere una gran parte della loro energia nello spettro blu. Di conseguenza, una sfera [...]

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