LEDs – ครองเทคโนโลยีแสงสว่าง
หากเคยมีคำถามใดๆ ว่า LED จะเป็นเทคโนโลยีแสงสว่างที่โดดเด่น ให้มองไปรอบๆ พวกเขาแทบทุกที่ ตั้งแต่ตัวบ่งชี้มาตรฐานของอุปกรณ์สเตอริโอ แล็ปท็อปและของเล่นไปจนถึงสัญญาณไฟจราจร ป้ายข้อความแบบแปรผัน และไฟส่องสว่างในรถยนต์ ไฟ LED มีการเติบโตอย่างรวดเร็วในช่วงหลายปีที่ผ่านมาโดยไม่มีจุดสิ้นสุด สาเหตุส่วนใหญ่เกิดจากระดับความสว่างที่เพิ่มมากขึ้นเรื่อยๆ ด้วยวัสดุใหม่และกระบวนการผลิตแผ่นเวเฟอร์ ตลอดจนการถือกำเนิดของไฟ LED สีฟ้าและสีขาวสำหรับ RGB (สีเต็ม) และการใช้งานการส่องสว่างทั่วไป เมื่อระดับความซับซ้อนในการใช้ LED สูงขึ้น ความจำเป็นในการวัดคุณสมบัติทางแสงของ LED ที่แม่นยำก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน ฉันอยู่ในอุตสาหกรรมออปโตอิเล็กทรอนิกส์มาเกือบ 25 ปีแล้ว และคำถามที่พบบ่อยที่สุดที่ฉันมักถูกถามมักเกี่ยวข้องกับการวัด LED (ลูเมนคืออะไร ฉันจะแปลงจากลูเมนเป็นแคนเดลาได้อย่างไร ฉันจะวัดความสว่างได้อย่างแม่นยำได้อย่างไร เหตุใดการวัดของฉันจึงไม่เหมือนกับค่าของคุณ) ฉันหวังว่าจะได้แก้ไขปัญหาเหล่านี้และปัญหาที่คล้ายคลึงกันในบทความต่อๆ ไป รายละเอียดของการวัดเชิงแสงในจานดิสเบรคนี้จะแบ่งออกเป็นสี่หัวข้อที่แยกจากกันแต่มีความสัมพันธ์กัน ปริมาณแสง ปริมาณรังสี ปริมาณความยาวคลื่นหรือสี และสุดท้าย ปริมาณเชิงมุมหรือโกนิโอเมตริก แม้ว่าหนังสือทั้งเล่มจะเขียนได้ง่ายเกี่ยวกับหน่วย มาตรฐาน และวิธีการทดสอบข้างต้น แต่ฉันจะพยายามสรุปประเด็นทั่วไปและประเด็นพื้นฐานที่น่าสนใจ
การวัดแสง
Photometry เป็นเพียงการวัดแสงในสเปกตรัมที่มองเห็นได้ (ประมาณ 380nm-770nm) นี่คือแสงที่มองเห็นได้ด้วยตาเปล่าของผู้สังเกตการณ์โดยเฉลี่ยของมนุษย์ หน่วยโฟโตเมตริกมีหลายประเภท เช่น nits (cd/m2), lux (lumen/m2), footcandles (lumen/ft2), stilb (cd/cm2) เป็นต้น ทั้งหมดนี้เป็นไปตามมาตรฐานโฟโตเมตริกพื้นฐานสองมาตรฐาน ลูเมนและแคนเดลา แคนเดลาเป็นหน่วยของความเข้มของการส่องสว่าง ซึ่งสามารถกำหนดเป็นปริมาณของฟลักซ์การส่องสว่าง (พลังงานการส่องสว่างทั้งหมดที่ปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิดและแสดงเป็นลูเมน) ต่อหน่วยมุมทึบในทิศทางที่กำหนด ลูเมนสามารถกำหนดเป็นฟลักซ์การส่องสว่างที่ปล่อยออกมาต่อมุมที่เป็นของแข็งต่อหน่วยจากแหล่งกำเนิดจุดที่สม่ำเสมอซึ่งมีความเข้มของการส่องสว่างเท่ากับ 1 แคนเดลา (1 แคนเดลา=1 ลูเมน/สเตอเรเดียน) สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจคำจำกัดความของสเตอเรเดียน ซึ่งก็คือมุมทึบ (รูปกรวย) ที่ศูนย์กลางของทรงกลมรัศมี “r” ที่ซับพื้นที่ “r2” บนพื้นผิวของ ทรงกลม (ดูรูปที่ 1) พื้นที่ผิวของทรงกลมคือ 4π r2; ดังนั้น ทรงกลมจึงมี 4π สเตอเรเดียน ไฟ LED มาตรฐานส่วนใหญ่ที่ให้มาในปัจจุบันมีหน่วยวัดเป็นแคนเดลา อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความต้องการไฟ LED ที่เพิ่มขึ้นเพื่อทดแทนหลอดไส้ในตลาดไฟส่องสว่างทั่วไป ปัจจุบันลูเมนจึงมักถูกใช้เป็นหน่วยวัดสำหรับเอาต์พุตแสง วิธีง่ายๆ ในการแปลงจาก Candela เป็น Lumens แสดงไว้ในรูปที่ 2 (ด้านล่าง) ขั้นตอนที่ 1.) หามุมทึบของ LED w=π * (θ1/2)2 w=π(25)2, สมมติว่ามุมครึ่ง LED เป็น 25° w=π(.43633)2, แปลงองศาเป็นเรเดียน .598 ขั้นตอนที่ 2) คำนวณ Lumens f=Iv * wf=2.00 * .598 สมมติว่าความสว่างของ LED คือ 2000mcd f=1.196 Lumens แม้ว่าการคำนวณเชิงประจักษ์จะแปลงหน่วยโฟโตเมตริกได้หลายประเภท แต่ค่าที่วัดได้จริงอาจแตกต่างไปจากนี้ ค่าที่คำนวณได้เนื่องจากการแปรผันในลักษณะการแผ่รังสีเชิงพื้นที่ของ LED ในกรณีส่วนใหญ่ การคำนวณเชิงประจักษ์นั้นแม่นยำเพียงพอ การแปลงโฟโตเมตริกเพิ่มเติมแสดงอยู่ในรูปที่ 3 แม้ว่าจะมีการแปลงอื่นๆ ที่เป็นไปได้มากมาย เช่น แคนเดลาเป็นไนต์ หรือแลมเบิร์ตเป็นแคนเดลา แต่ไม่มีปัจจัยการคูณโดยตรงแบบง่ายๆ ที่สามารถใช้ได้ อาจจำเป็นต้องมีข้อมูล เช่น พื้นที่ของแหล่งกำเนิดและ/หรือตัวตรวจจับ หรือระยะการวัดและคุณลักษณะเชิงมุม การวัดค่าโฟโตเมตริกของ LED สามารถเป็นงานศิลปะมากกว่าวิทยาศาสตร์ที่แน่นอน มีปัญหาด้านเรขาคณิต ไฟฟ้า และการประกอบต่างๆ ที่อาจส่งผลกระทบอย่างมากต่อคุณสมบัติทางแสงของ LED เนื่องจากไม่มีไฟ LED สองดวงที่เหมือนกันทุกประการ มีขั้นตอนที่จะช่วยเพิ่มความแม่นยำในการวัดของคุณได้อย่างมาก ซึ่งรวมถึงแต่ไม่จำกัดเพียง:
รู้จักศูนย์ออปติคัลการปล่อยแสง LED เทียบกับศูนย์เครื่องจักรกล เมื่อวาง LED ลงในฟิกซ์เจอร์ทดสอบทั่วไป มักจะวางไว้ในลักษณะที่ถือว่าแสงเล็ดลอดออกมาจากจุดศูนย์กลางทางกลไกของอุปกรณ์ ซึ่งมักจะไม่เป็นเช่นนั้น (ดูรูปที่ 4) ศูนย์ออปติคัลมักจะเบี่ยงเบน 5° หรือสูงกว่าจากศูนย์กลางทางกลของ LED แม้ว่าสิ่งนี้อาจไม่ทำให้เกิดปัญหามากนักเมื่อทำการวัดอุปกรณ์ที่มีมุมมองภาพกว้าง เช่น 40° หรือสูงกว่า แต่สำหรับอุปกรณ์ที่มีมุมแคบ ความแตกต่างในการอ่านอาจมีนัยสำคัญ (ควรสังเกตว่าคำแนะนำของ CIE (Commission Internationale de l'Eclairage) คือการใช้แกนทางกลของ LED แทนที่จะเป็นแกนแสงเป็นข้อมูลอ้างอิงในการวัด)
การวัดเอาต์พุตในช่วงเวลาที่กำหนดหรือเมื่อเสถียร เมื่อไฟ LED ได้รับพลังงานครั้งแรก อุณหภูมิของทางแยกจะเพิ่มขึ้นเนื่องจากการใช้พลังงานไฟฟ้า (อุณหภูมิทางแยกของ LED กำหนดโดย Tj=Ta+(Vf*If)*Rth(ja)) อาจใช้เวลาหลายวินาทีหรือหลายนาทีก่อนที่แสงที่ส่งออกจะถึงสมดุลความร้อนและค่าที่เสถียร การลดลงของผลผลิต 5-20% หรือมากกว่านั้นไม่ใช่เรื่องแปลก นี่ไม่ใช่การเสื่อมสภาพถาวรและจะฟื้นคืนสภาพเมื่อไม่มีพลังงาน มักไม่เป็นประโยชน์ที่จะรอเป็นเวลานานเมื่อต้องการทดสอบ LED จำนวนมาก ดังนั้น ช่วงเวลาที่กำหนด เช่น 5 วินาทีมักจะถูกสร้างขึ้น แม้ว่าเอาต์พุตอาจไม่เสถียร
การทำประกันว่าอุณหภูมิแวดล้อมจะสม่ำเสมอในระหว่างการทดสอบ โดยทั่วไปไฟ LED จะเปลี่ยนความสว่างและสีตามอุณหภูมิ เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น เอาต์พุตจะลดลงและสีจะเปลี่ยนไปที่ปลายสเปกตรัมที่สูงขึ้น สิ่งนี้จะอธิบายอย่างละเอียดในการอภิปราย Colorimetry
ใช้แหล่งจ่ายกระแสคงที่เสมอ แรงดันไฟไปข้างหน้า (Vf) ของ LED อาจผันผวนจากอุปกรณ์หนึ่งไปอีกอุปกรณ์หนึ่ง ดังนั้น หากใช้แหล่งจ่ายไฟมาตรฐานหรือแหล่งจ่ายแรงดันไฟ LED แต่ละดวงอาจไม่ได้รับกระแสไฟเท่ากัน
ใช้การตั้งค่าการทดสอบที่ทำซ้ำได้ง่าย การตั้งค่าที่ซับซ้อนอาจใช้ได้ดีสำหรับการวัดในห้องปฏิบัติการ อย่างไรก็ตาม เมื่อ LED จำนวนมากต้องการการทดสอบ ซึ่งแต่ละ LED มีรูปแบบบรรจุภัณฑ์ มุมมอง สี ฯลฯ ต่างกัน ระบบที่สามารถแก้ไขได้อย่างรวดเร็วในขณะที่รับประกันการจัดแนวแกนทางกลที่เหมือนกันและรับประกันเครื่องตรวจจับ มองเห็นส่วนเดียวกันของกรวยปล่อยไอเสียเสมอ
ตรวจสอบให้แน่ใจว่าอุปกรณ์ทั้งหมดได้รับการบำรุงรักษาและสอบเทียบอย่างเหมาะสม
การวัดรังสี
Radiometry หมายถึงการแผ่รังสีทั้งหมดหรือการวัดแสงทั้งหมดไม่ว่าจะอยู่ในสเปกตรัมที่มองเห็น อินฟราเรด หรือรังสีอัลตราไวโอเลต หน่วยพื้นฐานของพลังงานแสงแบบเรดิโอเมตริก (Radiant Power) คือวัตต์ (W) วัตต์เป็นหน่วยสัมบูรณ์เนื่องจากไม่ขึ้นกับความยาวคลื่น แสงอินฟราเรดหนึ่งวัตต์มีพลังงานมากเท่ากับแสงที่มองเห็นได้หนึ่งวัตต์ ศัพท์เรดิโอเมตริกอื่นๆ ที่วัดโดยทั่วไป ได้แก่ ความเข้มของการแผ่รังสี (วัตต์/สเตอเรเดียน), การฉายรังสี (W/m2) และเรเดียนซ์ (W/m2 sr) วิธีการหลักในการวัดกำลังการแผ่รังสีรวม/ฟลักซ์การส่องสว่างคือการใช้ทรงกลมที่รวมเข้าด้วยกัน (ดูรูปที่ 5) ทรงกลมที่รวมเข้าด้วยกันจะวัดแสงที่ปล่อยออกมาจาก LED ในทุกทิศทาง โดยทั่วไป การวัดเหล่านี้ไม่ขึ้นกับมุมมองภาพ และไม่ขึ้นอยู่กับความคลาดเคลื่อนในการวัดเชิงมุมที่เห็นเมื่อทำการทดสอบด้วยโฟโตเมตริก อย่างไรก็ตาม ข้อผิดพลาดยังคงเกิดขึ้นได้ เส้นผ่าศูนย์กลางทรงกลมประมาณ 3 และ 6 นิ้วใช้กันอย่างแพร่หลาย หากความแม่นยำเป็นสิ่งสำคัญ ควรใช้ประเภทเส้นผ่านศูนย์กลางที่ใหญ่กว่าเนื่องจากอัตราส่วนพื้นที่ทรงกลมต่อขนาดของ LED และพอร์ตที่เหมาะสม อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้ยังส่งผลให้สูญเสียความเข้มอีกด้วย สาเหตุของข้อผิดพลาดในการวัดที่สำคัญคือตำแหน่งที่จะวาง LED ภายในทรงกลมที่รวมเข้าด้วยกัน ข้อมูลจำเพาะล่าสุดที่นำมาใช้โดย CIE, Publication 127 ระบุว่าบรรจุภัณฑ์ทั้งหมดของ LED ควรอยู่ภายในทรงกลมซึ่งเรียกว่าการวัดฟลักซ์การส่องสว่าง 2 ครั้ง ควรปฏิบัติตามข้อควรระวังเดียวกันกับที่ใช้สำหรับการวัด LED แบบโฟโตเมตริกเมื่อทำการวัดแบบเรดิโอเมตริก เช่นเดียวกับการแปลงโฟโตเมตริก มีการแปลงเรดิโอเมตริกมากมายที่เป็นไปได้เมื่อได้รับข้อมูลที่เหมาะสม โดยปกติต้องใช้ค่าเรดิโอเมตริกสำหรับการใช้งานที่ใช้ร่วมกับเครื่องตรวจจับภาพ เช่น ในใยแก้วนำแสง การสแกน หรือการตรวจจับ
การวัดสี
การวัดทางวิทยาศาสตร์และการหาปริมาณของสี LED เรียกว่า Colorimetry โดยทั่วไปแล้วหน่วยของมันถูกกำหนดให้เป็นพิกัดสีหรือความยาวคลื่น การรับรู้สีมีความซับซ้อนมาก เพราะไม่เพียงแต่ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางกายภาพต่างๆ ของแสงเท่านั้น แต่ยังขึ้นกับสิ่งต่างๆ เช่น วัตถุรอบๆ ตัว คุณสมบัติทางกลของอุปกรณ์ การตอบสนองของดวงตาของผู้ชม ตลอดจนสภาพทางจิตใจ CIE ได้กำหนดมาตรฐานสำหรับการวัดแสงที่มองเห็นได้ซึ่งเกี่ยวข้องกับ "การตอบสนองมาตรฐานของดวงตามนุษย์" เส้นกราฟผู้สังเกตการณ์มาตรฐานนี้เรียกว่าเส้นกราฟมาตรฐานสร้างขึ้นครั้งแรกในปี 1931 (ดูรูปที่ 6a) จากเส้นโค้งนี้ จะได้ค่าตรีศูลสำหรับการกำหนดสีอย่างแม่นยำ ระบบ X, Y, Z tristimulus ขึ้นอยู่กับสมมติฐานที่ว่าทุกสีเป็นการรวมกันของสามสีหลัก แดง เขียว และน้ำเงิน CIE Chromaticity Diagram ในปี 1931 (ดูรูปที่ 6b) ได้มาจากค่า tristimulus ดังนี้: x=X/(X+Y+Z) หรือ x=Red/(Red {{6} } สีเขียว + สีน้ำเงิน) y=Y/(X+Y+Z) หรือ y=สีเขียว/(สีแดง + สีเขียว + สีน้ำเงิน) ตั้งแต่ ( x + y + z) =1 แกนที่สาม z=1 – (x + y)
โดยปกติพิกัดของสีจะถูกระบุโดยแกน x และ y เท่านั้น โดยทั่วไป ข้อกำหนดทางเทคนิคส่วนใหญ่ที่ผู้ผลิต LED ให้มาจะไม่ระบุพิกัดของสี แต่เป็นค่าสูงสุดของความยาวคลื่นและความยาวคลื่นที่โดดเด่น (เว้นแต่ LED จะเป็นสีขาว) ความยาวคลื่นที่โดดเด่นซึ่งระบุเป็นนาโนเมตรได้มาจากพิกัดสีที่กล่าวถึงข้างต้น โดยพื้นฐานแล้วเป็นสีที่สายตามนุษย์รับรู้ได้จริง ความยาวคลื่นสูงสุดคือความยาวคลื่นที่ความเข้มสเปกตรัมสูงสุด ค่าสูงสุดนั้นหาได้ง่ายและดังนั้นจึงเป็นค่าทั่วไปที่ผู้ผลิต LED กำหนด อย่างไรก็ตาม ค่าสูงสุดนั้นมีความสำคัญในทางปฏิบัติเพียงเล็กน้อยสำหรับการใช้งานที่มองด้วยสายตามนุษย์ เนื่องจาก LED สองดวงอาจมีความยาวคลื่นสูงสุดเท่ากัน แต่สามารถรับรู้ได้ว่าต่างกัน สี ปัจจุบัน วิธีการวัดสีที่แม่นยำที่สุดคือการใช้สเปกโตรเรดิโอมิเตอร์ อุปกรณ์นี้ทำการกระจายกำลังสเปกตรัมที่สมบูรณ์ของแหล่งกำเนิดซึ่งจะทำการวัด ซึ่งพารามิเตอร์โฟโตเมตริก เรดิโอเมตริก และคัลเลอร์เมตริกทั้งหมดสามารถคำนวณทางคณิตศาสตร์ได้ ความแม่นยำของความยาวคลื่นของอุปกรณ์ควรดีกว่า 0.5nm โดยต้องการ 0.1nm ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ มีหลายปัจจัยที่อาจส่งผลต่อค่าที่ได้รับ หนึ่งในนั้นคืออุณหภูมิ เมื่ออุณหภูมิแวดล้อมสูงขึ้น ความยาวคลื่น LED ก็เช่นกัน โดยทั่วไปการเพิ่มขึ้นนี้จะมาจาก 0.1nm/°C-0.2nm/°C ขึ้นอยู่กับประเภทของ LED ที่ใช้
Goniometric / ลักษณะเชิงมุม
หัวข้อสุดท้ายสำหรับการอภิปรายคือการกำหนดลักษณะเชิงมุมหรือเชิงมุม Goniometer เป็นอุปกรณ์ที่ใช้วัดการกระจายเชิงพื้นที่หรือรูปแบบการแผ่รังสีของ LED (ดูรูปที่ 8) สิ่งนี้สามารถทำได้โดยการย้ายตัวตรวจจับไปรอบๆ LED หรือโดยการเอียง LED ในขณะที่เครื่องตรวจจับอยู่นิ่ง ไม่ว่าในกรณีใด จะมีการวัดเอาท์พุตหลายครั้งสำหรับแต่ละมุมเมื่อทำการหมุนตั้งแต่ 0 °-180° เมื่อเสร็จแล้วจะได้โปรไฟล์ของลำแสงที่แผ่ออกมาในระนาบเดียว มักสันนิษฐานว่าเนื่องจาก LED ส่วนใหญ่เป็นทรงกลม รูปแบบการแผ่รังสีจึงสมมาตร สิ่งนี้ดูเหมือนจะบ่งชี้ได้ด้วยการแสดงภาพกราฟิกของมุมมองภาพที่ผู้ผลิต LED หลายรายให้มา ซึ่งมักจะไม่เป็นเช่นนั้น ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ ความผันแปรทางเรขาคณิตและการประกอบที่เกิดขึ้นระหว่างการผลิต LED อาจส่งผลกระทบอย่างมากต่อคุณสมบัติทางแสงของมัน อาจจำเป็นต้องทำการสแกนเพิ่มเติมและบันทึกมุมมองหลายระนาบ นอกจากนี้ ไฟ LED รูปทรงพิเศษบางชนิด เช่น แบบวงรีหรือรูปไข่ โดยพื้นฐานแล้วจะมีรูปแบบการแผ่รังสีสองรูปแบบ (เช่น 30 ° x 70°) ดังนั้นจึงจำเป็นต้องสแกนอุปกรณ์ทั้ง 0° และ 90° หากไม่มีโกนิโอมิเตอร์ในทันที เป็นไปได้ที่จะได้รูปแบบการแผ่รังสีคร่าวๆ โดยใช้เครื่องตรวจจับภาพถ่ายและหมุน LED หรือเครื่องตรวจจับด้วยตนเอง บันทึกระดับเอาต์พุตและวางแผนจุดข้อมูล อย่างไรก็ตาม การทำเช่นนี้อาจเป็นเรื่องที่น่าเบื่อและใช้เวลานาน . ควรมีความชัดเจนจากสิ่งที่ได้กล่าวไปแล้วว่าการวัดแสงอาจมีความคลาดเคลื่อนอย่างมาก เมื่อเทียบกับลักษณะทางไฟฟ้าที่เฉพาะเจาะจงอื่นๆ เช่น แรงดันไฟ กระแสไฟ หรือความต้านทาน มีหลายปัจจัย เช่น สี รูปทรงของอุปกรณ์ การจัดตำแหน่งของ LED เข้ากับฟิกซ์เจอร์ทดสอบ อุณหภูมิ ฯลฯ ที่อาจทำให้เกิดข้อผิดพลาดในการวัดได้ มักถูกจัดว่าเป็นศิลปะมากกว่าวิทยาศาสตร์ แม้ว่าความแม่นยำในการวัดที่ ±5% ยังคงถือเป็นมาตรฐานและเป็นที่ยอมรับกันอย่างกว้างขวางในอุตสาหกรรม แต่ด้วยความเอาใจใส่อย่างถี่ถ้วน ความแม่นยำนั้นดีกว่า ±2.5% ก็ตาม
