Лаборатория исследований световых технологий «Л.И.С.Т.» — первый в России независимый аттестованный испытательный центр в области метрологии излучения полупроводников и традиционных источников света

Немного истории

Сейчас даже любой школьник может очень легко измерить расстояние, вес, силу тока, время, давление и множество величин. А вот оказалось, что измерить свет и цвет, да так, чтобы было еще и точно, — трудная задача даже для взрослых. С массовым появлением светодиодов эта задача актуализировалась многократно. На международном уровне еще не создана убедительная методика измерений современных светодиодов, а МКО, существующая уже почти 100 лет, так и не может до сих пор принять официальные нормы по метрологии полупроводникового света.

Идея создания «Л.И.С.Т.» основывалась на необходимости удовлетворения растущей с каждым днем потребности в измерениях устройств светотехники и исследованиях светодиодной продукции. Отечественных аналогов ее до сих пор не существует. Рынок метрологии света практически не заполнен, а потребность в точных и компетентных измерениях очень велика. Производителям, поставщикам, разработчикам и потребителям этой продукции попросту негде именно измерить, определить параметры и характеристики того, что является предметом их производства, продаж и поставок. Предприятия, выпускающие светотехнику, имеют, конечно же, свои лаборатории — хотя бы для того, чтобы обеспечить производство продукции. Лаборатория может входить даже в отдел технического контроля. Однако «Л.И.С.Т.» существует как отдельная структура, осуществляющая независимые измерения и сертификационные испытания. И, конечно, точность измерений у нас, как правило, несравнимо выше существующей на предприятиях. Основными можно назвать следующие причины создания лаборатории:

• необходимость проверки параметров и качества поставляемой светотехнической продукции;
• необходимость сертификации светотехники;
• стремительный рост доли светотехнической продукции на светодиодах;
• компетентное сопровождение светотехнических проектов;
• аргументация разрешения споров с поставщиками и потребителями;
• необходимость разработки нормативной базы и национальных стандартов.

В отношении полупроводниковых источников света можно отметить, что раньше действительно было так: раз написано «светодиод» — надо брать. Все знали, что он вечный, и ни у кого это не вызывало сомнений. Но в последнее время существенно увеличился объем выпуска и самих светодиодов, и вообще светотехники на их основе. Светодиоды стали использовать в серьезных и ответственных устройствах — светофорах, сигнальной технике, информационных экранах. После этого вопрос качества возник сам собой. Кроме того, пропорционально общему количеству растет и количество брака, например светодиодов, которые выходят из строя в процессе работы или настолько изменяют свои параметры, что становятся непригодными.

Люди, которые стали заниматься разработкой устройств на светодиодах, озадачились проблемой качества. Как проверить, соответствуют ли реальные параметры тому, что заявляют производители? В «Л.И.С.Т.» можно не просто проверить или сопоставить полученные и заявленные данные, но и измерить любые необходимые характеристики применительно к нужным заказчику изделиям в комплексе, то есть иметь перед собой в конечном итоге всю картину параметров. Это в большинстве случаев необходимо, но нуждающимся в такой информации фактически обратиться с данной проблемой некуда, потому что практически и комплексно ее решить не может никто. Лаборатории, занимавшиеся этим ранее, уже не могут удовлетворить существующие запросы и сами это признают: отчасти — из-за отсутствия компетентности, отчасти — от отсутствия необходимых технических средств. Они просто не берутся за эти работы, и вопросы «повисают в воздухе».

Вторая проблема в том, что светодиоды уже не воспринимаются исключительно как сырье. Сейчас интереснее поставлять потребителям готовую продукцию: светодиодные лампы, фонари, прожектора, светильники — все, что угодно, спектр широкий. И это уже изделия светотехники, к которым предъявляются определенные требования, такие как сертификация и нормирование параметров. С одной стороны, можно отвечать на вопросы по качеству, а с другой — интерпретировать светодиоды и изделия на их основе уже в русле классической светотехники. Идея лаборатории состоит еще и в том, чтобы объединить полупроводниковую светотехнику с той классической светотехникой, которая была раньше, и интегрировать таким образом в одном месте как минимум две науки: фотометрию и физику полупроводника.

Статус лаборатории

В настоящий момент лаборатория исследований световых технологий «Л.И.С.Т.» — это полностью независимая организация, предоставляющая услуги по измерениям параметров светотехнических устройств, изучению и исследованию характеристик полупроводниковых излучающих светодиодов и структур, формированию светотехнических проектов на основе собственных измерений. Уникальным является оборудование и опыт по изучению деградации параметров источников света. Одними из самых важных принципов работы лаборатории являются максимальная компетентность, абсолютная объективность и полная гарантия конфиденциальности исследований. Основное оборудование было разработано и изготовлено при участии персонала специально для «Л.И.С.Т.» и позволяет выполнять самые сложные измерения и расчеты фотометрических, колориметрических и энергетических величин, получая их с высочайшей точностью. Не менее чем 10-летний опыт работы персонала в метрологии светотехнических устройств, исследований в области физики излучающих полупроводниковых гетероструктур позволяет решать широкий круг задач по проектированию устройств светотехники, исследованиям характеристик приборов световой сигнализации и формированию систем параметров любых источников излучения [1].

«Л.И.С.Т.» является аккредитованным испытательным центром в области сертификационных испытаний светотехники в системе ГОСТ Р (аттестат аккредитации РОСС RU.0001.21.МЛ49, рис. 1а), а также признана в качестве сертификационного испытательного центра Государственным российским морским регистром судоходства (аттестат аккредитации № 09.00125.120, рис. 1б) и государственной корпорацией РОСНАНО — в качестве экспертного центра в системе «Наносертифика» (рис. 1в).

Рис. 1. Аттестаты аккредитации «Л.И.С.Т.»

Измерительное оборудование и его назначение

Фотометрическая лаборатория исследований световых технологий представляет собой измерительный комплекс из двух независимых помещений (лабораторий) с отдельными стендами. Метрологические возможности оборудования позволяют выполнять прецизионные измерения всех необходимых для проектирования светотехнических устройств величин, а аналитическая часть оборудования — выполнять любые расчеты. Измерительное оборудование лаборатории ориентировано на измерения параметров полупроводниковых источников излучения, однако это не исключает возможности любых измерений традиционных источников света.

В соответствии с требованиями федерального закона «Об обеспечении единства измерений» и для корректности выполняемых измерений с точки зрения соответствия метрологических характеристик эталонным величинам все средства измерений лаборатории занесены в Государственный реестр средств измерений (СИ) и имеют соответствующие свидетельства о поверке. Основными средствами измерений фотометрических и колориметрических единиц (разработанных и произведенных непосредственно для «Л.И.С.Т.») являются:

• Установка для измерения силы света и силы излучения и их пространственного распределения «ФЛАКС-7», в Госреестре СИ № 39536-08, сертификат RU.E.37.010.A № 33978.
• Установка для измерения силы света и силы излучения и их пространственного распределения «ФЛАКС-20», в Госреестре СИ № 39535-08, сертификат RU.E.37.010.A № 33977.
• Спектрометрический стенд «Спекорд», в Госреестре СИ № 39537-08, сертификат RU.E.37.010.A № 33979.

Основные нормативные документы:

• ГОСТ 8.023-03 «Государственная поверочная схема для средств измерений световых величин непрерывного и импульсного излучений».
• Технический доклад МКО «Измерения СИД» [2].
• ГОСТ 8.127-2005 «Государственная поверочная схема для средств измерений спектральной плотности энергетической яркости в диапазоне 0,04-0,25 мкм».
• ГОСТ 8.195-89 «Государственная поверочная схема для средств измерений спектральной плотности энергетической яркости, спектральной плотности силы излучения, спектральной плотности энергетической освещенности в диапазоне 0,25-25мкм, силы излучения и энергетической освещенности в диапазоне 0,2-25мкм».
• ГОСТ 8.205-90 «Государственная поверочная схема для средств измерений координат цвета и координат цветности».
• ГОСТ 8.332-78 ГСОЕИ «Световые измерения. Значения спектральной световой эффективности для дневного зрения».
• ГОСТ 8.552-86 ГСОЕИ «Государственная поверочная схема для средств измерений потока излучения и энергетической освещенности в диапазоне 0,03-0,4 мкм».

Имеющиеся нормативные документы дополнены собственными методиками, разработанными непосредственно для измерений и расчетов некоторых необходимых величин, как описано в [3].

Компетентность лаборатории соответствует:

• ГОСТ Р 51000.4-96 (система аккредитации в РФ) «Общие требования к аккредитации испытательных лабораторий». Госстандарт РФ, официальная копия документа № 036.637.
• ГОСТ Р ИСО/МЭК 17025-2000 «Общие требования к компетентности испытательных и калибровочных лабораторий».

По функциональному использованию все оборудование лаборатории делится на четыре части. Одну группу составляют средства измерения и регистрации фотометрических величин, устройства преобразования их сигналов (АЦП, периферийные устройства), программируемые, высокоточные источники питания, механические установки (гониометры) и вспомогательные приборы. Эта группа представляет собой фотометрические установки. Вторая часть оборудования представлена аналитическим центром и средствами контроля параметров окружающей среды при измерениях. Также в состав лаборатории входит стенд для измерения спектральных характеристик источников на основе спектрофотометра Specord S-600. Последняя группа оборудования предназначена для реализации необходимых режимов во время наработки образцов с целью исследования деградации параметров излучения и представлена устройствами обеспечения стабилизированного питания и температурного режима работы источников излучения.

Фотометрические установки

Как было сказано выше, в арсенале лаборатории имеется два фотометрических стенда — «ФЛАКС-7» и «ФЛАКС-20», отличающихся своими возможностями по измерению значений силы света и размеров исследуемых источников. Для рассмотрения принципов их работы и метрологических характеристик можно воспользоваться описанием одного из них, поскольку в отношении методов измерений угловых распределений силы света и ее значений они аналогичны.

Все установки располагаются в отдельных помещениях особой конфигурации и со специальной отделкой. Поскольку измерения фотометрических величин ведутся в непрерывном режиме (что наиболее корректно с точки зрения физики процесса измерения), без использования модуляции излучения, при котором нельзя проводить измерения непосредственно при внешнем освещении, очень важным требованием к помещениям является полное отсутствие посторонних засветок, отражений от стен, других поверхностей и посторонних предметов. Поэтому в помещениях лаборатории на фотометрической трассе все указанные поверхности отделаны светопоглощающим материалом, обеспечивающим коэффициенты отражения не более 1,5-2%. Другим, не менее важным требованием является обеспечение необходимого расстояния фотометрирования для выполнения закона «обратных квадратов» при измерении силы света и ее углового распределения. Исходя их указанных условий и было спроектировано соответствующее помещение. Размеры коридора фотометрической трассы обеспечивают измерительную базу (расстояние от источника излучения до фотометра) до 20 м. Для выполнения измерений небольших световых величин (до 300-400 кд) применяется специальный стол, на котором располагается оптический рельс, позволяющий изменять расстояние фотометрирования в пределах 0,1-2,5 м. Большинство средств измерения также располагаются на этом столе в непосредственной близости от двухкоординатного гониометра, жестко связанного с поверхностью стола и съюс-тированного с фотометром, расположенным на рейтере и перемещаемом по рельсу, и со вторым фотометром, находящимся в конце коридора. В качестве фотодатчика может использоваться как фотометрическая, так и радиометрическая головка. Гониометр может быть подсоединен к цепям питания и позволяет закреплять на его поворотной части источники излучения любой конфигурации, размером до 0,8×0,8 м и весом до 50 кг (для возможности измерения светотехнических характеристик любых светильников и устройств на основе ламп или светодиодов: модулей, светильников, прожекторов, светоблоков, светофоров (рис. 2) и т. д., имеющих большую массу и размеры). Для исключения влияния механических вибраций, вызываемых угловым перемещением гониометра во время измерения и передаваемых стенду от пола здания, стол имеет значительную (не менее 500 кг) массу и особый, регулируемый по высоте для юстировки постамент. Общий вид фотометрического стенда представлен на рис. 3.

Рис. 2. Фотометрическая установка «ФЛАКС-20». Гониометр и различные типы исследуемых светотехнических устройств

Рис. 3. Внешний вид фотометрической трассы установки «Флакс-20». В качестве измеряемого образца — линзовый комплект мачтового красного железнодорожного светофора

Особо стоит отметить возможности стенда для измерений параметров люминесцентных ламп и ламп накаливания: помимо определения светового потока возможно получение диаграмм пространственного распределения силы света, что для ламп с несимметричным и широким распределением представляет большую сложность. Получение таких характеристик наиболее актуально, например, для автомобильных ламп.

Установки укомплектованы несколькими фотометрическими и радиометрическими датчиками, имеющими одинаковый интерфейс для подключения к контроллеру. Таким образом, в зависимости от метрологической задачи исследования источника излучения можно оперативно пользоваться необходимым датчиком, не меняя схемы измерений.

Фотометр выполнен на основе фотометрической головки типа ГФ, разработанной с применением кремниевого фотодиода типа ФД 288 (прошедшего процесс старения для стабилизации параметров) и скорригированной под функцию видности глаза ν(λ). Расчет коэффициента преобразования фотометра для конкретного спектрального распределения излучения измеряемого образца позволяет исключить систематическую составляющую погрешности измерений, связанную с переходом от источника типа «А» (калибровка эталонной фотометрической головки) к спектру излучения этого источника. Поправочный коэффициент рассчитывается для каждого измерения источника, если был изменен его электрический или иной режим. Погрешность нелинейности фотометрической головки — не более 3%.

Отдельно следует остановиться на радиометрических измерениях энергетических характеристик источников излучения. Применение калиброванных радиометрических датчиков типа ГР собственных конструкций на основе высокостабильных фотодиодов фирмы Hamamatsu сводит к минимуму погрешности измерения силы света и расчетов светового потока из-за отсутствия корригированных под кривую видности ν(λ) фильтров, применяемых в фотометрах. Данное обстоятельство наиболее актуально при измерении параметров излучения полупроводниковых структур в фиолетовой или длинноволновой красной части спектра, где погрешность фотометров может доходить до 25%, в отличие от 2-3% погрешности радиометра. Это относится и к корректности измерений характеристик люминофорных светодиодов из-за большой доли совокупной энергии излучения, лежащей в синем диапазоне. Подробно о применении различных датчиков и сравнении их метрологических характеристик написано в [4], а внешний вид их показан на рис. 4.

Рис. 4. Головки установок типа «ФЛАКС»: а) радиометрическая; б) фотометрическая

Для устранения возникновения возможных помех в тракте передачи малых значений фототока от фотометра (радиометра), непосредственно за ним, на расстоянии не более нескольких сантиметров, расположен блок с усилителем сигнала и АЦП. Выходной сигнал с фотометра на регистратор значений передается в цифровом виде. Это обеспечивает высокую помехозащищенность и верность передачи информации от фотометрической головки на всем расстоянии фотометрирования, которое, как говорилось, может составлять до 20 м. Это обстоятельство позволяет измерять очень малые значения световых величин без опасения искажения при передаче, что существенно расширяет динамический диапазон установки.

Площадь активного окна одного из фотометров составляет 100 кв. мм. Это соответствует требованиям МКО [2] (также в [2] предписывается пользоваться двумя стандартными значениями расстояния фотометрирования: А — 100 и В — 316 мм), однако довольно стабильная тенденция существенного увеличения силы света источников, и светодиодов в частности, тяготеет к применению фотометров с меньшей площадью активного окна и большим расстоянием фотометрирования. В таком случае меньшая площадь апертуры фотометра позволяет наиболее точно измерять диаграмму пространственного распределения силы света по причине малого дискрета угла поворота гониометра (0,02°, или 1,2 угловые минуты), и поэтому вероятности пересечения световых потоков соседних точек, интегрированных фотометром с большой площадью, будут минимальны [3]. Это значительно повышает точность измерения диаграмм пространственного распределения излучения. В практике измерений характеристик источников света в лаборатории применяются собственные методики, или они комбинируются с общепринятыми.

Гониометр имеет датчик угла поворота в горизонтальной плоскости, способный регистрировать угловое перемещение платформы вместе с закрепленным на ней источником в размере 1,2 угловой минуты. Также в виде цифрового кода информация с датчика передается в блок регистрации значений, где каждому дискрету угла Ω присваивается свое значение силы света I_vi, информация о котором, соответственно, поступает с АЦП фотометра. Регистратор значений также автоматически определяет шкалу значений фототока, в пределах которой будет проходить измерение. Далее вся обработанная последовательность передается в компьютер через скоростной USB-порт в виде таблиц со значениями углов поворота и соответствующими им значениями силы света. Синхронизация работы системы осуществляется от тактовой частоты компьютера с помощью специально разработанного программного обеспечения. Скорость регистрации указанных параметров позволяет измерить диаграмму пространственного излучения силы света во всей плоскости (поворот на угол 360°) с фиксацией порядка 16 000 точек дискретов (значений силы света) за 2-3 с. При этом возможно многократное повторение поворотов гониометра и автоматическое вычисление среднего значения силы света в каждой точке,

независимо от числа прохождения фотометра через нее. С помощью комбинаций поворотов в двух плоскостях закрепленного на гониометре светодиода можно получить диаграммы углового распределения излучения в любой плоскости, в пределе получив объемный вид этой диаграммы и, соответственно, распределение силы света (силы излучения) в 4π ср.

Основные технические характеристики установки «ФЛАКС-20»:

• диапазон длин волн 180-1100 нм;
• диапазон измерения силы света 0,01-50 000 000 кд;
• диапазон измерения силы излучения 0,1-1000 Вт/ср;
• минимальный шаг угла поворота в горизонтальной плоскости гониометра 0,02° (1,2 угловые минуты или 16 400 точек силы света в 360°);
• минимальный шаг угла поворота в вертикальной плоскости гониометра 0,5°;
• погрешность измерения силы света не более 3%;
• время измерения углового распределения силы света в 360° — 2-3 с.

Для корректных расчетов световой эффективности светильников в комплекте с фотометрической установкой имеется измеритель электрической мощности, одновременно контролирующий все электрические характеристики сетевого питания светотехнических устройств во время измерений. Таким образом, возможно одновременное измерение светотехнических параметров и контроль коэффициента мощности, напряжения и потребляемого тока. Стоит добавить, что в лаборатории организована стабилизация всего использующегося для питания метрологической аппаратуры и исследуемых образцов сетевого напряжения с точностью поддержания его значения ~220+3,5%.

Фотометрический стенд второй лаборатории «ФЛАКС-7» по основным характеристикам идентичен первому. Отличием является меньшее расстояние фотометрирования (0,1-7 м) и наличие прецизионных источников тока для питания полупроводниковых источников излучения.

В комплект стенда входит аппаратура для визуального исследования излучающих кристаллов и светодиодов на их основе и определения производственных дефектов при монтаже кристаллов. В совокупности с измерениями фотометрических и электрических характеристик возможно определение качества большинства технологических операций при производстве полупроводниковых излучающих приборов. Однако самая достоверная оценка качества произведенных устройств проводится с помощью исследования деградационных характеристик по собственным методикам лаборатории. Также в гониометре применена специальная оснастка для подключения и измерения светодиодов любых конструкций корпусов. Имеется возможность измерения комплекса фотометрических и спектральных характеристик излучения светодиодов одновременно с фиксацией электрических параметров и режимов, а также ВАХ. Фотометрический стенд второй лаборатории (рис. 5) ориентирован на проведение исследований в области физики полупроводниковых излучающих структур, реализации научных и производственных программ по изучению деградации параметров светодиодов, кристаллов и гетероструктур.

Рис. 5. Фотометрическая установка «ФЛАКс-7»: а) в работе совместно со спектрометрической установкой «Спекорд»; б) общий вид и фотометрическая трасса

По результатам измерений с помощью описанных стендов возможно определение (расчет) следующих светотехнических, энергетических и фотометрических величин (неполный перечень):

• сила света в любой точке диаграммы пространственного распределения излучения источника, Iv [кд];
• энергетическая сила света в любой точке диаграммы пространственного распределения излучения источника в диапазоне 185-1100 нм, Ip [Вт/ср];
• диаграмма углового распределения силы света (индикатриса, кривая силы света) в любой плоскости пространства, Ιv(Ω) [кд(град.)] (рис. 6);
• световой поток, Ф [лм], измерение светового потока выполняется по рекомендациям [2], а также ГОСТ 17677 гониофотометрическим методом, как наиболее точным;
• распределение светового потока по любым уровням силы света или углам излучения в пределах диаграммы направленности, Φ(Ω) [лм(п-кд)], [лм(град.)];
• распределение плотности светового потока по углу излучения, ρΦ(Ω) [лм/ср)];
• диаграмма углового распределения силы излучения в любой плоскости пространства, Ρ(Ω) [Вт(град.)];
• распределение мощности излучения в пределах фотометрического тела, Ρ(Ω) [Вт(град.)];
• угловые характеристики излучения по любым уровням силы света, силы излучения Ω (nTv) [град.(п-кд)], Ω (η·Ρ) [град.(п-Вт)];
• яркость источника излучения, L [кд/м²];
• энергетическая яркость источника излучения, L [Вт/(ср-м²)];
• мощность излучения интегральная, P [Вт];
• освещенность поверхности от исследуемого источника излучения на любом расстоянии от него, E [лк];
• энергетическая освещенность поверхности от исследуемого источника излучения на любом расстоянии от него, E [Вт/м²];
• распределение освещенности (энергетической освещенности) поверхности в зависимости от пространственной диаграммы распределения излучения источника (рис. 7а) или системы источников на любом расстоянии от него (них), Ε(Ω) [лк(град.)];
• фотометрическое тело источника (рис. 7б);
• световая эффективность, K [лм/Вт_е1];
• КПД излучения, K_p [Вт_орt,/Вт_е1];
• КПД светильника, %.

Рис. 6. Примеры представления измеренных диаграмм углового распределения силы света светильников в различных плоскостях излученияоцифровкой и передачей в компьютер в режиме реального времени.

Рис. 7. Распределение освещенности поверхности: а) от источника; б) его фотометрическое тело

Важным дополнением к фотометрической установке является измеритель ВАХ светодиодов и излучающих кристаллов. Он был разработан с учетом возможности измерений подавляющего большинства электрических характеристик светодиодов и представляет собой программно управляемый источник тока с его калиброванными значениями.

Весь диапазон рабочих токов до 100 мА разбит на два поддиапазона: 0-10 с возможностью установки минимального дискрета тока 0,01 мА (1000 точек) для более точного измерения экспоненциального участка ВАХ светодиодов; 0-500 и более с возможностью установки минимального дискрета тока 0,1 и 1 мА. Прямое падение напряжения на измеряемом приборе по отдельной линии подается на компаратор сигнала и затем поступает на АЦП. Быстродействие ограничено необходимым временем на формирование импульса заданного значения тока, фиксацию аналогового напряжения на нагрузке, его ойифровкой и передачей в компьютер в режиме реального времени.

Также предусмотрена возможность изменения времени измерения между дискретами в диапазоне от 20 мс до 30 мин для реализации режимов импульсного и разогревающего действия тока. Эта функция имеет два режима: независимо от установленного времени между измерениями можно задавать любое значение тока в паузе между этими измерениями, тем самым устанавливая необходимую степень теплового действия тока или моделируя различные электрические режимы работы светодиода в реальных условиях. Измерение ВАХ обратной ветви обеспечивается подачей на светодиод обратного смещения до -20 В. Однако здесь алгоритм работы устройства меняется на противоположный, и заданным значениям обратного напряжения Ur будут присваиваться соответствующие значения обратного тока Ir в диапазоне до -500 мА. Обработка результатов измерения производится по аналогичному принципу, описанному для прямой ветви ВАХ. Обратное напряжение Ur можно устанавливать с точностью до 0,1 В. Всю последовательность измерений и установку необходимых значений обеспечивает программное обеспечение, также разработанное для совместной работы с измерителем ВАХ. Некоторые примеры характеристик представлены на рис. 8. Реализация указанных электрических режимов светодиодов этим устройством во всей полноте используется и при измерении светотехнических характеристик. Для этого разъем на плате гониометра, на которую устанавливается светодиод, имеет совместимую с разъемом источника питания распайку, поэтому достаточно переключить эти разъемы, и программная установка электрических режимов с помощью измерителя ВАХ одновременно будет соотнесена со светотехническими характеристиками светодиода. Особенно удобно пользоваться таким сочетанием, когда необходимо достаточно точно измерять люмен-амперную характеристику (ЛАХ): время установления термодинамического равновесия работающего светодиода задается программой, а фотометр фиксирует значение силы света через это время. Имеется опыт по исследованиям зависимостей светотехнических параметров источников излучения от формы протекающего тока. Возможно исследование временнь1х параметров импульсного излучения от характеристик модулирующего питающего тока.

Рис. 8. Вольт-амперные характеристики светодиодов: а) прямые; б) обратные; в) дифференциальное сопротивление и потребляемая мощность

Опишем установку для измерения колориметрических параметров и спектральных характеристик «Спекорд». Стенд (рис. 9) построен на основе спектрофотометра Specord S-600. Опорным источником является калиброванная по СПЭЯ галогенная лампа. Стенд имеет возможность перемещения по обеим лабораториям для измерений спектральных характеристик на любом расстоянии фотометрирования, а применение дополнительной прецизионной оптики фирмы Hellma позволяет «вырезать» для измерения очень узкий сектор потока излучения из всей пространственной диаграммы, что используется при измерении зависимости спектрального распределения плотности энергетической яркости от угла излучения. Это достигается близким взаимным расположением оптического входа спектрофотометра (площадка оптоволоконного удлинителя диаметром 4 мм) и входного окна фотометра (радиометра).

Рис. 9. Спектрометрическая установка «Спекорд» на основе спектрофотометра Specord S-600

Таким образом, одновременно с фиксацией значения силы света (силы излучения) возможно измерение ОСПЭЯ и получение подробной характеристики распределения характеристик спектра по пространственной диаграмме излучения (рис. 10а). Последняя функция крайне важна для оценки параметров люминофорных светодиодов на основе кристаллов InGaN.

Рис. 10. а) Коррелированная цветовая температура и координаты цветности; б) деталировка спектра излучения

Основные технические характеристики измерительного стенда:

• диапазон длин волн — 182-1100 нм;
• спектральное разрешение во всем диапазоне — 0,5 нм;
• воспроизводимость установки длины волны — не хуже ±0,05 нм. Функциональная возможность установки:
• измерение относительного спектрального распределения плотности энергетической яркости (рис. 10б).

Дальнейшая математическая обработка позволяет определить следующие характеристики:

• относительное спектральное распределение мощности излучения Ρ(λ) [А.и.(нм)];
• абсолютное спектральное распределение мощности излучения (светового потока) (при соответствующем измерении интегральных энергетических единиц излучения) Ρ(λ) [Вт (нм)];
• координаты цветности X, Y, Z;
• доминирующую (относительно любого стандартного источника), центроидную, максимальную длины волн: λ_D, λ_cen, λ_max [нм];
• спектральную световую эффективность (коэффициент лм/Вт_opt);
• относительную (коррелированную) цветовую температуру T [К];
• полуширину спектра FWHM [нм];
• ширину спектра по любому уровню энергетической яркости;
• измерение интегральных и спектральных коэффициентов пропускания материалов в проходящем излучении во всем диапазоне длин волн (180-1100 нм).

В совокупности с гониофотометрическим стендом и комплексом по измерению электрических характеристик возможно получение множества зависимостей между всеми параметрами источников излучения — таких как зависимости координат цветности и длин волн от угла излучения (λmax(λ)), цветовых характеристик от потребляемого тока и другого множества необходимых соотношений, позволяющих максимально достоверно оценить работу любого источника излучения.

Научные программы исследований полупроводниковых источников излучения

Большой интерес представляют исследования светоизлучающих кристаллов, светодиодов и устройств на их основе по методикам собственных разработок, начиная от методов монтажа и заканчивая способами измерения параметров с применением изучения деграда-ционных характеристик (изменения значений параметров со временем наработки). Результаты таких исследований позволяют с большой долей достоверности судить о качестве изготовления светодиодов, примененном кристалле, влиянии различных факторов на долговечность светотехнических устройств с одновременным прогнозом изменения их характеристик во времени.

С целью исследования параметров излучающих структур и светодиодов на их основе в процессе наработки создан специальный комплекс для обеспечения режимов непрерывного функционирования образцов в течение длительного времени (несколько лет). Внешний вид проходящих наработку образцов светодиодов и стенда деградации показаны на рис. 11.

Рис. 11. Стенд для непрерывной наработки образцов с целью изучения деградационных характеристик излучающих структур и светодиодов на их основе

Описанные средства измерений и соответствующие условия позволили разработать ряд собственных методов исследования излуча-тельных свойств и процессов в гетероструктурах, способов оценки потенциальной степени деградации светодиодов и устройств на их основе. Наиболее важным из них является метод изучения перераспределения светового потока (мощности излучения) по пространственной диаграмме излучения силы света (силы излучения) в процессе первых 1000-2000 ч наработки (рис. 12).

Рис. 12. Пример представления расчетов перераспределения светового потока: а) по объему фотометрического тела со временем наработки; б) деградационные характеристики светового потока и силы света

С его помощью можно не только сделать выводы об изменениях в работе самой структуры, причины которых могут быть объяснены на уровне физики ее работы, но и предположить, что подобное перераспределение светового потока, пропорциональное перераспределению центров излучательной рекомбинации со временем наработки, существует и внутри излучающего кристалла, в его активной области. Предложенный метод выявил большие перспективы его использования при изучении потенциальной степени деградации параметров светодиодов на производстве, определению дефектов эпитаксии или монтажа чипов в корпуса.

На основе исследований полных комплексов характеристик, поэтапно измеряемых в течение длительного времени наработки светодиодов и излучающих кристаллов (до 40 000 ч), разработаны методики определения потенциальной степени изменения квантовой эффективности работы структур, светового потока (мощности излучения), спектральных параметров излучения, электрических характеристик без необходимости тестирования образцов в течение периода стабилизации параметров (1000-2000 ч). Результаты длительного реального наблюдения за изменением параметров гетероструктур (до 50 000 ч) в совокупности с изучением перераспределения светового потока (мощности излучения) и взаимосвязи исследованных изменений легли в основу создания производственной методики сортировки излучающих кристаллов и светодиодов по принципу различной степени потенциального изменения светового потока при последующей эксплуатации. Изначально все характеристики, свойственные исправным кристаллам или свето-диодам, будут присутствовать в момент сортировки, и такие приборы будут признаны годными на производстве. Однако степень изменения их параметров при наработке может существенно отличаться. Выявление этого факта стало возможным только при исследовании большого числа светодиодов по предложенной методике, что позволило обнаружить очень важный недостаток в принятой мировой практикой системе сортировки готовых светодиодов, и тем самым объяснить причину появления потенциально дефектных приборов в общей массе признанных годными. В результате применения методики обосновано, что предложенный вариант сортировки позволяет сделать достоверный прогноз качества произведенных светодиодов (выявить более 95% потенциально негодных приборов) и мобильно скорректировать необходимые технологические операции для устранения возможного брака на выходе. Показано также, что предложенные методы сортировки на производстве не несут ни дополнительных затрат времени, ни оборудования, ни энергии, ни трудозатрат персонала [1].

Следует отметить, что в данном качестве «Л.И.С.Т.» может являться важным звеном производственной цепочки для изучения и тестирования всей линейки светотехнической аппаратуры. От результатов лабораторных исследований может зависеть выбор того или иного производителя светодиодов, определение параметров и долговечности будущей продукции.

Светотехническое проектирование

Метрологические возможности лаборатории широко применяются в светотехническом проектировании. Этот вид деятельности во многом зависит от достоверности взятых в расчет данных о применяемых светильниках. Зачастую светотехнические устройства, рекомендованные к применению в проектах, либо имеют некорректные данные о распределении светового потока и его значении, а также искаженные или фальсифицированные диаграммы распределения силы света, либо не имеют их вообще. Здесь возможен только один вариант: измерение характеристик устройств светотехники, необходимых для специальных программ. Результаты измерений комплекса фотометрических и электрических характеристик составляют основу для формирования файлов данных формата .ies, которые используются расчетными программами Dialux, Relux в формировании проектов освещения. Указанные файлы данных на основе собственных измерений пространственного распределения силы света могут предоставляться как в качестве отдельного продукта, так и для проектирования силами специалистов лаборатории. Такие файлы, как правило, могут содержать 40-100 диаграмм углового распределения силы света фотометрического тела светильника, что делает проект на их основе максимально достоверным по рассчитанным параметрам освещенности поверхностей. Некоторые варианты расчетов распределения освещенности уже показаны на рис. 7а, а пример использования файлов данных на основе собственных измерений представлен на рис. 13.

Рис. 13. Пример проектирования освещения автобусной остановки с применением файловданных формата .ies уличных светодиодных светильников на основе собственных измерений их параметров

Заключение

Создание представленной в настоящей статье фотометрической Ллаборатории исследований световых технологий хотя и не является революционным событием в современной светотехнике, но по праву может считаться продолжением отечественной школы фотометрии, всегда считавшейся одной из ведущих в мире. Скорее «Л.И.С.Т.» — современное и логическое научно-практическое образование, своими возможностями и оборудованием решающее самые насущные проблемы разработки, производства и использования светотехнических устройств на самом высоком техническом уровне.

И каковыми бы ни были дальнейшие пути продвижения светотехники как науки, всем совершенно ясно, что нельзя стоять на месте, жизнь требует развития. Еще 10 лет назад было невозможно представить, что настолько сблизятся несколько наук: оптоэлектроника, физика полупроводника, светотехника и квантовая механика. Идея созданной лаборатории и состоит в том, чтобы, в конце концов, дать возможность этим направлениям существовать вместе, дополняя друг друга. Совершенно понятно, что только таким образом можно реализовать чаяния наших учителей—родителей полупроводниковой, твердотельной светотехники — рассматривать гетероструктуры, имея в голове не только опыт разработок в области физики полупроводника, но и знания фотометрии на самом высоком уровне. Это может принести очередные революционные плоды и позволяет выразить надежду, что Нобелевская премия Ж. И. Алферова — вовсе не последняя международная награда для нашей страны в этой области науки.

Литература

1. Никифоров С. Г. Разработка методик контроля деградации характеристик светодиодов на основе твердых растворов AlGalnP и AlGaInN: Дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук. Москва, 2007.
2. Measurement of LED’s. Technical report // CIE127. 2007.
3. Никифоров С. Г. Почему светодиоды не всегда работают так, как хотят их производители? // Компоненты и технологии. 2005. № 7.
4. Никифоров С. Г. Трудная задача измерения параметров света от светодиодов. Вопросы фотометрии и радиометрии // Полупроводниковая светотехника. 2010. № 1.