Универсальный гониофотометр

Гониофотометры используются для решения большого количество задач в оптической метрологии светодиодных (СИД) источников света. Для достижения высокой степени точности они должны соответствовать определенным требованиям. Прежде всего, должна быть обеспечена стабильность измеряемого источника света. Модели с вращающимися источниками света [2] не могут обеспечить высокую точность, поскольку положение работающего источника света изменяется во время проведения измерения, из-за чего меняются условия отвода тепла [1]. А поскольку светодиоды чувствительны к температуре, гониофотометры с зеркалом на оптических осях [2] также нельзя считать подходящими, поскольку постоянное перемещение контрольного источника освещения в большом пространстве ведет к значительному изменению температуры, что вынуждает замедлять скорость измерения, чтобы избежать изменения фотометрических параметров.

Учет рассеянного света — важный аспект для гониофотометрии. Существует множество путей его уменьшения в системе гониофотометра. Хорошим способом можно считать использование темной комнаты больших размеров, однако размер помещения всегда ограничен практическими реалиями [3], поэтому требуется оптимизация использования пространства темной комнаты.

Для измерения силы света (силы излучения) с применением фотометрического закона «обратных квадратов» расстояние фотометриро-вания должно быть достаточно велико. Однако дистанция при измерениях в дальней зоне (часто более 12 м) не всегда подходит для фотометрирования слабых источников света из-за ограниченной чувствительности фотоприемника.

Для обеспечения соответствия требованиям высокоточной гониофотометрии различного назначения компанией EVERFINE разработан универсальный гониофотометр (Full-Field Goniophotometer).

Конструкция и принципы работы универсального гониофотометра

Конструкция универсального гониофотометра

Базовая конструкция и внешний вид универсального гониофотометра показаны на рис. 1 и 2.

Рис. 1. Схематический чертеж универсального гониофотометра

Рис. 2. Внешний вид универсального гониофотометра

Система снабжена детекторами дальней и ближней зоны. Исследуемый источник света расположен в центре вращения гониометра, он поворачивается только вокруг вертикальной оси без изменения своего положения и остается неподвижным во время самого фотометрирования, что, таким образом, обеспечивает высокую стабильность источника света.

Измерения в ближней зоне

Детектор ближней зоны измеряет излучение от источника света непосредственно (без использования зеркал). При работе детектора ближней зоны зеркала M₁ и M₂ закрыты (рис. 3). Расстояние между центром вращения гониофотометра до детектора ближней зоны находится в пределах 2-3 м, в зависимости от размеров гониометра. Следует отметить, что для некоторых (малых) источников указанная дистанция соответствует дальней зоне. Детектор ближней зоны может представлять собой фотометрическую головку или сочетание фотометрической головки со спектрорадио-метром и/или изображающим яркомером (Imaging luminance meter).

Рис. 3. Схематичный чертеж: а) вид сбоку; б) обычный вид, измерение в ближней зоне

Измерение абсолютного светового потока

При наличии фотометрической головки с хорошим косинусным корректором детектора ближней зоны система может работать как компактный гониофотометр, который лучшим образом подходит для измерения светового потока [4].

Для измерения потока единица силы света от эталонной лампы передается детектору ближней зоны, а затем откалиброванная (градуированная) таким образом фотометрическая головка измеряет распределение освещенности в абсолютных единицах. Форма пространственного распределения интенсивности источника света оказывает незначительное влияние на измерение потока; нет никаких ограничений по форме и размеру источника света, за исключением технических возможностей [5]; нет проблем с поляризацией при проведении измерений, поскольку нет никаких зеркал на пути исследуемого света. Благодаря тому что универсальный гониофотометр обладает высокой угловой точностью и снабжен прецизионной фотометрической головкой, имеется возможность проводить высокоточные измерения светового потока абсолютным методом для различных источников света. Возможные погрешности будут рассмотрены ниже.

Измерение силы света компактных или слабых источников

Фотометрическая головка детектора ближней зоны отлично приспособлена для измерения силы света таких компактных источников света, как светодиодные лампы, сигнальные лампы и т. п. Она обладает практически в 100 раз более высокой чувствительностью, чем фотоприемники дальней зоны.

Измерение пространственных и средних колориметрических величин

Если детектор ближней зоны оснастить спек-трорадиометром, то универсальный гониофо-тометр будет работать как гониоспектрорадио-метр и измерять пространственное спектральное распределение Ρ(θ, φ, λ), где (θ, φ) — пространственный угол. Таким образом можно обеспечить получение наиболее полных колориметрических величин.

Гониофотометр ближней зоны на основе изображающего яркомера

Если в месте расположения детектора ближней зоны размещен изображающий яркомер, то система будет работать в качестве гониофотометра ближней зоны [6]. Изображающий яркомер измеряет яркость каждой точки источника света в любом направлении, то есть L(x, y, φ, θ) или L(x’, y’, φ, θ), φ, θ, x, y, x’, y (рис. 4). Таким образом, можно с высокой точностью измерить как среднюю (габаритную) яркость, так и яркость каждой отдельной точки. Это было бы очень полезно при расчетах ослепленности для уличного и внутреннего освещения.

Рис. 4. Координаты в гониофотометре для измерений в ближней зоне

Из распределения яркости могут быть подсчитаны или выведены распределения лучей, диаграмма направленности в дальней зоне, распределение освещенности и световой поток [7].

Измерения в дальней зоне

Как показано на рис. 1, в фотоприемник свет приходит, отражаясь от двух зеркал: поворачивающегося Mj и неподвижного M₂. Расстояние фотометрирования находится в пределах 15-30 м (в зависимости от длины темной комнаты). Детектор дальней зоны может использоваться в том числе для измерений силы света источников больших размеров с узким углом диаграммы направленности, т. е. прожекторов. Благодаря наличию двух зеркал на размерах темной комнаты можно сэкономить, так как необходимая длина комнаты составляет приблизительно половину расстояния фотометрирования.

Взаимная коррекция между измерениями с разными фотоприемниками

Универсальный гониофотометр оснащен несколькими приемниками, что позволяет реализовать измерения в ближней и дальней зонах. Измерения при помощи различных детекторов могут взаимно проверяться, более того, благодаря чрезвычайно высокой точности некоторых видов измерений и возможности получать поправочные множители они могут быть использованы для коррекции других результатов. Описанные измерения в ближней зоне наиболее часто применяются для таких корректировок. Далее приведены два примера.

Поправочный множитель

Для уменьшения погрешности измерения фотометрических величин из-за ошибки спектральной коррекции фотометрической головки обычно применяются поправочные множители, позволяющие учитывать чувствительность детектора к данному спектру излучения:

где Ρ_τ^t(λ) — спектральное распределение интенсивности источника света; S_rel(X) — относительная чувствительность фотометра; Ρ_5Λ(λ) — распределение спектральной интенсивности источника света А.

В традиционных (интегрирующих) гонио-фотометрах поправочный множитель определяется, как правило, только для одного направления. Кроме неудобства, такой подход снижает точность измерения. Однако в универсальном гониофотометре спектрорадиометр, установленный в качестве детектора ближней зоны, может измерять пространственное и среднее спектральное распределение мощности источника света таким образом, что поправочные множители могут быть рассчитаны легко и точно для каждого направления. Особенно это справедливо для фотометрической головки детектора ближней зоны, где каждая точка измерения может быть исправлена, что еще больше повышает точность измерения светового потока.

Суммарная поправка при измерении светового потока

Так как общий световой поток от различных источников света, определяемый детектором ближней зоны, может быть измерен с высокой степенью точности, он может быть использован для коррекции значений, полученных в дальней зоне, которые являются составной частью распределения силы света. Коррекция основана на том факте, что значение общего светового потока не зависит от расстояния, и это может сократить ошибки, вызываемые отражающей способностью зеркал. Соответственно, абсолютное значение силы света от крупногабаритного источника может быть получено с высокой точностью.

Расчет погрешности

Как описано выше, стабильность измеряемого источника света при использовании универсального гониофотометра может быть достаточно высокой. А поскольку механическая система управления гониометра относительно проста, он может обладать высокой угловой точностью и высокой скоростью; для детекторов ближней и дальней зоны угловая точность равна 0,05°. Погрешность коррекции фотометрических головок f'<1,5% (самый высокий класс точности). При измерении фотометрических величин применяются коэффициенты коррекции.

Фотометрические головки калибруются по эталонным лампам с известной силой света, чья погрешность составляет 0,23% (k = l). Калибровка фотометрической головки детектора ближней зоны проанализирована в таблице l.

Таблица 1. Баланс калибровки фотометрической головки ближней зоны

По сравнению с измерениями распределения силы света измерение светового потока не чувствительно к центрированию и угловой точности [5]. Погрешность измерения светового потока типичного компактного белого СИД проанализирована в таблице 2.

Таблица 2. Оценка погрешности измерения светового потока типичного компактного белого СИД (с фотометрической головкой ближней зоны)

Примечание: * — исправляется при помощи спектрального коэффициента коррекции.

Оценка погрешности измерения силы света типичного компактного белого СИД приведена в таблице 3.

Таблица 3. Оценка погрешности измерения силы света типичного компактного белого СИД (с фотометрической головкой ближней зоны)

Примечание: * — исправляется при помощи спектрального коэффициента корректировки.

Следует отметить, что столь высокие показатели точности измерения достигаются, с одной стороны, за счет использования эталонных источников света высокого уровня, а с другой — кропотливой работой по организации измерений. В обычных лабораторных условиях погрешность измерений может оказаться несколько выше.

Заключение

Представлен универсальный гониофотометр, который может обеспечить необходимую геометрию в соответствии с характеристиками источника света и измеряемыми величинами (световой поток, распределение силы света, пространственное спектральное распределение, пространственное распределение яркости и распределение освещенности). Универсальный гониофотометр может отвечать самым высоким требованиям, предъявляемым к точности фотометрических измерений. Мультидетекторная система гониофотометра, кроме сокращения расходов, позволяет провести взаимную корректировку данных относительно друг друга для сокращения погрешности измерений. Суммарная погрешность измерения светового потока типичного компактного белого СИД составила 0,79% (k = 2); погрешность распределения силы света — 1,07% (k = 2). ·

Данная работа проведена при поддержке китайской национальной программы по исследованиям и разработкам в области высоких технологий («Программа 863») под № 2007AA03A181.

Литература

1. Electrical and Photometric Measurements of Solid-State Lighting Products. IES LM-79-2008.
2. Measurement of Absolute Luminous Intensity Distributions. CIE 70-1987.
3. Marx P. New Goniophotometers for Lighting Engineering Laboratories // Publication No. 133, CIE-Session Warsaw. 1999. V. 1.
4. Sauter G. Goniophotometry: New Challenges and Novel Solutions // Expert Symposium on Advances in Photometry and Colorimetry. 2008.
5. Measurement of luminous flux. CIE 84-1989.
6. Ashdown I. Near-field photometry: a new approach // Journal of the Illuminating Engineering Society. 1993. № 22(1).
7. Draft of CIE TC 2-62 NO. 0. 2009.