L'elevato tasso di sviluppo dell'illuminazione a stato solido ha generato la richiesta di misurazioni precise e affidabili del flusso luminoso. Per sviluppare sistemi LED a risparmio energetico, è necessario valutare accuratamente l'emissione ottica, la stabilità del colore, l'impatto termico e il deprezzamento del flusso luminoso reale. Il metodo più comune per questa misurazione è quello che si trova su un sfera di integrazione che è un involucro ottico appositamente progettato per ricevere la luce totale emessa da una lampada o da un emettitore semiconduttore, indipendentemente dalla direzione della luce emessa.
A differenza delle tecniche di misura basate su punti, tramite pareti riflettenti diffuse, la sfera integratrice calcola una media dell'energia radiante. Questa media elimina gli effetti causati da un angolo e si ottiene un valore reale dell'emissione luminosa totale. Questa tecnica è estremamente importante per produttori, laboratori di certificazione e centri di ricerca e sviluppo fotometrici, dove è necessaria un'accuratezza di misura tracciabile per gli strumenti di test LED.

Comportamento fisico all'interno di una sfera integratrice

La media spaziale è il principio alla base del cuore di un sistema di misura a sfera integratrice. Solo una piccola parte della luce emessa da un LED colpisce direttamente il rivelatore. La maggior parte colpisce la superficie interna della sfera e si diffonde in ogni direzione prima di raggiungere il sensore. Questi multi-scatterer producono una superficie fotometrica interna omogenea.
La qualità della misurazione dipende in larga misura dal materiale di rivestimento. Le sfere integratrici ad alte prestazioni impiegano valori di riflettanza superiori a 95 e una fluorescenza estremamente bassa nei loro rivestimenti. Grazie alle elevate lunghezze d'onda di picco dei LED, la neutralità spettrale del rivestimento è di estrema importanza.

Geometria della sfera e sua influenza sulla misurazione

Il diametro della sfera è molto importante da selezionare. Se la sfera è troppo piccola, l'autoassorbimento può essere elevato poiché il LED e il suo supporto bloccano le riflessioni interne. Quando la sfera è troppo grande, l'attenuazione ottica è elevata, con conseguente debole risposta del rivelatore.
I diametri standard delle sfere quando si lavora con strumenti di misurazione LED sono compresi tra 0.3 e 2 metri, a seconda delle dimensioni del prodotto e dell'intensità luminosa prodotta. Le sfere più grandi sono preferibili per l'utilizzo con lampade, apparecchi di illuminazione o moduli multi-chip, mentre le sfere più piccole sono perfette per attività di valutazione di singoli LED.
L'uniformità spaziale è anche soggetta alla geometria interna. È necessario impedire che la luce diretta colpisca il rivelatore, poiché l'incidenza diretta ne regola artificialmente l'ampiezza. Una sfera integratrice è progettata con numerose serie di deflettori, in modo che la luce che raggiunge il rivelatore attraversi una serie di interazioni riflettenti e la precisione della media sia migliorata.

Figura: Sfera di integrazione

Requisiti di stabilizzazione prima della misurazione

Nella misurazione del flusso luminoso, è fondamentale stabilizzare la temperatura dei LED. La variazione del flusso luminoso dei LED è causata dal riscaldamento dei punti di giunzione e pertanto la potenza deve essere misurata in condizioni elettriche e termiche costanti.
I laboratori professionali accertano:
• Un periodo di stabilizzazione specificato.
• Conformità uniforme alla corrente.
• Dissipazione del calore regolata.
• Inizio della misurazione al raggiungimento della soglia di stabilizzazione del flusso
La differenza di lumen, anche in piccole variazioni della temperatura di giunzione, può essere misurata in particolare tra prototipi, lotti di produzione o altre condizioni di degradazione termica utilizzate in LM-80 test di invecchiamento.

Processo di misurazione basato sulla sfera

Una sfera integratrice è uno strumento di misura del flusso luminoso accurato che adotta un approccio metodologico. Ciò avviene inizialmente utilizzando un riferimento ambientale, una calibrazione di base del sistema e, successivamente, test standardizzati. La fase di calibrazione prevede l'utilizzo di lampade di riferimento di qualità da laboratorio che contengono già valori ottici tracciabili. La misurazione di tali lampade viene effettuata nella sfera per stabilire i coefficienti di conversione tra le misurazioni dei fotodiodi e le misurazioni del flusso luminoso assoluto.
I produttori LISUN produrre sistemi di alta qualità che combinano questi cicli di calibrazione utilizzando sequenze automatizzate, correzione della linearità fotometrica, compensazione dell'errore spettrale e richiamo della calibrazione digitale.
Dopo la calibrazione del sistema, i campioni di LED vengono eccitati. I rivelatori raccolgono il flusso emesso e lo convertono in unità fotometriche, utilizzando rispettivamente la sfera integratrice e il rivelatore.
Tabella: Valori di calibrazione tipici utilizzati nelle misurazioni luminose basate sulla sfera

Caratteristiche termiche durante la misurazione del flusso

L'emissione luminosa dei LED varia notevolmente con la temperatura. Aumentando la corrente diretta, la temperatura di giunzione si riduce in modo non lineare. Questa degradazione raggiunge solitamente il 10-20% in condizioni di elevata temperatura di stress. Per contrastare questo effetto, è necessario integrare i sistemi a sfera con meccanismi di stabilizzazione termica.
Le configurazioni professionali utilizzano:
• Staffe di montaggio del dissipatore di calore
• Driver di corrente di precisione
• Collegamenti elettrici a bassa resistenza Cablaggio a bassa resistenza.
• Registrazione dei dati mediante variazione di temperatura.
Il calore di giunzione non è l'unico impatto ambientale. L'uniformità dell'output è influenzata dalla temperatura ambiente della camera, dal periodo di pre-combustione e dall'ondulazione della forma d'onda.

Risoluzione degli errori di disallineamento spettrale

Nei casi in cui i LED vengono utilizzati per generare distribuzioni spettrali con picchi netti, i sensori fotometrici convenzionali possono causare distorsioni nella misurazione. Quando la sensibilità del rivelatore non si adatta alla curva di efficienza luminosa della materia umana, si verifica una discrepanza spettrale. La sfera integratrice contrasta questa sostituzione con sensori spettroradiometrici calibrati, anziché con semplici fotodiodi.
I nuovi dispositivi di test per LED sono dotati di spettrometri integrati con correzione spettrale. Gli algoritmi di correzione utilizzano la memoria di ponderazione dello spettro della lampada per ottenere il flusso luminoso corretto senza il processo di compensazione manuale.

Gestione dell'assorbimento della luce all'interno della sfera

Dissipatori di calore, pacchetti LED, cablaggi e accessori di montaggio assorbono parte del flusso luminoso. Questo è ciò che viene definito autoassorbimento. In caso contrario, non sarà redditizio e fornirà lumen calcolati in modo errato.
Le procedure professionali di misurazione compensano:
1. Misurazione della linea di base della sfera in assenza di DUT.
2. Misurazione quando il DUT è spento
3. Misurazione con DUT acceso
4. Applicazione dei coefficienti di correzione.
In questo modo si garantisce che i risultati finali delle misurazioni non vengano distorti dall'assorbimento della luce da parte delle strutture di supporto.

Linearità del rilevatore durante la misurazione LED ad alta potenza

Con lo sviluppo di moduli LED destinati a uso museale, si può verificare la saturazione del rivelatore. L'esposizione al di sopra delle aree lineari del sensore darà luogo a letture errate. I laboratori possono evitare questo problema utilizzando filtri di attenuazione o scegliendo canali di rivelatori ad alto flusso con bassa sensibilità.
I sistemi di misurazione della sfera di integrazione correttamente progettati includono:
• Doppi canali di rilevamento
• Circuiti di rilevamento con selezione automatica della portata.
• Amplificazione a basso rumore
• Coefficienti di calibrazione ridondanti non necessari
Ciò garantisce una corretta cattura del flusso sia in caso di utilizzo a bassa che ad alta intensità.

Applicazioni in cui la misurazione della sfera migliora il processo decisionale ingegneristico

I centri che conducono ricerche per valutare le miscele di fosforo LED utilizzano sistemi a sfera per verificare l'efficienza di conversione del fosforo. I produttori che misurano il profilo di carico termico dei driver testano la variazione di flusso a diverse temperature. I creatori di moduli ad alta luminosità misurano il decadimento luminoso nell'invecchiamento accelerato. I team di produzione in serie vengono utilizzati per certificare i fornitori. Questi gruppi possono misurare le metriche prestazionali in modo oggettivo utilizzando una sfera integratrice calibrata.

Conclusione

Sfera di integrazione È uno degli strumenti ottici più accurati utilizzati nel campo della valutazione del flusso luminoso completo nei LED. Grazie alla stabilità termica nel montaggio e alla complessa logica di compensazione del sensore, la sfera è in grado di effettuare misurazioni estremamente affidabili. L'accuratezza o la ripetibilità della stabilità spettrale disponibile nei moderni sistemi integrati negli strumenti di test LED non è ripetibile utilizzando i metodi di misura direzionali convenzionali. I laboratori dotati di processi sistematici hanno acquisito una notevole quantità di dati nel dare un senso alla quantificazione delle prestazioni dei LED in ogni fase di sviluppo del prodotto, dalla formulazione del materiale alla produzione sul mercato, in modo che le decisioni ingegneristiche siano basate sulla reale capacità luminosa, anziché sulla variabilità dei calcoli.