Разработка и исследование приборов для измерения оптических параметров и характеристик светодиодов

Актуальность работы.

Повышенное внимание мирового сообщества к проблеме энергосохранения и использования электрической энергии не обошло стороной и нашу страну. В период 2009;2013 гг. ведущие страны (Австралия, Великобритания, Евросоюз, Россия США) полностью откажутся от ламп накаливания. Правительством РФ рассматривается также возможность запрета с 2015 года компактных люминесцентных ламп.

Наиболее перспективными энергосберегающими источниками являются светоизлучающие диоды (СИД), которые обладают рядом преимуществ:

• «экологичность» (отсутствие ртути).

• большой срок эксплуатации.

• эффективная и высокая световая отдача.

• компактность и удобство монтажа.

• широкий выбор оттенков.

• низкий нагрев.

• электрическая безопасность.

• хорошая совместимость с сенсорными микропроцессорными системами управления.

Обладая высокими техническими характеристиками, светодиодные светильники создают эффективное освещение.

По утверждению специалистов [1], в нашей стране производство светодиодного освещения во много раз более развито, чем в других странах. Так доля светодиодного освещения в России в 2008 году составила 3,5% от общего объёма рынка осветительной продукции, при среднегодовых темпах роста в 14%, что даже выше среднемировых показателей. Сейчас уже более 200 предприятий в нашей стране конкурируют на рынке светодиодной продукции.

В свою очередь для измерения основных параметров этих перспективных энергосберегающих источников оптического излучения требуются, доступные, надежные, серийно производимые измерительные приборы на уровне рабочих и эталонных средств измерений, с соответствующим метрологическим и методическим обеспечением, и этот спрос будет только расти.

Общая характеристика работы.

Цель работы.

Целью работы является исследование и разработка методов и приборов для измерения полного светового потока, координат цветности, коррелированной температуры и пространственных характеристик излучения светодиодов. Задачи исследования.

Для достижения поставленной цели необходимо:

1 .Осуществить критический анализ существующих методов измерения параметров и характеристик СИД и оценить метрологические характеристики, серийно выпускаемых приборов.

2.Выбрать алгоритм работы и схему построения современных оптико-электронных приборов для измерения оптических параметров и характеристик светодиодов.

3.Провести теоретические и экспериментальные исследования, обеспечивающие решение поставленных задач.

Методы исследования.

Работа выполнена на основе теории оптических и оптико-электронных приборов и систем. При выполнении диссертационной работы использовались методы интегрального исчисления, математической статистики, компьютерные методы расчёта и моделирования. Эксперименты выполнялись с помощью интегральной и спектральной оптико-электронной аппаратуры в лабораторных условиях, а результаты обрабатывались посредством компьютерной техники.

Научная новизна работы.

1. Разработана программа для расчёта систематической погрешности, связанной с переходом от источника типа, А (калибровка фотометрической головки) к спектру излучения светодиода, и расчёта поправочного коэффициента для учёта этой погрешности.

2. Проведены исследования и разработан прибор на основе интегрирующей сферы со «спектральным» ФПУ для экспресс измерения полного светового потока и координат цветности СИД.

3. Посредством компьютерного моделирования проведена оптимизация параметров гониометрического комплекса для измерения характеристик СИД.

4. Предложена новая схема построения приборов для измерения пространственных параметров СИД «за одно измерение».

Основные результаты, выносимые на защиту.

1. Принцип построения микропроцессорного прибора для экспресс измерения полного светового потока и цветовых характеристик светодиодов, основанный на сочетании интегрирующей сферы с «интегральным» или «спектральным» фотоприёмным устройством.

2. Обобщённая структура гониометрического стенда и принципы построения полуавтоматического комплекса с оптимизированными параметрами для измерения индикатрис излучения СИД.

3. Программа для расчёта систематической погрешности связанной с переходом от источника типа, А (калибровка фотометрической головки) к спектру излучения светодиода.

4. Альтернативные методы и способы построения приборов для измерения индикатрис из лучения светодиодов в пространстве за одно измерение, с помощью волоконной оптики.

5. Методики исследования метрологических характеристик разработанных приборов, и использованных в них приемников оптического излучения Практическая результаты работы.

Основными практическими результатами можно считать следующие:

1. Исследованы и разработаны: приборы с «интегральным» и «спектральным» ФПУ для экспресс измерения полного светового потока и цветовых характеристик СИД, которые можно использовать в качестве рабочих средств измерений.

2. Разработаны алгоритм и программа для расчёта систематической погрешности, связанной с переходом от источника типа, А (калибровка фотометрической головки) к спектру излучения светодиода, и вычисления поправочного коэффициента для учёта этой погрешности.

3. Проведены исследования метрологических характеристик целого класса приемников и источников оптического излучения.

4. Предложены несколько схем для создания прибора (по новой методике), которая позволяет измерять пространственные характеристики СИД за одно измерение. По одной из схем изготовлен макет ФПУ и проведены экспериментальные исследования.

Разработанные приборы в настоящее время востребованы фирмами, выпускающими СИД в России, а в перспективе могут стать рабочими средствами измерения оптического излучения СИД в СНГ и за рубежом.

Реализация результатов работы.

Результаты работы подтверждены актом внедрения теоретических и экспериментальных исследований по тематике диссертации на научно-производственном предприятии ООО «НТП ТКА» (Санкт-Петербург), а также тремя актами использования результатов диссертации предприятиями и университетами.

Личный вклад автора.

Автором осуществлен критический анализ выпускаемых в России и за рубежом приборов для измерения параметров и характеристик СИД. Проведён ряд экспериментальных исследований на основе которых разработаны «интегральный» и «спектральный» приборы для измерения полного светового потока СИД. Создана модель полуавтоматического гониометрического комплекса. Разработана программа для расчёта систематической погрешности, связанной с переходом от источника типа, А (калибровка фотометрической головки) к спектру излучения светодиода, и выдачи поправочного коэффициента для учёта этой погрешности. Разработана, теоретически обоснована и экспериментально подтверждена перспективная схема прибора для измерения пространственных характеристик СИД за одно измерение на основе световолоконной, плосковогнутой линзы.

Апробация работы.

Основные результаты работы и научные положения, выносимые на защиту, докладывались и обсуждались на различных Российских и международных конференциях: VI, VII Всероссийские конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, Россия, 2008, 2009, 2010 г.) — XVII конференция «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение» (Москва, Россия, 2008 г.) — X Всероссийский научно-технический семинар «Проблемы метрологического обеспечения в здравоохранении и производстве медицинской техники» (Сочи, Россия, 2009 г.) — VI Международная научно-практическая конференция «Сохранность и доступность культурных и исторических памятников. Современные подходы» (Санкт-Петербург, Россия, 2009 г.) — 15 International workshop on inorganic and organic electroluminescence and 2010 International conference on the science and technology of emissive displays and lighting and 18 advanced display technologies international symposium (Санкт-Петербург, Россия, 2010 г.).

Публикации.

Основные результаты проведённых исследований опубликованы в 11 печатных работах, из них: 3 статьи, опубликованы в журналах, входящих в «Перечень ВАК РФ» 1 в «Перечень ВАК Украины».

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и двух приложений. Основная часть работы изложена на 138 страницах машинописного текста, содержит 65 рисунков, 16 таблиц и 40 наименований библиографического списка.

Основные результаты исследований отражены в следующих публикациях:

По перечню ВАК РФ:

1. Круглов О. В., Кузьмин В. Н, Томский К. А. Измерение светового потока светодиодов.// Ж. Светотехника № 3 2009г с.34−36.

2. Антонов В. В., Круглов О. В.,. Кузьмин В. Н. Денситометры для измерения оптической плотности кинофотоматериалов. // Ж. Мир техники Кино №.

• 15 2010г. с.22−24.

3. Антонов В. В., Круглов О. В., Кузьмин В. Н. Спектроколориметр для контроля качества проецируемого изображения// Ж. Мир техники Кино статья № 15 2010 г. с. 18−21.

По перечню ВАК Украины:

4. Круглов О. В., Ишанин Г. Г Измерение спектральных и пространственных параметров и характеристик светодиодов // Ж. Вестник ЧГТУ с.113−117.

Другие работы:

5. Круглов О. В. Измерение полного светового потока светодиодов. // Сборник трудов КМУ VI, Выпуск 1. «Ототехника и оптическое приборостроение» СПбГУ ИТМО. 2009с.263−268.

6. Антонов В. В., Круглов О. В, Кузьмин В. Н, Томский К. А.,. Николаев С. Е Приборы для измерения нормируемых характеристик микроклимата в музеях. //Материалы VI международной научно-практической конференции «Сохранность и доступность культурных и исторических памятников. Современные подходы.»" 20−22.10.2009. с259−268.

7. Антонов В. В., Круглов О. В. Особенности разработки спектрального УФ-радиометра. // Сборник трудов КМУ VII, Выпуск 2"Оптотехника и оптическое приборостроение". СПбГУ ИТМО. 2010 с.88−89.

8. Антонов В. В., Круглов О. В., Кузьмин В. Н. Приборы для измерения оптических параметров и характеристик светодиодов. // Ж. Полупроводниковая Светотехника № 3 2010г. с.26−31.

9. Antonov V.V., Tomsky К.А. Kruglov O.V. Kuzmin V.N. Nikolaev S.E. Spectrocolorimetr for measuring color characteristics of the sources of optical radiation //15 International workshop on inorganic and organic electroluminescence and 2010 International conference on the science and technology of emissive displays and lighting and 18 advanced display technologies international symposium —St.Petersburg State Institute of technology 2010, p.291−292.

10. Антонов B. B, Круглов O.B., Кузьмин В. Н, Николаев С. Е, А. С. Троицкий Спектроденситометр для измерения оптической плотности материалов, используемых в светотехнической промышленности. // Тезисы докладов XVII конференции «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение» -М.ФГУП ВНИИОФИ. 2009 с.88−90.

11. Антонов В. В., Круглов О. В, Кузьмин В. Н., Томский К. А. Проблемы измерения ультрафиолетового излучения. XX Всероссийский научно-технический семинар «Проблемы метрологического обеспечения в здравоохранении и производстве медицинской техники» М. ФГУП ВНИИОФИ 2009 г.-(выпущены на диске).

Заключение

.