Автор: Московкина Елизавета, специалист отдела технологического оборудования ООО «ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ и ТЕХНОЛОГИИ», [email protected]
При производстве и подборе источников излучения света самое серьезное внимание уделяется контролю светотехнических характеристик. В связи с этим производство должно иметь соответствующее оборудование для измерения параметров, таких как спектр излучения, координаты цветности, общий и частные индексы цветопередачи, формы тока, динамики разгорания ламп и других измеряемых характеристик. Как правило, для контроля всех параметров имеется специальная лаборатория с большим количеством приборов. Попробуем разобраться, можно ли упростить и ускорить процесс контроля параметров.
Немного исторической справки. С точки зрения фотометрии, свет – это излучение, способное вызывать ощущение яркости при воздействии на человеческий глаз. Светимость является функцией отклика чувствительности человеческого глаза к определенной длине волны - вот почему человек издавна полагался исключительно на свои глаза для оценки разницы яркости двух источников света. В середине XIX века были изобретены устройства для сравнения светимости. Например, фотометр немецкого химика Роберта Бунзена с масляным пятном. В этом устройстве световое поле представляет собой экран из белой бумаги, в середине которого небольшая часть поверхности промаслена и благодаря этому просвечивает. Масляное пятно должно иметь резкие края. Два источника света помещаются по обе стороны от экрана и путем ослабления одного из них добиваются, чтобы масляное пятно и остальная часть экрана сделались одинаково яркими. На этом принципе «просвечивающего участка» построены многие более совершенные фотометры.
Веком позже для быстрого измерения освещенности стали использовать люксметры. Это достаточно простой прибор, принцип действия которого основан на явлении фотоэлектрического эффекта (испускание электронов веществом под действием света). Чем ближе находиться люксметр к источнику излучения, тем большие значения освещенности будет показывать прибор и наоборот.
Неотъемлемой частью люксметров является фотоэлемент, преобразующий поток видимого излучения в электрический сигнал. В первых аналоговых люксметрах шкалой служил гальванометр, проградуированный в люксах. Освещенность определялась по углу отклонения стрелки гальванометра. Сейчас широкое распространение получили цифровые люксметры. Такие приборы отображают результат на цифровом жидкокристаллическом экране. Нужно учитывать, что измерительный элемент люксметра (фотоэлемент) также является чувствительным к невидимому человеческим глазом ультрафиолетовому и инфракрасному излучениям. Поэтому люксметры имеют задерживающие фильтры в этих двух диапазонах излучения. Также необходимо обратить внимание, что различные источники света имеют разные спектры излучения. Это приводит к погрешности измерений прибора. Поэтому для каждого люксметра необходимо использовать свои поправочные коэффициенты для каждого типа ламп.
В наши дни существуют 2 основных устройства измерения полностью испускаемого источником излучения количества света: интегрирующие сферы («Сферы Ульбрихта») и гониофотометры. Давайте разберемся в преимуществах и недостатках каждого из них.
Методика применения интегрирующих сфер возникла в начале XX века.
Приемником излучения в таких системах является спектрометр, что позволяет получить информацию о таких характеристиках, как световой поток и цветовая температура. Таким образом, с помощью интегрирующей сферы мы можем получить информацию о 3 параметрах. Для типичных ламп это может быть и неплохо, но для современных источников излучения требуется информация о большем числе параметров. На самом деле, несмотря на простоту эксплуатации, не так просто использовать интеграционные сферы, они требует дополнительных знаний, опыта, громоздких расчетов.Интегрирующая сфера (рис. 1) представляет собой полый шар, выкрашенный изнутри матовой белой краской. Внутрь сферы устанавливается вспомогательная (эталонная) лампа для калибровки детектора. Поэтому первый шаг заключается в измерении характеристик пустой сферы (рис. 2А). Затем в сферу устанавливается измеряемый источник излучения, и происходит второй замер (калибровочный) для понимания, поглощает ли корпус измеряемого образца свет (рис. 2Б). Далее измеряется сам образец во включенном виде (рис. 2В).
Таким образом, можно выявить следующие недостатки этого метода. Первое – процесс занимает достаточно много времени, чтобы измерить один источник излучения (с предварительной калибровкой). Новые лампы направленного света дают огромную ошибку (7-10%) - из-за того, что излучение направлено в определенной области внутри сферы с большей частью своей интенсивности - это препятствует созданию равномерно освещенного пространства и приводит к неточности в измерениях потока. Для источников излучения, таких как, например, трубчатая лампа, нужно большие сферы. Если источник будет длиной 1 м, то радиус сферы должен составить не менее 3 м в диаметре, чтобы обеспечить проведение измерений.
Рис.1 Интегрирующая сфера Neolight IS 500
 |
 |
 |
| А | Б | В |
| Рис.2 Принцип работы интегральной сферы | ||
Следующим шагом технического развития на пути фотометрических измерений стали гониофотометры – сочетание интегрирующей сферы и гониометра. Первый дает фотометрическую и спектрометрическую информацию, второй – пространственное распределение.
Гониофотометры бывают 3 разных видов, отличающихся по геометрии.
Вид А – фиксация по горизонтальной оси, вращение измеряемого образца происходит вокруг вертикальной оси (рис.3). Данный вид гониофотометра используется обычно для получения информации о направленных источниках излучения.
Вид B – фиксация по вертикальной оси, вращение измеряемого образца происходит вокруг горизонтальной оси (рис.4). Данный вид применяется обычно для уличного и проекторного источников излучения.
Вид C – может фиксироваться как горизонтальная или вертикальная оси (рис.5). Например, датчик гониометра вращается, а источник излучения статичен. Такой вид используется для источников освещения, имеющих ассиметричное распределение света.
Ранние версии гониофотометра имеют фотодатчики, которые перемещаются с определенным шагом, делая паузы для измерений. Такое дискретное движение приводит к более длительному времени сбора данных. Также дополнительно необходимо использовать интегрирующие сферы, чтобы получить полные спектральные данные.
Рис.3 Гониофотометр, вид А
Рис.4 Гониофотометр, вид В
Рис.5 Гониофотометр, вид С
Совершенно новой технологией гониометра, который включает спектрометр как светочувствительный элемент, исключает необходимость дополнительного измерения с помощью интегрирующей сферы. Она представляет собой решение, где вся необходимая информация получается в течение одного измерения. Таким образом, скорость получения информации и проведение измерений значительно сокращаются.
Одними из таких приборов в данный момент являются гониофотометры производства компании Viso Systems (Дания).
Портативный лабораторный комплекс Viso LightSpion (рис. 6) позволяет в течение 30 секунд оценить любой источник света. Теперь для того чтобы получить все фотометрические данные источника света, не нужно обладать экспертными знаниями. LightSpion можно использовать за пределами лаборатории, даже без применения темной комнаты. Это делает его незаменимым инструментом для выездных исследований.
Измеряемые параметры:
- Световой поток
- Максимальная яркость
- Цветовая температура
- Индекс цветопередачи (CRI)
- Угол освещения
- Распределение света по направлениям
- Потребляемая мощность
- Коэффициент мощности
- Эффективность (количество люмен на ватт)
Рис.6 Гониофотометр LightSpion
Система состоит из предварительно откалиброванного спектрометра, работающего в диапазоне видимого света 360-830 нм, и гониометра. Измерив полный спектр источника света и собрав фотометрические данные с поля радиусом 360°, устройство вычисляет цветопередачу, цветовую температуру и полный световой поток в люменах. Благодаря встроенному высокоскоростному (70К/сек) анализатору мощности прибор производит измерение напряжения и тока, мгновенно представляет точную информацию о потребляемой мощности и вычисляет светоотдачу в люменах/ватт (рис. 7).
Рис.7 Пример отображения полученной информации
Чемодан LightSpion легко подключается к ПК через USB-порт. В комплект входит программное обеспечение Viso Light Inspector. Все измеряемые данные представляются в простой, доступной форме, благодаря интуитивно-понятному пользовательскому интерфейсу. Так же все полученные результаты можно просмотреть в форме подробного отчета, который можно сохранить на русском языке (рис. 8).
Рис.8 Пример отчета
LightSpion соответствует новым правилам ЕС (EU No 1194/2012), в соответствие с которыми световой поток лампы должен быть измерен в диапазоне 90° или 120°. Для удобства осветителей и дизайнеров данные экспортируется в различные форматы: IES, LDT, PDF, PNG или CVS. Так же можно сфотографировать анализируемые источники света с помощью веб-камеры и вставить их изображения в файлы данных, что позволяет сэкономить время при поиске нужного отчета. Также полученные данные можно отправлять по e-mail, что позволяет сэкономить место в хранилище данных.
Также появилась возможность проводить измерения линейных источников света, таких как светодиодные трубки или ленты. Все очень просто: поместите линейный источник света в гониометр, задайте длину в окне программы и начинайте сбор данных.
LabSpion – это полностью укомплектованная измерительная система, охватывающая абсолютно любые источники света, начиная от ламп маленького размера и светодиодных чипов до больших панелей и ламп уличного освещения. 2х-осный гониометр позволяет получать 3D распределение интенсивности для всех ламп – что оснащает профессионалов световой области подробными LDT и IES файлами.
LabSpion (рис. 9) измеряет самые разнообразные источники света: лампы уличного освещения, лампы из автоиндустрии, светодиодные дисплеи. Лампы легко устанавливаются и удобно закрепляются на специальном ламподержателе, что позволяет легко производить их вращение. LabSpion позволяет проводить измерение ламп до 1,5 м в диаметре и весом до 25 кг.
Рис.9 LabSpion
Монтаж и установка самого LabSpion так же очень проста. Сначала базовая часть прибора ставится на устойчивую и ровную поверхность, предпочтительно в условиях тёмной комнаты. После чего монтируются руки гониометра, и система полностью готова к работе в течении 20 минут. Для получения точных измерений требуется исключить возможные отражения в экспериментальном пространстве, для чего желательно покрыть поверхность за прибором чёрной поглощающей тканью, такой как, например, бархат.
С таким оборудованием нет необходимости пользоваться услугами метрологических служб, что значительно экономит время и бюджет. Приборы быстро окупают свою стоимость.