أدى التطور السريع لتقنية الإضاءة الحالة الصلبة إلى زيادة الطلب على قياسات دقيقة وموثوقة للتدفق الضوئي. ولتطوير أنظمة LED موفرة للطاقة، يجب تقييم كل من الناتج البصري، وثبات اللون، وتأثيرات التسخين، وانخفاض التدفق الضوئي الفعلي بدقة. وتُعد الطريقة الأكثر شيوعًا لهذا القياس هي تلك الموجودة في... دمج المجال وهو عبارة عن غلاف بصري مصمم خصيصًا لاستقبال الضوء الكلي المنبعث من مصباح أو باعث أشباه الموصلات بغض النظر عن اتجاه الضوء المنبعث.
على عكس تقنيات القياس النقطية، التي تعتمد على الجدران العاكسة المنتشرة، تقوم كرة التكامل بحساب متوسط ​​الطاقة الإشعاعية. يزيل هذا المتوسط ​​تأثيرات الزاوية، ما يُتيح الحصول على قيمة حقيقية لإجمالي الناتج الضوئي. تُعد هذه التقنية بالغة الأهمية لدى المصنّعين ومختبرات الاعتماد ومراكز البحث والتطوير الضوئي، حيث تُعدّ دقة القياس القابلة للتتبع ضرورية فيما يتعلق بأجهزة اختبار مصابيح LED.

السلوك الفيزيائي داخل كرة التكامل

يُعدّ التوسط المكاني المبدأ الأساسي لنظام قياس الكرة التكاملية. عند انبعاث الضوء من الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED)، لا يصل إلى الكاشف مباشرةً إلا جزء صغير منه. أما الجزء الأكبر فيصطدم بالسطح الداخلي للكرة، ويتشتت في جميع الاتجاهات قبل وصوله إلى المستشعر. ينتج عن هذه التشتتات المتعددة سطح داخلي ضوئي متجانس.
يعتمد قياس الجودة بشكل كبير على مادة الطلاء. تستخدم الكرات التكاملية عالية الأداء قيم انعكاس تزيد عن 95 وقيم فلورية منخفضة للغاية في طبقاتها. ونظرًا لأطوال الموجات الذروية العالية لمصابيح LED، فإن الحياد الطيفي للطلاء يُعدّ أمرًا بالغ الأهمية.

هندسة الكرة وتأثيرها على القياس

يُعدّ قطر الكرة عاملاً بالغ الأهمية عند اختيارها. فإذا كانت الكرة صغيرة جدًا، قد يرتفع الامتصاص الذاتي نظرًا لأنّ الصمام الثنائي الباعث للضوء وحامله سيحجبان الانعكاسات الداخلية. أما إذا كانت الكرة كبيرة جدًا، فسيكون التوهين البصري كبيرًا، مما يؤدي إلى استجابة ضعيفة للكاشف.
يتراوح قطر الكرة القياسي عند استخدام أدوات قياس LED بين 0.3 متر و2 متر، وذلك تبعًا لحجم المنتج وشدة الإضاءة الناتجة. يُفضل استخدام كرة أكبر حجمًا مع المصابيح أو وحدات الإضاءة أو الوحدات متعددة الرقائق، بينما تُعد الكرات الأصغر حجمًا مثالية لتقييم رقاقة LED أحادية.
يخضع التوزيع المكاني المنتظم أيضًا للهندسة الداخلية. يجب منع سقوط الضوء المباشر على الكاشف لأن السقوط المباشر يُعدّل سعة الكاشف بشكل مصطنع. صُممت كرة التكامل بمجموعات عديدة من الحواجز بحيث يمر الضوء الواصل إلى الكاشف بسلسلة من التفاعلات الانعكاسية، مما يُحسّن دقة حساب المتوسط.

متطلبات التثبيت قبل القياس

في قياس التدفق الضوئي، من الضروري تثبيت درجة حرارة الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED). ينتج تغير التدفق الضوئي للصمامات الثنائية الباعثة للضوء عن تسخين نقاط التوصيل، وبالتالي يجب قياس الخرج في ظل ظروف كهربائية وحرارية ثابتة.
تتحقق المختبرات المتخصصة مما يلي:
• فترة استقرار محددة.
• الامتثال الموحد للتيار الكهربائي.
• تبديد الحرارة المنظم.
• بدء القياس عند الوصول إلى عتبة استقرار التدفق
يمكن قياس فرق التدفق الضوئي، حتى مع التغيرات الطفيفة في درجة حرارة الوصلة، بشكل خاص بين النماذج الأولية أو دفعات الإنتاج أو ظروف التدهور الحراري الأخرى المستخدمة في LM-80 اختبارات الشيخوخة.

عملية القياس القائمة على الكرة

الكرة التكاملية هي أداة قياس دقيقة للتدفق الضوئي، وتعتمد على منهجية محددة. تبدأ هذه المنهجية بمعايرة أساسية للنظام عند ظروف الإضاءة المحيطة، ثم تُجرى اختبارات معيارية. تتضمن خطوة المعايرة استخدام مصابيح مرجعية عالية الجودة، تحتوي بالفعل على قيم بصرية قابلة للتتبع. يُجرى قياس هذه المصابيح داخل الكرة لتحديد معاملات التحويل بين قياسات الثنائي الضوئي وقياسات التدفق الضوئي المطلق.
الشركات المصنعة LISUN إنتاج أنظمة عالية الجودة تجمع بين دورات المعايرة هذه باستخدام التسلسلات الآلية، وتصحيح الخطية الضوئية، وتعويض الخطأ الطيفي، بالإضافة إلى استدعاء المعايرة الرقمية.
بعد معايرة النظام، يتم تحفيز عينات LED. تقوم الكواشف بجمع التدفق المنبعث وتحويله إلى وحدات قياس ضوئية عن طريق أخذ كرة التكامل والكاشف على التوالي.
جدول: قيم المعايرة النموذجية المستخدمة في قياسات الإضاءة القائمة على الكرة

معلمة المعايرة	نطاق نموذجي	ملاحظة
انعكاس الكرة	≥ 95٪	يضمن كفاءة تشتت موحدة
دقة الكاشف الضوئي	± 1٪	تضمن الدقة العالية تحويلًا موثوقًا للتدفق
درجة الحرارة الاستقرار	± 0.5 ° C	ضروري لتثبيت مصابيح LED
عدم اليقين في مصباح المعايرة	≤ ± 2٪	متطلبات التتبع
وقت الاستقرار	(10-30) دقيقة	يعتمد ذلك على تصنيف طاقة LED

الخصائص الحرارية أثناء قياس التدفق

يتأثر ناتج الإضاءة الصادر من الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) بشكل كبير بدرجة الحرارة. عند زيادة التيار الأمامي، تنخفض درجة حرارة الوصلة بشكل غير خطي. ويتراوح هذا التدهور عادةً بين 10 و20% في حالات درجات الحرارة المرتفعة. لذا، يجب دمج آليات التثبيت الحراري لمواجهة هذا التأثير عند دمج أنظمة الكرات.
تستخدم الإعدادات الاحترافية ما يلي:
• أقواس تثبيت المشتت الحراري
• محركات التيار الدقيقة
• توصيلات الأسلاك ذات المقاومة المنخفضة.
• تسجيل البيانات باستخدام تغير درجة الحرارة.
لا يقتصر التأثير البيئي على حرارة الوصلة فقط، بل يتأثر اتساق الإخراج بدرجة حرارة الغرفة المحيطة، وفترة الاحتراق المسبق، والتموج في شكل الموجة.

معالجة أخطاء عدم تطابق الطيف

في الحالات التي تُستخدم فيها مصابيح LED لتوليد توزيعات طيفية ذات قمم حادة، قد تتسبب أجهزة الاستشعار الضوئية التقليدية في تحيز القياس. فعندما لا تتوافق حساسية الكاشف مع منحنى الكفاءة الضوئية للمواد المحيطة، يحدث تباين طيفي. وتُعالج كرة التكامل هذا التباين باستخدام أجهزة استشعار طيفية إشعاعية مُعايرة، بدلاً من الثنائيات الضوئية البسيطة.
تحتوي أجهزة اختبار مصابيح LED الجديدة على مطيافات مدمجة مزودة بتصحيح طيفي مدمج. تستخدم خوارزميات التصحيح بيانات ترجيح طيف المصباح للحصول على التدفق الضوئي الصحيح دون الحاجة إلى عملية تعويض يدوية.

معالجة امتصاص الضوء داخل الكرة

تمتص المشتتات الحرارية، ووحدات LED، وتجهيزات الأسلاك، بالإضافة إلى ملحقات التركيب، جزءًا من التدفق الضوئي. وهذا ما يُعرف بالامتصاص الذاتي. وإلا، فلن يكون هناك فائدة، وستُعطي قيم لومن غير دقيقة.
تُعوض إجراءات القياس المهنية عن طريق:
1. قياس خط الأساس الكروي في غياب الجهاز قيد الاختبار.
2. القياس عندما يكون الجهاز قيد الاختبار مطفأً
3. القياس مع تشغيل الجهاز قيد الاختبار
4. تطبيق معاملات التصحيح.
وهذا يضمن عدم تشويه النتائج النهائية للقياسات النهائية بسبب امتصاص الضوء بواسطة الهياكل الداعمة.

خطية الكاشف أثناء قياس LED عالي الإخراج

مع تطور وحدات LED المستخدمة في المتاحف، قد يحدث تشبع في الكاشف. التعرض للضوء فوق المناطق الخطية للمستشعر سيؤدي إلى قراءات خاطئة. يمكن للمختبرات تجنب ذلك إما باستخدام مرشحات التخفيف أو باختيار قنوات كاشف ذات تدفق عالٍ وحساسية منخفضة.
تشمل أنظمة قياس كرة التكامل المصممة بشكل صحيح ما يلي:
• قناتان للكشف المزدوج
• دوائر كشف ذاتية التحديد.
• تضخيم منخفض الضوضاء
• معاملات معايرة زائدة غير ضرورية
وهذا يضمن التقاط التدفق بشكل صحيح في كل من الاستخدام ذي الكثافة المنخفضة والعالية.

تطبيقات يُحسّن فيها قياس الكرة عملية اتخاذ القرارات الهندسية

تستخدم المراكز البحثية التي تُجري تقييمًا لمزيج الفوسفور في مصابيح LED أنظمة كروية للتحقق من كفاءة تحويل الفوسفور. ويختبر المصنّعون الذين يقيسون منحنى الحمل الحراري للمحرك تغير التدفق الضوئي عند درجات حرارة مختلفة. ويقيس مصممو الوحدات عالية السطوع انخفاض الإضاءة في ظروف التقادم المتسارع. وتُستخدم فرق الإنتاج الدفعي لاعتماد الموردين، حيث تستطيع هذه الفرق قياس مؤشرات الأداء بموضوعية باستخدام كرة تكاملية معايرة.

خاتمة

دمج المجال يُعد هذا الجهاز من أدق أدوات القياس البصرية المستخدمة في تقييم التدفق الضوئي الكامل في مصابيح LED. بفضل ثباته الحراري في التركيب ومنطق تعويض المستشعر المعقد، يُتيح هذا الجهاز إجراء قياسات موثوقة للغاية. لا يُمكن تكرار دقة أو قابلية تكرار الثبات الطيفي المتوفر في الأنظمة الحديثة المُدمجة في أجهزة اختبار مصابيح LED باستخدام طرق القياس الاتجاهية التقليدية. وقد اكتسبت المختبرات المُجهزة بعمليات منهجية خبرةً كبيرة في تحديد أداء مصابيح LED كميًا في كل مرحلة من مراحل تطوير المنتج، بدءًا من تركيب المواد وحتى طرحه في السوق، بحيث تتوافق القرارات الهندسية مع القدرة الضوئية الحقيقية، بدلاً من الاعتماد على تباين الحسابات.

العلامات:LPCE-2 (LMS-9000)