อัตราการพัฒนาอย่างรวดเร็วของระบบไฟส่องสว่างแบบโซลิดสเตทได้สร้างความต้องการการวัดค่าฟลักซ์แสงที่แม่นยำและเชื่อถือได้ เพื่อพัฒนาระบบ LED ที่ประหยัดพลังงาน จำเป็นต้องประเมินผลลัพธ์ทางแสง ความเสถียรของสี ผลกระทบจากความร้อน และการลดลงของค่าลูเมนที่แท้จริงอย่างแม่นยำ วิธีการวัดที่พบได้ทั่วไปคือวิธีการวัดแบบใช้เครื่องวัดความสว่าง (LED) การบูรณาการทรงกลม ซึ่งเป็นกล่องหุ้มทางแสงที่ออกแบบมาเป็นพิเศษเพื่อรับแสงทั้งหมดที่ปล่อยออกมาจากหลอดไฟหรือตัวปล่อยแสงเซมิคอนดักเตอร์ โดยไม่คำนึงถึงทิศทางของแสงที่ปล่อยออกมา
แตกต่างจากเทคนิคการวัดแบบจุดโดยใช้ผนังสะท้อนแสงแบบกระจาย ทรงกลมรวมแสงจะคำนวณค่าเฉลี่ยของพลังงานการแผ่รังสี การหาค่าเฉลี่ยนี้จะขจัดผลกระทบที่เกิดจากมุม และได้ค่าที่แท้จริงของปริมาณแสงที่ส่องออกมาทั้งหมด เทคนิคนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในผู้ผลิต ห้องปฏิบัติการรับรอง และศูนย์วิจัยและพัฒนาด้านโฟโตเมตริกส์ ซึ่งต้องการความแม่นยำในการวัดที่ตรวจสอบย้อนกลับได้สำหรับเครื่องมือทดสอบ LED

พฤติกรรมทางกายภาพภายในทรงกลมรวมแสง

การหาค่าเฉลี่ยเชิงพื้นที่เป็นหลักการสำคัญที่อยู่เบื้องหลังระบบการวัดด้วยทรงกลมรวมแสง แสงที่ปล่อยออกมาจาก LED มีเพียงส่วนน้อยเท่านั้นที่ตกกระทบตัวตรวจจับโดยตรง ส่วนใหญ่จะตกกระทบพื้นผิวด้านในของทรงกลมและกระจายไปในทุกทิศทางก่อนที่จะถึงเซ็นเซอร์ การกระจายแสงหลายทิศทางเช่นนี้ทำให้ได้พื้นผิวด้านในของทรงกลมที่มีความสม่ำเสมอในการวัดแสง
การวัดคุณภาพขึ้นอยู่กับวัสดุเคลือบผิวเป็นอย่างมาก ทรงกลมรวมแสงประสิทธิภาพสูงใช้ค่าการสะท้อนแสงมากกว่า 95 และมีการเรืองแสงต่ำมากในสารเคลือบผิว เนื่องจากความยาวคลื่นสูงสุดของ LED สูงมาก ความเป็นกลางทางสเปกตรัมของสารเคลือบผิวจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง

เรขาคณิตทรงกลมและอิทธิพลที่มีต่อการวัด

การเลือกขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของทรงกลมมีความสำคัญมาก หากทรงกลมเล็กเกินไป การดูดซับแสงภายในอาจสูง เนื่องจาก LED และตัวยึดจะปิดกั้นการสะท้อนภายใน ในทางกลับกัน หากทรงกลมใหญ่เกินไป การลดทอนแสงจะมาก ส่งผลให้การตอบสนองของตัวตรวจจับอ่อนลง
โดยทั่วไปแล้ว ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของทรงกลมที่ใช้ในการวัด LED จะอยู่ระหว่าง 0.3 เมตรถึง 2 เมตร ขึ้นอยู่กับขนาดของผลิตภัณฑ์และปริมาณความสว่างที่ผลิตได้ ทรงกลมขนาดใหญ่เหมาะสำหรับใช้กับหลอดไฟ โคมไฟ หรือโมดูลหลายชิป ในขณะที่ทรงกลมขนาดเล็กเหมาะสำหรับใช้ในการวัด LED เดี่ยว
ความสม่ำเสมอเชิงพื้นที่ยังขึ้นอยู่กับรูปทรงเรขาคณิตภายในด้วย ต้องป้องกันไม่ให้แสงตกกระทบลงบนตัวตรวจจับโดยตรง เพราะการตกกระทบโดยตรงจะปรับค่าแอมพลิจูดของตัวตรวจจับอย่างไม่เป็นธรรมชาติ ทรงกลมรวมแสงถูกออกแบบให้มีแผ่นกั้นหลายชุด เพื่อให้แสงที่ตกกระทบลงบนตัวตรวจจับผ่านการสะท้อนหลายครั้ง และช่วยเพิ่มความแม่นยำในการหาค่าเฉลี่ย

รูป: การรวม Sphere

ข้อกำหนดการรักษาเสถียรภาพก่อนการวัด

ในการวัดค่าฟลักซ์ส่องสว่าง จำเป็นต้องควบคุมอุณหภูมิของ LED ให้คงที่ การเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์ส่องสว่างของ LED เกิดจากความร้อนที่จุดเชื่อมต่อ ดังนั้นจึงต้องวัดค่าที่ได้ภายใต้สภาวะทางไฟฟ้าและความร้อนที่คงที่
ห้องปฏิบัติการระดับมืออาชีพยืนยันว่า:
• ระยะเวลาการรักษาเสถียรภาพที่กำหนดไว้
• การปฏิบัติตามข้อกำหนดกระแสไฟฟ้าอย่างสม่ำเสมอ
• การระบายความร้อนอย่างเป็นระบบ
• เริ่มการวัดเมื่อค่าฟลักซ์คงที่ถึงระดับเกณฑ์ที่กำหนด
ความแตกต่างของลูเมน แม้แต่การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยของอุณหภูมิรอยต่อ ก็สามารถวัดได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งระหว่างต้นแบบ ล็อตการผลิต หรือสภาวะการเสื่อมสภาพทางความร้อนอื่นๆ ที่ใช้ในการทดลอง LM-80 การทดสอบการเสื่อมสภาพตามอายุ

กระบวนการวัดแบบทรงกลม

ทรงกลมรวมแสง (Integrating sphere) เป็นเครื่องมือวัดฟลักซ์แสงที่แม่นยำซึ่งใช้วิธีการที่เป็นระบบ โดยเริ่มต้นจากการหาค่าอ้างอิงของสภาพแวดล้อม การสอบเทียบค่าพื้นฐานของระบบ ก่อนที่จะทำการทดสอบตามมาตรฐาน ขั้นตอนการสอบเทียบเกี่ยวข้องกับการใช้หลอดไฟอ้างอิงคุณภาพระดับห้องปฏิบัติการซึ่งมีค่าทางแสงที่ตรวจสอบย้อนกลับได้อยู่แล้ว การวัดหลอดไฟดังกล่าวจะทำในทรงกลมเพื่อสร้างค่าสัมประสิทธิ์การแปลงระหว่างการวัดด้วยโฟโตไดโอดและการวัดฟลักซ์แสงสัมบูรณ์
ผู้ผลิต LISUN ผลิตระบบคุณภาพสูงที่ผสานรวมวงจรการสอบเทียบเหล่านี้โดยใช้ลำดับอัตโนมัติ การแก้ไขความตรงเชิงเส้นของโฟโตเมตริก การชดเชยข้อผิดพลาดทางสเปกตรัม รวมถึงการเรียกคืนการสอบเทียบแบบดิจิทัล
หลังจากปรับเทียบระบบแล้ว จะทำการกระตุ้นตัวอย่าง LED ตัวตรวจจับจะรวบรวมฟลักซ์ที่ปล่อยออกมาและแปลงเป็นหน่วยโฟโตเมตริกโดยใช้ทรงกลมรวมแสงและตัวตรวจจับตามลำดับ
ตาราง: ค่าการสอบเทียบทั่วไปที่ใช้ในการวัดความสว่างโดยใช้ทรงกลม

ลักษณะทางความร้อนระหว่างการวัดฟลักซ์

ปริมาณแสงที่เปล่งออกมาจาก LED นั้นแปรผันอย่างมากตามอุณหภูมิ เมื่อกระแสไฟฟ้าไหลผ่านเพิ่มขึ้น อุณหภูมิของจุดเชื่อมต่อจะลดลงในลักษณะที่ไม่เป็นเชิงเส้น การเสื่อมสภาพนี้มักเกิดขึ้นประมาณ 10-20% ในสถานการณ์ที่มีอุณหภูมิสูง กลไกการรักษาเสถียรภาพทางความร้อนจำเป็นต้องถูกนำมาใช้เพื่อต่อต้านผลกระทบนี้ในการบูรณาการระบบทรงกลม
อุปกรณ์ระดับมืออาชีพใช้:
• ขายึดสำหรับติดตั้งฮีทซิงค์
• ตัวขับกระแสไฟฟ้าที่มีความแม่นยำสูง
• การเชื่อมต่อสายไฟที่มีความต้านทานต่ำ การเดินสายไฟที่มีความต้านทานต่ำ
• การบันทึกข้อมูลโดยใช้การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ
ความร้อนที่จุดเชื่อมต่อไม่ใช่ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมเพียงอย่างเดียว ความสม่ำเสมอของเอาต์พุตยังได้รับผลกระทบจากอุณหภูมิห้องโดยรอบ ระยะเวลาก่อนการเผาไหม้ และความผันผวนในรูปคลื่นอีกด้วย

การแก้ไขข้อผิดพลาดที่ไม่ตรงกันของสเปกตรัม

ในกรณีที่ใช้ LED เพื่อสร้างการกระจายสเปกตรัมที่มีจุดสูงสุดแหลมคม เซ็นเซอร์วัดแสงแบบดั้งเดิมอาจทำให้เกิดความคลาดเคลื่อนในการวัด เมื่อความไวของตัวตรวจจับไม่สอดคล้องกับเส้นโค้งประสิทธิภาพการส่องสว่างของสสารที่เป็นมนุษย์ ความคลาดเคลื่อนของสเปกตรัมจึงเกิดขึ้น ทรงกลมรวมแสงช่วยแก้ไขปัญหานี้ได้ โดยใช้เซ็นเซอร์วัดสเปกตรัมแบบปรับเทียบแล้ว แทนที่จะใช้โฟโตไดโอดแบบธรรมดา
อุปกรณ์ทดสอบ LED รุ่นใหม่มีสเปกโทรเมตรในตัวพร้อมระบบแก้ไขสเปกตรัมในตัว อัลกอริทึมการแก้ไขจะใช้ค่าถ่วงน้ำหนักสเปกตรัมของหลอดไฟที่จัดเก็บไว้เพื่อให้ได้ค่าฟลักซ์ส่องสว่างที่ถูกต้องโดยไม่ต้องทำการชดเชยด้วยตนเอง

การจัดการการดูดซับแสงภายในทรงกลม

แผ่นระบายความร้อน ชุดไฟ LED อุปกรณ์ต่อสายไฟ รวมถึงอุปกรณ์ติดตั้งต่างๆ จะดูดซับฟลักซ์แสงบางส่วน ซึ่งเรียกว่าการดูดซับในตัวเอง หากไม่เป็นเช่นนั้น การทำงานจะไม่มีประสิทธิภาพ และจะทำให้ค่าลูเมนที่คำนวณได้ไม่ถูกต้อง
ขั้นตอนการวัดอย่างมืออาชีพจะได้รับการชดเชยโดย:
1. การวัดค่าฐานของทรงกลมในกรณีที่ไม่มีอุปกรณ์ทดสอบ (DUT)
2. การวัดขณะที่อุปกรณ์ที่กำลังทดสอบ (DUT) ปิดอยู่
3. การวัดขณะที่อุปกรณ์ที่กำลังทดสอบ (DUT) เปิดอยู่
4. การใช้ค่าสัมประสิทธิ์การแก้ไข
วิธีนี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่าผลลัพธ์สุดท้ายของการวัดจะไม่ผิดเพี้ยนไปเนื่องจากการดูดซับแสงของโครงสร้างรองรับ

ความเป็นเส้นตรงของตัวตรวจจับระหว่างการวัด LED กำลังสูง

ด้วยการพัฒนาโมดูล LED ที่มีมาตรฐานระดับพิพิธภัณฑ์ อาจเกิดการอิ่มตัวของตัวตรวจจับได้ การรับแสงที่เกินขอบเขตเชิงเส้นของเซ็นเซอร์จะทำให้ได้ค่าที่อ่านได้ผิดพลาด ห้องปฏิบัติการสามารถหลีกเลี่ยงปัญหานี้ได้โดยการใช้ตัวกรองลดทอนแสง หรือเลือกช่องตรวจจับที่มีฟลักซ์สูงแต่มีความไวต่ำ
ระบบการวัดด้วยทรงกลมรวมแสงที่ได้รับการออกแบบอย่างเหมาะสมประกอบด้วย:
• ช่องตรวจจับคู่
• วงจรตรวจจับแบบปรับระยะอัตโนมัติ
• การขยายสัญญาณที่มีเสียงรบกวนต่ำ
• ค่าสัมประสิทธิ์การสอบเทียบที่ซ้ำซ้อนโดยไม่จำเป็น
สิ่งนี้รับประกันการดักจับฟลักซ์อย่างเหมาะสมทั้งในสภาวะความเข้มต่ำและความเข้มสูงขณะใช้งาน

การประยุกต์ใช้ที่การวัดทรงกลมช่วยปรับปรุงการตัดสินใจทางวิศวกรรม

ศูนย์วิจัยที่ประเมินส่วนผสมของสารเรืองแสงใน LED ใช้ระบบทรงกลมเพื่อตรวจสอบประสิทธิภาพการแปลงสารเรืองแสง ผู้ผลิตที่วัดโปรไฟล์ภาระความร้อนของไดรเวอร์จะทดสอบการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์ที่อุณหภูมิต่างๆ ผู้สร้างโมดูลความสว่างสูงจะวัดการลดลงของความสว่างในการเร่งอายุ ทีมผลิตแบบกลุ่มใช้ในการรับรองซัพพลายเออร์ กลุ่มเหล่านี้สามารถวัดตัวชี้วัดประสิทธิภาพได้อย่างเป็นกลางโดยใช้ทรงกลมรวมแสงที่ได้รับการสอบเทียบแล้ว

สรุป

การบูรณาการทรงกลม เป็นหนึ่งในเครื่องมือวัดทางแสงที่มีความแม่นยำที่สุดที่ใช้ในด้านการประเมินค่าฟลักซ์แสงเต็มรูปแบบใน LED ด้วยความเสถียรทางความร้อนในการติดตั้งและตรรกะการชดเชยเซ็นเซอร์ที่ซับซ้อน ทำให้ทรงกลมนี้สามารถวัดค่าได้อย่างน่าเชื่อถือมาก ความแม่นยำหรือความสามารถในการทำซ้ำของความเสถียรของสเปกตรัมที่มีอยู่ในระบบที่ทันสมัยซึ่งฝังอยู่ในเครื่องมือทดสอบ LED นั้นไม่สามารถทำซ้ำได้โดยใช้วิธีการวัดแบบทิศทางทั่วไป ห้องปฏิบัติการที่ติดตั้งกระบวนการอย่างเป็นระบบได้สั่งสมความรู้มากมายเกี่ยวกับการวัดประสิทธิภาพของ LED ในแต่ละขั้นตอนของการพัฒนาผลิตภัณฑ์ ตั้งแต่การกำหนดสูตรวัสดุไปจนถึงการผลิตเพื่อจำหน่าย เพื่อให้การตัดสินใจทางวิศวกรรมสอดคล้องกับความสามารถในการส่องสว่างที่แท้จริง แทนที่จะเป็นความแปรปรวนจากการคำนวณ