Český metrologický institut – progresivní metody fotometrie pro LED zdroje

Resumé

S masovým nástupem nových LED a OLED světelných zdrojů se stává nevyhnutelným adaptovat konvenční fotometrii založenou na žárovkových etalonech na moderní inovativní fotometrii využívající nové etalonové LED zdroje. Aplikace etalonových LED zdrojů otevírá možnost využití primárních bezfiltrových fotometrů a s tím spojené snižování nejistoty primární realizace fotometrických veličin. Vzhledem k tomu, že se laboratoř Českého metrologického institutu (ČMI) řadí mezi přední laboratoře fotometrie a radiometrie, už nyní připravila technické řešení přechodu na inovativní metrologii nových LED světelných zdrojů. Z toho plyne i zavedení kalibrace luxmetrů využívající porovnání s novým typem bezfiltrového fotometru na etalonovém LED světelném zdroji. Tento progresivní způsob kalibrace zajišťuje nižší nejistotu kalibrace a následně menší odchylky měření osvětlenosti generované světelnými zdroji s LED.

Obr. 1. Nové světelné zdroje na bázi LED

Úvod

S příchodem nových světelných zdrojů na bázi světelných diod LED se mnohé zkušební laboratoře potýkají s měřením jejich světelného toku a elektrického příkonu za účelem určení poměrné světelné účinnosti a klasifikace jejich energetické třídy. Stejný problém řeší např. subjekty autorizované k výkonu úředního měření nebo metrologové zajišťující kvalitu výroby. Vzhledem k faktu, že spektrální responsivita filtrovaných fotometrů se více či méně liší od předepsané poměrné spektrální světelné účinnosti CIE, jsou všechny fotometry standardně kalibrovány pomocí wolframové žárovky s náhradní teplotou chromatičnosti 2 856 K (standardní zdroj A CIE). To však způsobuje nežádoucí spektrální chyby při měření LED světelných zdrojů ve zkušebních laboratořích, ale i v polních podmínkách. Příčinou jsou velké rozdíly mezi spektry kalibračního a měřeného zdroje. Tyto chyby navíc není možné v mnoha případech ani korigovat.

Obr. 2. Snímek typického luxmetru a zastaralého standardního žárovkového 
a moderního etalonového LED zdroje

Implementace nových LED světelných zdrojů
do metrologického schématu návaznosti fotometrických veličin ČMI

Jako řešení se nabízí využití LED světelných zdrojů již jako etalonových místo konvenčních žárovkových zdrojů typu normalizovaného zdroje A CIE. Mezinárodní organizace pro osvětlování CIE už připravuje standardizování nového LED světelného zdroje, neboť bylo z rozsáhlých studií provedených v rámci evropského projektu PhotoLED [1] zjištěno, že v případě kalibrace luxmetru na standardním LED zdroji bude tento přístroj vykazovat v průměru menší odchylky při měření všech používaných typů světelných zdrojů s odlišným spektrem než v případě jeho kalibrace na doposud běžně používaném standardním zdroji A CIE [2].

Vzhledem k tomu, že se Laboratoř primární metrologie ČMI řadí mezi přední laboratoře fotometrie a radiometrie, už nyní pracuje na technickém řešení přechodu na metrologii nových LED světelných zdrojů. Její odborníci implementovali nový LED etalon do metrologického schématu návaznosti fotometrických veličin. Zavedení nového standardního LED zdroje navíc poskytuje možnost překlenout nutnost použít primární filtrové fotometry, neboť charakteristickou vlastností LED zdrojů je spektrum omezené pouze na spektrální rozsah viditelných vlnových délek. Tento fakt umožňuje zavést nový typ primárního fotometru – bezfiltrový fotometr, jehož spektrální responsivita není uměle přizpůsobována poměrné spektrální citlivosti lidského oka.

Obr. 3. Snímek nového typu primárního bezfiltrového fotometru

Takovýto typ fotometru neobsahuje žádný optický filtr, který bývá u klasického fotometru zdrojem nejistoty vlivem jeho teplotní závislosti, prostorové nehomogenity a časové degradace. Na obr. 4 jsou v jednom grafu vyneseny spektrální průběhy typického spektrálního složení LED zdrojů (modře), poměrné spektrální citlivosti lidského oka (zeleně) a spektrální responsivity křemíkového pasťového detektoru (oranžově). Výhodou oproti využití standardního typu primárního fotometru (filtrového fotometru se spektrální responsivitou přizpůsobenou poměrné spektrální citlivosti lidského oka V(λ)) je také možnost zjednodušení metrologického schématu návaznosti pro fotometrii LED zdrojů, které na primární metrologické úrovni dovoluje zmenšit nejistotu realizace základní jednotky SI kandela veličiny svítivost. To se přímo promítne do zmenšení nejistot kalibrací pro zákazníky ČMI. S tím souvisí současná práce autorů na vývoji nového typu primárních nefiltrovaných fotometrů založených na PQED detektorech (predictable quantum efficient detector). Jde o absolutní typ detektoru s predikovatelnou spektrální responsivitou, který v budoucnu nahradí složitou metrologickou návaznost současných primárních fotometrů.

Obr. 4. Poměrné spektrální průběhy typického spektrálního složení LED zdrojů (modře), spektrální citlivost lidského oka V(λ) (zeleně) a spektrální responsivity křemíkového pasťového detektoru (oranžově)

ČMI kalibruje fotometry na etalonových LED zdrojích
porovnáním s bezfiltrovým fotometrem

Pracovníci ČMI připravili metodu kalibrace, která je založena na již uvedených principech. Luxmetry je možné kalibrovat přímým porovnáním s novým typem primárního bezfiltrového fotometru na etalonovém LED zdroji na fotometrické lavici ČMI (viz obr. 5). Takto kalibrovaný luxmetr bude v průměru vykazovat menší odchylky při měření všech používaných typů světelných zdrojů s odlišným spektrem než v případě jeho kalibrace na doposud běžně používaném standardním zdroji A CIE. Nabídka standardní služby kalibrace luxmetrů na normalizovaném zdroji A CIE však zůstává zachována.

Obr. 5. Fotometrická lavice ČMI, nahoře: detektorová část, dole: zdrojová část

Literatura:
[1] Evropský projekt EMPIR PhotoLED, Future Photometry Based on Solid-State Lighting Products. Dostupné z: https://www.euramet.org/research-innovation/research-empir/
[2] KOKKA, A., T. POIKONEN, P. BLATTNER, S. JOST, A. FERRERO, T. PULLI, M. NGO, A. THORSETH, T. GERLOFF, P. DEKKER, F. STUKER, A. KLEJ, K. LUDWIG, M. SCHNEIDER, T. REINERS, and E. IKONEN. Development of white LED illuminants for colorimetry and recommendation of white LED reference spectrum for photometry. Metrologia. 2018, 55, 526–534.

Kontaktní údaje pro případné další informace:
Dr. Ing. Marek Šmíd, msmid@cmi.cz
Ing. Petr Kliment, pkliment@cmi.cz

Český metrologický institut
Laboratoře primární metrologie Praha
Radiometrie a fotometrie
V Botanice 4, 150 72 Praha 5

---

Vyšlo v časopise Světlo č. 6/2019 na straně 28.
Tištěná verze – objednejte si předplatné: pro ČR zde, pro SR zde.
Elektronická verze vyšlých časopisů zde.