Лаборатория «Архилайт» − современный аккредитованный испытательный центр в области исследований полупроводниковых излучающих гетероструктур

Содержание материала

Никифоров Сергей Григорьевич, к.т.н., Архипов Александр Леонидович. Статья опубликована в журнале «Инновации и инвестиции» № 11, 2014, стр. 240-247.

Статья посвящена вновь созданной (2011г) фотометрической лаборатории «АРХИЛАЙТ» - самому современному отечественному независимому предприятию, оказывающему услуги по сертификационным испытаниям устройств светотехники на основе светоизлучающих диодов и традиционных источников света, исследованиям свойств полупроводниковых излучающих структур, определению потенциальной степени деградации параметров полупроводников фотометрическими методами.

Лаборатория имеет государственную аккредитацию в области её компетенции в системе ГОСТ Р. На базе лаборатории, её создателями разработан измерительный комплекс по изучению характеристик светодиодов, параметров производимых светотехнических устройств на их основе и исследованиям в области физики полу- проводниковых излучающих структур. Основные метрологические средства лаборатории для проведения указанных исследований разработаны, произведены и внесены в Государственный реестр средств измерений непосредственно с участием авторов статьи. Накопленный многолетний опыт по работе с излучающими структурами, множество собственных разработанных методов исследований и методик измерений характеристик в области метрологии полупроводниковой светотехники, позволяет производить самые сложные измерения и расчёты параметров любых источников излучения, ставить научные эксперименты, формировать прогнозы по надёжности и качеству светотехнической продукции, а также строить измерительные лаборатории различного назначения: от заводских до национальных испытательных центров.

Введение. Одновременно с существенным ростом качественных показателей осветительных приборов и источников света, в особенности полупроводниковых, вопрос измерений их характеристик встает весьма остро из-за особенностей применяемых при исследованиях методик и средств измерений, которые пришли в метрологию полупроводникового света из эры ламповых или газоразрядных источников. Помимо разницы в спектральном распределении мощности излучения, осветительные приборы на основе таких разных источников обладают еще и значительными отличиями в габаритной яр- кости, равномерности яркости выходного окна, а также геометрических размерах как самих осветительных приборов, так и их источников света. Решение проблем измерений современных светотехнических устройств и исследований характеристик полупроводниковых излучателей стало возможно в специализированной лаборатории, средства измерений в которой спроектированы и созданы специально с учётом вышеупомянутых особенностей.

Статус лаборатории. Лаборатория исследований источников излучения «АРХИЛАЙТ» - это полностью независимое предприятие, предоставляющее услуги по измерениям параметров светотехнических устройств, изучению и исследованию характеристик полупроводниковых излучающих кристаллов, материалов, гетероструктур и светодиодов, прогнозу изменения их параметров в процессе наработки. Уникальным является оборудование собственных разработок [5] и опыт по изучению деградации параметров полупроводниковых источников света. Одними из самых важных принципов работы лаборатории являются максимальная компетентность, абсолютная объективность и полная гарантия конфиденциальности исследований. Основное оборудование лаборатории позволяет выполнять самые сложные измерения и расчёты фотометрических, колориметрических и энергетических величин излучения, получая их с высочайшей точностью.

Лаборатория «АРХИЛАЙТ» является аккредитованным центром в области сертификационных испытаний светотехнических устройств, осветительных приборов и источников света в системе ГОСТ Р - аккредитована Федеральным Агентством по Техническому регулированию и Метрологии на компетентность и независимость и право проведения таких испытаний. Область аккредитации (кратко): лампы накаливания, разрядные, оборудование светотехническое, осветительные и сигнальные устройства и устройства оповещения, лампы светоизмерительные, диоды  и  излучатели  полупроводниковые, стекло техническое, оборудование систем освещения автомобилей, тракторов, мотоциклов и сельскохозяйственных машин, арматура светосигнальная, светофоры и прочие средства для регулирования движения. Аттестат аккредитации - РОСС RU.0001.21МЮ54.

Измерительное оборудование и его назначение. Метрологическое оборудование лаборатории ориентировано на измерения параметров полупроводниковых источников из- лучения, однако это не исключает возможности любых измерений традиционных источников света. В соответствии с требованиями федерального закона «Об обеспечении единства измерений» и для корректности выполняемых измерений с точки зрения соответствия метрологических характеристик эталонным величинам, все средства изме- рений  лаборатории  занесены  в  Государственный реестр средств измерений (СИ) и имеют соответствующие сви- детельства о поверке.

По функциональному назначению измерительное оборудование «АРХИЛАЙТ» представлено следующими средствами измерения и установками.

1. Фотометрические, радиометрические измерения.

Основные параметры: сила света, сила излучения, свето- вой поток, мощность излучения, угловые характеристики из- лучения, пространственное распределение силы света и силы

излучения, формирование файлов формата .ies и др.

2. Колориметрические и спектральные измерения.

Основные параметры: относительное спектральное рас- пределение плотности энергетической яркости, цветовая тем- пература, координаты цветности, характеристики спектра (длины волн), спектральная световая эфф. и др.

3. Измерение электрических характеристик.

Основные параметры: коэффициент мощности, активная и реактивная потребляемая мощность, потребляемый ток, вольт-амперная характеристика.

4. Измерение освещённости.

-Измерители освещённости (люксметры)

5. Другие средства измерения и вспомогательная ап-

паратура.

-Система прецизионного питания источников излучения (с возможностью температурной стабилизации режима).

-Система стабилизации и формирования сетевого напряжения

-Измерители  геометрических  величин  (дальномеры,  гониометры)

-Система питания образцов при тестах на наработку (деградационные испытания).

Основные технические характеристики фотометриче-

ского оборудования:

-Диапазон длин волн: 180 – 1100 нм

-Диапазон измерения силы света: 0,01 – 80 000 000 кд

-Диапазон измерения силы излучения: 0,01 – 2000 Вт/ср

-Минимальный шаг угла поворота в горизонтальной и горизонтальной плоскостях гониометра: 0,02 град.

-Погрешность измерения силы света: не более 3%

-Погрешность измерения силы излучения: не более 2-4%

-Время измерения углового распределения силы света в 360 град.: 2 - 3 сек.

Фотометрические установки. Фотометрические уста- новки «ФЛАКС-7» и «ФЛАКС-20» (рис. 1) используют гониофо- тометрический метод измерения силы света, построены на базе гониофотометров и отличаются своими возможностями по измерению значений силы света (силы излучения) и раз- меров исследуемых источников. Для рассмотрения принципов их работы и метрологических характеристик можно воспользоваться описанием одного из  них, поскольку в  отношении методов измерений угловых распределений силы света и её значений, они аналогичны. Все установки располагается в отдельных помещениях, особой конфигурации и специальной отделки.

Поскольку измерения фотометрических величин ведутся в непрерывном режиме без использования модуляции излучения, при кото- ром нельзя проводить измерения

Рис. 1. Блок – схема измерительной установки.

непосредственно при внешнем освещении, очень важным требованием к данному помещению является полное отсутст- вие посторонних засветок, отражений от стен, других поверхностей и посторонних предметов. Поэтому в помещениях лаборатории, на фотометрической трассе все указанные поверхности отделаны светопоглощающим материалом, обеспечивающим коэффициенты отражения не более 1-1,5%. Помимо этого, в конструкции фотометров (радиометров) при- менена специальная насадка – бленда, исключающая боко- вую засветку [5]. Для наибольшей эффективности нейтрали- зации внутренних отражений от стенок насадки во входное окно фотометра, бленда выполнена с 2-мя внутренними диа- фрагмами различного диаметра, и представляет из себя усе- чённый конус с небольшим углом образующей, у которой больший диаметр расположен у фотометра. Вся конструкция обеспечивает телесный угол зрения фотометрической (радиометрической) головки, образованный плоским в 5-6 градусов. Другим, не менее важным требованием является обеспе- чение необходимого расстояния фотометрирования для выполнения  закона  «обратных  квадратов»  при  измерении силы света (силы излучения) и её углового распределения. Исходя их указанных условий, было спроектировано соответствующее помещение. Размеры фотометрической трассы в нём обеспечивают измерительную базу (расстояние от источника излучения до фотометра) до 20 м. Для выполнения измерений небольших световых величин (до 300– 400 кд), применяется специальный стол, на котором располагается  оптический  рельс,  позволяющий  изменять расстояние фотометрирования в пределах 0,1 – 2,5м. Большинство  средств  измерения  также  располагаются  на этом  столе  в  непосредственной  близости  от двухкоординатного гониометра (рис. 1), жёстко связанного с поверхностью стола и  съюстированного с  фотометром (радиометром), расположенным на рейтере и перемещаемом по рельсу и другими фотометрами, находящимися в конце трассы. Гониометр (рисунок 1) имеет возможность подсоединения к цепям питания и закрепления на своей поворотной части источников излучения любой конфигурации, размером до 1,8 х 1,8 м. и весом до 50 кг (для возможности измерения светотехнических характеристик любых светильников и устройств на основе ламп или светодиодов: модулей, светильников, прожекторов, светоблоков, светофоров и т. д., имеющих большую массу и размеры). Для исключения влияния механи- ческих вибраций при угловым перемещением гониометра во время  измерения  и  передаваемых стенду  от  пола  здания, стол имеет значительную (не менее 500 кг.) массу, и особый, регулируемый по высоте для юстировки постамент. Вся конструкция расположена на специальных виброопорах, гасящих возможные  колебания  пола  и  стен.  Гониометры  установок «Флакс-20» и «Флакс-7» имеют 2 перпендикулярные плоскости вращения измеряемого источника, образуя 2 координаты сканирования его фотометрического тела. Третья переменная координата установки пространственного положения источника образована особым устройством безлюфтового перемещения всей базы гониометра относительно оси вращения поворотной платформы. Этим достигается идеальное положение центра вращения и оптического центра закреплённого на нём источника относительно системы отсчёта координат углового пространственного перемещения взаимно перпендикулярных платформ гониометра.

Фотометры установок выполнен на основе фотометрической головки типа ГФ, разработанной с применением кремниевого фотодиода типа ФД 288 (прошедшего процесс старения для стабилизации параметров), и скорригированной под функцию видности глаза V(  ). Расчет коэффициента преобра- зования фотометра для конкретного спектрального распреде- ления излучения измеряемого образца позволяет исключить систематическую составляющую погрешности измерений, связанную с переходом от источника типа «А» (калибровка эталонной фотометрической головки) к спектру излучения этого источника. Поправочный коэффициент рассчитывается для каждого измерения источника, если был изменён его электрический или иной режим. Погрешность нелинейности фотометрической головки – не более 3%.

Отдельно следует остановиться на радиометрических из- мерениях  энергетических характеристик источников  излуче- ния. Применение калиброванных радиометрических датчиков типа ГР собственных конструкций на основе высокостабильных  фотодиодов фирмы Hamamatsu (рисунок  2б)  сводит к минимуму погрешности измерения силы света и расчётов светового потока из-за отсутствия корригированных под кривую видности V( ) фильтров, применяемых в фотометрах. Данное обстоятельство наиболее актуально при измерении параметров излучения полупроводниковых структур в фиоле- товой  или  длинноволновой красной  части  спектра,  где  по- грешность фотометров может доходить до 25%, в отличие от 2-3% погрешности радиометра. Это относится и к корректности  измерений характеристик светодиодов, построенных по системе синий кристалл -  люминофор из-за большой доли совокупной энергии излучения, лежащей в синем диапазоне.

Гониометр имеет датчик угла поворота в горизонтальной плоскости, способный регистрировать угловое перемещение платформы вместе с закреплённым на ней источником в размере 1,2 угловой минуты. Также в виде цифрового кода информация с датчика передаётся в блок регистрации значений, где  каждому  дискрету  угла    присваивается своё  значение силы света Ivi  , информация о котором, соответственно, по- ступает с АЦП фотометра. Далее вся обработанная последовательность передаётся в компьютер через скоростной USB – порт в виде таблиц со значениями углов поворота и соответствующим им значениям силы света. Скорость регистрации 

указанных параметров позволяет измерить  диаграмму про- странственно излучения силы света во всей плоскости (пово- рот на угол 360 град.) с фиксацией около 16 400 точек дискре- тов (значений силы света) за 2 – 3 секунды. При этом возмож- но многократное повторение поворотов гониометра и автома- тическое вычисление среднего значения силы света в каждой точке,  независимо от  числа прохождения фотометра через неё. С помощью комбинаций поворотов в 2-х плоскостях за- креплённого на гониометре светодиода можно получить диа- граммы углового распределения излучения в любой плоско- сти,  в  пределе  получив  объёмный вид  этой  диаграммы и, соответственно, распределение силы света (силы излучения) в 4 ср.

Гониофотометрический метод измерения фотометрических характеристик источников считается самым точным, первичным по отношению к другим с точки зрения минимальных погрешностей, универсальным, потенциально самым информативным и легко сочетаемым с возможностью одновременного измерения других характеристик. Идея этого метода состоит  в  том,  что  пространственное распределение силы света (фотометрическое тело), а также все производные фотометрические единицы, получаются путем измерения значения силы света при каждом определенном угле поворота источника света (осветительного прибора) относительно регистратора фототока (либо наоборот — фотометра относительно источника), находящихся на одной оптической оси. Таким образом, выстраивается диаграмма углового распределения силы света в одной плоскости (как правило, горизонтальной). Затем,  при  изменении  положения  второго  (вертикального) угла положения источника (световой центр которого находится в геометрическом центре вращения) относительно фотометра измеряется диаграмма углового распределения силы света в другой плоскости, и так далее, до получения полного набора плоскостей всего  фотометрического тела. По  такой схеме и работает гониофотометр системы фотометрирования C,γ [1] (рис. 2), используемой в установках типа «Флакс». Существуют и используются и другие системы, где поворот в горизонтальной плоскости излучения комбинируется с изменением меридиональной (угломестной) координаты источника относительно фотометра. Вот что говорит по этому поводу п.11.2.1 ГОСТ Р 54350–2011: «Гониофотометр должен обеспечивать измерение силы света осветительных приборов по одной из принятых систем фотометрирования C, g, B,b и A,a (МКО 121 [4], Приложение В). Рекомендуются к использова- нию гониофотометры, работающие по системе фотометриро- вания C,g, и в первую очередь для фотометрирования осве- тительных приборов с круглосимметричным распределением силы света». Поэтому и далее будем рассматривать принци- пы измерения фотометрических единиц в рекомендуемой стандартом системе фотометрирования C,γ. Таким образом, точность метода будет зависеть от нескольких основных условий:  шага  угла  поворота; корректно выбранного и  точно измеренного   расстояния   фотометрирования;  соответствия этих условий площади окна фотометра; правильного выбора диапазона значений освещенности фотометра, лежащих в линейной зоне рабочей характеристики; уровня соответствия спектральной чувствительности фотометра функции видности глаза V(l) (либо корректности расчетов поправочных коэффициентов). Если говорить о шаге угла поворота гониометра, то здесь стандарт [1] гласит следующее (пункт 11.2.3.3): «Шаг меридиональных углов не должен превышать 5° не зависимо от системы фотометрирования.

Измерительное оборудование собственного производства

Установка для измерения силы света и её пространственного распределения «Флакс» Установка для измерения силы света и её пространственного распределения «Флакс» Подробнее ...
Эталонный источник излучения на основе светодиодов (изготовлен по ГОСТ Р 8.749-2011) Эталонный источник излучения на основе светодиодов (изготовлен по ГОСТ Р 8.749-2011) Подробнее ...
По вопросам приобретения оборудования и измерения параметров обращаться в лабораторию «АРХИЛАЙТ». тел. (495) 773 11 57, www.arhilight.ru