قياس مُعايَر لطيف مصابيح LED وشدة إشعاعها الساقط وتدفقها الضوئي – من الأشعة فوق البنفسجية حتى الأشعة تحت الحمراء القريبة.

تقنية قياس LED – قياس شدة الإشعاع الساقط والطيف والتدفق الضوئي

تسجّل أجهزة قياس LED، بحسب مهمة القياس، شدة الإشعاع الساقط أو الطيف أو التدفق الإشعاعي أو التدفق الضوئي لمصباح LED. وللحصول على نتائج قابلة للتكرار، يجب مواءمة الكمية المقيسة والنطاق الطيفي وهندسة القياس والمعايرة مع التطبيق.

تقدّم Opsytec تقنية قياس LED مُعايَرة لمصابيح LED فوق البنفسجية والمرئية وتحت الحمراء القريبة: مقياس الإشعاع الطيفي (سبكتروراديومتر) SR900، ومقياسَي الإشعاع (راديومتر) RMD Pro وRMD Touch مع مستشعرات مقاييس الإشعاع المُعايَرة، إضافةً إلى كرات مُكامِلة مصمَّمة حسب الطلب. وتتيح هذه الأجهزة توصيف مصابيح LED المفردة وكذلك وحدات LED وأنظمة LED.

يتوقف اختيار طريقة القياس على الكمية الفيزيائية. فلقياس شدة الإشعاع الساقط تُستخدم مقاييس إشعاع مُعايَرة. ولتحديد التوزيع الطيفي لمصباح LED يلزم مقياس إشعاع طيفي. أما التدفق الإشعاعي الكلي أو التدفق الضوئي فيُقاس بكرة مُكامِلة مقترنة بمقياس إشعاع طيفي.

وإلى جانب الكمية المقيسة، يؤثر في النتيجة كلٌّ من النطاق الطيفي ومسافة القياس وزاوية السقوط والمعايرة. ولا سيما في مصابيح LED فوق البنفسجية ضيقة النطاق، يجب أن تتوافق الاستجابة الطيفية للمستشعر مع الطول الموجي للانبعاث. وللحصول على نتائج قابلة للمقارنة، ينبغي الحفاظ على ثبات هندسة القياس وتوثيقها بصورة قابلة للتتبّع.

تتوقف الكمية المطلوبة على التطبيق. ويربط الجدول كل كمية بجهاز القياس المناسب وبالتطبيقات النموذجية:

لأغراض التحكم في العمليات فقط، يكفي في الغالب مقياس إشعاع مُعايَر. أما التوصيف الطيفي الكامل فيتطلب مقياس إشعاع طيفي. ويقارن المقال مقياس الإشعاع الطيفي أم مقياس الإشعاع عريض النطاق بين الحالات التي تكفي فيها كل طريقة.

يصف طيف الانبعاث لمصباح LED التوزيعَ الطيفي للإشعاع المنبعث. ويحدد مقياس الإشعاع الطيفي انطلاقًا منه الطول الموجي الذروي وعرض النطاق الطيفي وشدة الإشعاع الساقط الطيفية.

يقيس مقياس الإشعاع الطيفي SR900 الإشعاعَ البصري من 200 إلى 1100 nm، ولذلك فهو مناسب لمصابيح LED فوق البنفسجية ومصابيح LED المرئية والعديد من مصادر الضوء تحت الحمراء القريبة. ويقيّم القياس الطيفي مصباح LED بدقة أعلى بكثير من المستشعر عريض النطاق عندما يتغير الطول الموجي للانبعاث أو عندما توجد عدة مكونات طيفية. وتصبح التغيرات الطيفية وانزياحات الطول الموجي الذروي والفروق بين دفعات LED مرئيةً مباشرةً.

وبالنسبة إلى مصابيح LED المرئية، يحسب برنامج SRpro من الطيف أيضًا الكميات الفوتومترية وكميات القياس اللوني، مثل اللونية والطول الموجي السائد ودرجة حرارة اللون المترابطة.

من التطبيقات النموذجية:

• تطوير مصابيح LED ووحدات LED
• مراقبة الجودة
• فحص الاستلام
• دراسات التقادم
• اختبارات درجة الحرارة
• توصيف مصابيح LED فوق البنفسجية
• قياس اللون
• إضاءة النباتات
• الدراسات الضوئية الحيوية

تصف شدة الإشعاع الساقط القدرةَ الإشعاعية البصرية الساقطة على سطح ما، ويُعبَّر عنها بوحدة W/m² أو mW/cm². وفي كثير من التطبيقات الصناعية، تكون هذه الكمية المطلقة – وليس الطيف الكامل – هي الحاسمة.

ينطبق ذلك مثلًا على التصليد بالأشعة فوق البنفسجية واللصق بالأشعة فوق البنفسجية والتعريض الضوئي والتطهير والعمليات الكيميائية الضوئية. ولقياسات المراقبة أثناء العملية والقياسات الدورية، يُستخدم مقياسا الإشعاع RMD Pro وRMD Touch مع مستشعرات ملائمة طيفيًا؛ ويقيس كلاهما شدة الإشعاع الساقط والجرعة الإشعاعية عبر مدخلَين للمستشعرات. وللحصول على نتائج قابلة للتكرار، يجب أن تبقى مسافة القياس وزاوية السقوط وموضع المستشعر ثابتة.

تتوفر مستشعرات مقاييس الإشعاع في سبعة نطاقات طيفية: UVC (من 200 إلى 280 nm) وUVB (من 280 إلى 315 nm) وUVA (من 315 إلى 400 nm) وUVA+ (من 330 إلى 455 nm) وUVBB (من 230 إلى 400 nm) وVISB (من 400 إلى 480 nm) وLUX (من 380 إلى 780 nm، موزون وفق V(λ)). وتتيح رؤوس القياس المُعايَرة إجراء قياسات قابلة للتكرار في المختبر وفي بيئات الإنتاج.

كثيرًا ما تتميز مصابيح LED بنمط إشعاع مكاني واضح. ولذلك فإن القياس في اتجاه واحد لا يلتقط القدرة البصرية الكلية المنبعثة بصورة كاملة.

تلتقط الكرة المُكامِلة التدفق البصري الكلي لمصباح LED. ففي مصابيح LED المرئية يُعبَّر عنه بالتدفق الضوئي بوحدة اللومن، أما في مصابيح LED فوق البنفسجية وتحت الحمراء القريبة فالكمية المعتبرة هي التدفق الإشعاعي بوحدة الواط. وعند اقتران الكرة بمقياس إشعاع طيفي، يكون القياس مُكامَلًا على جميع الزوايا، ومن ثَمّ مستقلًا عن نمط الإشعاع – وبذلك يمكن مقارنة حتى مصابيح LED ذات الانبعاث شديد الاتجاهية أو ذات التوزيع المكاني المعقد.

ولهذا الغرض يمكن الجمع بين SR900 والكرات المُكامِلة من Opsytec. أما العلاقة بين التدفق الضوئي والنصوع واللونية في مصابيح LED والشاشات فهي مشروحة بمزيد من التفصيل في صفحة تقنية الإضاءة وتقنية LED وتقنية الشاشات.

في مصابيح LED فوق البنفسجية، يجب أن يتوافق النطاق الطيفي للمستشعر مع الانبعاث الفعلي. ففي نطاق الأطوال الموجية القصيرة، قد يؤدي عدم التطابق الطيفي لمقياس الإشعاع عريض النطاق إلى تشويه النتيجة بشكل ملحوظ؛ وفي المنطقة الانتقالية بين UVA والضوء المرئي، قد تُحدث حافةُ مرشِّح المستشعر الأثر نفسه.

تبعث مصابيح LED من نوع UVA الشائعة في الصناعة عند 365 و385 و395 و405 nm، بعرض كامل عند نصف القيمة العظمى يبلغ نحو 10 إلى 16 nm. وينتهي نطاق مستشعر UVA عند 400 nm. وفي الأطياف المقيسة من قاعدة البيانات الطيفية لدى Opsytec، يقع نحو 95 % من القدرة الإشعاعية لمصباح LED بطول موجي 385 nm دون 400 nm، ونحو 70 % فقط لمصباح LED بطول موجي 395 nm، وأقل بقليل من 30 % لمصباح LED بطول موجي 405 nm. وعندئذٍ تؤدي حتى الانزياحات الصغيرة في الطول الموجي الذروي الناجمة عن درجة الحرارة أو التيار إلى تغيّر القراءة تغيّرًا كبيرًا. ولذلك توصي Opsytec لمصابيح LED فوق البنفسجية من 365 إلى 405 nm بمستشعر UVA+ ذي النطاق من 330 إلى 455 nm، لأنه يلتقط الانبعاث بالكامل.

وبدلًا من ذلك، يقيّم SR900 مصباح LED طيفيًا بدءًا من 200 nm، بمعزل عن خصائص المرشِّح. ويُعد ذلك مفيدًا بشكل خاص عند دراسة دفعات LED أو تأثيرات التقادم أو انزياحات الطول الموجي المرتبطة بدرجة الحرارة. ولقياسات الإنتاج والمراقبة تتوفر مستشعرات UVC وUVB وUVA وUVA+ مُعايَرة.

وإذا أُريد قياس التدفق الإشعاعي لمصابيح LED فوق البنفسجية في كرة مُكامِلة، فإن الطول الموجي هو الذي يحدد الطلاء: فدون 300 nm تنخفض انعكاسية كبريتات الباريوم، ويكون PTFE الطلاء الوحيد الذي يوفر هناك انعكاسية قابلة للاستخدام. وتُعرض تقنية مصابيح LED فوق البنفسجية وكفاءتها وعمرها التشغيلي في المقال مصابيح LED لنطاقات UVA وUVB وUVC.

في مصابيح LED المرئية، كثيرًا ما تكون المعاملات الفوتومترية واللونية محل اهتمام إلى جانب الكميات الإشعاعية.

وبحسب ترتيب القياس، يحدد القياس الطيفي من بين أمور أخرى إحداثيات اللون ودرجة حرارة اللون والكميات الفوتومترية. ويستند التقييم الضوئي الحيوي أيضًا، مثل تقييم خطر الضوء الأزرق وفق EN 62471، إلى الطيف المقيس – لمزيد من المعلومات راجعوا السلامة المهنية والسلامة الضوئية الحيوية. ولقياس شدة الاستضاءة لمصابيح LED البيضاء، يكفي في الغالب مقياس لوكس بمستشعر موزون وفق V(λ).

وبالاقتران مع كرة مُكامِلة، يمكن التقاط الناتج الضوئي الكلي لمصباح LED أو وحدة LED أو وحدة إنارة مدمجة.

تُذكر كمية الضوء التي ينتجها المصباح من واط واحد من القدرة الكهربائية في ورقة البيانات بوصفها الفعالية الضوئية بوحدة lm/W. وتستخدم المقارنة قيمًا نموذجية من أوراق البيانات لمصباح هالوجين ومصباح فلوري ومصباح LED عند قدرة كهربائية متساوية؛ ويمكن تعديل هذه القيم. ومن الأطياف المقيسة في قاعدة البيانات الطيفية لدى Opsytec تُستخلص اللونية ودرجة حرارة اللون المترابطة ومؤشر تجسيد الألوان R_a ونسبة القدرة الكهربائية المنبعثة على شكل إشعاع مرئي. وتشمل القائمة أيضًا الأطياف المرجعية للمصابيح الفلورية ومصابيح LED النموذجية وفق CIE 015:2018. ولكل نوع من المصابيح يُعرض وضعه بموجب توجيه RoHS.

تُستخدم أنظمة قياس مختلفة بحسب الكمية والتطبيق: SR900 للطيف والطول الموجي الذروي وشدة الإشعاع الساقط الطيفية والكميات اللونية؛ وRMD Pro وRMD Touch لشدة الإشعاع الساقط والجرعة الإشعاعية في العمليات والمختبر وضمان الجودة؛ ومستشعرات مقاييس الإشعاع للنطاق الطيفي المناسب؛ والكرة المُكامِلة للتدفق الضوئي والتدفق الإشعاعي لمصابيح LED المرئية وفوق البنفسجية وتحت الحمراء القريبة.

تتراوح مهام قياس LED بين فحوص الشدة البسيطة والتوصيف الطيفي الكامل المُكامَل مكانيًا. ومن خلال الجمع بين مقياس الإشعاع ومقياس الإشعاع الطيفي ودليل الضوء ورأس القياس والكرة المُكامِلة، يُكيَّف نظام القياس مع مصباح LED المعني وهندسة القياس والكمية المقيسة.

تُعايَر أنظمة القياس لنطاقات طيفية محددة مع إمكانية الإرجاع المترولوجي إلى PTB؛ ويُجري مختبر المعايرة لدى Opsytec معايرة معتمدة من DAkkS. وتشكّل المعايرات القابلة للإرجاع وظروف القياس الموثقة أساسًا للحصول على نتائج قابلة للمقارنة في التطوير وضمان الجودة والتحكم الصناعي في العمليات.

أي جهاز قياس يناسب أي نوع من قياسات LED؟
لقياس شدة الإشعاع الساقط في مستوى القياس، كما في التصليد بالأشعة فوق البنفسجية أو التطهير، يكفي مقياس إشعاع مُعايَر مثل RMD Pro أو RMD Touch مع مستشعر للنطاق الطيفي المناسب. أما الطيف والطول الموجي الذروي والطول الموجي السائد واللونية ودرجة حرارة اللون فتتطلب مقياس إشعاع طيفي مثل SR900. ويقيس SR900 التدفق الضوئي الكلي أو التدفق الإشعاعي لمصباح LED بالاقتران مع كرة مُكامِلة، لأن الكرة وحدها هي التي تلتقط الإشعاع من جميع اتجاهات الانبعاث.

هل يمكن قياس مصابيح LED بمقياس لوكس؟
نعم، إذا كانت شدة الاستضاءة هي المطلوبة وكان مصباح LED يبعث ضوءًا أبيض أو عريض النطاق. يزن مقياس اللوكس الضوءَ بمستشعر مصمَّم وفق منحنى الكفاءة الضوئية V(λ). أما في مصابيح LED الملونة ضيقة النطاق، فإن أي انحراف بين المستشعر وV(λ) عند الطول الموجي للانبعاث ينعكس بكامله على القراءة؛ وهنا يكون القياس الطيفي باستخدام SR900 أدق. ولا يصلح مقياس اللوكس لمصابيح LED فوق البنفسجية لأن V(λ) تساوي صفرًا دون 380 nm؛ ويُقاس الإشعاع فوق البنفسجي بمقياس إشعاع أو مقياس إشعاع طيفي. ولا يقيس مقياس اللوكس التدفق الضوئي بوحدة اللومن – إذ يتطلب ذلك كرة مُكامِلة.

أي نطاق طيفي يناسب صمامات UV LED من 365 إلى 405 nm؟
بالنسبة لصمامات UV LED، توصي Opsytec باستخدام نطاق UVA+ من 330–455 nm. ينتهي مستشعر UVA الكلاسيكي عند 400 nm؛ وعندئذٍ يقع جزء من انبعاث صمام LED بطول موجي 395 أو 405 nm عند حافة المرشّح، كما أن الانزياحات الصغيرة في الطول الموجي الذروي الناتجة عن الحرارة أو التيار تغيّر القراءة بشكل ملحوظ. يلتقط نطاق UVA+ الانبعاث الكامل لصمام LED، مما يجعل القياس غير حسّاس لمثل هذه الانزياحات.

كيف تُقاس قدرة مصباح LED؟
في مصباح LED يجب التمييز بين القدرة الكهربائية والقدرة البصرية. فالقدرة الكهربائية هي حاصل ضرب التيار في الجهد. أما القدرة البصرية فتُقاس على شكل تدفق إشعاعي بوحدة الواط، وفي مصابيح LED المرئية أيضًا على شكل تدفق ضوئي بوحدة اللومن – وذلك بكرة مُكامِلة تلتقط الإشعاع من جميع اتجاهات الانبعاث. ونسبة التدفق الإشعاعي إلى القدرة الكهربائية هي كفاءة مصباح LED. أما مقدار الضوء الذي تنتجه المصابيح المختلفة من واط واحد من القدرة الكهربائية، فتوضحه مقارنة المصابيح في هذه الصفحة.

لماذا تُعد معايرة جهاز قياس LED مهمة؟
تُحدِّد المعايرة العلاقة بين إشارة المستشعر والكمية الفيزيائية. وفي مصابيح LED يجب أن تتوافق المعايرة طيفيًا مع المصدر، لأن الانبعاث ضيق النطاق يتأثر بشدة بالانحرافات في الاستجابة الطيفية للمستشعر. وتُجري Opsytec المعايرة مع إمكانية الإرجاع المترولوجي إلى PTB، وعند الطلب في مختبر المعايرة المعتمد وفق ISO/IEC 17025.

يتوقف اختيار نظام قياس LED المناسب على الكمية المقيسة ونطاق الأطوال الموجية وهندسة القياس وعدم اليقين المطلوب في القياس. وعلى هذا الأساس نجمع لكم التوليفة المناسبة من مقياس الإشعاع ومقياس الإشعاع الطيفي والمستشعر والكرة المُكامِلة. صِفوا لنا مهمة القياس لديكم – مصباح LED مفرد أو وحدة أو وحدة إنارة، والكمية المطلوبة ومكان الاستخدام.

اطلبوا جهاز قياس LED مناسبًا

د. م. مارك بارافيا هو المدير الإداري لشركة Opsytec Dr. Gröbel GmbH في مدينة إتلينغن، ويرأس مختبر المعايرة المعتمَد. وبعد أبحاثه حول التفريغات الإكسايمرية النبضية بالزينون في معهد تقنية الإضاءة بجامعة KIT، ينصبّ تركيزه اليوم على قياس الإشعاع الضوئي. وهو نائب رئيس لجنة المواصفات الألمانية DIN، اللجنة الفرعية FNL 7 "الإشعاع الضوئي"، وعضو في فريق مشروع DVGW المعني بالتطهير باستخدام الأشعة فوق البنفسجية.