Mesure de flux avec une sphère intégrante

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Nadine Cariou – Labspherencariou@labsphere.com

23/02/2012

Sommaire

-Sphère intégrante - théorie

-Configurations de mesures

-Systèmes de détection – spécifications

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-Systèmes de détection – spécifications

-Quelques considérations pratiques

2 raisons principales :

� Performances constructeurs mesurées en production dans des conditions idéales

� Temperature de jonction : 25°C (pulse 20ms)

dans un luminaire : température de jonction plus proche de 50° à 100°C

les performances optiques des leds

Pourquoi est-il nécessaire de mesurer les performances des luminaires à leds ?

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varient en fonction de la temperature

( flux et couleur)

� Rendement du/des systèmes optiques

En pratique un luminaire utilisant 10 leds de 100 lm, ne

donnera pas 1000 lm mais plutôt 750 à 800lm

Qu’est-ce qu’une sphère intégrante?

Cavité sphérique creuse recouverte d’un traitement diffusant blanc (lambertien)

Lambertien

θθθθ

θθθθ

4

L constante θcos∝I

Sphères intégrantes

5

dA

dS

22 4)cos2()cos)(cos(

rdSdAL

rdSdAL

S

⋅⋅=⋅

⋅⋅⋅=Φθ

θθ

TraitementLambertien

Sphère

θθ

• Après la première réflexion, le flux est ρΦi , ce flux est réparti de façon uniforme sur la surface de la sphère. L’éclairement est

φi=flux entrant

ρ

si AE /1 ρφ=

Ai

ρΦi• A la deuxième réflexion, une partie du flux est “perdue” par les ouvertures de la sphère

6

Ae

As

ρ

+=s

ei

A

AAf

( ) ( )[ ]fAE si −= 1./2 ρρφEclairement dû à la seconde réflexion

ouvertures de la sphère

• Soit f le ratio des surfaces des ouvertures sur la surface de la sphère

Il faut remplacer ρ par un albédo équivalent ρ(1-f)

Après la troisième réflexion dans la sphère

Même raisonnement: ( ) ( )[ ]23 1./ fAE si −= ρρφ

Après n réflexions l’éclairement total dans la sphère est :

( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )( )fAffA sinn

si −−=+−++−+ 11//....1...11/ ρρφρρρφ

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MAfA

Es

i

s

i *)1(1

φρ

ρφ =−−

∗=

Avec M facteur multiplicateur

M entre 10 et 50

M est aussi le nombre de réflexions de la lumière dans la sphère

M=ρ/(1−ρ(1−f))

Soit un éclairement total

�Toute lumière provenant d’une source entrant dans la sphère

est uniformisée

�Un détecteur positionné sur la sphère verra une proportion du

flux entrant, toujours la même quelle que soit la géométrie

d’émission de la source

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d’émission de la source

Important :

si le traitement n’est pas lambertien ou si on utilise une autre

géométrie que la sphère, l’uniformisation ne sera pas parfaite, la

proportion du flux entrant vu par le détecteur dépendra de la

géométrie de la source.

Sensibilité

Variation de l’efficacité T d’une sphère en fonctionde l’albédo du traitement

MT

T ⋅∆≈∆ρρ

9

T ρOù M varie entre 10 et 50 en fonction de la configuration de la sphère

Variation relative de la luminance en sortie de sphère en fonction de l'albédo du

traitement

60%

70%

80%

90%

100%

10

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1

Choix du traitement

sphere dia 2m f=0 approxρ = 98% M=50ρ = 80% M= 5

R=80% → Avantage M plus faible - meilleure conservation de la réponse photopique par

la sphère. Généralement utilisé avec les systèmes photopiques

11

la sphère. Généralement utilisé avec les systèmes photopiques

Mais → signal reçu sur le détecteur env 1/6 par apport à sphère à 98%→ moins bonne uniformisation dans le cas de lampes directives

Avec un spectroChoix du traitement Rmax→ Meilleur rapport S/B→ Meilleure uniformisation

90

95

100

% R

efle

ctan

ce

Spectraflect

Spectraflect

12

70

75

80

85

350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000

% R

efle

ctan

ce

Wavalength in nm

2 configurations de mesures

– 4π : Sources omnidirectionnelles

– 2π : Sources directionnelles

4π :Lampe au centre de la sphère 2π :Lampe sur une ouverture de sphère

13

Etalonnage du système

14Source: IESNA LM-79

Lampe étalonnéeLampe à tester

Erreur de substitutionMesures de lampes

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Les rayons se réfléchissent aussi sur la lampeModification de la réponse sphère/détecteur due à une modification physique dans la sphère.

DétecteurDétecteur

Solution :Utilisation d’une lampe auxiliaire

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Une lampe auxiliaire est une lampe non-étalonnée,

stable qui permet de mesurer le facteur de

correction.

Lampe auxiliaire

sA

A

D

D

t

s

s

tt Φ∗∗=Φ

t = test lamp

Ds As

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s = standard lamp

Dt At

Quel détecteur utiliser?Détecteur photopique ≈V(λ )

f1’ : caractérisation de la bonne adaptation de la réponse photopique du détecteur en comparaison à la courbe théorique CIE

( f’1 défini (pondéré) pour un illuminant A)

Bon fit pour f1’<3%

Mauvais fit pour f1’>8%

Même pour des fits de 1,5%0.4

0.6

0.8

1

1.2

18

Même pour des fits de 1,5%

Différence notable dans le bleu

et le rouge

Nécessite l’utilisation d’une lampe étalon de même spectre quela lampe test � Parfait pour des mesures de lampes incandescentes

� Ou pour des mesures relatives

Ne permet pas l’obtention des IRC

0

0.2

300 400 500 600 700 800

Photopic efficiency Achieved photopic filter Blue LED

Mesure spectrale

Avantages

- Mesure du flux énergétique – calcul du flux lumineux, pas d’erreur sur la courbe photopique

- Calcul des coordonnées chromatiques, température de

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- Calcul des coordonnées chromatiques, température de couleur et indices de rendu de couleur

Toutes les nouvelles normes recommandent l’utilisation d’un système spectral pour la mesure absolue de sources à leds

Système spectral

Réseau de diffraction

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Composant optique avec une structure périodique

qui sépare et diffracte la lumière en différentes

directions

Spectromètre

2 principaux types d’instrument

Réseau tournant :

Source

21

Detector

Jobin-Yvon

Spectrographe

Source

CCD

22

CCD

Chaque pixel du CCD voit une longueur d’onde

Spécifications des spectromètres

Fait en usine Etalonnage avec une lampe Hg avec des pics bien définis

Vérification avec même type de lampe

Précision en longueur d’onde

23

Vérification avec même type de lampe

Spécifications des spectromètres

Bande passante

24

FWHM

Avoir une bande passante de 2 nm n’empêche pas d’avoir une précision en longueur d’onde de 1nm

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

Spécifications des spectromètres

Bande passante

25

0

0,1

0,2

0,3

0,4

295 300 305 310 315 320 325 330 335 340 345 350 3550

0,1

0,2

0,3

0,4

295 305 315 325 335 345 355

Pour des signaux à faible variation spectrale, la spécification de bande passante n’est pas forcément critique

Par ex : mesures de ledsLargeur d’émission de la led : 20nmRecommandation pour la bande passante <5nm

• Capacité à séparer 2 raies voisines

Spécifications des spectromètres

Résolution

26

Spécifications des spectrographes

Lumière parasite

C’est de la lumière non dispersée, réfléchie ou diffusée à l’intérieur du spectro, qui

s’ajoute au signal

27

1000

10000

100000

Raw counts from spectrograph with QTH input

no filter

500nm cut on filter

Spécifications des spectrographes

Lumière parasite

28

100

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

Wavelength

ratio of real signal

to stray light

300 0.10

350 0.23

400 1.90

500 43.11

600 83.71

Spécifications des spectrographes

Solutions pour éviter la lumière parasite

1- solutions optiques

29

Spécifications des spectromètres

Solutions pour éviter la lumière parasite

2- par logiciel

60

80

100

Caractérisation de la lumière

parasite du spectrographe

longueur d’onde par longueur

30

0

20

40

300 500 700 900 1100

LaserLumière

parasite

longueur d’onde par longueur

d’onde

Correction par logiciel

Spécifications des spectromètres

Les étalonnages de sphère sont faits avec des lampes QTH

TUNGSTEN

spec

trum

(1/

nm)

Sunlight and tungs ten lam p CIE illuminan ts D65 and A

La lumière parasite du

spectro peut influencer très

fortement la qualité de QTH

31

SUNLIGHT

TENLAMP

3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0 5 5 0 6 0 0 6 5 0 7 0 0 7 5 0 8 0 0

w av e leng th (nm)

spec

trum

(1/

nm)

fortement la qualité de

l’étalonnage

QTH

Influence de la lumière parasite Mesure de led blanche

0,0012

0,0017

0,0022

0,0027

0,0032

0,0037

0,0042

Spectral flux of white LED

A

B

C

D

32

-0,0003

0,0002

0,0007

0,0012

400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900

D

Stray light is the average reported transmittance from 360-470nm through a 500nm cut on filter.

x,y, lumens, Watts and Lumens were measured from a white LED with 4 different spectrographs with the same standard and

same sphere.

La lumière parasite peut avoir des conséquences importantes sur la

précision de mesure surtout dans le bleu/UV

Il est très difficile de comparer des spécifications car il n’y a pas de

normalisation sur la définition de la lumière parasite

33

normalisation sur la définition de la lumière parasite

On peut grandement améliorer les performances de façon optique

ou logicielle.

Spécifications des spectrographes

Dynamique en 1 image

spec

trum

(1/

nm)

Fluorescent lamp 38WT8/750

spec

trum

(1/

nm)

High pressure sodium lamp 400 Watt

spec

trum

(1/

nm)

Metal halide lamp 100 Watt

34

300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

w avelemgth (nm)

spec

trum

(1/

nm)

Data courtesy of Osram Sylvania, Inc.

350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

w avelength (nm)

spec

trum

(1/

nm)

Data courtesy of Osram Sylvania, Inc.

350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

w avelength (nm)

spec

trum

(1/

nm)

Data courtesy of Osram Sylvania, Inc.

2,00E-03

2,50E-03

3,00E-03

3,50E-03

4,00E-03

4,50E-03

1,50E-04

2,00E-04

2,50E-04

3,00E-04

3,50E-04

4,00E-04

4,50E-04

35

0,00E+00

5,00E-04

1,00E-03

1,50E-03

350 450 550 650 750 850

-5,00E-05

1,00E-18

5,00E-05

1,00E-04

350 450 550 650 750 850

Considérations pratiques

• Sphère

• Taille de la sphère :

o Configuration 4πSurface source <2% de la surface de la sphère et dimension la plus grande < 2/3 du dia de la sphère (selonLM-79)

36

LM-79)

o Configuration 2πOuverture de sphère < 1/3 dia de la sphère (selon LM-79)

• Etalons existants : lampes halogène ( stabilité)

• Réétalonnage dépend de la fréquence d’utilisation et des conditions d’utilisation de la sphère

• Validité de l’étalonnage : 50h ou 1 an

• Utilisation de 3 étalons secondaires pour l’étalonnage du système

Considérations pratiques

37

système

• Etalons secondaires doivent être stables en flux ( vieillis 10% de leur durée de vie + mesurés sur plusieurs jours)

• Alimentation de la lampe étalon en courant continu –stabilité meilleure que 0.01% (variation en flux ≈ 7 fois variation en courant)

Considérations pratiques

• Sensibilité dépend de la taille de la sphère :

– Dia 6” : ~0.001 Lumen

– Dia 76” : ~0.5 Lumen

• Puissance max dépend du type de lampe, de la taille de la sphère et du traitement de la sphère. Valeurs pour traitement Spectraflect :

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Spectraflect :

– 12” Sphère: HID=9000 Lum (180W), QTH=4500 Lum (225W)

– 76” Sphère: HID=360000 Lm (7.2kW), QTH=200000 Lm (10kW)

• UV endommage le traitement Spectraflect au cours du temps. Densité recommandée <0.1W/cm2 @ 350nm sur la surface de la sphère.

Incertitudes de mesures typiques avec une sphère pour

des sources leds blanches

• Incertitude NIST – laboratoire primaire

– Flux en lumens: +/-1% (2σ)

– Coordonnées chromatiques +/-0.001 x and y (2s)

• Laboratoire secondaire :

– Flux en lumens : +/-1.5-2% (2σ)

– Coordonnées chromatiques : +/-0.002 x and y (2σ)

• Laboratoires commerciaux :

39

• Laboratoires commerciaux :

– Flux en lumen : +/-3% (2σ)

– Coordonnées chromatiques +/-0.003 x and y (2σ)

• Bon laboratoire dans l’industrie et contrôle qualité

– Flux en lumen +/-5% (2σ)

– Coordonnées chromatiques : +/-0.005 x and y (2σ)

• Test en production : <10%

Ces incertitudes sont basées sur des systèmes spectraux.

Source: Y. Ohno from LED 2008 Conference

Normalisation spécifique produits leds

Mesures de flux

CIE-127 : leds

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CIE-127 : leds

LM-79 (IESNA) : luminaires à leds et lampes à leds