mesure de flux avec une sphère intégrante de flux total.pdf · réseau de diffraction 20 ......
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Sommaire
-Sphère intégrante - théorie
-Configurations de mesures
-Systèmes de détection – spécifications
2
-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
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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
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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
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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
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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
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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.
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
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
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Vérification avec même type de lampe
Spécifications des spectromètres
Bande passante
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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
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
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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
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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
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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
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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
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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)
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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
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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 :
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• 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