Наше оборудование и ПО для измерения параметров светодиодов и светодиодных ламп

У любого светодиода есть даташит, и в даташите всё выглядит если не прекрасно, то хорошо. Проблема в том, что даташит описывает диод, а покупатель получает светильник. Между одним и другим — драйвер, рабочий ток, температура кристалла, конкретный бин из партии, геометрия платы, радиатор, реальные условия работы. Каждый из этих пунктов уводит реальные цифры от табличных, и никогда не в лучшую сторону.

Из этого следует, что получить «живые» характеристики лампы можно только измерением. Причём желательно измерять не только спектр и основные параметры освещённости, но и строить 2D-, а лучше 3D-карту освещённости. По сути спектр — это какой свет, а карта освещённости — куда и сколько его попадает. Ниже — про оборудование и ПО, которыми мы это делаем.

Почему мы не верим даташиту светодиода

Сразу оговорюсь: производители не обманывают. Просто их цифры получены в лабораторных условиях, а вы включаете лампу в гроубоксе. К тому же большинство производителей светодиодов указывают параметры при температуре кристалла 25 °C, а она недостижима ни при какой реальной системе охлаждения. Если, конечно, вы не живёте в Гренландии.

Классический пример — эффективность. В таблице стоит красивое значение µmol/J, но оно измерено при определённом токе и при температуре кристалла, которую в реальной сборке вы почти никогда не увидите. Разгоните светодиод выше номинального тока, чтобы снять больше потока с площади, — эффективность просядет. Дайте кристаллу перегреться — просядет ещё раз, а заодно поедет и спектр (этой погрешностью можно пренебречь, она в пределах 2–3 нм).

Дальше начинается арифметика сборки. Диод в даташите один, а в модуле их сотня, и стоят они рядом, подогревая друг друга, как пингвины в Антарктиде. Плюс драйвер со своим КПД, плюс потери на оптике или защитном стекле, плюс потери на отражении от платы и радиатора.

В итоге характеристики готового светильника — это не характеристики диода, умноженные на количество. Это отдельная величина, которую надо измерять отдельно, в реальных условиях и только на полностью прогретой лампе.

Спектрометр Ocean Optics STS-VIS

Это компактный спектрометр видимого диапазона. В обиходе такие приборы часто называют спектрофотометрами, хотя строго говоря измерение собственного излучения источника — это спектрорадиометрия. Он перекрывает область PAR целиком, и этого достаточно для всего, что нам нужно от фитолампы или отдельного светодиода.

Что мы из него получаем. Прежде всего — форму спектра: где именно стоят пики, насколько они широкие, что происходит в провале между синим и красным, сколько энергии уходит в дальний красный. Дальше из спектра считается всё остальное: доли по диапазонам, соотношение синего и красного и — при абсолютной калибровке — сам фотонный поток (PPFD).

Путь света в спектрометр: оптоволокно и косинусный корректор

Сам спектрометр — это, грубо говоря, коробка со щелью. Всё, что происходит до этой щели, определяет, что вы в итоге измерите, и вот здесь экономить нельзя.

Когда я заказывал прибор, то сразу остановился на премиальном оптоволоконном кабеле с сердцевиной 600 мкм и косинусном корректоре CC-VIS/NIR. Про волокно коротко: площадь сердцевины растёт как квадрат диаметра, поэтому 600 мкм собирает примерно в девять раз больше света, чем распространённые 200 мкм. На практике это короче выдержка и чище сигнал на слабых участках спектра — в дальнем красном, в ультрафиолете, в провале между синим и красным пиками. То есть ровно там, где и различаются хорошие фитолампы и посредственные.

Косинусный корректор — деталь, без которой абсолютные измерения просто не имеют смысла. Голое волокно видит узкий конус градусов в двадцать пять: наведите его чуть иначе — получите другое число. Лист растения устроен иначе. Он лежит в плоскости и принимает свет со всей полусферы над собой: напрямую от светильника, от соседнего светильника, отражённый от стенок бокса. Корректор заставляет прибор собирать свет так же.

Параметры косинусного корректора CC-VIS/NIR

Диаметр активной области — 3.9 мм. Рабочее «окно», через которое собирается свет. Замер получается практически точечным: при съёмке карты освещённости с шагом в несколько сантиметров четырёхмиллиметровое пятно — это именно точка, а не усреднение по площади.

Рассеиватель — кварц (200–2500 нм), около 1.5 мм. Именно кварц, а не пластик. Кварц прозрачен от глубокого УФ до ближнего ИК, поэтому не срезает ни УФ-А 380 нм, ни дальний красный 730 нм — оба края диапазона, которые в фитоспектре как раз и интересны. И он не желтеет под ультрафиолетом со временем, в отличие от полимерных рассеивателей.

Габариты — 6.5 мм диаметр, 18 мм длина. Зонд маленький, поэтому он не затеняет площадку и не искажает то поле, которое измеряет. Плюс его удобно переставлять по сетке при съёмке карты.

Геометрия сбора — поле зрения 180°. Самый важный пункт из всей таблицы. 180° — это полная полусфера, ±90° от нормали: датчик принимает всё, что приходит сверху, вплоть до лучей, скользящих почти параллельно плоскости. При этом отклик подчиняется закону косинуса — свет, падающий под углом θ, учитывается с весом cos θ. Ровно так свет получает любая горизонтальная поверхность, будь то лист или полог целиком. Поэтому измеренное значение — это освещённость в плоскости, а не «сколько прибор поймал, когда я его туда навёл». По той же причине и по той же схеме устроены квантовые сенсоры для PPFD.

Разъём — SMA 905. Стандарт, который даёт повторяемую стыковку. Это важнее, чем кажется: калибровка привязана к конкретной сборке, и разболтанное соединение уводит абсолютные значения.

Рабочая температура — от −30 °C до +100 °C. Зонд можно положить прямо под светильник, на уровень полога в горячем боксе, и не думать о температурном дрейфе.

И последнее, что стоит знать про такие измерения: волокно, корректор и спектрометр калибруются как единая сборка. Просто открутил кабель — абсолютная калибровка недействительна, нужно повторять заново. Поэтому «откалиброванный спектрометр» без уточнения, с каким волокном и какой входной оптикой, — фраза ни о чём.

Кстати, если хотите поиграть со спектром до того, как увидите замер, — у нас есть интерактивный симулятор спектра с кривой МакКри. Там можно собрать спектр из шести каналов и посмотреть, как меняются метрики. Реальный замер выглядит примерно так же, только неровнее.

Калибровка спектрометра по эталонному источнику HL-2000-CAL

Про калибровку стоит сказать отдельно. Без неё прибор показывает относительный спектр — форму кривой. Форма — это уже много. Но чтобы получить абсолютные значения в µmol·m⁻²·s⁻¹, спектрометр нужно откалибровать по эталонному источнику и работать с косинусным корректором, иначе геометрия сбора света исказит результат.

Для калибровки я использую эталонный источник света HL-2000-CAL.

Внутри находится вольфрамо-галогенная лампа со строго измеренным спектром излучения. Для каждого экземпляра на заводе измеряют спектральную мощность и выдают индивидуальный калибровочный сертификат, прослеживаемый к эталонам NIST.

Ресурс лампы — 50 часов работы, после чего требуется повторная калибровка самой лампы и новый сертификат. По инструкции одна процедура занимает 30 минут прогрева и 10 секунд собственно калибровки, то есть ресурса эталонного источника хватает примерно на 100 калибровок.

Именно калибровка по эталону с прослеживаемостью к NIST даёт замерам метрологический вес: это не «прибор что-то показал», а значение, привязанное к национальному эталону. Поэтому все замеры на нашем YouTube-канале сделаны на сертифицированном лабораторном оборудовании, а не на карманном спектрофотометре с маркетплейса.

OpticalWave — своё ПО на Python

Вторая половина работы — распределение света в пространстве. И здесь мы пользуемся софтом, который я написал сам, весной 2026 года.

Всё началось с того, что на новом Mac не запустилась старая программа OceanView 2, которую я когда-то покупал. Почитав интернет, я понял, что нужно покупать заново или пытаться выпросить скидку в связи с заменой компьютера.

Ладно бы только это, но за десять лет вышло всего одно обновление, которое на новом экране выглядело так, будто я снова где-то в нулевых. Ну хорошо, подумал я, и решил почитать, как вообще происходит получение данных из спектрометра. И тут я был удивлён: всё оказалось настолько просто.

Оказалось, что спектрометр просто непрерывно шлёт данные пакетами определённого вида, а принимать эти пакеты можно с помощью уже готовой библиотеки Python. Когда у меня получилось принять первые пакеты, я был очень рад — оставалось только обработать их математически.

С этого момента началась долгая и кропотливая работа над программой, которую я обозвал OpticalWave. Фантазия границ не имеет, а значит, я захотел сделать то, чего раньше так не хватало, плюс добавить что-то новое, чего нет больше ни у кого. Так родилась идея полуавтоматического построения 2D-карт освещённости, а позже и 3D-карт.

Интерфейс программы OpticalWave

OpticalWave — программное обеспечение от SPECLED.COM, полностью написанное на Python для спектрометров Ocean Optics серии STS. Управляет захватом спектра, применяет радиометрическую калибровку и рассчитывает светотехнические и фотобиологические параметры источников света в диапазоне 380–800 нм.

Как видно из рисунка, в главном окне программа показывает квантовый спектр и основные параметры: PPFD, энергетическую освещённость, освещённость в люксах, коррелированную цветовую температуру и индекс цветопередачи. Ниже виден спектр, разбитый на три секции: 380–500 нм, 500–600 нм и 600–750 нм — по факту это весь диапазон ePAR.

Также при необходимости можно вывести в отдельном окне энергетический спектр.

Теперь, когда есть два скриншота, можно на одной странице сравнить два спектра одного и того же светодиода и увидеть между ними существенную разницу. Для растений правильный спектр — квантовый. Когда для фитолампы показывают энергетический спектр, это неверно: квантовый спектр всегда значительно отличается.

Как мы строим карты освещённости фитоламп

Для удобства создания 2D- и 3D-карт я спроектировал шаблон, где можно задать размер сетки и количество ячеек. Идея состоит в том, чтобы передвигать спектрометр по заранее размеченным ячейкам под лампой, а в программе только нажимать на нужную ячейку. Программа автоматически фиксирует спектр и PPFD, записывая данные отдельно для каждой ячейки и собирая таким образом массив данных.

2D-карта освещённости и техпаспорт фитолампы

Когда я настроил шаблон для удобного создания карт освещённости, я сделал генератор 2D-карт, который выдаёт полноценный техпаспорт фитолампы. Ниже на рисунке пример, как это выглядит: это тестовый замер, он был сделан с помощью фонарика в телефоне.

2D-карта отвечает на вопрос о равномерности освещения пространства в гроубоксе. Это вид сверху на площадку: цветом показано, сколько фотонов приходит в каждую точку. Сразу видно и горячие пятна под центром, и провалы. Так как это не только карта, но и паспорт фитолампы, в отчёте указаны название лампы (сейчас это Unknown_Lamp), дистанция замера (сейчас просто 10 см), а также следующие важные параметры:

• Average — средний уровень PPFD по площади, считается автоматически.
• Min PPFD — минимальный уровень PPFD на исследуемой карте освещённости.
• Uniformity — коэффициент равномерности освещённой площади от 0 до 1, считается автоматически. 1 — максимально равномерно; чем ближе к нулю, тем хуже, как в примере.

3D-карта освещённости

Теперь про модель карты в 3D. Основное её преимущество — она интерактивна, и её можно вращать прямо в браузере. По факту это то же самое, что и 2D, только пики засветки и минимумы показаны как всплески и провалы.

На изображении карта освещённости от светодиодного фонарика. Понятно, что по центру максимум и спад к краям. 3D-карта показывает то же, что и 2D, только как поверхность.

По 3D-карте удобнее оценивать характер спада: пологий он или обрывистый. Общая ситуация по площади становится нагляднее, плюс такие карты интерактивны — их можно вращать и заглядывать прямо снизу, это прикольно. Такие карты я планирую сделать для каждой фитолампы в каталоге и для каждого светодиодного модуля для освещения растений.
Спектр и карта освещённости - отличный симбиоз. Светильник с безупречным спектром, но с провалом PPFD по краям, даст неровный урожай: часть растений просто недоберёт света, и никакие красивые пики на графике этого не исправят. Обратная ситуация ничем не лучше — идеально ровная карта при кривом спектре означает, что вы равномерно засветили площадку не тем светом. Поэтому мы меряем и то, и другое для получения совершенно полного блока характеристик фитоламп или светодиодных модулей для растений.

Наши услуги по измерению спектра фитоламп и светодиодов

Мы измеряем спектр и основные параметры фитоламп и других источников света — включая отдельные светодиоды и светодиодные матрицы. Это может быть как ваша собственная сборка, которую нужно проверить, так и покупная лампа, характеристикам которой вы не доверяете.

По результатам вы получаете квантовый спектр с разбивкой по диапазонам, PPFD с калиброванными абсолютными значениями, коррелированную цветовую температуру и индекс цветопередачи, а при необходимости — 2D-карту освещённости с коэффициентом равномерности и техпаспорт лампы. Замер выполняется на откалиброванном по эталону NIST оборудовании, отчёт присылаем в электронном виде.

Чтобы обсудить задачу и сроки, напишите нам через контактную форму на нашем сайте.