Наше обладнання та ПЗ для вимірювання параметрів світлодіодів та світлодіодних ламп

У будь-якого світлодіода є даташит, і в даташиті все виглядає якщо не чудово, то добре. Проблема в тому, що даташит описує діод, а покупець отримує світильник. Між одним і другим — драйвер, робочий струм, температура кристала, конкретний бін із партії, геометрія плати, радіатор, реальні умови роботи. Кожен із цих пунктів відводить реальні цифри від табличних, і ніколи не в кращий бік.

Із цього випливає, що отримати «живі» характеристики лампи можна лише вимірюванням. Причому бажано вимірювати не тільки спектр і основні параметри освітленості, але й будувати 2D-, а краще 3D-карту освітленості. По суті спектр — це яке світло, а карта освітленості — куди і скільки його потрапляє. Нижче — про обладнання та ПЗ, якими ми це робимо.

Чому ми не віримо даташиту світлодіода

Одразу зазначу: виробники не обманюють. Просто їхні цифри отримані в лабораторних умовах, а ви вмикаєте лампу в гроубоксі. До того ж більшість виробників світлодіодів вказують параметри за температури кристала 25 °C, а вона недосяжна за жодної реальної системи охолодження. Якщо, звісно, ви не живете в Гренландії.

Класичний приклад — ефективність. У таблиці стоїть красиве значення µmol/J, але воно виміряне за певного струму й за температури кристала, яку в реальному складанні ви майже ніколи не побачите. Розженіть світлодіод вище номінального струму, щоб зняти більше потоку з площі, — ефективність просяде. Дайте кристалу перегрітися — просяде ще раз, а заразом поїде і спектр (цією похибкою можна знехтувати, вона в межах 2–3 нм).

Далі починається арифметика складання. Діод у даташиті один, а в модулі їх сотня, і стоять вони поряд, підігріваючи одне одного, як пінгвіни в Антарктиді. Плюс драйвер зі своїм ККД, плюс втрати на оптиці чи захисному склі, плюс втрати на відбитті від плати та радіатора.

У підсумку характеристики готового світильника — це не характеристики діода, помножені на кількість. Це окрема величина, яку треба вимірювати окремо, у реальних умовах і тільки на повністю прогрітій лампі.

Спектрометр Ocean Optics STS-VIS

Це компактний спектрометр видимого діапазону. У побуті такі прилади часто називають спектрофотометрами, хоча строго кажучи вимірювання власного випромінювання джерела — це спектрорадіометрія. Він перекриває область PAR цілком, і цього достатньо для всього, що нам потрібно від фітолампи чи окремого світлодіода.

Що ми з нього отримуємо. Насамперед — форму спектра: де саме стоять піки, наскільки вони широкі, що відбувається в провалі між синім і червоним, скільки енергії йде в дальній червоний. Далі зі спектра рахується все інше: частки за діапазонами, співвідношення синього та червоного і — за абсолютного калібрування — сам фотонний потік (PPFD).

Шлях світла у спектрометр: оптоволокно та косинусний коректор

Сам спектрометр — це, грубо кажучи, коробка зі щілиною. Усе, що відбувається до цієї щілини, визначає, що ви врешті виміряєте, і ось тут економити не можна.

Коли я замовляв прилад, то одразу зупинився на преміальному оптоволоконному кабелі із серцевиною 600 мкм і косинусному коректорі CC-VIS/NIR. Про волокно коротко: площа серцевини зростає як квадрат діаметра, тому 600 мкм збирає приблизно вдев'ятеро більше світла, ніж поширені 200 мкм. На практиці це коротша витримка й чистіший сигнал на слабких ділянках спектра — у дальньому червоному, в ультрафіолеті, у провалі між синім і червоним піками. Тобто рівно там, де й різняться хороші фітолампи та посередні.

Косинусний коректор — деталь, без якої абсолютні вимірювання просто не мають сенсу. Голе волокно бачить вузький конус градусів у двадцять п'ять: наведіть його трохи інакше — отримаєте інше число. Листок рослини влаштований інакше. Він лежить у площині й приймає світло з усієї півсфери над собою: напряму від світильника, від сусіднього світильника, відбите від стінок боксу. Коректор змушує прилад збирати світло так само.

Параметри косинусного коректора CC-VIS/NIR

Діаметр активної області — 3.9 мм. Робоче «вікно», через яке збирається світло. Замір виходить практично точковим: за зйомки карти освітленості з кроком у кілька сантиметрів чотириміліметрова пляма — це саме точка, а не усереднення по площі.

Розсіювач — кварц (200–2500 нм), близько 1.5 мм. Саме кварц, а не пластик. Кварц прозорий від глибокого УФ до ближнього ІЧ, тому не зрізає ні УФ-А 380 нм, ні дальній червоний 730 нм — обидва краї діапазону, які у фітоспектрі якраз і цікаві. І він не жовтіє під ультрафіолетом із часом, на відміну від полімерних розсіювачів.

Габарити — 6.5 мм діаметр, 18 мм довжина. Зонд маленький, тому він не затінює майданчик і не спотворює те поле, яке вимірює. Плюс його зручно переставляти по сітці під час зйомки карти.

Геометрія збору — поле зору 180°. Найважливіший пункт із усієї таблиці. 180° — це повна півсфера, ±90° від нормалі: датчик приймає все, що приходить згори, аж до променів, що ковзають майже паралельно площині. При цьому відгук підпорядковується закону косинуса — світло, що падає під кутом θ, враховується з вагою cos θ. Рівно так світло отримує будь-яка горизонтальна поверхня, чи то листок, чи то полог цілком. Тому виміряне значення — це освітленість у площині, а не «скільки прилад упіймав, коли я його туди навів». З тієї ж причини і за тією ж схемою влаштовані квантові сенсори для PPFD.

Роз'єм — SMA 905. Стандарт, який дає повторюване стикування. Це важливіше, ніж здається: калібрування прив'язане до конкретної збірки, і розхитане з'єднання зміщує абсолютні значення.

Робоча температура — від −30 °C до +100 °C. Зонд можна покласти прямо під світильник, на рівень полога в гарячому боксі, і не думати про температурний дрейф.

І останнє, що варто знати про такі вимірювання: волокно, коректор і спектрометр калібруються як єдина збірка. Просто відкрутив кабель — абсолютне калібрування недійсне, потрібно повторювати заново. Тому «відкалібрований спектрометр» без уточнення, з яким волокном і якою вхідною оптикою, — фраза ні про що.

До речі, якщо хочете погратися зі спектром до того, як побачите замір, — у нас є інтерактивний симулятор спектра з кривою МакКрі. Там можна зібрати спектр із шести каналів і подивитися, як змінюються метрики. Реальний замір виглядає приблизно так само, тільки нерівніше.

Калібрування спектрометра за еталонним джерелом HL-2000-CAL

Про калібрування варто сказати окремо. Без нього прилад показує відносний спектр — форму кривої. Форма — це вже багато. Але щоб отримати абсолютні значення в µmol·m⁻²·s⁻¹, спектрометр потрібно відкалібрувати за еталонним джерелом і працювати з косинусним коректором, інакше геометрія збору світла спотворить результат.

Для калібрування я використовую еталонне джерело світла HL-2000-CAL.

Усередині розташована вольфрамо-галогенна лампа зі строго виміряним спектром випромінювання. Для кожного екземпляра на заводі вимірюють спектральну потужність і видають індивідуальний калібрувальний сертифікат, простежуваний до еталонів NIST.

Ресурс лампи — 50 годин роботи, після чого потрібне повторне калібрування самої лампи та новий сертифікат. За інструкцією одна процедура займає 30 хвилин прогріву й 10 секунд власне калібрування, тобто ресурсу еталонного джерела вистачає приблизно на 100 калібрувань.

Саме калібрування за еталоном із простежуваністю до NIST дає замірам метрологічну вагу: це не «прилад щось показав», а значення, прив'язане до національного еталона. Тому всі заміри на нашому YouTube-каналі зроблені на сертифікованому лабораторному обладнанні, а не на кишеньковому спектрофотометрі з маркетплейсу.

OpticalWave — власне ПЗ на Python

Друга половина роботи — розподіл світла в просторі. І тут ми користуємося софтом, який я написав сам, навесні 2026 року.

Усе почалося з того, що на новому Mac не запустилася стара програма OceanView 2, яку я колись купував. Почитавши інтернет, я зрозумів, що потрібно купувати заново або намагатися випросити знижку у зв'язку із заміною комп'ютера.

Хай би тільки це, але за десять років вийшло всього одне оновлення, яке на новому екрані виглядало так, ніби я знову десь у нульових. Ну добре, подумав я, і вирішив почитати, як узагалі відбувається отримання даних зі спектрометра. І тут я був здивований: усе виявилося настільки просто.

Виявилося, що спектрометр просто безперервно шле дані пакетами певного вигляду, а приймати ці пакети можна за допомогою вже готової бібліотеки Python. Коли в мене вийшло прийняти перші пакети, я був дуже радий — залишалося тільки обробити їх математично.

Із цього моменту почалася довга й копітка робота над програмою, яку я обізвав OpticalWave. Фантазія меж не має, а отже, я захотів зробити те, чого раніше так бракувало, плюс додати щось нове, чого немає більше ні в кого. Так народилася ідея напівавтоматичної побудови 2D-карт освітленості, а пізніше і 3D-карт.

Інтерфейс програми OpticalWave

OpticalWave — програмне забезпечення від SPECLED.COM, повністю написане на Python для спектрометрів Ocean Optics серії STS. Керує захопленням спектра, застосовує радіометричне калібрування й розраховує світлотехнічні та фотобіологічні параметри джерел світла в діапазоні 380–800 нм.

Як видно з рисунка, у головному вікні програма показує квантовий спектр і основні параметри: PPFD, енергетичну освітленість, освітленість у люксах, корельовану колірну температуру та індекс кольоропередачі. Нижче видно спектр, розбитий на три секції: 380–500 нм, 500–600 нм і 600–750 нм — по факту це весь діапазон ePAR.

Також за потреби можна вивести в окремому вікні енергетичний спектр.

Тепер, коли є два скриншоти, можна на одній сторінці порівняти два спектри одного й того самого світлодіода та побачити між ними суттєву різницю. Для рослин правильний спектр — квантовий. Коли для фітолампи показують енергетичний спектр, це неправильно: квантовий спектр завжди значно відрізняється.

Як ми будуємо карти освітленості фітоламп

Для зручності створення 2D- і 3D-карт я спроєктував шаблон, де можна задати розмір сітки та кількість комірок. Ідея полягає в тому, щоб пересувати спектрометр по заздалегідь розмічених комірках під лампою, а в програмі лише натискати на потрібну комірку. Програма автоматично фіксує спектр і PPFD, записуючи дані окремо для кожної комірки й збираючи таким чином масив даних.

2D-карта освітленості та техпаспорт фітолампи

Коли я налаштував шаблон для зручного створення карт освітленості, я зробив генератор 2D-карт, який видає повноцінний техпаспорт фітолампи. Нижче на рисунку приклад, як це виглядає: це тестовий замір, він був зроблений за допомогою ліхтарика в телефоні.

2D-карта відповідає на питання про рівномірність освітлення простору в гроубоксі. Це вид згори на майданчик: кольором показано, скільки фотонів приходить у кожну точку. Одразу видно й гарячі плями під центром, і провали. Оскільки це не тільки карта, але й паспорт фітолампи, у звіті вказані назва лампи (зараз це Unknown_Lamp), дистанція заміру (зараз просто 10 см), а також такі важливі параметри:

• Average — середній рівень PPFD по площі, рахується автоматично.
• Min PPFD — мінімальний рівень PPFD на досліджуваній карті освітленості.
• Uniformity — коефіцієнт рівномірності освітленої площі від 0 до 1, рахується автоматично. 1 — максимально рівномірно; що ближче до нуля, то гірше, як у прикладі.

3D-карта освітленості

Тепер про модель карти у 3D. Основна її перевага — вона інтерактивна, і її можна обертати прямо в браузері. По факту це те саме, що й 2D, тільки піки засвітки та мінімуми показані як сплески й провали.

На зображенні карта освітленості від світлодіодного ліхтарика. Зрозуміло, що по центру максимум і спад до країв. 3D-карта показує те саме, що й 2D, тільки як поверхню.

За 3D-картою зручніше оцінювати характер спаду: пологий він чи обривистий. Загальна ситуація по площі стає наочнішою, плюс такі карти інтерактивні — їх можна обертати й зазирати прямо знизу, це прикольно. Такі карти я планую зробити для кожної фітолампи в каталозі та для кожного світлодіодного модуля для освітлення рослин. Спектр та карта освітленості - відмінний симбіоз. Світильник з бездоганним спектром, але з провалом PPFD по краях дасть нерівний урожай: частина рослин просто недобере світла, і ніякі гарні піки на графіці цього не виправлять. Зворотна ситуація нічим не краща - ідеально рівна карта при кривому спектрі означає, що ви рівномірно засвітили майданчик не тим світлом. Тому ми міряємо і те, й інше для отримання повного блоку характеристик фітоламп або світлодіодних модулів для рослин.

Наші послуги з вимірювання спектра фітоламп і світлодіодів

Ми вимірюємо спектр та основні параметри фітоламп та інших джерел світла – включаючи окремі світлодіоди та світлодіодні матриці. Це може бути як ваше власне складання, яке потрібно перевірити, так і покупна лампа, характеристикам якої ви не довіряєте.

За результатами ви отримуєте квантовий спектр з розбивкою по діапазонах, PPFD з абсолютними каліброваними значеннями, корельовану колірну температуру і індекс кольору, а при необхідності - 2D-карту освітленості з коефіцієнтом рівномірності і техпаспорт лампи. Вимірювання виконується на відкаліброваному за еталоном NIST обладнанні, звіт надсилаємо в електронному вигляді.

Щоб обговорити завдання та терміни, напишіть нам через контактну форму на нашому сайті.