Оцифрування спектру. Спектральний аналіз, spd світлодіода

Під час проєктування систем освітлення — особливо світлодіодних ламп для освітлення рослин або LED-ламп для побутового чи промислового освітлення — інженери або DIY-ентузіасти часто стикаються з проблемою: виробники компонентів публікують у даташитах спектрограми на одному графіку одразу для всієї лінійки білих світлодіодів, наприклад від 2700 K до 6500 K.

Оцифрування спектру — це процес перетворення графічного зображення спектра світлодіода або іншого джерела світла на цифровий масив даних (набір значень «довжина хвилі — інтенсивність») для подальшої обробки.

Збережені оцифровані спектрограми джерел світла у форматі .json або .csv надалі можна завантажувати в інструмент для симуляції спектра світлодіодів та інших джерел світла^↗, який дозволяє отримати результуючий спектр при змішуванні різних світлодіодів (і не тільки), оцінити підсумковий CCT, CRI, CQS. Інструмент також рахує загальний PPE і включає багато інших корисних метрик, які мають першочергове значення при розробці різних освітлювальних приладів.

Нижче наведено приклад спектрограм для світлодіодів компанії Bridgelux серії Thrive з високим індексом передавання кольору та лінійним спектром (конкурент світлодіодів SunLike). Скриншот частини 6-ї сторінки офіційного документа:

Нерідко виникає потреба зробити аналіз спектра конкретно для одного світлодіода з лінійки або навіть порівняти спектр двох різних світлодіодів від різних виробників. Для цього й існує наш інструмент. Якщо потрібен аналіз спектра для одного світлодіода, більше не треба «ламати» очі або прокладати лінії від піків на спектрі до осі X із довжиною хвилі.

Також наш інструмент дозволяє дізнатися параметри світлодіода чи лампи за спектром у тому випадку, якщо у вас є спектр джерела світла, але немає інших характеристик, наприклад індексу передавання кольору за CQS або TM-30.

Інструмент для оцифрування спектра дозволяє зробити базовий спектральний аналіз світлодіода, особливо щодо питань ефективності застосування тих чи інших світлодіодів білого свічення для освітлення рослин.

Тепер ви можете взяти будь-який PDF-документ від виробника, зробити скриншот спектрограми й за пару хвилин отримати готовий звіт із частками спектра в діапазоні ePAR, оцінкою діапазону 650–670 нм і вимірюванням піка 660 нм. Розрахунок CCT, CQS, TM-30.

Також інструмент дозволяє завантажити числовий масив (спектр) для подальших інженерних оцінок.

Створений нами інструмент дозволяє оцінити спектр джерела світла з достатньо високою точністю, але не лабораторною. У більшості випадків цього достатньо для інженерної оцінки та аналізу. Щоб отримати всі можливі параметри джерел світла з лабораторною точністю, використовують відкалібровану інтегрувальну сферу^↗.

Як використовувати інструмент для оцифрування спектра: покрокова інструкція

Інтерфейс нашого віджета спроєктований так, щоб оцифрування забирало мінімум часу.

Щоб уникнути DDoS-атак, інструмент може використовувати лише авторизований користувач. Будь ласка, зареєструйтеся або увійдіть, використовуючи свій акаунт Google.

З тієї ж причини є 15-секундна затримка для команд оцифрування та автоматичного калібрування.

Щоб отримати точний результат, дотримуйтесь цієї інструкції:

Крок 1. Скриншот спектрограми з даташита

Завантажте даташит для потрібного світлодіода або лампи, знайдіть у документі сторінку зі спектрограмою. Зробіть чіткий скриншот спектрограми. Нижче наведено скриншот графіка спектрограм для світлодіодів серії SunLike від Seoul Semiconductor з температурами свічення 3000, 4000 і 5000 K.

Крок 2. Завантаження скриншота в інструмент

Виберіть зроблений скриншот спектрограми та завантажте в наш інструмент:

Крок 3. Калібрування осей графіка

Після виконання кроку два інструмент відобразить завантажений графік усередині свого робочого вікна.

Для оцифрування завантаженого графіка й отримання точних цифр потрібно задати з максимальною точністю початкові координати графіка за шкалою X, Y. Наш інструмент має автоматизовану функцію калібрування; щоб почати, просто натисніть на кнопку «Авто-калібрування», яка розташована праворуч над завантаженою спектрограмою.

Після завершення автокалібрування на початку й у кінці осей X, Y з’являться кольорові мітки:

Переконайтеся, що мітки нульової точки чітко збігаються з початком координат графіка, а точки максимуму строго стоять у кінці розмітки осі графіка.

Переконайтеся, що в полі Макс. Y указано число, яке збігається з міткою Max Y: мітка дорівнює максимальному піку спектрограми. Зазвичай це 1 або 100 %.

Для випадку, коли потрібно порівняти графіки з двох різних картинок, приведіть значення до єдиного формату вручну — це може бути як 1, так і 100.

Нульова точка графіка має бути встановлена коректно на початку координат. Поле Макс. довжина хвилі (X) має відповідати розмітці спектрограми: помилкові значення призведуть до зміщення спектрограми.

Нижче показано скриншот із коректним калібруванням спектрограми:

У випадку, коли автокалібрування дає збій або потрібно виставити інший максимум за віссю Y, натисніть на кнопку «Скинути калібрування» та встановіть маркери вручну: ручний режим калібрування буде запущено автоматично одразу після натискання на кнопку «Скинути калібрування». Під час наведення курсора на графік буде активовано лінзу для точного встановлення маркерів.

Порядок встановлення маркерів калібрування вручну: нульова точка, Max X, Max Y.

Крок 4. Вибір кольору кривої інструментом «Піпетка»

Натисніть на стандартний інструмент «Піпетка» для вибору кольору графіка на спектрограмі, оцифрування якого потрібно виконати. Після активації інструмента «Піпетка» буде активовано зум для спрощеного влучання в тонку лінію графіка.

Поле «Допуск кольору 10–250» відповідає за розкид навколо відтінку вибраного кольору. У разі виникнення помилок оцифрування ви можете спробувати встановити значення жорсткіше, зменшивши до 10–20, або навпаки дозволити машинному зору робити більший розкид навколо відтінків вибраного спектра, збільшивши значення до 75–100 або більше.

Крок 5. Оцифрування графіка

Після вибору кольору за допомогою інструмента «Піпетка» кнопка «Оцифрувати графік» стане автоматично активною.

Щоб отримати оцифрований графік, натисніть на кнопку «Оцифрувати графік».

Після запуску оцифрування ви одразу отримаєте оцифрований графік у такому самому кольорі, як в оригінальному скриншоті.

Під оцифрованим спектром одразу виводиться звіт із базовими розрахунковими даними:

На скриншоті показано результат аналізу спектра світлодіода SunLike 5000 K.

Крок 6. Експорт спектральних даних

Після оцифрування спектрограми інструмент дозволяє завантажити масив спектральних даних у форматі JSON або CSV, зберегти скриншот спектрограми у форматі PNG у вигляді контуру або з кольоровою заливкою.

Крок 7. Порівняння спектрів із двох даташитів

Що робити, якщо потрібно порівняти спектри з двох різних даташитів?

1. Не перезавантажуючи сторінку, натисніть на кнопку «Вибрати графік» і виберіть скриншот другої спектрограми.
2. Виконайте кроки 3–5 з інструкції. Важливо вказати для двох спектрограм однаковий максимум за віссю Y.
3. Тепер дві спектрограми відображаються в полі одного графіка для зручного порівняння.

У віконцях над графіком за замовчуванням відображається колір спектра й підпис «Спектр 1»; для зручності ви можете присвоювати назви спектрів. На прикладі синій спектр належить світлодіоду SunLike 5000 K, а спектрограма жовтого кольору належить світлодіоду Thrive 5000 K.

Крок 8. Додатковий аналіз спектра: порівняння з кривою Маккрі та сонячним спектром

Для досягнення максимальної зручності аналізу спектра я додав в інструмент можливість відобразити на графіку криву Маккрі — зелена пунктирна лінія, та відобразити спектр сонця — жовта пунктирна лінія. 

Ці дві опції дозволяють оцінювати світлодіоди з погляду їх застосування для рослин, а також наочно і без маркетингу порівняти спектр світлодіода SunLike або Thrive прямо на графіку.

Наш інструмент дозволяє оцифрувати спектр світлодіодної фітолампи або іншого джерела світла з картинки та виконати базовий аналіз, який включає не лише поділ спектра на частини та оцінку індексу передачі кольору, але й дає можливість порівняти спектр світлодіода з реальним спектром сонячного світла.

Технічне зауваження

В одному вікні можна оцифрувати до десяти графіків для порівняння. Інших загальних лімітів на оцифрування графіків інструмент не має.

Оцифрування графіка працює, використовуючи машинний зір на базі зв’язки двох бібліотек Python: за машинний зір відповідає OpenCV, за математичне ядро — NumPy. Інструмент має вбудований фільтр для очищення графіка від його власної розмітки, це дозволяє оцифровувати спектрограми чорного кольору.

ВАЖЛИВО! Наш інструмент для оцифрування спектра не є прецизійно точним і призначений для загального аналізу спектра. Якщо вам необхідно отримати дані з лабораторною точністю, скористайтеся професійним лабораторним обладнанням.

Точність оцифрування: порівняння з паспортними даними

Нижче наведено порівняльну таблицю отриманих даних після оцифрування спектра з даними з офіційної документації для світлодіода SunLike 5000 K:

Звідки береться похибка оцифрування

Джерел помилки три, і жодне з них не пов’язане з роботою самого інструмента.

Перше — якість вихідної картинки. Спектрограма в PDF майже завжди стиснута з втратами, а під час скриншота додається ще й растеризація: там, де виробник провів одну лінію, у файлі опиняється смуга з кількох пікселів із розмитими краями. Машинний зір бере її центр, але на крутих схилах піка зсув навіть на два пікселі по вертикалі перетворюється на помітну різницю в інтенсивності.

Друге джерело — калібрування осей. Якщо мітку нульової точки поставлено повз початок координат хоча б на піксель, уся шкала довжин хвиль зміщується цілком, і пік 450 нм перетворюється, скажімо, на 452 нм. Тому калібруванню варто приділити більше уваги, ніж усьому іншому процесу: решту кроків інструмент робить сам, а точність відліку задаєте ви.

Третє джерело — найважливіше, і воно лежить за межами оцифрування. У даташиті намальовано типовий спектр, а не виміряний екземпляр. Виробник публікує усереднену криву для сімейства, тоді як реальні світлодіоди розходяться за бінами колірності: два діоди з однієї партії з однаковим маркуванням 5000 K можуть відрізнятися за координатами колірності в межах еліпса Макадама, і їхні спектри не збігатимуться. Наскільки саме — залежить від біна, про що докладно в статті про еліпс Макадама та SDCM^↗. Звідси практичний висновок: оцифрований спектр коректно використовувати для порівняння світлодіодів між собою, для оцінки часток діапазонів і для проєктних прикидок, але він не замінює вимірювання конкретного зразка. Якщо потрібні параметри саме вашої партії, спектр знімають спектрофотометром, а повний світловий потік — каліброваною інтегрувальною сферою.

Що таке SPD світлодіода і навіщо потрібні ці дані

SPD світлодіода (Spectral Power Distribution, або спектральний розподіл потужності) — це фундаментальна характеристика будь-якого джерела світла. Вона показує потужність оптичного випромінювання залежно від довжини хвилі у видимому діапазоні.

Маючи на руках оцифрований спектр світлодіода, ви отримуєте можливість аналізувати конкретні діапазони. У нашому віджеті є блок «Аналіз діапазону спектра» зі зручними повзунками (від 350 до 800 нм). Ви можете миттєво дізнатися пік спектра (наприклад, 472,6 нм).

Інструмент оцифрування спектра чудово підходить для оцінки спектра білих світлодіодів з точки зору їх застосування у світлодіодних лампах для освітлення рослин. Під час проєктування освітлення для рослин важливо розуміти розподіл потужності в діапазоні ePAR.

Частки спектра в діапазоні ePAR: що показують ці відсотки

Інструмент оцифрування автоматично ділить спектр на п’ять смуг і показує частку фотонного потоку в кожній, а не частку потужності. Це принципово: фотон на 660 нм несе менше енергії, ніж на 450 нм, тому в енергетичному вираженні червона частина завжди виглядає скромніше, ніж у фотонному, а рослина рахує саме фотони.

Класичний PAR за стандартом ANSI/ASABE S640 — це смуга 400–700 нм. Розширений діапазон ePAR додає до нього далекий червоний, 700–750 нм, і бере початок від 380 нм. Розбивка у звіті дотримується цієї логіки:

• 380–400 нм — край УФ-А. До PAR не входить, на фотосинтез майже не працює, але впливає на синтез вторинних метаболітів і компактність рослини.
• 400–500 нм — синій. Відповідає за компактність, товщину листка й роботу продихів.
• 500–600 нм — зелений і жовтий. У білих світлодіодів це завжди найбільша частка, тому що саме тут світить люмінофор. Зелені фотони проникають глибше в листок і в рослинний покрив, ніж червоні та сині, і працюють там, куди червоний уже не доходить.
• 600–700 нм — червоний. Основний двигун фотосинтезу й найдешевші фотони на джоуль.
• 700–750 нм — далекий червоний. До PPF не входить, рахується окремо і впливає на витягування, розмір листка та цвітіння через фітохром. Докладно про це — у статті про далекий червоний 730 нм у фітолампах^↗.

На прикладі оцифрованого спектра білого світлодіода серії SunLike звіт дав таку картину: 0,1 % в УФ-А, 23,5 % у синьому, 37,0 % у зеленому, 35,1 % у червоному і 4,5 % у далекому червоному.

Варто пам’ятати, що розширений діапазон ePAR прийнятий не всіма: DesignLights Consortium у розрахунку ефективності світильників так само залишає лише 400–700 нм. Тому частки за ePAR зручні для аналізу форми спектра, але під час порівняння світильників за паспортними цифрами перевіряйте, який діапазон мав на увазі виробник.

Крива Маккрі та спектр сонця: з чим порівнювати оцифрований спектр

Самі по собі частки діапазонів ще не кажуть, добрий спектр чи поганий. Потрібна база для порівняння, і на практиці їх дві.

Крива Маккрі (McCree, 1972) показує відносний квантовий вихід фотосинтезу: наскільки ефективно фотон кожної довжини хвилі перетворюється на засвоєний CO₂. Криву отримано усередненням по 22 видах культурних рослин, і вона має два максимуми — близько 440 і 620 нм, причому висота синього піка становить приблизно 70 % від червоного. Між ними, у зеленій області, лежить пологий провал: зелений фотон працює, але гірше за червоний.

Практична користь кривої в тому, що вона дозволяє зважити оцифрований спектр і отримати не просто кількість фотонів, а їхню корисність. Але в неї є жорсткі межі застосовності, про які зазвичай забувають. Вимірювання зроблено на окремому листку, а не на рослині цілком, за низької освітленості порядку 15–150 мкмоль·м⁻²·с⁻¹ і в монохроматичному світлі. У щільному рослинному покриві зелене світло проникає глибше за червоне й працює помітно краще, ніж передбачає крива, а ефект Емерсона — спільна робота фотонів різних довжин хвиль — у ній не врахований зовсім. І головне: крива Маккрі описує миттєвий фотосинтез, а не врожай, форму рослини чи строки цвітіння.

Сонячний спектр слугує другою точкою відліку, і значно наочнішою. Для еталонного спектра AM1.5G за стандартом ASTM G173-03 частки фотонного потоку в тих самих п’яти смугах виглядають так: 1,9 % в УФ-А, 22,2 % у синьому, 29,1 % у зеленому, 31,6 % у червоному і 15,2 % у далекому червоному. Полуденне сонце дає близько 1980 мкмоль·м⁻²·с⁻¹ у діапазоні PAR за 430 Вт/м² у тій самій смузі.

Порівняння білого світлодіода із сонцем одразу показує дві речі. Синя та зелена частки у хорошого білого діода близькі до сонячних — саме тому світлодіоди з лінійним спектром на кшталт SunLike і Thrive виглядають на око природно. А от далекого червоного у світлодіода втричі менше: 4,5 % проти 15,2 % у сонця. Під відкритим небом відношення далекого червоного до PAR становить близько 18 %, і рослина під білим світлодіодом без додавання 730 нм отримує зовсім інший фітохромний сигнал, ніж у полі.

Для порівняння за формою, а не за частками, зручно взяти нормований спектр сонця або стандартне джерело D65 і накласти його на оцифровану криву другим графіком. Провал у блакитно-зеленій області близько 480 нм, характерний для люмінофорних білих світлодіодів, за такого накладання видно одразу.

Передавання кольору світлодіодів і розрахунок сучасних метрик: TM-30 і CQS

Під час проєктування побутового чи промислового освітлення крім CCT завжди важливо знати індекс передавання кольору. Іноді виробники вказують індекс передавання кольору за старим стандартом CRI, який погано підходить для оцінки якості світла сучасних світлодіодних пристроїв. Якщо у вас є спектрограма, ви можете зробити оцифрування й отримати звіт і графік для сучасного стандарту TM-30 та CQS. Читайте докладно про індекс передавання кольору CRI, CQS і стандарт TM-30^↗.

Використовуючи отриманий масив спектральних даних, алгоритм автоматично обчислює базові фотометричні параметри та сучасні колориметричні метрики, зокрема метрику відхилення від кривої локусу (Duv)^↗ але із значною похибкою.

Інструмент оцифрування спектра буде особливо корисний DIY-ентузіастам, студентам і проєктувальникам світлодіодних освітлювальних приладів та фітоламп.

Параметри спектрального аналізу, які дозволяє отримати інструмент оцифрування спектрограм

Нижче наведено основні метрики й дані, які ви отримуєте автоматично після оцифрування кривої в інструменті:

Висновок

Наш дигітайзер перетворює неточні маркетингові картинки на цифри, які можна обробити математично. Глибокий спектральний аналіз світлодіода більше не потребує складного програмного забезпечення або ручного перенесення точок із графіків. Інструмент заощаджує час розробників, дозволяючи швидко порівнювати реальні характеристики світлодіодів на етапі проєктування світильника й обирати світлодіоди з ідеальним спектральним розподілом під конкретні задачі.

Додатково хочу зазначити, що основною перевагою нашого інструмента є простота його використання та наявність вбудованого математичного ядра для базового обчислення основних параметрів. Плюс базовий аналіз спектра для застосування світлодіодів у галузі агрокультури.