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1 Open Access Repository eprint Terms and Conditions: Users may access, download, store, search and print a hard copy of the article. Copying must be limited to making a single printed copy or electronic copies of a reasonable number of individual articles or abstracts. Access is granted for internal research, testing or training purposes or for personal use in accordance with these terms and conditions. Printing for a for-fee-service purpose is prohibited. Title: Estudio de la iluminancia en función de la distancia de LEDs de alta luminosidad Author(s): Villamarin, A.; Velásquez, J.; Pons, A.; Ferrero, A.; Campos, J.; Hermanz, M. Journal: Proceedings of X Reunión Nacional de Óptica Year: 2012 Event name: X Reunión Nacional de Óptica, place: Zaragoza, Spain, date: 04 September 2012 Funding programme: EMRP A169: Call 2009 Energy Project title: ENG05: Lighting: Metrology for Solid State Lighting Copyright note: This is an author-created, un-copyedited version of an article accepted for publication in the Proceedings of X Reunión Nacional de Óptica. EURAMET Secretariat Bundesallee Braunschweig, Germany Phone: Fax: secretariat@euramet.org

2 Estudio de la iluminancia en función de la distancia de LEDs de alta luminosidad Ayalid Villamarín*, José Luis Velázquez, Alicia Pons, Alejandro Ferrero, Ana Rabal, Joaquín Campos, María Luisa Hernanz Dpto. de Imágenes, Visión e Instrumentación Científica. Instituto de Óptica. CSIC. Serrano 144, Madrid ayalid.villamarin@io.cfmac.csic.es Resumen: En muchas aplicaciones, las medidas fotométricas de LEDs se realizan a distancias relativamente cortas, en las que la fuente no puede ser considerada como fuente puntual. En este caso no se puede aplicar la ley del inverso del cuadrado de la distancia y en consecuencia la iluminancia medida por el detector depende en gran medida de las condiciones exactas de medida. En este trabajo se han realizado medidas de la iluminancia de diversos LEDs a diferentes distancias con el objetivo de encontrar un modelo que permita predecir el valor de iluminancia a cualquier distancia. Presentamos los resultados que se obtienen empleando LEDs de alta luminosidad y baja potencia. 1. Introducción En los últimos años, los LEDs se han convertido en las fuentes de luz más populares en multitud de aplicaciones tales como: displays, señalización marítima, señales de tráfico, fuentes de luz usadas en la industria del automóvil e iluminación en general. Uno de los parámetros más comúnmente usados por los fabricantes, como una medida de la direccionalidad de un LED es la Intensidad Luminosa. Desafortunadamente, en muchos casos, el término no se usa de forma adecuada y la magnitud medida no es una verdadera intensidad. Aunque en principio la medida de la intensidad luminosa se puede considerar tan simple como hacer una medida del flujo incidente sobre un detector a una determinada distancia del LED y calcular el ángulo sólido dividendo el área del detector por el cuadrado de la distancia; en la realidad la situación es más compleja. El concepto de intensidad luminosa requiere que la fuente sea puntual, o al menos que sea lo suficientemente pequeña para considerar el tamaño despreciable en comparación con la distancia entre la fuente y el detector. En la práctica, debido al bajo nivel de potencia radiante emitido por algunos LEDs, estas medidas se realizan habitualmente a distancias cortas, en las que el LED no puede considerarse como una fuente puntual. En situaciones de este tipo, la magnitud medida no es la intensidad en su interpretación tradicional, sino que representa una especie de intensidad promedio del LED. Con el objetivo de ofrecer una solución a este problema, la CIE [1] recomienda el uso de un nuevo término, específico para las medidas de LEDs, para describir la magnitud medida en estas condiciones de campo cercano ; especificando además dos geometrías de medida asociadas al nuevo término. El nuevo término se llama Intensidad Luminosa Promedio ILED y las geometrías de medida se designan como condición CIE tipo A y tipo B. En ambas condiciones se debe usar un detector con una apertura circular de área 100 mm 2. Asimismo se especifica que el LED se debe alinear de forma que el eje mecánico del mismo pase por el centro de la apertura del detector. Lo que diferencia ambas condiciones es la distancia entre el LED (en realidad la parte más externa del mismo, lo que se conoce como tip ) y el detector, siendo para la condición tipo A la distancia de 316 mm, correspondiente a un ángulo sólido de 0,001 sr, y 100 mm para la condición tipo B, lo que corresponde a un ángulo sólido de 0,01 sr. Sin embargo en ningún caso se hace ninguna consideración en relación con la distribución espacial de intensidad luminosa que tenga el LED. Dado que los LEDs 1

3 presentan diferentes distribuciones espaciales de intensidad, los valores ILED,A o ILED,B así determinados no necesariamente describen el comportamiento fotométrico (la iluminancia) del LED a otras distancias, lo que puede originar grandes errores en el diseño de luminarias. En este trabajo se han realizado medidas de la iluminancia de diversos LEDs a diferentes distancias con el objetivo de encontrar un modelo que permita predecir el valor de iluminancia a cualquier distancia. Las medidas se han realizado sobre LEDs de baja potencia de diferentes distribuciones espectrales (blancos, verdes, rojos y azules) y diferentes distribuciones espaciales. De acuerdo con los resultados obtenidos, la dependencia de la iluminancia con la distancia se puede ajustar a un modelo modificado de la inversa del cuadrado de la distancia. 2. Materiales y método Las medidas de iluminancia se han realizado en el banco fotométrico de 8 m de carrera útil del Laboratorio de Fotometría en el rango de distancias comprendido entre 100 mm y 1500 mm, con intervalos de 36 mm; lo que nos da un total de 40 distancias medidas, incluyendo siempre las condiciones A y B de la CIE. En un extremo del banco se colocan sucesivamente los LEDs estudiados (Fig. 1 a), y frente a ellos el fotómetro (Fig. 1 b). Siguiendo las recomendaciones de la CIE, el alineamiento se realiza de forma que el eje mecánico de LED sea perpendicular a la superficie del detector y centrado sobre el mismo. El fotómetro usado es el LMT P11SOT con estabilización de temperatura. Tiene una apertura circular con un área de 100 mm 2, cumpliendo así con las recomendaciones de la CIE. Está provisto de un difusor plano para mejorar la responsividad angular del fotómetro y la uniformidad de la radiación recibida. Su responsividad en iluminancia ha sido previamente calibrada por comparación directa con un fotómetro de referencia del Instituto de Óptica, así como su responsividad espectral relativa (Fig. 1c), resultando un factor f 1 de 0,88%. (a) (b) (c) Figura 1. (a) Montura diseñada y empleada para la sujeción de LEDs de alta luminosidad, b) Fotografía del fotómetro LMT P11SOT empleado en este estudio, c) Curva de responsividad espectral relativa Srel (λ) del fotómetro empleado y curva V(λ). Todos los LEDs estudiados hasta ahora son de alta luminosidad (baja potencia) HB [2] de diferentes colores (blanco, azul, verde y rojo) y diferentes ángulos de divergencia (30º y 60º para el caso de los LEDs blancos, 40 º en el caso de los LEDs verde y azul y 20 º y 40 º para los rojos). La distribución espectral está representada en la Figura 2. 2

4 3. Resultados obtenidos Figura 2.- Distribución espectral relativa de los LEDs estudiados Todos los LEDs estudiados presentan un comportamiento similar. Como ejemplo en las Fig. 3 y 4 se representan los resultados obtenidos para un LED blanco y un LED rojo. En las figuras se ha representado asimismo el ajuste obtenido. Para ello se ha utilizado un modelo [3] modificado de la ley de la inversa del cuadrado de la distancia de la forma: ( ) ( ) (1) Donde Ev es la iluminancia obtenida a cada una de las distancias, d es la distancia física medida entre el plano del detector y el extremo del LED ( tip ), rs y rp son los radios del LED y de la apertura del fotómetro respectivamente, y el offset d representa la posición virtual de la fuente LED con respecto al extremo usado como referencia en la medida de la distancia. Figura 3.- Variación de la Iluminancia en función de la distancia para el LED blanco de 30º 3

5 Figura 4.- Variación de la Iluminancia con la distancia para el LED rojo de 40º Como se puede comprobar, el modelo utilizado se ajusta perfectamente a los datos experimentales (R 2 1 en todos los casos). En la Tabla I se dan los valores obtenidos para la intensidad luminosa Iv y d, para cada uno de los LEDs estudiados; partiendo de los valores experimentales de iluminancia obtenidos y los datos conocidos de rs y rp. LED Iv (cd) d(mm) R 2 Blanco 30º 9,47 1,4 0, Azul 40º 2,95 1,5 0, verde 7,84 0,9 0,99998 Rojo 40º 1,79 0,9 0, Tabla 1: parámetros de ajuste del modelo modificado de la inversa del cuadrado de la distancia para distintos LEDs Agradecimientos Los autores agradecen el apoyo del Plan Nacional de Física para la realización de este trabajo (FIS ), al Programa de actividades de I+D entre grupos de investigación de la Comunidad de Madrid (FACTOTEM2. S2009/ESP/1781) y al Programa JAE del CSIC por la concesión de la ayuda de Investigador en Formación. Bibliografía [1]CIE Technical Report 127 Measurements of LEDs, 2nd Edition, International Commission on Illumination, Vienna 2007 [2] Hebei LTD electronics components from China [3] P. Manninen, J. Hovila, P. Kärha and E. Ikonen, Method for analysing luminous intensity of light-emitting diodes, Meas. Sci. Technol. 18, (2007). 4