Irena FRYC

Politechnika Białostocka, Wydział Elektryczny, Katedra Promieniowania Optycznego

Źródło światła z możliwością kształtowania rozkładu

widmowego emitowanego promieniowania

Streszczenie.

W niniejszej pracy zaprezentowano źródło światła, zbudowane z użyciem diod LED i kuli całkującej, o kształtowanej charakterystyce

widmowej. Źródło to ma możliwość wytwarzania promieniowania o różnego rodzaju rozkładzie widmowym. Przedstawiono szereg zrealizowanych
rozkładów widmowych emitowanych przez zbudowane źródło.

Abstract

. A spectrally tunable light source using an integrating sphere with a LEDs has been constructed. The source is designed to have a

capability of producing any visible spectral distribution, mimicking various light sources in the visible region. The source distributions have been
realized for a number of target distributions. (Light source with tunable spectral power distribution possibility).

Słowa kluczowe: dioda elektroluminescencyjna, programowalne źródło światła, rozkład widmowy promieniowania, kula całkująca.
Keywords: Light emitting diodes, programmable LED source, spectral power distribution, integrating sphere

Wstęp

W wielu zastosowaniach techniki świetlnej istnieją

potrzeby stosowania źródeł światła o różnych rozkładach
widmowych emitowanego promieniowania. Idealnym
rozwiązaniem jest takie, gdy płynna zmiana rozkładu
widmowego byłaby możliwa przy użyciu jednego rodzaju
lampy. Tego rodzaju źródło światła może znaleźć
zastosowanie na przykład w następujących sytuacjach:
1. Kalibrowanie fotometrów, kolorymetrów, aparatów

fotograficznych i innych urządzeń odtwarzających
barwę. Te przyrządy są obecnie kalibrowane z użyciem
iluminantu

A

lub

. Przy stosowaniu tego rodzaju

kalibracyjnych źródeł promieniowania ich błędy
pomiarowe mogą osiągać bardzo wysokie wartości [1, 2,
3, 4, 5]. Dlatego kalibrowanie powinno być wykonywane
źródłem promieniowania o rozkładzie widmowym
odpowiadającym promieniowaniu mierzonemu.

65

D

2. Oświetlanie pola operacyjnego tak aby chirurg mógł w

czasie zabiegu oceniać zmiany chorobowe w świetle o
różnej barwie.

3. Oświetlenie sceniczne. Pożądane jest często płynne

przechodzenie od jednej barwy światła do drugiej, co
przy obecnie stosowanych źródłach światła nie jest
łatwe.

4. Oświetlenie dynamiczne pomieszczeń. Oświetlenie o

zmieniającej się barwie w zależności od pory dnia albo
od indywidualnych preferencji użytkownika a także
oświetlenie iluminacyjne.

5. W symulatorach promieniowania słonecznego, które

mogą służyć między innymi do badania właściwości
ogniw fotowoltaicznych. Budowane obecnie symulatory
nie w pełni dokładnie oddają wymaganą charakterystykę
widmową i w czasie swojej pracy emitują szkodliwy dla
ludzkiego zdrowia ozon.

Istnieje wiele potrzeb skłaniających do zbudowania
źródła światła charakteryzującego się możliwościami
kształtowania jego charakterystyki widmowej (źródła STS),
ale dowolne kształtowanie rozkładu widmowego
promieniowania emitowanego przez określone źródło
światła leży poza możliwościami, które są znane
konstruktorom lamp [6].

Kształtowanie charakterystyki widmowej źródła światła
jako wynik superpozycji promieniowań emitowanych
przez LEDy

Stosując metodę polegającą na sumowaniu

poszczególnych promieniowań, można zamiast
konwencjonalnych źródeł światła użyć promieniowania
emitowanego przez różne LEDy. Na rysunku 1

przedstawiono schemat ideowy źródła STS. W kuli
całkującej następuje mieszanie promieniowania
emitowanego przez określoną liczbę różnych LEDów. Diody
o jednakowych parametrach świetlno-optycznych są
zgrupowane w kanałów, które są zasilane ze
sterowanego komputerem PC zasilacza prądowego.
Rozkład widmowy promieniowana emitowanego przez
wyjściowy otwór kuli całkującej mierzony jest
spektroradiometrem.

n

Rys. 1. Schematyczna budowa źródła STS

W celu odtworzenia żądanej charakterystyki rozkładu

widmowego mocy promieniowania

( )

λ

P

emitowanego

przez STS, znajdujące się w poszczególnych

n

kanałach

źródła STS diody LED, powinny zostać wysterowane
odpowiednią wartością natężenia płynącego przez nie
prądu. Charakterystyka rozkładu widmowego mocy

( )

λ

P

promieniowania emitowanego przez STS może być opisana
równaniem:

(1)

( )

( )

( )

( )

λ

λ

λ

λ

LEDn

n

n

LED

LED

P

I

I

P

I

I

P

I

I

P

max

2

max

2

2

1

max

1

1

...

+

+

+

=

I

n

- natężenie prądu przepływającego przez daną diodę;

I

nmax

- maksymalna wartość natężenia prądu, który może

przepływać przez daną diodę; P

LEDn

- rozkład widmowy

promieniowania emitowanego przez -tą diodę LED

n

Realizacja źródła STS

Źródło STS zostało zbudowane według schematu

ideowego z rysunku 1. Diody LED o jednakowych
parametrach świetlno-optycznych są zgrupowane w 40
kanałach, które są zasilane ze sterowanego komputerem
PC zasilacza prądowego firmy ILX Lightwave, USA. Na
rysunku 2 przedstawiono widok źródła STS, a na rysunku 3

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - KONFERENCJE, ISSN 1731-6106, R. 5 NR 1/2007

17

widok rozmieszczenia głowic z LEDami w handlowo
dostępnej kuli całkującej firmy Sphere Optics. Ze względu
na wpływ temperatury na wartość strumienia świetlnego
emitowanego przez LEDy, diody w realizowanym STS
umieszczone są w stabilizowanych temperaturowo
głowicach (rys. 4) produkcji ILX Lightwave. Pomiar rozkładu
widmowego emitowanego promieniowania odbywa się
spektroradiometrem StellarNet EPP 2000.

Rys. 2. Widok źródła STS

Rys. 3. Widok rozmieszczenia głowic z LEDami w handlowo
dostępnej kuli całkującej firmy Sphere Optics

Rys. 4. Stabilizowane temperaturowo głowice źródła STS

Źródło STS powinno umożliwiać odtwarzanie rozkładów

widmowych zarówno światła barwnego jak i białego. Jako
przykładowe promieniowania o barwie

białej wybrano:

iluminant D65, lampę HMI, świetlówkę Cool White 33,
monitor typu CRT emitujący promieniowanie o barwie białej.
Wśród tych źródeł światła są takie, które charakteryzują się
ciągłym rozkładem widmowym promieniowania oraz takie,
które charakteryzują się pasmowym rozkładem widmowym

z podkładem widma ciągłego. Jako przykładowe
promieniowania barwne wybrano rozkłady widmowe
promieniowania zielonego i niebieskiego, emitowanego
przez monitor ekranowy typu CRT.

Rysunek 5 przedstawia charakterystyki widmowe LEDów

za

ny

że

stosowanych w poszczególnych kanałach źródła STS.

Rysunki 6; 9; 12; 15; 16 i 17 przedstawiają zmierzo
rozkład widmowy promieniowania emitowanego przez STS,
symulujące dane źródło i rozkład widmowy promieniowania
danego źródła. Przy symulowaniu przez STS zakresu

VIS

iluminantu D65, kategoria tego rodzaju symulatora mo ,
zgodnie z publikacją CIE [7], być określona jako A.

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

380

480

580

680

780

λ

[nm]

Wa

rt

o

ść

wz

g

lę

dn

a

m

ocy

pr

o

m

ien

io

w

a

n

ia o

p

tyczn

e

g

o

Rys. 5. Charakterystyka rozkładu widmowego promieniowania
emitowanego przez poszczególne kanały zbudowanego źródła
STS

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

380

430

480

530

580

630

680

730

780

λ [nm]

Wa

rt

oś

ci

w

zg

lę

dne

promieniowanie emitowane przez STS,

iluminant D65

Rys. 6. Wynik pomiaru promieniowania emitowanego przez STS,

h 7, 10, 13 i 18 przedstawiono zestawienie

szc

stawiają współrzędne

pun

działające przy użyciu STS, symulującego rozkład widmowy
iluminantu D65

Na rysunkac

zególnych wskaźników oddawania barw określonego

źródła światła i promieniowania emitowanego podczas
symulowania tego źródła przez STS.

Rysunki 8, 11, 14 oraz 19 przed

ktu chromatyczności źródła poddawanego symulacji i

zmierzonego promieniowania emitowanego przez STS.

10

0

10

0

10

0

10

0

10

0

10

0

10

0

10

0

10

0

10

0

10

0

10

0

10

0

10

0

10

0

99

98

98

99

99

98

99

99

93

97

98

97

98

99

99

R1

R2

R3

R4

R5

R6

R7

R8

R9

R10 R11 R12 R13 R14

Ra

iluminant D65,

promieniowanie emitowane przez STS

Rys. 7. Zestawienie szczególnych wskaźników oddawania barw

S,

iluminantem D65 i promieniowania emitowanego przez źródło ST
które symuluje promieniowanie Iluminantu D65

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - KONFERENCJE, ISSN 1731-6106, R. 5 NR 1/2007

18

u'; v' =

0,1969; 0,4738

0,40

0,42

0,44

0,46

0,48

0,50

0,52

0,54

0,56

0,58

0,60

0,16 0,18 0,20 0,22 0,24 0,26 0,28 0,30 0,32 0,34 0,36

u'

v'

zmierzone promieniowanie
emitowane przez STS,

iluminant D65

3000 K

5000 K

10000 K

20000 K

2000 K

570

585

590

580

575

4000 K

6000 K

2500 K

Rys. 8. Współrzędne punktu chromatyczności iluminantu D65 i
źródła STS, symulującego iluminant D65

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

380

430

480

530

580

630

680

730

780

λ

[nm]

Wa

rto

ści

w

zg

lę

dn

e

promieniowanie emitowane przez STS,

lampa HMI

Rys. 9. Wynik pomiaru promieniowania emitowanego przez STS,
symulującego rozkład widmowy lampy HMI

92

95

84

87

92

91

91

88

81

87

85

90

92

90

90

86

97

84

80

88

96

89

81

63

96

78

94

90

90

88

R1

R2

R3

R4

R5

R6

R7

R8

R9

R10 R11 R12 R13 R14

Ra

lampa HMI,

promieniowanie emitowane przez STS

Rys. 10. Zestawienie szczególnych wskaźników oddawania barw
lampy HMI, i promieniowania emitowanego przez źródło STS
symulujące promieniowanie emitowane przez lampę HMI

u'; v' =

0,2103; 0,4803

0,40

0,42

0,44

0,46

0,48

0,50

0,52

0,54

0,56

0,58

0,60

0,16 0,18 0,20 0,22 0,24 0,26 0,28 0,30 0,32 0,34 0,36

u'

v'

zmierzone promieniowanie
emitowane przez STS,

lampa HMI

3000 K

5000 K

10000 K

20000 K

2000 K

570

585

590

580

575

4000 K

6000 K

2500 K

Rys. 11. Współrzędne punktu chromatyczności lampy HMI i 40
kanałowego źródła STS

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

380

430

480

530

580

630

680

730

780

λ [nm]

War

to

ści

w

zgl

ę

dne

promieniowanie emitowane przez STS,
świetlówka Cool White 33

Rys. 12. Wynik pomiaru promieniowania emitowanego przez STS,
symulujące rozkład widmowy świetlówki Cool White 33

44

66

83

49

47

54

74

27

-1

24

21

35

34

48

89

56

30

62

89

36

36

50

68

6

-1

74

23

23

22

36

91

47

R1

R2

R3

R4

R5

R6

R7

R8

R9

R10 R11 R12 R13 R14

Ra

świetlówka Cool White 33,

promieniowanie emitowane przez STS

Rys. 13. Zestawienie szczególnych wskaźników oddawania barw
świetlówki Cool White 33 i promieniowania emitowanego przez
STS w rzeczywistości

u'; v' =

0,2092; 0,5285

0,40

0,42

0,44

0,46

0,48

0,50

0,52

0,54

0,56

0,58

0,60

0,16 0,18 0,20 0,22 0,24 0,26 0,28 0,30 0,32 0,34 0,36

u'

v'

zmierzone promieniowanie
emitowane przez STS,

świetlówka Cool White 33

3000 K

5000 K

10000 K

20000 K

2000 K

570

585

590

580

575

4000 K

6000 K

2500 K

Rys. 14. Współrzędne punktu chromatyczności promieniowania
emitowanego przez świetlówkę Cool White 33 i źródła STS,
symulującego promieniowanie świetlówki Cool White 33

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

380

430

480

530

580

630

680

730

780

λ [nm]

Wa

rt

o

ści

w

zgl

ędne

promieniowanie emitowane
przez STS,

monitor typu CRT emitujący
promieniowanie o barwie
zielonej

Rys. 15. Wynik pomiaru promieniowania emitowanego przez STS,
symulujące rozkład widmowy promieniowania monitora typu CRT,
emitującego promieniowanie o barwie zielonej

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - KONFERENCJE, ISSN 1731-6106, R. 5 NR 1/2007

19

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

380

430

480

530

580

630

680

730

780

λ

[nm]

Wa

rt

o

ści

w

zg

lę

d

ne

promieniowanie emitowane
przez STS,

monitor typu CRT emitujący
promieniowanie o barwie
niebieskiej

Rys. 16. Wynik pomiaru promieniowania emitowanego przez STS,
symulujące rozkład widmowy promieniowania monitora typu CRT,
emitującego promieniowanie o barwie niebieskiej

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

380

430

480

530

580

630

680

730

780

λ

[nm]

War

to

ści

w

zg

lę

dne

promieniowanie emitowane przez STS,

monitor typu CRT emitujący
promieniowanie o barwie białej

Rys. 17. Wynik pomiaru promieniowania emitowanego przez STS,
symulujące rozkład widmowy promieniowania monitora typu CRT,
emitującego promieniowanie barwy białej

84

99

76

78

89

98

84

69

32

89

77

87

90

84

85

69

94

75

64

77

92

80

60

10

95

60

90

77

83

76

R1

R2

R3

R4

R5

R6

R7

R8

R9

R10 R11 R12 R13 R14

Ra

monitor typu CRT emitujący promieniowanie o barwie białej,

promieniowanie emitowane przez STS

Rys. 18. Zestawienie szczególnych wskaźników oddawania barw
monitora typu CRT, emitującego promieniowanie o barwie białej, i
promieniowania emitowanego przez STS

u'; v' =

0,2047; 0,4794

0,40

0,42

0,44

0,46

0,48

0,50

0,52

0,54

0,56

0,58

0,60

0,16 0,18 0,20 0,22 0,24 0,26 0,28 0,30 0,32 0,34 0,36

u'

v'

zmierzone promieniowanie
emitowane przez STS,
monitor CRT biały

3000 K

5000 K

10000 K

20000 K

2000 K

570

585

590

580

575

4000 K

6000 K

2500 K

Rys. 19. Współrzędne punktu chromatyczności promieniowania o
barwie białej, emitowanego przez monitor typu CRT i źródło STS

Podsumowanie
W pracy zaprezentowano nowy typ źródła światła o
kształtowanej charakterystyce widmowej. Umożliwia ono
odtwarzanie różnego rodzaju rozkładów

widmowych

zarówno światła barwnego jak i białego.

Pracę wykonano w Politechnice Białostockiej w ramach
działalności statutowej S/WE/2/03

LITERATURA

[1] Fryc I. „Analysis of the spectral correction errors of illuminance

meter photometric head under the influence of the diffusing
element”, Optical Engineering, Vol. 40, nr 8/2001,1636-1640

[2] Fryc I., “Accuracy of spectral correction of a CCD array for

luminance distribution measurement”, Lightmetry’02:
Proceedings of SPIE, Vol.5064 (2003), 38-42,

[3] Fryc I., “Distribution of the spectral correction error on the

surface of a spectrally corrected CCD camera” 25th Session
of the CIE, (2003), D2-62 - D2-65,

[4] Fryc I, “Effect of measurement geometry on colorimetric head

spectral errors”, Proceedings of SPIE Vol. 4517, (2001), 242–
246,

[5] Fryc I., „Spectral Correction of Detector Used in Illuminance

Measurements”, Proceedings of SPIE Vol. 3820, 343 - 348,
Bellingham, Washington (1999)

[6] Kane R., Sell H.“Revolutions in lamps: A chronicle of 50 years of

progress”, New York, Prentice Hall, 2001

[7] Publikacja CIE 51.2-1999 „A method for assessing the quality of

daylight simulators for colorimetry

Autor

: dr inż. Irena Fryc, Politechnika Białostocka, Wydział

Elektryczny, Katedra Promieniowania Optycznego, ul. Wiejska 45a,
15-351Białystok, E-mail:

[e-mail]

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - KONFERENCJE, ISSN 1731-6106, R. 5 NR 1/2007

20