Показываем лабораторию светодиодной светотехники. Рассказываем, как она устроена и чем в ней занимаются студенты, а также даем обзор стационарного и мобильного оборудования.
Кстати, часть наших обзоров мы уже адаптировали для англоязычной версии Хабра:
В завершающей части обзора — приводим краткий рассказ о еще одной локации и соответствующем оборудовании — лаборатории СВЧ оптоэлектроники и оптических телекоммуникаций.
На фото: заведующий лабораторией Щеглов Сергей Александрович
В центре внимания лаборатории находятся научные проекты, связанные с высокоскоростной передачей данных по видимому свету, изучением свойств и определением характеристик полупроводниковых излучающих приборов, моделированием излучающих систем и их верификацией.
Здесь занимаются студенты, обучающиеся по программе бакалавриата «Лазерная фотоника и оптоэлектроника» и магистратуры «Светодиодные технологии и оптоэлектроника».
Лаборатория разделена на две части: учебную и научно-исследовательскую. В первой, студенты проводят лабораторные работы. Во второй — ведутся исследования и НИР на более сложном оборудовании. Их выполняют наиболее активные с научной точки зрения студенты и аспиранты.
Часть работ в рамках больших научных проектов также проводится здесь.
В целом помещение научно-исследовательской лаборатории рассчитано на три–четыре рабочих места — с компьютерами и стендами для проведения измерений и сборки оптических схем.
Что касается оборудования, то есть как стационарные установки, которые нельзя переносить, так и мобильные приборы — их мы покажем чуть позже. На фото ниже изображен гониофотометр «Флакс».
На фото: гониофотометр «Флакс»
Это — инструмент для контроля пространственного излучения светотехнических характеристик как маленьких светодиодов, так и уличных светильников. Гониофотометр расположен в специальной темной комнате, которая представляет собой сборно-разборную конструкцию. Комната позволяет измерять свойства оптических и осветительных систем без посторонних «засветок».
В состав гониофотометра входит гониометр, прибор для высокоточного измерения углов, а также фотоприемник, регистрирующий показания силы света. Работает система следующим образом:
В лаборатории есть переносные приборы, с помощью которых сотрудники могут проводить измерения «в поле»: исследовать световую среду помещений и городских пространств.
Устройство, которое упоминает Сергей, изображено на фотографиях ниже. Оно позволяет оценить различные спектральные характеристики: координаты цветности, качество цвета, коэффициент пропускания. Для гаджета предусмотрено специальное мобильное приложение.
На фото: компактный спектрометр UPRtek MK350S
На фото: компактный спектрометр UPRtek MK350S
Переносной спектрометр хранится в специальном чемоданчике. В свое время студенты проводили параллели с программой «Ревизорро» — там ведущая тоже достает кейс и надевает печатки перед проверкой. Еще один прибор, у которого есть собственный чемоданчик, — это яркомер. Он чем-то напоминает ручной радар, который используют сотрудники ГИБДД. Как следует из названия устройства, оно нужно для замеров яркости («слепит/не слепит»).
На фото: яркомер LS-110
Для работы над проектом «Ленсвета» лаборатория также приобрела немецкий прибор компании TechnoTeam. На первый взгляд, это просто фотоаппарат Canon, но на самом деле — система для оценки распределения яркости. Она откалибрована и имеет свой серийный номер.
Прибор оцифровывает фотографию по яркости и генерирует массив данных для обработки. Им снимали тротуар и дорожное полотно, чтобы определить, нет ли в поле зрения водителя каких-то объектов, которые слепят, мешают управлять автомобилем. Такой подход значительно ускорил рабочий процесс — с обычным яркомером пришлось бы делать не одну сотню замеров, так как у него очень маленькая центральная зона измерений.
На фото: яркомер LS-110
Еще один переносной прибор лаборатории — измеритель мощности. С его помощью можно оценить электрические параметры источников света: текущее напряжение, ток, коэффициент мощности, полную мощность, частоту сети и время работы.
На фото: измеритель электрической мощности
Еще один небольшой приборчик в арсенале лаборатории — тепловизионная камера, подключаемая к компьютеру. Она показывает распределение температур для светильников или других полупроводниковых источников: где они греются сильно, а где — слабо.
На фото: спектрометр со встроенной измерительной сферой
На фото: спектрометр со встроенной измерительной сферой
Есть еще один интересный инструмент — спектрометр со встроенной измерительной сферой. Он позволяет оценить характеристики LED прямо в составе светильника или светодиодного модуля, не отпаивая полупроводниковые приборы. Он также удобен во время экспериментов.
Если вы делали расчет, должны были получить один общий световой поток от модуля, но получили другой, то с помощью спектрометра можно проверить отдельные светодиоды и понять, что пошло не так. Либо поставили не те LED, либо они не так работают.
В учебной лаборатории есть интересный набор световых фильтров. Студенты замеряют коэффициент пропускания, а потом пытаются сделать какой-либо цвет, складывая две–три стекляшки. Это такая творческая работа по получению различных оттенков.
На фото: световые фильтры
На фото ниже — гониометр. Студенты исследуют прохождение видимого излучения от лампы через узкую щель и треугольную призму. После настройки прибора они получат линейчатый спектр и разложение от синего до красного цвета.
На фото: гониометр, прибор для угловых измерений
Все приборы простые и надежные — сломать или испортить их довольно сложно.
Далее на фото — комплекс на основе интегрирующей сферы со специальным белым покрытием. Сфера нужна для оценки параметров небольших ламп и светодиодов, которые можно разместить внутри. На гониометре этот процесс занимает длительное время, а здесь — мгновенно: включили, провели замеры, получили результат.
Для студентов мы ввели дисциплину проектная деятельность. В её рамках они должны разработать какое-либо конечное устройство, прибор или установку, пройдя все этапы: от формирования задания на разработку до его реализации.
Ребята проявляют творческий подход — например, один студент изготовил световой меч (на фото выше). Он издает звуки, играет «Имперский марш» и мигает при соприкосновении с другими предметами. Еще проект — световое табло-светофор. Обычно светодиоды имеют свою разводку к некоему управляющему элементу. Но студенты нашли интересную светодиодную ленту, в которой каждый LED имеет свой контроллер, и подключили ее к плате Arduino. Сигнал переходит от одного светодиода к другому и включает их в зависимости от прописанной логики.
В лаборатории изучают взаимодействие оптического излучения и СВЧ-сигналов в условиях приема, передачи и обработки информации. Здесь работают три магистранта и семь аспирантов, но иногда приходят новые ребята, в том числе бакалавры. Все они проводят эксперименты, связанные со своими НИР — кто по лазерам, кто по фотоприемникам, кто по светодиодам.
В стенах лаборатории реализуют и межинституциональные проекты. Мы работаем с коллегами из Физтеха и Политеха, а также с предприятиями ОКБ «Планета» и «Коннектор Оптикс». Это важный аспект для развития науки: мы помогаем проводить исследования им, а они — нам.
На фото: слева — зондовая станция, справа — векторный анализатор цепей
Что касается оборудования лаборатории, то здесь есть приборы, которые позволяют измерить параметры кристаллов лазеров и фотоприемников, работающих в частотном диапазоне до 40 ГГц.
На фото: векторный анализатор цепей
Рядом с зондовой станцией расположен векторный анализатор цепей, который является генератором и приемником высокочастотного сигнала. Инструмент измеряет амплитудно-частотную характеристику пассивных СВЧ-устройств или оптоэлектронных приборов. Анализатор показывает отклик на сигнал с произвольной амплитудой на любой частоте из диапазона измерения.
На фото: анализатор оптического спектра
Еще в лаборатории имеется измеритель импеданса. Его применяют для исследования таких характеристик приборов и пассивных компонентов, как сопротивление, емкость и индуктивность. Измеряет с точностью до сотых долей пикофарада и микроомов.
У нас есть система для измерения вольтамперных характеристик. Она не имеет интерфейса и присоединяется к компьютеру. Но, поместив кристалл на зондовую станцию и подключившись к соответствующим клеммам, мы можем снять статические характеристики полупроводниковых приборов, то есть зависимости тока от напряжения. На их основе уже определяют рабочий режим и предельно допустимые значения токов и напряжения.
В лабораториях ведут разработки в области так называемого Li-Fi — это система, которая передает данные с помощью света (почти как азбука Морзе). К светильнику подключают устройство, которое заставляет его мигать с очень высокой частотой, невидимой глазу. Этим мерцанием кодируют необходимую информацию. Один из вариантов реализации — так называемый 2D-код (двумерный штрихкод), который можно считать камерой смартфона.
Потенциальной сферой применения технологии могут стать музеи. Над каждой картиной можно повесить светильник, который будет одновременно освещать произведение искусства и транслировать 2D-код. Посетителю достаточно открыть специальное приложение, которое распознает сигнал и перенаправит на ресурс с дополнительной информацией о картине. Подобный проект реализовал Panasonic в Государственном музее изобразительных искусств им. А.С. Пушкина.
Еще кейс — навигация. Светильники смогут передавать точные координаты в помещении, например, торговом центре, и отмечать место на карте.
Подобные работы проводятся в рамках практико-ориентированных НИОКТР — это комплексные исследования, связанные с программированием и обработкой сигналов. В партнерстве с компанией «О2 Световые системы» специалисты Университета ИТМО представили прототипы клиентского и ведущего модулей для работы в сети Li-Fi. Технологию планируют применять в тех областях, где Wi-Fi оказывается бессилен — в самолетах или на подводных объектах.
Другие наши фотоэкскурсии на Хабре:
Наши мероприятия: ближайшие мастер-классы, воркшопы, лекции и конкурсы.
Кстати, часть наших обзоров мы уже адаптировали для англоязычной версии Хабра:
- A tour of the Museum of Optics at ITMO University
- Lab tour: Functional Materials and Devices of Optoelectronics at ITMO University
В завершающей части обзора — приводим краткий рассказ о еще одной локации и соответствующем оборудовании — лаборатории СВЧ оптоэлектроники и оптических телекоммуникаций.
На фото: заведующий лабораторией Щеглов Сергей Александрович
Научно-исследовательская часть
В центре внимания лаборатории находятся научные проекты, связанные с высокоскоростной передачей данных по видимому свету, изучением свойств и определением характеристик полупроводниковых излучающих приборов, моделированием излучающих систем и их верификацией.
Здесь занимаются студенты, обучающиеся по программе бакалавриата «Лазерная фотоника и оптоэлектроника» и магистратуры «Светодиодные технологии и оптоэлектроника».
«Я помогаю вести дисциплины «Современные тенденции развития оптоэлектроники», «Колориметрия светодиодного излучения», «Источники и приёмники», «Проектная деятельность». Провожу часть лекций и практических занятий: лабораторные работы, преддипломные практики и выступаю консультантом во время НИР, бакалаврских и магистерских диссертаций (ВКР)», — рассказывает заведующий лабораторией Сергей Щеглов.
Лаборатория разделена на две части: учебную и научно-исследовательскую. В первой, студенты проводят лабораторные работы. Во второй — ведутся исследования и НИР на более сложном оборудовании. Их выполняют наиболее активные с научной точки зрения студенты и аспиранты.
Часть работ в рамках больших научных проектов также проводится здесь.
В целом помещение научно-исследовательской лаборатории рассчитано на три–четыре рабочих места — с компьютерами и стендами для проведения измерений и сборки оптических схем.
Что касается оборудования, то есть как стационарные установки, которые нельзя переносить, так и мобильные приборы — их мы покажем чуть позже. На фото ниже изображен гониофотометр «Флакс».
На фото: гониофотометр «Флакс»
Это — инструмент для контроля пространственного излучения светотехнических характеристик как маленьких светодиодов, так и уличных светильников. Гониофотометр расположен в специальной темной комнате, которая представляет собой сборно-разборную конструкцию. Комната позволяет измерять свойства оптических и осветительных систем без посторонних «засветок».
В состав гониофотометра входит гониометр, прибор для высокоточного измерения углов, а также фотоприемник, регистрирующий показания силы света. Работает система следующим образом:
- светодиод подключают к блоку питания и измеряют его пространственное распределение силы света, которое образует так называемое фотометрическое тело;
- фотоприемник соединен с контроллером, транслирующим данные на ноутбук со специальным программным обеспечением (ПО регистрирует сигнал при изменении углового положения);
- на основе полученных данных составляется 3D-модель источника света для светотехнического расчета помещений, например, в специальной программе DIALux.
Мобильная лаборатория
В лаборатории есть переносные приборы, с помощью которых сотрудники могут проводить измерения «в поле»: исследовать световую среду помещений и городских пространств.
«Мы как-то выезжали в «Лахта Центр» — большую строящуюся высотку. Поскольку это «Газпром», им было нужно, чтобы у остекления был «корпоративный» голубоватый оттенок. Но как только они остеклили фасад, у них на нижних этажах стала проглядывать «засветка» болотного цвета.
В «Газпроме» связались с нами, а мы попросили прислать образцы стекол на анализ. В ответ они сказали: «Мы не можем, это тройное стекло, внутри газ, а размер одного стекла — в два этажа». Поэтому я взял спектральный прибор, поехал на место и проводил измерения непосредственно в «Лахта Центре», — делится опытом Сергей Щеглов.
Устройство, которое упоминает Сергей, изображено на фотографиях ниже. Оно позволяет оценить различные спектральные характеристики: координаты цветности, качество цвета, коэффициент пропускания. Для гаджета предусмотрено специальное мобильное приложение.
На фото: компактный спектрометр UPRtek MK350S
На фото: компактный спектрометр UPRtek MK350S
Переносной спектрометр хранится в специальном чемоданчике. В свое время студенты проводили параллели с программой «Ревизорро» — там ведущая тоже достает кейс и надевает печатки перед проверкой. Еще один прибор, у которого есть собственный чемоданчик, — это яркомер. Он чем-то напоминает ручной радар, который используют сотрудники ГИБДД. Как следует из названия устройства, оно нужно для замеров яркости («слепит/не слепит»).
«У нас был совместный проект с компаний «Ленсвет». Мы исследовали качество освещения и световую среду Санкт-Петербурга. Дело в том, что особенно яркие уличные фонари могут мешать водителям различать сигналы светофора. Нашей задачей было выработать определенную методологию: где стоит размещать лампы и светофоры, какие параметры при этом критичны, а какие — нет», — объясняет Сергей Щеглов.
На фото: яркомер LS-110
Для работы над проектом «Ленсвета» лаборатория также приобрела немецкий прибор компании TechnoTeam. На первый взгляд, это просто фотоаппарат Canon, но на самом деле — система для оценки распределения яркости. Она откалибрована и имеет свой серийный номер.
Прибор оцифровывает фотографию по яркости и генерирует массив данных для обработки. Им снимали тротуар и дорожное полотно, чтобы определить, нет ли в поле зрения водителя каких-то объектов, которые слепят, мешают управлять автомобилем. Такой подход значительно ускорил рабочий процесс — с обычным яркомером пришлось бы делать не одну сотню замеров, так как у него очень маленькая центральная зона измерений.
На фото: яркомер LS-110
Еще один переносной прибор лаборатории — измеритель мощности. С его помощью можно оценить электрические параметры источников света: текущее напряжение, ток, коэффициент мощности, полную мощность, частоту сети и время работы.
На фото: измеритель электрической мощности
Еще один небольшой приборчик в арсенале лаборатории — тепловизионная камера, подключаемая к компьютеру. Она показывает распределение температур для светильников или других полупроводниковых источников: где они греются сильно, а где — слабо.
«Допустим, мы зажгли светильник, померили его электрические параметры. Он прогревается достаточно долго, в течение часа, только после этого можно делать замер. И вот мы смотрим, где у него самая горячая точка, какие у него критические температуры», — рассказывает Сергей.
На фото: спектрометр со встроенной измерительной сферой
На фото: спектрометр со встроенной измерительной сферой
Есть еще один интересный инструмент — спектрометр со встроенной измерительной сферой. Он позволяет оценить характеристики LED прямо в составе светильника или светодиодного модуля, не отпаивая полупроводниковые приборы. Он также удобен во время экспериментов.
Если вы делали расчет, должны были получить один общий световой поток от модуля, но получили другой, то с помощью спектрометра можно проверить отдельные светодиоды и понять, что пошло не так. Либо поставили не те LED, либо они не так работают.
Учебная лаборатория
В учебной лаборатории есть интересный набор световых фильтров. Студенты замеряют коэффициент пропускания, а потом пытаются сделать какой-либо цвет, складывая две–три стекляшки. Это такая творческая работа по получению различных оттенков.
На фото: световые фильтры
На фото ниже — гониометр. Студенты исследуют прохождение видимого излучения от лампы через узкую щель и треугольную призму. После настройки прибора они получат линейчатый спектр и разложение от синего до красного цвета.
На фото: гониометр, прибор для угловых измерений
Все приборы простые и надежные — сломать или испортить их довольно сложно.
Далее на фото — комплекс на основе интегрирующей сферы со специальным белым покрытием. Сфера нужна для оценки параметров небольших ламп и светодиодов, которые можно разместить внутри. На гониометре этот процесс занимает длительное время, а здесь — мгновенно: включили, провели замеры, получили результат.
Для студентов мы ввели дисциплину проектная деятельность. В её рамках они должны разработать какое-либо конечное устройство, прибор или установку, пройдя все этапы: от формирования задания на разработку до его реализации.
Ребята проявляют творческий подход — например, один студент изготовил световой меч (на фото выше). Он издает звуки, играет «Имперский марш» и мигает при соприкосновении с другими предметами. Еще проект — световое табло-светофор. Обычно светодиоды имеют свою разводку к некоему управляющему элементу. Но студенты нашли интересную светодиодную ленту, в которой каждый LED имеет свой контроллер, и подключили ее к плате Arduino. Сигнал переходит от одного светодиода к другому и включает их в зависимости от прописанной логики.
«Все это исключительно студенческие проекты, мы их курируем, даем наставления, но — от идеи до концепта — это работа учащихся. Мы обеспечиваем их деньгами на закупку материалов, но лучше, конечно, чтобы все делалось из подручных средств: «дешево и сердито». Над каждым проектом трудится несколько человек — кто-то занимается комплектующими, кто-то паяет, кто-то оформляет документацию. Это все делает второй курс бакалавриата», — объясняет Сергей.
СВЧ оптоэлектроника и оптические телекоммуникации
В лаборатории изучают взаимодействие оптического излучения и СВЧ-сигналов в условиях приема, передачи и обработки информации. Здесь работают три магистранта и семь аспирантов, но иногда приходят новые ребята, в том числе бакалавры. Все они проводят эксперименты, связанные со своими НИР — кто по лазерам, кто по фотоприемникам, кто по светодиодам.
В стенах лаборатории реализуют и межинституциональные проекты. Мы работаем с коллегами из Физтеха и Политеха, а также с предприятиями ОКБ «Планета» и «Коннектор Оптикс». Это важный аспект для развития науки: мы помогаем проводить исследования им, а они — нам.
На фото: слева — зондовая станция, справа — векторный анализатор цепей
Что касается оборудования лаборатории, то здесь есть приборы, которые позволяют измерить параметры кристаллов лазеров и фотоприемников, работающих в частотном диапазоне до 40 ГГц.
«Измерительное оборудование контролирует параметры на разных стадиях разработки полупроводникового прибора. Специальная зондовая станция дает возможность получить доступ к контактам размеров в несколько микрон. Шаг движения по подложке составляет два микрона — с такой точностью можно обеспечить электрический контакт полупроводникового прибора и измерительного оборудования», — рассказывает заведующая лабораторией Козырева Ольга.
На фото: векторный анализатор цепей
Рядом с зондовой станцией расположен векторный анализатор цепей, который является генератором и приемником высокочастотного сигнала. Инструмент измеряет амплитудно-частотную характеристику пассивных СВЧ-устройств или оптоэлектронных приборов. Анализатор показывает отклик на сигнал с произвольной амплитудой на любой частоте из диапазона измерения.
На фото: анализатор оптического спектра
«Также есть анализатор оптического спектра. Уникальный прибор с разрешением по длине волны меньше пикометра. Самое точное устройство в России. К слову, второе по точности устройство также находится у нас. Одно рассчитано на диапазон 1500–1600 нм, а второе — на диапазон в районе 1300 нм. Именно их используют современные телекоммуникационные системы», — объясняет Ольга Андреевна.
Еще в лаборатории имеется измеритель импеданса. Его применяют для исследования таких характеристик приборов и пассивных компонентов, как сопротивление, емкость и индуктивность. Измеряет с точностью до сотых долей пикофарада и микроомов.
У нас есть система для измерения вольтамперных характеристик. Она не имеет интерфейса и присоединяется к компьютеру. Но, поместив кристалл на зондовую станцию и подключившись к соответствующим клеммам, мы можем снять статические характеристики полупроводниковых приборов, то есть зависимости тока от напряжения. На их основе уже определяют рабочий режим и предельно допустимые значения токов и напряжения.
Светодиодная светотехника
В лабораториях ведут разработки в области так называемого Li-Fi — это система, которая передает данные с помощью света (почти как азбука Морзе). К светильнику подключают устройство, которое заставляет его мигать с очень высокой частотой, невидимой глазу. Этим мерцанием кодируют необходимую информацию. Один из вариантов реализации — так называемый 2D-код (двумерный штрихкод), который можно считать камерой смартфона.
Потенциальной сферой применения технологии могут стать музеи. Над каждой картиной можно повесить светильник, который будет одновременно освещать произведение искусства и транслировать 2D-код. Посетителю достаточно открыть специальное приложение, которое распознает сигнал и перенаправит на ресурс с дополнительной информацией о картине. Подобный проект реализовал Panasonic в Государственном музее изобразительных искусств им. А.С. Пушкина.
Еще кейс — навигация. Светильники смогут передавать точные координаты в помещении, например, торговом центре, и отмечать место на карте.
Подобные работы проводятся в рамках практико-ориентированных НИОКТР — это комплексные исследования, связанные с программированием и обработкой сигналов. В партнерстве с компанией «О2 Световые системы» специалисты Университета ИТМО представили прототипы клиентского и ведущего модулей для работы в сети Li-Fi. Технологию планируют применять в тех областях, где Wi-Fi оказывается бессилен — в самолетах или на подводных объектах.
Другие наши фотоэкскурсии на Хабре:
- Фаблаб: DIY-коворкинг для творческих людей — показываем, что внутри
- Что делают в лаборатории квантовых материалов Университета ИТМО
- Механизированные руки и манипуляторы в лаборатории робототехники
Наши мероприятия: ближайшие мастер-классы, воркшопы, лекции и конкурсы.
