Measurements of temporally modulated LED light sources

Abstract

LED-based light sources have become the de facto light source type in recent years due to having superior energy efficiency when compared to traditional incandescent light sources, along with regulations made worldwide banning the sales of incandescent, fluorescent, compact fluorescent and mercury based light sources to consumers. This shift in lighting technology has created challenges in optical metrology, especially as the LED sources have different temporal modulation characteristics to incandescent light sources.

Temporal Light Modulation (TLM) is the variation in illumination over time, which can cause different ill effects on human health under the illumination of these sources, ranging from annoyance to even epileptic seizures. The LED differs from incandescent sources in temporal behaviour as the diodes only work on direct current (DC), while incandescent light sources use the alternating current (AC) coming from the electric source, such as electrical outlet at homes. The electronics needed to the AC-DC conversion affects the temporal behaviour of the LED lights, resulting in various temporal light outputs.

In this thesis, advancements in the measurements of temporally modulated lights are demonstrated. First, a novel set of Temporal Light Artefact (TLA) software was created to calculate the metrics of temporally modulated light more accurately than previously available methods. Secondly, a hyperspectral camera-based measurement method was tested to enable the measurement of more complex LED arrangements, including multiple sources, and measurement of TLA from different parts of spectrum. Finally, the Ecodesign regulation in the European Union, which sets limits for TLA parameters in consumer-grade LED light sources, was addressed by measuring LED lamps that were manufactured both before and after the regulation was implemented. It was found that the regulation was considered by the manufacturers, and lamp types with lower TLA values were adopted, thereby minimizing the risk of adverse effects to humans.

LED-pohjaisista valonlähteistä on tullut vakiintunut valonlähdetyyppi viime vuosina, koska ne ovat energiatehokkaampia verrattuna perinteisiin hehkulamppuihin ja koska hehkulamppujen, sekä pienikokoisten energiansäästölamppujen ja elohopeaa sisältävien lamppujen myynti kuluttajille on kielletty maailmanlaajuisesti. Tämä valaistusteknologian muutos on aiheuttanut haasteita optisessa mittaustekniikassa, erityisesti koska LED-valonlähteillä on erilaiset aikamodulaatio-ominaisuudet verrattuna hehkulamppuihin.

Valon aikamodulaatio tarkoittaa valaistusvoimakkuuden vaihtelua ajan suhteen, mikä voi aiheuttaa erilaisia haittavaikutuksia niiden ihmisten terveydelle, jotka oleskelevat tällaisten valonlähteiden vaikutuspiirissä. Nämä haittavaikutukset voivat aiheuttaa oireita ärsytyksestä jopa epileptisiin kohtauksiin. LED-valot eroavat hehkulampuista aikamodulaationsa suhteen, sillä diodit toimivat ainoastaan tasavirralla (DC), kun taas hehkulamput käyttävät vaihtovirtaa (AC), jota tulee esimerkiksi kodin pistorasiasta. Tarvittava elektroniikka vaihtovirran muuntamiseen tasavirraksi vaikuttaa LED-valojen ajalliseen käyttäytymiseen ja aiheuttaa erilaisia valon aikamodulaatioita.

Tässä väitöskirjassa kehitetään ajallisesti moduloitujen valonlähteiden mittauksia. Aluksi kehitettiin uusi ohjelmistokokonaisuus aikamoduloidun valon suureiden (Temporal Light Artefact, TLA) laskemiseen, jonka avulla mittausten tarkkuutta pystyttiin parantamaan aiempiin menetelmiin verrattuna. Seuraavaksi testattiin hyperspektrikameraan perustuvaa mittausmenetelmää, jonka avulla pyrittiin mahdollistamaan monimutkaisempien, useita LED-valonlähteitä sisältävien järjestelmien mittaaminen, sekä mahdollistaa TLAmittaukset eri kohdista valon spektriä. Lopuksi tutkittiin Euroopan unionin Ecodesign-asetuksen vaikutusta, jossa määritettiin rajoja kuluttajaluokan LED-valonlähteiden TLA-arvoille. Mittaamalla ennen ja jälkeen asetuksen voimaantuloa valmistettuja LED-lamppuja havaittiin, että valmistuksessa oli otettu huomioon asetuksen rajat ja siirrytty lampputyyppeihin, joissa TLA-arvot ovat alhaisemmat, mikä vähentää haitallisten vaikutusten riskiä ihmisille.