Kalibrované měření spektra, ozářenosti a světelného toku LED – od UV až po blízkou infračervenou oblast.

Měřicí technika pro LED – měření ozářenosti, spektra a světelného toku

V závislosti na měřicí úloze zaznamenávají měřiče LED ozářenost, spektrum, zářivý tok nebo světelný tok LED. Pro reprodukovatelné výsledky je nutné měřenou veličinu, spektrální rozsah, geometrii měření a kalibraci přizpůsobit dané aplikaci.

Opsytec nabízí kalibrovanou měřicí techniku pro UV, viditelné a NIR LED: spektroradiometr SR900, radiometry RMD Pro a RMD Touch s kalibrovanými radiometrickými senzory a zakázkové integrační koule. Charakterizují jednotlivé LED stejně jako LED moduly a LED systémy.

Volba měřicí metody závisí na fyzikální veličině. Pro ozářenost se používají kalibrované radiometry. Ke stanovení spektrálního rozložení LED je zapotřebí spektroradiometr. Celkový zářivý tok nebo světelný tok se měří integrační koulí v kombinaci se spektroradiometrem.

Kromě měřené veličiny ovlivňují výsledek také spektrální rozsah, měřicí vzdálenost, úhel dopadu a kalibrace. Zejména u úzkopásmových UV LED musí spektrální citlivost senzoru odpovídat vlnové délce emise. Pro srovnatelné výsledky by měla být geometrie měření udržována konstantní a dohledatelně dokumentována.

Která veličina je potřebná, závisí na aplikaci. Tabulka přiřazuje každé veličině vhodný měřicí přístroj a typické aplikace:

Pro samotnou kontrolu procesu často postačí kalibrovaný radiometr. Úplná spektrální charakterizace vyžaduje spektroradiometr. Kdy je která metoda dostačující, porovnává článek Spektroradiometr, nebo širokopásmový radiometr.

Emisní spektrum LED popisuje spektrální rozložení vyzařovaného záření. Spektroradiometr z něj určuje špičkovou vlnovou délku, spektrální šířku pásma a spektrální ozářenost.

Spektroradiometr SR900 měří optické záření v rozsahu 200 až 1100 nm, a je proto vhodný pro UV LED, viditelné LED a mnoho zdrojů NIR záření. Spektrální měření hodnotí LED mnohem přesněji než širokopásmový senzor, pokud se mění vlnová délka emise nebo je přítomno více spektrálních složek. Spektrální změny, posuny špičkové vlnové délky a rozdíly mezi šaržemi LED jsou přímo viditelné.

U viditelných LED vypočítává software SRpro ze spektra také fotometrické a kolorimetrické veličiny, jako je chromatičnost, dominantní vlnová délka a náhradní teplota chromatičnosti.

Typické aplikace jsou:

• Vývoj LED a LED modulů
• Kontrola kvality
• Vstupní kontrola
• Studie stárnutí
• Teplotní zkoušky
• Charakterizace UV LED
• Měření barvy
• Osvětlení rostlin
• Fotobiologické studie

Ozářenost popisuje optický zářivý výkon dopadající na plochu a udává se ve W/m² nebo mW/cm². V mnoha průmyslových aplikacích je rozhodující právě tato absolutní veličina – nikoli celé spektrum.

To platí například pro UV vytvrzování, UV lepení, osvit, dezinfekci a fotochemické procesy. Pro měření během procesu a opakovaná kontrolní měření se používají radiometry RMD Pro a RMD Touch se spektrálně vhodnými senzory; oba měří ozářenost a dávku na dvou vstupech pro senzory. Pro reprodukovatelné výsledky musí zůstat měřicí vzdálenost, úhel dopadu a poloha senzoru konstantní.

Radiometrické senzory jsou k dispozici v sedmi spektrálních rozsazích: UVC (200–280 nm), UVB (280–315 nm), UVA (315–400 nm), UVA+ (330–455 nm), UVBB (230–400 nm), VISB (400–480 nm) a LUX (380–780 nm, váženo funkcí V(λ)). Kalibrované měřicí hlavy umožňují reprodukovatelná měření v laboratoři i ve výrobním prostředí.

LED mají často výraznou prostorovou vyzařovací charakteristiku. Měření v jediném směru proto nezachytí celkový vyzařovaný optický výkon úplně.

Integrační koule zachycuje celkový optický tok LED. U viditelných LED se udává jako světelný tok v lumenech; u UV a NIR LED je rozhodující veličinou zářivý tok ve wattech. V kombinaci se spektroradiometrem měří koule úhlově integrovaně, a tedy nezávisle na vyzařovací charakteristice – lze tak porovnávat i LED se silně směrovým nebo složitým prostorovým vyzařováním.

Pro tento účel lze SR900 kombinovat s integračními koulemi Opsytec. Jak u LED a displejů souvisí světelný tok, jas a chromatičnost, podrobněji vysvětluje stránka Světelná technika, LED a technologie displejů.

U UV LED musí spektrální rozsah senzoru odpovídat skutečné emisi. V krátkovlnné oblasti může výsledek znatelně zkreslit spektrální nepřizpůsobení širokopásmového radiometru, v přechodu mezi UVA a viditelným světlem pak hrana filtru senzoru.

UVA LED běžné v průmyslu vyzařují na 365, 385, 395 a 405 nm s šířkou v polovině maxima přibližně 10 až 16 nm. Senzor UVA končí na 400 nm. V naměřených spektrech ze spektrální databáze Opsytec leží přibližně 95 % zářivého výkonu LED 385 nm pod 400 nm, u LED 395 nm jen asi 70 % a u LED 405 nm necelých 30 %. I malé posuny špičkové vlnové délky způsobené teplotou nebo proudem pak naměřenou hodnotu výrazně mění. Opsytec proto pro UV LED od 365 do 405 nm doporučuje senzor UVA+ s rozsahem 330–455 nm, protože zachytí celou emisi.

Alternativně SR900 hodnotí LED spektrálně od 200 nm, nezávisle na charakteristice filtru. To je výhodné zejména při zkoumání šarží LED, efektů stárnutí nebo teplotně podmíněných posunů vlnové délky. Pro výrobní a kontrolní měření jsou k dispozici kalibrované senzory UVC, UVB, UVA a UVA+.

Má-li se zářivý tok UV LED měřit v integrační kouli, určuje povlak vlnová délka: pod 300 nm klesá odrazivost síranu barnatého a PTFE je tam jediným povlakem s použitelnou odrazivostí. Technologii, účinnost a životnost UV LED popisuje článek UV LED pro UVA, UVB a UVC.

U viditelných LED jsou kromě radiometrických veličin často zajímavé také fotometrické a kolorimetrické parametry.

V závislosti na uspořádání měření určuje spektrální měření mimo jiné trichromatické souřadnice, teplotu chromatičnosti a fotometrické veličiny. Také fotobiologické hodnocení, například nebezpečí modrého světla podle EN 62471, vychází z naměřeného spektra – více v části Bezpečnost práce a fotobiologická bezpečnost. Pro osvětlenost bílých LED často postačí luxmetr se senzorem váženým funkcí V(λ).

V kombinaci s integrační koulí lze zachytit celkový světelný výkon LED, LED modulu nebo kompaktního svítidla.

Kolik světla vyrobí světelný zdroj z jednoho wattu elektrického příkonu, uvádí katalogový list jako měrný světelný výkon v lm/W. Srovnání používá typické katalogové hodnoty halogenové žárovky, zářivky a LED žárovky při stejném elektrickém příkonu; hodnoty lze přepsat. Z naměřených spekter ze spektrální databáze Opsytec vyplývá chromatičnost, náhradní teplota chromatičnosti, index podání barev R_a a podíl elektrického příkonu vyzářený jako viditelné záření. Výběr obsahuje také referenční spektra typických zářivek a LED podle CIE 015:2018. Pro každý typ světelného zdroje je uveden jeho stav podle směrnice RoHS.

V závislosti na veličině a aplikaci se používají různé měřicí systémy: SR900 pro spektrum, špičkovou vlnovou délku, spektrální ozářenost a kolorimetrické veličiny; RMD Pro a RMD Touch pro ozářenost a dávku v procesu, v laboratoři a při zajišťování kvality; radiometrické senzory pro příslušný spektrální rozsah; a integrační koule pro světelný tok a zářivý tok viditelných, UV a NIR LED.

Měřicí úlohy u LED sahají od jednoduchých kontrol intenzity až po úplnou spektrální a prostorově integrovanou charakterizaci. Kombinací radiometru, spektroradiometru, světlovodu, měřicí hlavy a integrační koule se měřicí systém přizpůsobí konkrétní LED, geometrii a měřené veličině.

Měřicí systémy jsou kalibrovány pro definované spektrální rozsahy s metrologickou návazností na PTB; kalibraci akreditovanou DAkkS provádí kalibrační laboratoř Opsytec. Metrologicky navázané kalibrace a dokumentované podmínky měření jsou základem srovnatelných výsledků ve vývoji, zajišťování kvality a průmyslovém řízení procesů.

Který měřicí přístroj je vhodný pro jaké měření LED?
Pro ozářenost v měřicí rovině, například při UV vytvrzování nebo dezinfekci, postačí kalibrovaný radiometr, jako je RMD Pro nebo RMD Touch, se senzorem pro příslušný spektrální rozsah. Spektrum, špičková vlnová délka, dominantní vlnová délka, chromatičnost a teplota chromatičnosti vyžadují spektroradiometr, jako je SR900. Celkový světelný tok nebo zářivý tok LED měří SR900 v kombinaci s integrační koulí, protože teprve koule zachytí záření ze všech směrů vyzařování.

Lze LED měřit luxmetrem?
Ano, pokud je požadována osvětlenost a LED vyzařuje bílé nebo širokopásmové světlo. Luxmetr váží světlo senzorem, jehož citlivost je přizpůsobena křivce spektrální světelné účinnosti V(λ). U barevných úzkopásmových LED se každá odchylka mezi senzorem a V(λ) na vlnové délce emise projeví v plné míře na naměřené hodnotě; tam je přesnější spektrální měření pomocí SR900. Pro UV LED je luxmetr nevhodný, protože V(λ) je pod 380 nm nulová; UV záření se měří radiometrem nebo spektroradiometrem. Luxmetr neměří světelný tok v lumenech – k tomu je zapotřebí integrační koule.

Jaký spektrální rozsah je vhodný pro UV LED s vlnovou délkou 365 až 405 nm?
Pro UV LED doporučuje Opsytec rozsah UVA+ 330–455 nm. Klasický senzor UVA končí na 400 nm; LED s vlnovou délkou 395 nebo 405 nm se pak částí své emise nachází na okraji filtru a malé posuny špičkové vlnové délky způsobené teplotou nebo proudem výrazně ovlivňují naměřenou hodnotu. Rozsah UVA+ zachytí celou emisi LED a měření je vůči takovým posunům necitlivé.

Jak se měří výkon LED?
U LED je třeba rozlišovat elektrický a optický výkon. Elektrický výkon je součinem proudu a napětí. Optický výkon se měří jako zářivý tok ve wattech a u viditelných LED navíc jako světelný tok v lumenech – pomocí integrační koule, která zachytí záření ze všech směrů vyzařování. Poměr zářivého toku k elektrickému výkonu je účinnost LED. Kolik světla vyrobí různé světelné zdroje z jednoho wattu elektrického příkonu, ukazuje srovnání světelných zdrojů na této stránce.

Proč je kalibrace měřiče LED důležitá?
Kalibrace stanovuje vztah mezi signálem senzoru a fyzikální veličinou. U LED musí spektrálně odpovídat zdroji, protože úzkopásmová emise citlivě reaguje na odchylky spektrální citlivosti senzoru. Opsytec kalibruje s metrologickou návazností na PTB a na přání v kalibrační laboratoři akreditované podle ISO/IEC 17025.

Výběr vhodného měřicího systému LED závisí na měřené veličině, rozsahu vlnových délek, geometrii měření a požadované nejistotě měření. Na tomto základě pro Vás sestavíme vhodnou kombinaci radiometru, spektroradiometru, senzoru a integrační koule. Popište nám Vaši měřicí úlohu – jednotlivá LED, modul nebo svítidlo, hledaná veličina a místo použití.

Poptat vhodný měřič LED

Dr.-Ing. Mark Paravia je jednatelem společnosti Opsytec Dr. Gröbel GmbH v Ettlingenu a vede akreditovanou kalibrační laboratoř. Po svém výzkumu pulzních xenonových excimerových výbojů na Institutu osvětlovací techniky KIT se dnes zaměřuje na měření optického záření. Je místopředsedou normalizační komise DIN FNL 7 „Optické záření" a členem projektové skupiny DVGW pro UV dezinfekci.