Kalibreret måling af spektrum, irradians og lysstrøm fra LED'er – fra UV til nærinfrarødt.

LED-måleteknik – måling af irradians, spektrum og lysstrøm

Afhængigt af måleopgaven registrerer LED-målere irradiansen, spektret, strålingsfluxen eller lysstrømmen fra en LED. For at opnå reproducerbare resultater skal målestørrelse, spektralområde, målegeometri og kalibrering være tilpasset anvendelsen.

Opsytec tilbyder kalibreret LED-måleteknik til UV-, synlige og NIR-LED'er: spektroradiometeret SR900, radiometrene RMD Pro og RMD Touch med kalibrerede radiometersensorer samt kundetilpassede integrerende kugler. De karakteriserer både enkelte LED'er og LED-moduler og LED-systemer.

Valget af målemetode afhænger af den fysiske størrelse. Til irradians anvendes kalibrerede radiometre. For at bestemme en LED's spektrale fordeling kræves et spektroradiometer. Den samlede strålingsflux eller lysstrøm måles med en integrerende kugle i kombination med et spektroradiometer.

Ud over målestørrelsen påvirker også spektralområde, måleafstand, indfaldsvinkel og kalibrering resultatet. Især ved smalbåndede UV-LED'er skal sensorens spektrale følsomhed passe til emissionsbølgelængden. For at opnå sammenlignelige resultater bør målegeometrien holdes konstant og dokumenteres sporbart.

Hvilken størrelse der er brug for, afhænger af anvendelsen. Tabellen tildeler hver størrelse det passende måleinstrument og typiske anvendelser:

Til ren proceskontrol er et kalibreret radiometer ofte tilstrækkeligt. En fuldstændig spektral karakterisering kræver et spektroradiometer. Hvornår hvilken metode er tilstrækkelig, sammenlignes i artiklen Spektroradiometer eller bredbåndsradiometer.

En LED's emissionsspektrum beskriver den spektrale fordeling af den udsendte stråling. Et spektroradiometer bestemmer ud fra det topbølgelængde, spektral båndbredde og spektral irradians.

Spektroradiometeret SR900 måler optisk stråling fra 200 til 1100 nm og er derfor velegnet til UV-LED'er, synlige LED'er og mange NIR-lyskilder. Den spektrale måling vurderer en LED langt mere præcist end en bredbåndssensor, når emissionsbølgelængden ændrer sig, eller når der er flere spektrale komponenter. Spektrale ændringer, forskydninger af topbølgelængden og forskelle mellem LED-batcher bliver direkte synlige.

For synlige LED'er beregner softwaren SRpro desuden fotometriske og kolorimetriske størrelser ud fra spektret, såsom farvekoordinater, dominerende bølgelængde og korreleret farvetemperatur.

Typiske anvendelser er:

• Udvikling af LED'er og LED-moduler
• Kvalitetskontrol
• Modtagekontrol
• Ældningsundersøgelser
• Temperaturtest
• Karakterisering af UV-LED'er
• Farvemåling
• Plantebelysning
• Fotobiologiske undersøgelser

Irradiansen beskriver den optiske strålingseffekt, der rammer en flade, og angives i W/m² eller mW/cm². I mange industrielle anvendelser er det denne absolutte størrelse – ikke hele spektret – der er afgørende.

Det gælder for eksempel UV-hærdning, UV-limning, eksponering, desinfektion og fotokemiske processer. Til procesintegrerede og tilbagevendende kontrolmålinger anvendes radiometrene RMD Pro og RMD Touch med spektralt egnede sensorer; begge måler irradians og dosis på to sensorindgange. For at opnå reproducerbare resultater skal måleafstand, indfaldsvinkel og sensorposition forblive konstante.

Radiometersensorerne fås i syv spektralområder: UVC (200–280 nm), UVB (280–315 nm), UVA (315–400 nm), UVA+ (330–455 nm), UVBB (230–400 nm), VISB (400–480 nm) og LUX (380–780 nm, V(λ)-vægtet). Kalibrerede målehoveder muliggør reproducerbare målinger i laboratoriet og i produktionsmiljøer.

LED'er har ofte en udpræget rumlig strålingskarakteristik. En måling i en enkelt retning indfanger derfor ikke fuldt ud den samlede udsendte optiske effekt.

En integrerende kugle opfanger den samlede optiske flux fra en LED. For synlige LED'er angives den som lysstrøm i lumen; for UV- og NIR-LED'er er strålingsfluxen i watt den relevante størrelse. I kombination med et spektroradiometer måler kuglen vinkelintegreret og dermed uafhængigt af strålingskarakteristikken – så selv LED'er med stærkt retningsbestemt eller kompleks rumlig emission kan sammenlignes.

Til dette formål kan SR900 kombineres med integrerende kugler fra Opsytec. Hvordan lysstrøm, luminans og farvekoordinater hænger sammen for LED'er og displays, forklares mere indgående på siden Belysningsteknik, LED- & displayteknik.

Ved UV-LED'er skal sensorens spektralområde passe til den faktiske emission. I det kortbølgede område kan en bredbåndsradiometers spektrale mismatch mærkbart forvrænge resultatet; i overgangen mellem UVA og synligt lys kan sensorens filterkant gøre det.

De UVA-LED'er, der er almindelige i industrien, emitterer ved 365, 385, 395 og 405 nm med en halvværdibredde på ca. 10 til 16 nm. UVA-sensoren slutter ved 400 nm. I målte spektre fra Opsytecs spektraldatabase ligger ca. 95 % af strålingseffekten fra en 385 nm-LED under 400 nm, for en 395 nm-LED kun ca. 70 % og for en 405 nm-LED knap 30 %. Selv små forskydninger af topbølgelængden som følge af temperatur eller strøm ændrer da måleværdien betydeligt. Opsytec anbefaler derfor UVA+-sensoren med 330–455 nm til UV-LED'er fra 365 til 405 nm, da den indfanger hele emissionen.

Alternativt vurderer SR900 LED'en spektralt fra 200 nm, uafhængigt af en filterkarakteristik. Det er særligt fordelagtigt, når LED-batcher, ældningseffekter eller temperaturbetingede bølgelængdeforskydninger undersøges. Til produktions- og kontrolmålinger fås kalibrerede UVC-, UVB-, UVA- og UVA+-sensorer.

Skal strålingsfluxen fra UV-LED'er måles i en integrerende kugle, bestemmer bølgelængden belægningen: under 300 nm falder bariumsulfats reflektans, og PTFE er der den eneste belægning med en brugbar reflektans. Teknologi, virkningsgrad og levetid for UV-LED'er er beskrevet i artiklen UV-LED'er til UVA, UVB og UVC.

Ved synlige LED'er er der ud over radiometriske størrelser ofte også interesse for fotometriske og kolorimetriske parametre.

Afhængigt af måleopstillingen bestemmer den spektrale måling bl.a. farvekoordinater, farvetemperatur og fotometriske størrelser. Også den fotobiologiske vurdering, f.eks. af blålysfaren iht. EN 62471, bygger på det målte spektrum – mere herom under Arbejdssikkerhed og fotobiologisk sikkerhed. Til belysningsstyrken fra hvide LED'er er et luxmeter med V(λ)-vægtet sensor ofte tilstrækkeligt.

I kombination med en integrerende kugle kan den samlede lysudsendelse fra en LED, et LED-modul eller et kompakt armatur registreres.

Hvor meget lys en lampe producerer pr. watt elektrisk effekt, angives i databladet som lysudbytte i lm/W. Sammenligningen bruger typiske databladsværdier for en halogenpære, et lysstofrør og en LED-pære ved samme elektriske effekt; værdierne kan overskrives. Ud fra de målte spektre fra Opsytecs spektraldatabase beregnes farvekoordinater, korreleret farvetemperatur, farvegengivelsesindeks R_a og den andel af den elektriske effekt, der udsendes som synlig stråling. Udvalget omfatter også referencespektre for typiske lysstofrør og LED'er iht. CIE 015:2018. For hver lampetype vises status i henhold til RoHS-direktivet.

Afhængigt af størrelse og anvendelse bruges forskellige målesystemer: SR900 til spektrum, topbølgelængde, spektral irradians og kolorimetriske størrelser; RMD Pro og RMD Touch til irradians og dosis i proces, laboratorium og kvalitetssikring; radiometersensorerne til det passende spektralområde; og den integrerende kugle til lysstrøm og strålingsflux fra synlige, UV- og NIR-LED'er.

LED-måleopgaver spænder fra simple intensitetskontroller til fuldstændig spektral og rumligt integreret karakterisering. Ved at kombinere radiometer, spektroradiometer, lysleder, målehoved og integrerende kugle tilpasses målesystemet til den konkrete LED, geometrien og målestørrelsen.

Målesystemerne kalibreres for definerede spektralområder, sporbart til PTB; en DAkkS-akkrediteret kalibrering udføres af Opsytecs kalibreringslaboratorium. Sporbare kalibreringer og dokumenterede måleforhold er grundlaget for sammenlignelige resultater inden for udvikling, kvalitetssikring og industriel processtyring.

Hvilken måler egner sig til hvilken LED-måling?
Til irradians i et måleplan, f.eks. ved UV-hærdning eller desinfektion, er et kalibreret radiometer som RMD Pro eller RMD Touch med en sensor til det passende spektralområde tilstrækkeligt. Spektrum, topbølgelængde, dominerende bølgelængde, farvekoordinater og farvetemperatur kræver et spektroradiometer som SR900. Den samlede lysstrøm eller strålingsflux fra en LED måler SR900 i kombination med en integrerende kugle, fordi kun kuglen opfanger strålingen fra alle udstrålingsretninger.

Kan LED'er måles med et luxmeter?
Ja, hvis der er brug for belysningsstyrken, og LED'en udsender hvidt eller bredbåndet lys. Et luxmeter vægter lyset med en sensor, der er tilpasset øjets følsomhedskurve V(λ). Ved farvede, smalbåndede LED'er slår enhver afvigelse mellem sensor og V(λ) ved emissionsbølgelængden fuldt igennem på måleværdien; her er den spektrale måling med SR900 mere præcis. Til UV-LED'er er et luxmeter uegnet, fordi V(λ) er nul under 380 nm; UV-stråling måles med et radiometer eller spektroradiometer. Et luxmeter måler ikke lysstrømmen i lumen – det kræver en integrerende kugle.

Hvilket spektralområde passer til UV-LED'er fra 365 til 405 nm?
Til UV-LED'er anbefaler Opsytec UVA+-området på 330-455 nm. Det klassiske UVA-sensorområde slutter ved 400 nm; en 395- eller 405-nm-LED ligger så med en del af sin emission på filterkanten, og små forskydninger af topbølgelængden på grund af temperatur eller strøm ændrer aflæsningen mærkbart. UVA+-området fanger hele LED-emissionen og gør målingen ufølsom over for sådanne forskydninger.

Hvordan måler man effekten af en LED?
Ved en LED skal der skelnes mellem elektrisk og optisk effekt. Den elektriske effekt er produktet af strøm og spænding. Den optiske effekt måles som strålingsflux i watt og for synlige LED'er desuden som lysstrøm i lumen – med en integrerende kugle, der opfanger strålingen fra alle udstrålingsretninger. Forholdet mellem strålingsflux og elektrisk effekt er LED'ens virkningsgrad. Hvor meget lys forskellige lamper producerer pr. watt elektrisk effekt, viser lampesammenligningen på denne side.

Hvorfor er kalibreringen af en LED-måler vigtig?
Kalibreringen fastlægger sammenhængen mellem sensorsignalet og den fysiske størrelse. For LED'er skal den passe spektralt til kilden, fordi smalbåndet emission reagerer følsomt på afvigelser i sensorens spektrale følsomhed. Opsytec kalibrerer sporbart til PTB og efter ønske i det ISO/IEC 17025-akkrediterede kalibreringslaboratorium.

Valget af et egnet LED-målesystem afhænger af målestørrelsen, bølgelængdeområdet, målegeometrien og den krævede måleusikkerhed. På dette grundlag sammensætter vi den rigtige kombination af radiometer, spektroradiometer, sensor og integrerende kugle. Beskriv din måleopgave for os – enkelt LED, modul eller armatur, den størrelse, du søger, og anvendelsesstedet.

Forespørg på en egnet LED-måler

Dr.-Ing. Mark Paravia er administrerende direktør for Opsytec Dr. Gröbel GmbH i Ettlingen og leder det akkrediterede kalibreringslaboratorium. Efter sin forskning i pulserede xenon-excimerudladninger ved Institute of Lighting Technology på KIT er hans fokus i dag optisk strålingsmåling. Han er næstformand for DIN-standardiseringsudvalget FNL 7 "Optical radiation" og medlem af DVGW's projektgruppe om UV-desinfektion.