Medición calibrada del espectro, la irradiancia y el flujo luminoso de LED – del UV al infrarrojo cercano.

Tecnología de medición de LED – medir irradiancia, espectro y flujo luminoso

Según la tarea de medición, los medidores de LED registran la irradiancia, el espectro, el flujo radiante o el flujo luminoso de un LED. Para obtener resultados reproducibles, la magnitud medida, el rango espectral, la geometría de medición y la calibración deben adaptarse a la aplicación.

Opsytec ofrece tecnología de medición calibrada para LED UV, visibles y NIR: el espectrorradiómetro SR900, los radiómetros RMD Pro y RMD Touch con sensores radiométricos calibrados y esferas integradoras a medida. Con ellos se caracterizan tanto LED individuales como módulos y sistemas LED.

La elección del método de medición depende de la magnitud física. Para la irradiancia se utilizan radiómetros calibrados. Para determinar la distribución espectral de un LED se necesita un espectrorradiómetro. El flujo radiante total o el flujo luminoso se mide con una esfera integradora en combinación con un espectrorradiómetro.

Además de la magnitud medida, en el resultado influyen el rango espectral, la distancia de medición, el ángulo de incidencia y la calibración. Especialmente con LED UV de banda estrecha, la sensibilidad espectral del sensor debe corresponder a la longitud de onda de emisión. Para obtener resultados comparables, la geometría de medición debe mantenerse constante y documentarse de forma trazable.

La magnitud necesaria depende de la aplicación. La tabla asigna a cada magnitud el instrumento de medición adecuado y las aplicaciones típicas:

Para el mero control de procesos suele bastar un radiómetro calibrado. Una caracterización espectral completa requiere un espectrorradiómetro. En qué casos es adecuado cada método se compara en el artículo Espectrorradiómetro o radiómetro de banda ancha.

El espectro de emisión de un LED describe la distribución espectral de la radiación emitida. A partir de él, un espectrorradiómetro determina la longitud de onda de pico, el ancho de banda espectral y la irradiancia espectral.

El espectrorradiómetro SR900 mide la radiación óptica de 200 a 1100 nm y, por tanto, es adecuado para LED UV, LED visibles y muchas fuentes de luz NIR. Cuando la longitud de onda de emisión varía o hay varias componentes espectrales, la medición espectral evalúa un LED con mucha más precisión que un sensor de banda ancha. Los cambios espectrales, los desplazamientos de la longitud de onda de pico y las diferencias entre lotes de LED se hacen directamente visibles.

Para los LED visibles, el software SRpro calcula además a partir del espectro magnitudes fotométricas y colorimétricas, como la cromaticidad, la longitud de onda dominante y la temperatura de color correlacionada.

Aplicaciones típicas son:

• Desarrollo de LED y módulos LED
• Control de calidad
• Inspección de entrada
• Estudios de envejecimiento
• Ensayos de temperatura
• Caracterización de LED UV
• Medición del color
• Iluminación de plantas
• Estudios fotobiológicos

La irradiancia describe la potencia radiante óptica que incide sobre una superficie y se expresa en W/m² o mW/cm². En muchas aplicaciones industriales lo decisivo es esta magnitud absoluta, no el espectro completo.

Esto se aplica, por ejemplo, al curado UV, al encolado UV, a la exposición, a la desinfección y a los procesos fotoquímicos. Para las mediciones en proceso y los controles periódicos se utilizan los radiómetros RMD Pro y RMD Touch con sensores espectralmente adecuados; ambos miden irradiancia y dosis en dos entradas de sensor. Para obtener resultados reproducibles, la distancia de medición, el ángulo de incidencia y la posición del sensor deben permanecer constantes.

Los sensores radiométricos están disponibles en siete rangos espectrales: UVC (200–280 nm), UVB (280–315 nm), UVA (315–400 nm), UVA+ (330–455 nm), UVBB (230–400 nm), VISB (400–480 nm) y LUX (380–780 nm, con ponderación V(λ)). Los cabezales de medición calibrados permiten mediciones reproducibles en el laboratorio y en entornos de producción.

Los LED suelen tener una distribución espacial de la radiación muy marcada. Por ello, una medición en una sola dirección no registra por completo la potencia óptica total emitida.

Una esfera integradora registra el flujo óptico total de un LED. En los LED visibles se indica como flujo luminoso en lúmenes; en los LED UV y NIR, la magnitud relevante es el flujo radiante en vatios. En combinación con un espectrorradiómetro, la esfera mide de forma integrada angularmente y, por tanto, con independencia de la distribución de la radiación, de modo que también pueden compararse LED con emisión espacial fuertemente direccional o compleja.

Para ello, el SR900 puede combinarse con las esferas integradoras de Opsytec. La relación entre flujo luminoso, luminancia y cromaticidad en LED y pantallas se explica con más detalle en la página Luminotecnia, tecnología LED & de pantallas.

En los LED UV, el rango espectral del sensor debe corresponder a la emisión real. En la zona de onda corta, el desajuste espectral de un radiómetro de banda ancha puede falsear notablemente el resultado; en la transición entre UVA y luz visible, puede hacerlo el flanco del filtro del sensor.

Los LED UVA habituales en la industria emiten a 365, 385, 395 y 405 nm con una anchura a media altura de aproximadamente 10 a 16 nm. El sensor UVA termina en 400 nm. En los espectros medidos de la base de datos espectral de Opsytec, alrededor del 95 % de la potencia radiante de un LED de 385 nm se encuentra por debajo de 400 nm, en un LED de 395 nm solo aproximadamente el 70 % y en un LED de 405 nm algo menos del 30 %. Incluso pequeños desplazamientos de la longitud de onda de pico debidos a la temperatura o a la corriente modifican entonces considerablemente el valor medido. Por ello, Opsytec recomienda para LED UV de 365 a 405 nm el sensor UVA+ con 330–455 nm, ya que registra toda la emisión.

Como alternativa, el SR900 evalúa el LED espectralmente a partir de 200 nm, con independencia de la característica de un filtro. Esto resulta especialmente ventajoso cuando se investigan lotes de LED, efectos de envejecimiento o desplazamientos de longitud de onda debidos a la temperatura. Para mediciones de producción y control se dispone de sensores UVC, UVB, UVA y UVA+ calibrados.

Si el flujo radiante de LED UV se va a medir en una esfera integradora, la longitud de onda determina el recubrimiento: por debajo de 300 nm, la reflectancia del sulfato de bario disminuye y el PTFE es el único recubrimiento con una reflectancia utilizable en esa zona. La tecnología, la eficiencia y la vida útil de los LED UV se describen en el artículo LED UV para UVA, UVB y UVC.

En los LED visibles, además de las magnitudes radiométricas, suelen interesar parámetros fotométricos y colorimétricos.

Según la configuración de medición, la medición espectral determina, entre otros, las coordenadas cromáticas, la temperatura de color y magnitudes fotométricas. La evaluación fotobiológica, por ejemplo del riesgo por luz azul según EN 62471, también se basa en el espectro medido – más información en Seguridad laboral y seguridad fotobiológica. Para la iluminancia de LED blancos suele bastar un luxómetro con un sensor ponderado según V(λ).

En combinación con una esfera integradora puede registrarse la emisión luminosa total de un LED, un módulo LED o una luminaria compacta.

La cantidad de luz que produce una lámpara a partir de un vatio de potencia eléctrica se indica en la hoja de datos como eficacia luminosa en lm/W. La comparación utiliza valores típicos de hoja de datos de una lámpara halógena, una lámpara fluorescente y una lámpara LED con la misma potencia eléctrica; los valores pueden sobrescribirse. A partir de los espectros medidos de la base de datos espectral de Opsytec se obtienen la cromaticidad, la temperatura de color correlacionada, el índice de reproducción cromática R_a y la proporción de la potencia eléctrica emitida como radiación visible. La selección incluye también los espectros de referencia de lámparas fluorescentes y LED típicos según CIE 015:2018. Para cada tipo de lámpara se indica su situación con respecto a la Directiva RoHS.

Según la magnitud y la aplicación se emplean distintos sistemas de medición: el SR900 para espectro, longitud de onda de pico, irradiancia espectral y magnitudes colorimétricas; RMD Pro y RMD Touch para irradiancia y dosis en el proceso, el laboratorio y el aseguramiento de la calidad; los sensores radiométricos para el rango espectral adecuado; y la esfera integradora para el flujo luminoso y el flujo radiante de LED visibles, UV y NIR.

Las tareas de medición de LED abarcan desde simples controles de intensidad hasta la caracterización completa, espectral y con integración espacial. Mediante la combinación de radiómetro, espectrorradiómetro, guía de luz, cabezal de medición y esfera integradora, el sistema de medición se adapta al LED concreto, a la geometría y a la magnitud medida.

Los sistemas de medición se calibran para rangos espectrales definidos con trazabilidad metrológica al PTB; el laboratorio de calibración de Opsytec realiza calibraciones acreditadas por DAkkS. Las calibraciones trazables y las condiciones de medición documentadas son la base de resultados comparables en el desarrollo, el aseguramiento de la calidad y el control de procesos industriales.

¿Qué medidor es adecuado para cada medición de LED?
Para la irradiancia en un plano de medición, por ejemplo en el curado UV o la desinfección, basta con un radiómetro calibrado como el RMD Pro o el RMD Touch con un sensor para el rango espectral adecuado. El espectro, la longitud de onda de pico, la longitud de onda dominante, la cromaticidad y la temperatura de color requieren un espectrorradiómetro como el SR900. El SR900 mide el flujo luminoso total o el flujo radiante de un LED en combinación con una esfera integradora, porque solo la esfera registra la radiación de todas las direcciones de emisión.

¿Se pueden medir LED con un luxómetro?
Sí, si se necesita la iluminancia y el LED emite luz blanca o de banda ancha. Un luxómetro pondera la luz con un sensor adaptado a la curva de sensibilidad espectral del ojo V(λ). En los LED de color y de banda estrecha, cualquier desviación entre el sensor y V(λ) en la longitud de onda de emisión repercute plenamente en el valor medido; en esos casos, la medición espectral con el SR900 es más precisa. Un luxómetro no es adecuado para LED UV, ya que V(λ) es cero por debajo de 380 nm; la radiación UV se mide con un radiómetro o un espectrorradiómetro. Un luxómetro no mide el flujo luminoso en lúmenes; para ello se necesita una esfera integradora.

¿Qué rango espectral es adecuado para los LED UV de 365 a 405 nm?
Para los LED UV, Opsytec recomienda el rango UVA+ de 330–455 nm. El sensor UVA clásico termina en 400 nm; un LED de 395 o 405 nm queda entonces con parte de su emisión en el borde del filtro, y pequeños desplazamientos de la longitud de onda de pico debidos a la temperatura o la corriente cambian notablemente la lectura. El rango UVA+ capta toda la emisión del LED y hace que la medición sea insensible a dichos desplazamientos.

¿Cómo se mide la potencia de un LED?
En un LED hay que distinguir entre potencia eléctrica y potencia óptica. La potencia eléctrica es el producto de la corriente y la tensión. La potencia óptica se mide como flujo radiante en vatios y, en los LED visibles, también como flujo luminoso en lúmenes, con una esfera integradora que registra la radiación de todas las direcciones de emisión. La relación entre el flujo radiante y la potencia eléctrica es la eficiencia del LED. Cuánta luz producen distintas lámparas a partir de un vatio de potencia eléctrica lo muestra la comparación de lámparas de esta página.

¿Por qué es importante la calibración de un medidor de LED?
La calibración establece la relación entre la señal del sensor y la magnitud física. En los LED debe corresponder espectralmente a la fuente, porque la emisión de banda estrecha reacciona de forma sensible a las desviaciones de la sensibilidad espectral del sensor. Opsytec calibra con trazabilidad metrológica al PTB y, bajo pedido, en el laboratorio de calibración acreditado según ISO/IEC 17025.

La elección de un sistema de medición de LED adecuado depende de la magnitud medida, el rango de longitudes de onda, la geometría de medición y la incertidumbre de medición requerida. Sobre esta base, elaboramos la combinación adecuada de radiómetro, espectrorradiómetro, sensor y esfera integradora. Descríbanos su tarea de medición: LED individual, módulo o luminaria, la magnitud buscada y el lugar de uso.

Solicitar un medidor de LED adecuado

Dr.-Ing. Mark Paravia es el gerente de Opsytec Dr. Gröbel GmbH en Ettlingen y dirige el laboratorio de calibración acreditado. Tras sus investigaciones sobre descargas de excímero de xenón pulsadas en el Institute of Lighting Technology del KIT, hoy su enfoque es la medición de radiación óptica. Es vicepresidente del comité de normalización DIN FNL 7 «Radiación óptica» y miembro del grupo de proyecto de la DVGW sobre desinfección UV.