LEDien spektrin, irradianssin ja valovirran kalibroitu mittaus – UV-alueelta lähi-infrapunaan.

LED-mittaustekniikka – irradianssin, spektrin ja valovirran mittaus

Mittaustehtävästä riippuen LED-mittarit määrittävät LEDin irradianssin, spektrin, säteilyvuon tai valovirran. Toistettavien tulosten saamiseksi mittaussuure, spektrialue, mittausgeometria ja kalibrointi on sovitettava sovellukseen.

Opsytec tarjoaa kalibroitua LED-mittaustekniikkaa UV-, näkyvän valon ja NIR-LEDeille: SR900-spektroradiometrin, RMD Pro- ja RMD Touch -radiometrit kalibroiduilla radiometriantureilla sekä asiakaskohtaiset integroivat pallot. Niillä karakterisoidaan sekä yksittäisiä LEDejä että LED-moduuleja ja LED-järjestelmiä.

Mittausmenetelmän valinta riippuu fysikaalisesta suureesta. Irradianssin mittaamiseen käytetään kalibroituja radiometrejä. LEDin spektrijakauman määrittämiseen tarvitaan spektroradiometri. Kokonaissäteilyvuo tai valovirta mitataan integroivalla pallolla yhdessä spektroradiometrin kanssa.

Mittaussuureen lisäksi tulokseen vaikuttavat spektrialue, mittausetäisyys, tulokulma ja kalibrointi. Etenkin kapeakaistaisissa UV-LEDeissä anturin spektrisen herkkyyden on vastattava emissioaallonpituutta. Vertailukelpoisten tulosten saamiseksi mittausgeometria on pidettävä vakiona ja dokumentoitava jäljitettävästi.

Tarvittava suure riippuu sovelluksesta. Taulukossa kullekin suureelle on osoitettu sopiva mittauslaite ja tyypilliset sovellukset:

Pelkkään prosessinvalvontaan riittää usein kalibroitu radiometri. Täydellinen spektrinen karakterisointi edellyttää spektroradiometriä. Milloin mikäkin menetelmä riittää, vertaillaan artikkelissa Spektroradiometri vai laajakaistainen radiometri.

LEDin emissiospektri kuvaa lähetetyn säteilyn spektrijakaumaa. Spektroradiometri määrittää siitä huippuaallonpituuden, spektrisen kaistanleveyden ja spektrisen irradianssin.

SR900-spektroradiometri mittaa optista säteilyä 200–1100 nm:n alueella, joten se soveltuu UV-LEDeille, näkyvän valon LEDeille ja monille NIR-valonlähteille. Spektrinen mittaus arvioi LEDin huomattavasti tarkemmin kuin laajakaista-anturi, kun emissioaallonpituus muuttuu tai spektrissä on useita komponentteja. Spektrimuutokset, huippuaallonpituuden siirtymät ja LED-erien väliset erot näkyvät suoraan.

Näkyvän valon LEDeille SRpro-ohjelmisto laskee spektristä myös fotometrisiä ja kolorimetrisiä suureita, kuten värikoordinaatit, dominoivan aallonpituuden ja korreloidun värilämpötilan.

Tyypillisiä sovelluksia ovat:

• LEDien ja LED-moduulien kehitys
• Laadunvalvonta
• Vastaanottotarkastus
• Vanhenemistutkimukset
• Lämpötilatestit
• UV-LEDien karakterisointi
• Värimittaus
• Kasvivalaistus
• Fotobiologiset tutkimukset

Irradianssi kuvaa pinnalle tulevaa optista säteilytehoa, ja se ilmoitetaan yksikössä W/m² tai mW/cm². Monissa teollisissa sovelluksissa ratkaisevaa on juuri tämä absoluuttinen suure – ei koko spektri.

Tämä koskee esimerkiksi UV-kovetusta, UV-liimausta, valotusta, desinfiointia ja fotokemiallisia prosesseja. Prosessiin integroituihin ja toistuviin tarkastusmittauksiin käytetään RMD Pro- ja RMD Touch -radiometrejä spektrisesti sopivien antureiden kanssa; molemmat mittaavat irradianssia ja annosta kahdella anturitulolla. Toistettavien tulosten saamiseksi mittausetäisyyden, tulokulman ja anturin sijainnin on pysyttävä vakiona.

Radiometriantureita on saatavana seitsemälle spektrialueelle: UVC (200–280 nm), UVB (280–315 nm), UVA (315–400 nm), UVA+ (330–455 nm), UVBB (230–400 nm), VISB (400–480 nm) ja LUX (380–780 nm, V(λ)-painotettu). Kalibroidut mittapäät mahdollistavat toistettavat mittaukset laboratoriossa ja tuotantoympäristöissä.

LEDeillä on usein selvä avaruudellinen säteilykuvio. Yhteen suuntaan tehty mittaus ei siksi tavoita täysin koko lähetettyä optista tehoa.

Integroiva pallo kerää LEDin koko optisen vuon. Näkyvän valon LEDeille se ilmoitetaan valovirtana lumeneina; UV- ja NIR-LEDeille olennainen suure on säteilyvuo watteina. Yhdessä spektroradiometrin kanssa pallo mittaa kulmaintegroidusti ja siten säteilykuviosta riippumatta – joten myös voimakkaasti suuntaavia tai avaruudellisesti monimutkaisesti säteileviä LEDejä voidaan vertailla.

Tätä varten SR900 voidaan yhdistää Opsytecin integroiviin palloihin. Miten valovirta, luminanssi ja värikoordinaatit liittyvät toisiinsa LEDeissä ja näytöissä, kerrotaan tarkemmin sivulla Valaistustekniikka, LED- & näyttötekniikka.

UV-LEDeissä anturin spektrialueen on vastattava todellista emissiota. Lyhytaaltoisella alueella laajakaistaisen radiometrin spektrinen epäsovitus voi vääristää tulosta huomattavasti; UVA-alueen ja näkyvän valon välisellä siirtymäalueella näin voi tehdä anturin suodatinreuna.

Teollisuudessa yleiset UVA-LEDit säteilevät aallonpituuksilla 365, 385, 395 ja 405 nm, ja niiden puoliarvoleveys on noin 10–16 nm. UVA-anturin alue päättyy 400 nm:iin. Opsytecin spektritietokannan mitatuissa spektreissä noin 95 % 385 nm:n LEDin säteilytehosta on alle 400 nm:n, 395 nm:n LEDillä vain noin 70 % ja 405 nm:n LEDillä vajaat 30 %. Jo pienet lämpötilan tai virran aiheuttamat huippuaallonpituuden siirtymät muuttavat tällöin lukemaa huomattavasti. Siksi Opsytec suosittelee 365–405 nm:n UV-LEDeille UVA+-anturia, jonka alue on 330–455 nm, koska se kattaa koko emission.

Vaihtoehtoisesti SR900 arvioi LEDin spektrisesti 200 nm:stä alkaen suodatinominaisuudesta riippumatta. Tämä on erityisen edullista, kun tutkitaan LED-eriä, vanhenemisilmiöitä tai lämpötilasta johtuvia aallonpituuden siirtymiä. Tuotanto- ja tarkastusmittauksiin on saatavana kalibroituja UVC-, UVB-, UVA- ja UVA+-antureita.

Jos UV-LEDien säteilyvuo mitataan integroivassa pallossa, aallonpituus ratkaisee pinnoitteen: alle 300 nm:n bariumsulfaatin heijastuskyky heikkenee, ja PTFE on siellä ainoa pinnoite, jolla on käyttökelpoinen heijastuskyky. UV-LEDien tekniikkaa, hyötysuhdetta ja käyttöikää käsitellään artikkelissa UV-LEDit UVA-, UVB- ja UVC-alueille.

Näkyvän valon LEDeissä kiinnostavat radiometristen suureiden lisäksi usein myös fotometriset ja kolorimetriset parametrit.

Mittausjärjestelystä riippuen spektrinen mittaus määrittää muun muassa värikoordinaatit, värilämpötilan ja fotometriset suureet. Myös fotobiologinen arviointi, esimerkiksi sinisen valon vaaran arviointi standardin EN 62471 mukaisesti, perustuu mitattuun spektriin – lisää aiheesta sivulla Työturvallisuus ja fotobiologinen turvallisuus. Valkoisten LEDien valaistusvoimakkuuden mittaamiseen riittää usein luksimittari, jossa on V(λ)-painotettu anturi.

Integroivan pallon avulla voidaan mitata LEDin, LED-moduulin tai kompaktin valaisimen koko valontuotto.

Se, kuinka paljon valoa lamppu tuottaa yhtä sähkötehon wattia kohden, ilmoitetaan datalehdessä valotehokkuutena yksikössä lm/W. Vertailussa käytetään halogeenilampun, loistelampun ja LED-lampun tyypillisiä datalehtiarvoja samalla sähköteholla; arvoja voi muuttaa. Opsytecin spektritietokannan mitatuista spektreistä saadaan värikoordinaatit, korreloitu värilämpötila, värintoistoindeksi R_a sekä se osuus sähkötehosta, joka lähtee näkyvänä säteilynä. Valikoimaan sisältyvät myös tyypillisten loistelamppujen ja LEDien referenssispektrit standardin CIE 015:2018 mukaisesti. Kunkin lampputyypin kohdalla näytetään sen asema RoHS-direktiivin mukaan.

Suureesta ja sovelluksesta riippuen käytetään eri mittausjärjestelmiä: SR900-spektroradiometriä spektrin, huippuaallonpituuden, spektrisen irradianssin ja kolorimetristen suureiden mittaukseen; RMD Pro- ja RMD Touch -radiometrejä irradianssin ja annoksen mittaukseen prosessissa, laboratoriossa ja laadunvarmistuksessa; radiometriantureita kullekin spektrialueelle; ja integroivaa palloa näkyvän valon, UV- ja NIR-LEDien valovirran ja säteilyvuon mittaukseen.

LED-mittaustehtävät vaihtelevat yksinkertaisista intensiteettitarkastuksista täydelliseen spektriseen ja avaruudellisesti integroituun karakterisointiin. Yhdistelemällä radiometriä, spektroradiometriä, valojohdetta, mittapäätä ja integroivaa palloa mittausjärjestelmä sovitetaan kyseiseen LEDiin, geometriaan ja mittaussuureeseen.

Mittausjärjestelmät kalibroidaan määritellyille spektrialueille PTB:hen jäljitettävästi; DAkkS-akkreditoidun kalibroinnin suorittaa Opsytecin kalibrointilaboratorio. Jäljitettävät kalibroinnit ja dokumentoidut mittausolosuhteet ovat vertailukelpoisten tulosten perusta tuotekehityksessä, laadunvarmistuksessa ja teollisessa prosessinohjauksessa.

Mikä mittari sopii mihinkin LED-mittaukseen?
Mittaustason irradianssin mittaamiseen, esimerkiksi UV-kovetuksessa tai desinfioinnissa, riittää kalibroitu radiometri, kuten RMD Pro tai RMD Touch, ja sopivan spektrialueen anturi. Spektri, huippuaallonpituus, dominoiva aallonpituus, värikoordinaatit ja värilämpötila edellyttävät spektroradiometriä, kuten SR900:aa. LEDin kokonaisvalovirran tai -säteilyvuon SR900 mittaa yhdessä integroivan pallon kanssa, koska vain pallo kerää säteilyn kaikista säteilysuunnista.

Voiko LEDejä mitata luksimittarilla?
Kyllä, jos tarvitaan valaistusvoimakkuutta ja LED säteilee valkoista tai laajakaistaista valoa. Luksimittari painottaa valoa anturilla, joka on sovitettu silmän herkkyyskäyrään V(λ). Värillisillä, kapeakaistaisilla LEDeillä jokainen anturin ja V(λ):n välinen poikkeama emissioaallonpituudella vaikuttaa lukemaan täysimääräisesti; niissä spektrinen mittaus SR900:lla on tarkempi. UV-LEDeille luksimittari ei sovellu, koska V(λ) on nolla alle 380 nm:n; UV-säteily mitataan radiometrillä tai spektroradiometrillä. Luksimittari ei mittaa valovirtaa lumeneina – siihen tarvitaan integroiva pallo.

Mikä spektrialue sopii UV-LEDeille väliltä 365–405 nm?
UV-LEDeille Opsytec suosittelee UVA+-aluetta 330–455 nm. Klassinen UVA-anturi päättyy 400 nm:iin, jolloin 395 tai 405 nm:n LEDin säteily osuu osittain suodattimen reunalle, ja huippuaallonpituuden pienet siirtymät lämpötilan tai virran vaikutuksesta muuttavat lukemaa huomattavasti. UVA+-alue kattaa koko LEDin säteilyn ja tekee mittauksesta epäherkän tällaisille siirtymille.

Miten LEDin teho mitataan?
LEDin kohdalla on erotettava sähköteho ja optinen teho. Sähköteho on virran ja jännitteen tulo. Optinen teho mitataan säteilyvuona watteina ja näkyvän valon LEDeillä lisäksi valovirtana lumeneina – integroivalla pallolla, joka kerää säteilyn kaikista säteilysuunnista. Säteilyvuon ja sähkötehon suhde on LEDin hyötysuhde. Kuinka paljon valoa eri lamput tuottavat yhtä sähkötehon wattia kohden, näkyy tämän sivun lamppuvertailusta.

Miksi LED-mittarin kalibrointi on tärkeää?
Kalibrointi määrittää anturisignaalin ja fysikaalisen suureen välisen yhteyden. LEDeillä sen on vastattava lähdettä spektrisesti, koska kapeakaistainen emissio reagoi herkästi anturin spektrisen herkkyyden poikkeamiin. Opsytec kalibroi PTB:hen jäljitettävästi ja pyynnöstä ISO/IEC 17025 -standardin mukaan akkreditoidussa kalibrointilaboratoriossa.

Sopivan LED-mittausjärjestelmän valinta riippuu mittaussuureesta, aallonpituusalueesta, mittausgeometriasta ja vaaditusta mittausepävarmuudesta. Näiden perusteella kokoamme oikean yhdistelmän radiometriä, spektroradiometriä, anturia ja integroivaa palloa. Kuvailkaa meille mittaustehtävänne – yksittäinen LED, moduuli tai valaisin, haettu suure ja käyttöpaikka.

Pyytäkää tarjous sopivasta LED-mittarista

Dr.-Ing. Mark Paravia on Opsytec Dr. Gröbel GmbH:n toimitusjohtaja Ettlingenissä ja johtaa akkreditoitua kalibrointilaboratoriota. Tutkittuaan pulssitettuja ksenoni-eksimeeripurkauksia KIT:n valaistustekniikan instituutissa hänen painopisteenään on nykyään optisen säteilyn mittaus. Hän on DIN-standardointikomitean FNL 7 "Optinen säteily" varapuheenjohtaja ja DVGW:n UV-desinfiointia käsittelevän projektiryhmän jäsen.