Mesure étalonnée du spectre, de l'éclairement énergétique et du flux lumineux des LED – de l'UV au proche infrarouge.

Technique de mesure des LED – mesurer l'éclairement énergétique, le spectre et le flux lumineux

Selon la tâche de mesure, les appareils de mesure LED déterminent l'éclairement énergétique, le spectre, le flux énergétique ou le flux lumineux d'une LED. Pour obtenir des résultats reproductibles, la grandeur mesurée, le domaine spectral, la géométrie de mesure et l'étalonnage doivent être adaptés à l'application.

Opsytec propose une technique de mesure étalonnée pour les LED UV, visibles et NIR : le spectroradiomètre SR900, les radiomètres RMD Pro et RMD Touch avec des capteurs radiométriques étalonnés, ainsi que des sphères intégrantes sur mesure. Ils caractérisent aussi bien des LED individuelles que des modules et des systèmes LED.

Le choix de la méthode de mesure dépend de la grandeur physique. Pour l'éclairement énergétique, on utilise des radiomètres étalonnés. Pour déterminer la répartition spectrale d'une LED, un spectroradiomètre est nécessaire. Le flux énergétique total ou le flux lumineux se mesure avec une sphère intégrante combinée à un spectroradiomètre.

Outre la grandeur mesurée, le domaine spectral, la distance de mesure, l'angle d'incidence et l'étalonnage influencent le résultat. En particulier pour les LED UV à bande étroite, la sensibilité spectrale du capteur doit correspondre à la longueur d'onde d'émission. Pour obtenir des résultats comparables, la géométrie de mesure doit rester constante et être documentée de manière traçable.

La grandeur nécessaire dépend de l'application. Le tableau associe à chaque grandeur l'instrument de mesure approprié et les applications typiques :

Pour le simple contrôle de processus, un radiomètre étalonné suffit souvent. Une caractérisation spectrale complète nécessite un spectroradiomètre. L'article Spectroradiomètre ou radiomètre à large bande compare les cas dans lesquels chaque méthode est adaptée.

Le spectre d'émission d'une LED décrit la répartition spectrale du rayonnement émis. Un spectroradiomètre en déduit la longueur d'onde de pic, la largeur de bande spectrale et l'éclairement énergétique spectrique.

Le spectroradiomètre SR900 mesure le rayonnement optique de 200 à 1100 nm et convient donc aux LED UV, aux LED visibles et à de nombreuses sources NIR. La mesure spectrale évalue une LED bien plus précisément qu'un capteur à large bande lorsque la longueur d'onde d'émission varie ou que plusieurs composantes spectrales sont présentes. Les variations spectrales, les décalages de la longueur d'onde de pic et les différences entre lots de LED deviennent directement visibles.

Pour les LED visibles, le logiciel SRpro calcule également, à partir du spectre, des grandeurs photométriques et colorimétriques telles que la chromaticité, la longueur d'onde dominante et la température de couleur corrélée.

Applications typiques :

• Développement de LED et de modules LED
• Contrôle qualité
• Contrôle à réception
• Études de vieillissement
• Essais en température
• Caractérisation de LED UV
• Mesure des couleurs
• Éclairage horticole
• Études photobiologiques

L'éclairement énergétique décrit la puissance rayonnante optique incidente sur une surface et s'exprime en W/m² ou en mW/cm². Dans de nombreuses applications industrielles, c'est cette grandeur absolue qui compte, et non le spectre complet.

C'est le cas par exemple pour la polymérisation UV, le collage UV, l'insolation, la désinfection et les procédés photochimiques. Pour les mesures en cours de processus et les contrôles récurrents, on utilise les radiomètres RMD Pro et RMD Touch avec des capteurs spectralement adaptés ; tous deux mesurent l'éclairement énergétique et la dose sur deux entrées de capteur. Pour obtenir des résultats reproductibles, la distance de mesure, l'angle d'incidence et la position du capteur doivent rester constants.

Les capteurs radiométriques sont disponibles dans sept domaines spectraux : UVC (200–280 nm), UVB (280–315 nm), UVA (315–400 nm), UVA+ (330–455 nm), UVBB (230–400 nm), VISB (400–480 nm) et LUX (380–780 nm, pondéré V(λ)). Des têtes de mesure étalonnées permettent des mesures reproductibles en laboratoire et en environnement de production.

Les LED présentent souvent une répartition spatiale du rayonnement très marquée. Une mesure dans une seule direction ne saisit donc pas entièrement la puissance optique totale émise.

Une sphère intégrante recueille le flux optique total d'une LED. Pour les LED visibles, il est indiqué en tant que flux lumineux en lumens ; pour les LED UV et NIR, la grandeur pertinente est le flux énergétique en watts. Combinée à un spectroradiomètre, la sphère mesure de manière intégrée sur l'angle et donc indépendamment de la répartition du rayonnement – ce qui permet de comparer même des LED à émission spatiale fortement directive ou complexe.

À cet effet, le SR900 peut être combiné aux sphères intégrantes Opsytec. Le lien entre flux lumineux, luminance et chromaticité pour les LED et les écrans est expliqué plus en détail sur la page Éclairagisme, technologie LED & afficheurs.

Pour les LED UV, le domaine spectral du capteur doit correspondre à l'émission réelle. Dans le domaine des courtes longueurs d'onde, la désadaptation spectrale d'un radiomètre à large bande peut fausser sensiblement le résultat ; dans la transition entre l'UVA et le visible, c'est le flanc du filtre du capteur qui peut le faire.

Les LED UVA courantes dans l'industrie émettent à 365, 385, 395 et 405 nm avec une largeur à mi-hauteur d'environ 10 à 16 nm. Le capteur UVA s'arrête à 400 nm. Dans les spectres mesurés de la base de données spectrale Opsytec, environ 95 % de la puissance rayonnante d'une LED à 385 nm se situe en dessous de 400 nm, seulement environ 70 % pour une LED à 395 nm et un peu moins de 30 % pour une LED à 405 nm. Même de faibles décalages de la longueur d'onde de pic dus à la température ou au courant modifient alors considérablement la valeur mesurée. Opsytec recommande donc pour les LED UV de 365 à 405 nm le capteur UVA+ couvrant 330–455 nm, qui saisit l'intégralité de l'émission.

En alternative, le SR900 évalue la LED de manière spectrale à partir de 200 nm, indépendamment de la caractéristique d'un filtre. C'est particulièrement avantageux lorsqu'on étudie des lots de LED, des effets de vieillissement ou des décalages de longueur d'onde liés à la température. Pour les mesures de production et de contrôle, des capteurs UVC, UVB, UVA et UVA+ étalonnés sont disponibles.

Si le flux énergétique de LED UV doit être mesuré dans une sphère intégrante, la longueur d'onde détermine le revêtement : en dessous de 300 nm, le facteur de réflexion du sulfate de baryum diminue, et le PTFE est le seul revêtement offrant un facteur de réflexion exploitable dans ce domaine. La technologie, le rendement et la durée de vie des LED UV sont décrits dans l'article LED UV pour UVA, UVB et UVC.

Pour les LED visibles, les paramètres photométriques et colorimétriques présentent souvent un intérêt en plus des grandeurs radiométriques.

Selon le montage de mesure, la mesure spectrale détermine notamment les coordonnées chromatiques, la température de couleur et des grandeurs photométriques. L'évaluation photobiologique, par exemple du risque lié à la lumière bleue selon EN 62471, repose également sur le spectre mesuré – pour en savoir plus, voir Sécurité au travail et sécurité photobiologique. Pour l'éclairement lumineux des LED blanches, un luxmètre avec capteur pondéré V(λ) suffit souvent.

En combinaison avec une sphère intégrante, il est possible de saisir l'émission lumineuse totale d'une LED, d'un module LED ou d'un luminaire compact.

La quantité de lumière qu'une lampe produit à partir d'un watt de puissance électrique est indiquée dans la fiche technique sous la forme de l'efficacité lumineuse en lm/W. La comparaison utilise des valeurs typiques de fiche technique d'une lampe halogène, d'une lampe fluorescente et d'une lampe LED à puissance électrique égale ; les valeurs peuvent être modifiées. Les spectres mesurés de la base de données spectrale Opsytec fournissent la chromaticité, la température de couleur corrélée, l'indice de rendu des couleurs R_a et la part de la puissance électrique émise sous forme de rayonnement visible. La sélection comprend également les spectres de référence de lampes fluorescentes et de LED typiques selon CIE 015:2018. Pour chaque type de lampe, le statut au regard de la directive RoHS est indiqué.

Selon la grandeur et l'application, différents systèmes de mesure sont utilisés : le SR900 pour le spectre, la longueur d'onde de pic, l'éclairement énergétique spectrique et les grandeurs colorimétriques ; RMD Pro et RMD Touch pour l'éclairement énergétique et la dose en processus, en laboratoire et en assurance qualité ; les capteurs radiométriques pour le domaine spectral approprié ; et la sphère intégrante pour le flux lumineux et le flux énergétique des LED visibles, UV et NIR.

Les tâches de mesure sur les LED vont du simple contrôle d'intensité jusqu'à la caractérisation complète, spectrale et intégrée dans l'espace. En combinant radiomètre, spectroradiomètre, guide de lumière, tête de mesure et sphère intégrante, le système de mesure est adapté à la LED concernée, à la géométrie et à la grandeur mesurée.

Les systèmes de mesure sont étalonnés pour des domaines spectraux définis, avec traçabilité métrologique au PTB ; un étalonnage accrédité DAkkS est réalisé par le laboratoire d'étalonnage Opsytec. Des étalonnages traçables et des conditions de mesure documentées constituent la base de résultats comparables en développement, en assurance qualité et en contrôle des processus industriels.

Quel appareil de mesure convient à quelle mesure de LED ?
Pour l'éclairement énergétique dans un plan de mesure, par exemple en polymérisation UV ou en désinfection, un radiomètre étalonné tel que le RMD Pro ou le RMD Touch avec un capteur adapté au domaine spectral suffit. Le spectre, la longueur d'onde de pic, la longueur d'onde dominante, la chromaticité et la température de couleur nécessitent un spectroradiomètre tel que le SR900. Le SR900 mesure le flux lumineux total ou le flux énergétique d'une LED en combinaison avec une sphère intégrante, car seule la sphère recueille le rayonnement de toutes les directions d'émission.

Peut-on mesurer des LED avec un luxmètre ?
Oui, si l'éclairement lumineux est recherché et que la LED émet une lumière blanche ou à large bande. Un luxmètre pondère la lumière avec un capteur adapté à la courbe de sensibilité spectrale de l'œil V(λ). Avec des LED colorées à bande étroite, tout écart entre le capteur et V(λ) à la longueur d'onde d'émission se répercute pleinement sur la valeur mesurée ; la mesure spectrale avec le SR900 y est plus précise. Un luxmètre ne convient pas aux LED UV, car V(λ) est nulle en dessous de 380 nm ; le rayonnement UV se mesure avec un radiomètre ou un spectroradiomètre. Un luxmètre ne mesure pas le flux lumineux en lumens – il faut pour cela une sphère intégrante.

Quelle plage spectrale convient aux LED UV de 365 à 405 nm ?
Pour les LED UV, Opsytec recommande la plage UVA+ de 330–455 nm. Le capteur UVA classique s'arrête à 400 nm ; une LED de 395 ou 405 nm se retrouve alors avec une partie de son émission sur le bord du filtre, et de faibles décalages de la longueur d'onde de pic dus à la température ou au courant modifient sensiblement la mesure. La plage UVA+ capte l'intégralité de l'émission de la LED et rend la mesure insensible à ces décalages.

Comment mesure-t-on la puissance d'une LED ?
Pour une LED, il faut distinguer la puissance électrique et la puissance optique. La puissance électrique est le produit du courant et de la tension. La puissance optique se mesure en tant que flux énergétique en watts et, pour les LED visibles, également en tant que flux lumineux en lumens – avec une sphère intégrante qui recueille le rayonnement de toutes les directions d'émission. Le rapport entre le flux énergétique et la puissance électrique est le rendement de la LED. La comparaison de lampes présentée sur cette page montre la quantité de lumière que différentes lampes produisent à partir d'un watt de puissance électrique.

Pourquoi l'étalonnage d'un appareil de mesure LED est-il important ?
L'étalonnage établit la relation entre le signal du capteur et la grandeur physique. Pour les LED, il doit être adapté spectralement à la source, car une émission à bande étroite réagit fortement aux écarts de sensibilité spectrale du capteur. Opsytec étalonne avec traçabilité métrologique au PTB et, sur demande, dans son laboratoire d'étalonnage accrédité selon ISO/IEC 17025.

Le choix d'un système de mesure LED adapté dépend de la grandeur mesurée, de la plage de longueurs d'onde, de la géométrie de mesure et de l'incertitude de mesure requise. Sur cette base, nous composons la combinaison adéquate de radiomètre, spectroradiomètre, capteur et sphère intégrante. Décrivez-nous votre tâche de mesure – LED individuelle, module ou luminaire, grandeur recherchée et lieu d'utilisation.

Demander un appareil de mesure LED adapté

Dr.-Ing. Mark Paravia est le directeur général d'Opsytec Dr. Gröbel GmbH à Ettlingen et dirige le laboratoire d'étalonnage accrédité. Après ses recherches sur les décharges excimères au xénon pulsées à l'Institut de technique de l'éclairage du KIT, il se consacre aujourd'hui à la mesure du rayonnement optique. Il est vice-président du comité de normalisation DIN FNL 7 « Rayonnement optique » et membre du groupe de projet DVGW sur la désinfection UV.