מדידה מכוילת של הספקטרום, עצמת הקרינה הנופלת ושטף האור של רכיבי LED – מתחום ה-UV ועד תחום האינפרה-אדום הקרוב.

טכנולוגיית מדידת LED – מדידת עצמת קרינה נופלת, ספקטרום ושטף אור

בהתאם למשימת המדידה, מכשירי מדידת LED רושמים את עצמת הקרינה הנופלת, את הספקטרום, את שטף הקרינה או את שטף האור של LED. לקבלת תוצאות הניתנות לשחזור, יש להתאים את הגודל הנמדד, את התחום הספקטרלי, את גאומטריית המדידה ואת הכיול ליישום.

Opsytec מציעה טכנולוגיית מדידת LED מכוילת לרכיבי LED בתחומי UV, האור הנראה ו-NIR: את הספקטרורדיומטר SR900, את הרדיומטרים RMD Pro ו-RMD Touch עם חיישני רדיומטר מכוילים, וכן כדורי אינטגרציה בהתאמה אישית. מכשירים אלה מאפיינים רכיבי LED בודדים וכן מודולי LED ומערכות LED.

בחירת שיטת המדידה תלויה בגודל הפיזיקלי. למדידת עצמת קרינה נופלת משמשים רדיומטרים מכוילים. לקביעת הפילוג הספקטרלי של LED נדרש ספקטרורדיומטר. את שטף הקרינה הכולל או את שטף האור מודדים בכדור אינטגרציה בשילוב עם ספקטרורדיומטר.

מלבד הגודל הנמדד, משפיעים על התוצאה גם התחום הספקטרלי, מרחק המדידה, זווית הפגיעה והכיול. במיוחד ברכיבי UV LED צרי סרט, הרגישות הספקטרלית של החיישן חייבת להתאים לאורך הגל של הפליטה. לקבלת תוצאות ברות השוואה, יש לשמור על גאומטריית מדידה קבועה ולתעד אותה באופן עקיב.

הגודל הנדרש תלוי ביישום. הטבלה משייכת לכל גודל את מכשיר המדידה המתאים ואת היישומים האופייניים:

לבקרת תהליכים בלבד מספיק לרוב רדיומטר מכויל. אפיון ספקטרלי מלא מחייב ספקטרורדיומטר. מתי כל שיטה מספקת – על כך במאמר ספקטרורדיומטר או רדיומטר רחב-סרט.

ספקטרום הפליטה של LED מתאר את הפילוג הספקטרלי של הקרינה הנפלטת. ספקטרורדיומטר קובע ממנו את אורך גל השיא, את רוחב הסרט הספקטרלי ואת עצמת הקרינה הספקטרלית.

הספקטרורדיומטר SR900 מודד קרינה אופטית בתחום 200 עד 1100 nm, ולכן הוא מתאים לרכיבי UV LED, לרכיבי LED בתחום הנראה ולמקורות אור רבים בתחום ה-NIR. המדידה הספקטרלית מעריכה LED בדיוק רב בהרבה מחיישן רחב-סרט, כאשר אורך הגל של הפליטה משתנה או כאשר קיימים כמה רכיבים ספקטרליים. שינויים ספקטרליים, הסטות של אורך גל השיא והבדלים בין אצוות LED נעשים גלויים באופן ישיר.

עבור רכיבי LED בתחום הנראה, התוכנה SRpro מחשבת מהספקטרום גם גדלים פוטומטריים וקולורימטריים, כגון כרומטיות, אורך גל דומיננטי וטמפרטורת צבע מתואמת.

יישומים אופייניים:

• פיתוח רכיבי LED ומודולי LED
• בקרת איכות
• בדיקת קבלה
• מחקרי הזדקנות
• בדיקות טמפרטורה
• אפיון רכיבי UV LED
• מדידת צבע
• תאורת צמחים
• מחקרים פוטוביולוגיים

עצמת קרינה נופלת מתארת את הספק הקרינה האופטי הפוגע במשטח, והיא מבוטאת ביחידות W/m² או mW/cm². ביישומים תעשייתיים רבים, הגודל המוחלט הזה – ולא הספקטרום המלא – הוא המכריע.

הדבר חל, למשל, על הקשיה בקרינת UV, הדבקה בקרינת UV, חשיפה, חיטוי ותהליכים פוטוכימיים. למדידות בקרה בתוך התהליך ולמדידות תקופתיות משמשים הרדיומטרים RMD Pro ו-RMD Touch עם חיישנים המתאימים מבחינה ספקטרלית; שניהם מודדים עצמת קרינה נופלת ומנת קרינה בשתי כניסות חיישן. לקבלת תוצאות הניתנות לשחזור, מרחק המדידה, זווית הפגיעה ומיקום החיישן חייבים להישאר קבועים.

חיישני הרדיומטר זמינים בשבעה תחומים ספקטרליים: UVC (200 עד 280 nm), UVB (280 עד 315 nm), UVA (315 עד 400 nm), UVA+ (330 עד 455 nm), UVBB (230 עד 400 nm), VISB (400 עד 480 nm) ו-LUX (380 עד 780 nm, משוקלל לפי V(λ)). ראשי מדידה מכוילים מאפשרים מדידות הניתנות לשחזור במעבדה ובסביבות ייצור.

לרכיבי LED יש לעתים קרובות דפוס קרינה מרחבי מובהק. לכן מדידה בכיוון אחד בלבד אינה לוכדת במלואו את ההספק האופטי הכולל הנפלט.

כדור אינטגרציה לוכד את השטף האופטי הכולל של LED. עבור רכיבי LED בתחום הנראה הוא מצוין כשטף אור בלומן; עבור רכיבי UV LED ו-NIR LED, הגודל הרלוונטי הוא שטף הקרינה בוואט. בשילוב עם ספקטרורדיומטר, הכדור מודד באופן אינטגרלי על פני כל הזוויות, ולכן ללא תלות בדפוס הקרינה – כך שניתן להשוות גם רכיבי LED בעלי פליטה כיוונית מאוד או פליטה מרחבית מורכבת.

לשם כך ניתן לשלב את SR900 עם כדורי האינטגרציה של Opsytec. הקשר בין שטף אור, בהיקות וכרומטיות ברכיבי LED ובתצוגות מוסבר בהרחבה בדף טכנולוגיית תאורה, LED ותצוגות.

ברכיבי UV LED, התחום הספקטרלי של החיישן חייב להתאים לפליטה בפועל. בתחום אורכי הגל הקצרים, אי-התאמה ספקטרלית של רדיומטר רחב-סרט עלולה לעוות את התוצאה באופן ניכר; במעבר בין UVA לאור הנראה, עלולה לעשות זאת שפת המסנן של החיישן.

רכיבי UVA LED הנפוצים בתעשייה פולטים באורכי גל 365, 385, 395 ו-405 nm, ברוחב מלא בחצי גובה של כ-10 עד 16 nm. חיישן UVA מסתיים ב-400 nm. בספקטרים שנמדדו מתוך מאגר הנתונים הספקטרלי של Opsytec, כ-95 % מהספק הקרינה של LED באורך גל 385 nm נמצאים מתחת ל-400 nm, רק כ-70 % ב-LED של 395 nm, ומעט פחות מ-30 % ב-LED של 405 nm. במצב כזה, אפילו הסטות קטנות של אורך גל השיא, הנגרמות מטמפרטורה או מזרם, משנות את קריאת המדידה במידה ניכרת. לכן Opsytec ממליצה, עבור רכיבי UV LED בתחום 365 עד 405 nm, על חיישן UVA+ בתחום 330 עד 455 nm, מאחר שהוא לוכד את הפליטה כולה.

לחלופין, SR900 מעריך את ה-LED באופן ספקטרלי החל מ-200 nm, ללא תלות במאפייני מסנן. הדבר יתרוני במיוחד כאשר נבדקים אצוות LED, השפעות הזדקנות או הסטות של אורך הגל הנובעות מטמפרטורה. למדידות ייצור ובקרה זמינים חיישני UVC, UVB, UVA ו-UVA+ מכוילים.

אם יש למדוד את שטף הקרינה של רכיבי UV LED בכדור אינטגרציה, אורך הגל קובע את הציפוי: מתחת ל-300 nm יורד מקדם ההחזרה של בריום סולפט, ו-PTFE הוא הציפוי היחיד בעל מקדם החזרה שמיש בתחום זה. הטכנולוגיה, הנצילות ואורך החיים של רכיבי UV LED מתוארים במאמר רכיבי UV LED לתחומי UVA, UVB ו-UVC.

ברכיבי LED בתחום הנראה, מעבר לגדלים הרדיומטריים, מעניינים לעתים קרובות גם פרמטרים פוטומטריים וקולורימטריים.

בהתאם למערך המדידה, המדידה הספקטרלית קובעת, בין היתר, קואורדינטות צבע, טמפרטורת צבע וגדלים פוטומטריים. גם ההערכה הפוטוביולוגית, למשל של סכנת האור הכחול לפי EN 62471, מבוססת על הספקטרום הנמדד – פרטים נוספים בדף בטיחות תעסוקתית ובטיחות פוטוביולוגית. למדידת עצמת ההארה של רכיבי LED לבנים מספיק לרוב מד לוקס עם חיישן משוקלל לפי V(λ).

בשילוב עם כדור אינטגרציה ניתן ללכוד את תפוקת האור הכוללת של LED, של מודול LED או של גוף תאורה קומפקטי.

כמות האור שנורה מפיקה מוואט אחד של הספק חשמלי מצוינת בגיליון הנתונים כנצילות אורית ביחידות lm/W. ההשוואה משתמשת בערכים אופייניים מגיליונות נתונים של נורת הלוגן, נורה פלואורסצנטית ונורת LED בהספק חשמלי שווה; ניתן לשנות את הערכים. מתוך הספקטרים שנמדדו במאגר הנתונים הספקטרלי של Opsytec מתקבלים הכרומטיות, טמפרטורת הצבע המתואמת, מדד מסירת הצבע R_a וחלקו של ההספק החשמלי הנפלט כקרינה נראית. המבחר כולל גם את ספקטרי הייחוס של נורות פלואורסצנטיות ורכיבי LED אופייניים לפי CIE 015:2018. עבור כל סוג נורה מוצג מעמדו לפי הנחיית RoHS.

בהתאם לגודל וליישום משמשות מערכות מדידה שונות: SR900 לספקטרום, לאורך גל השיא, לעצמת הקרינה הספקטרלית ולגדלים קולורימטריים; RMD Pro ו-RMD Touch לעצמת קרינה נופלת ולמנת קרינה בתהליך, במעבדה ובאבטחת איכות; חיישני הרדיומטר לתחום הספקטרלי המתאים; וכדור האינטגרציה לשטף אור ולשטף קרינה של רכיבי LED בתחומי הנראה, UV ו-NIR.

משימות מדידת LED נעות מבדיקות עצמה פשוטות ועד אפיון ספקטרלי מלא ואינטגרלי מרחבית. באמצעות שילוב של רדיומטר, ספקטרורדיומטר, מוליך אור, ראש מדידה וכדור אינטגרציה, מערכת המדידה מותאמת ל-LED הספציפי, לגאומטריה ולגודל הנמדד.

מערכות המדידה מכוילות לתחומים ספקטרליים מוגדרים, בעקיבות מטרולוגית ל-PTB; כיול בהסמכת DAkkS מבוצע במעבדת הכיול של Opsytec. כיולים עקיבים ותנאי מדידה מתועדים הם הבסיס לתוצאות ברות השוואה בפיתוח, באבטחת איכות ובבקרת תהליכים תעשייתית.

איזה מכשיר מדידה מתאים לאיזו מדידת LED?
למדידת עצמת קרינה נופלת במישור מדידה, למשל בהקשיה בקרינת UV או בחיטוי, מספיק רדיומטר מכויל כגון RMD Pro או RMD Touch עם חיישן לתחום הספקטרלי המתאים. ספקטרום, אורך גל שיא, אורך גל דומיננטי, כרומטיות וטמפרטורת צבע מחייבים ספקטרורדיומטר כגון SR900. את שטף האור הכולל או את שטף הקרינה של LED מודד SR900 בשילוב עם כדור אינטגרציה, מאחר שרק הכדור לוכד את הקרינה מכל כיווני הפליטה.

האם ניתן למדוד רכיבי LED באמצעות מד לוקס?
כן, אם נדרשת עצמת הארה וה-LED פולט אור לבן או רחב-סרט. מד לוקס משקלל את האור באמצעות חיישן המותאם לעקומת הנצילות האורית V(λ). ברכיבי LED צבעוניים צרי סרט, כל סטייה בין החיישן לבין V(λ) באורך הגל של הפליטה משפיעה במלואה על קריאת המדידה; במקרים אלה המדידה הספקטרלית באמצעות SR900 מדויקת יותר. מד לוקס אינו מתאים לרכיבי UV LED, מאחר ש-V(λ) שווה לאפס מתחת ל-380 nm; קרינת UV נמדדת באמצעות רדיומטר או ספקטרורדיומטר. מד לוקס אינו מודד את שטף האור בלומן – לשם כך נדרש כדור אינטגרציה.

אילו תחום ספקטרלי מתאים ל-LED של UV בטווח 365 עד 405 nm?
עבור נורות LED של UV, Opsytec מומלץ להשתמש בתחום UVA+ שבין 330 עד 455 nm. חיישן ה-UVA הקלאסי מסתיים ב-400 nm; נורת LED בעלת אורך גל 395 או 405 nm ממוקמת אז חלקית על קצה המסנן, ושינויים קטנים באורך גל השיא כתוצאה מטמפרטורה או זרם משנים את הקריאה באופן ניכר. תחום UVA+ קולט את כל פליטת ה-LED והופך את המדידה לחסינה בפני שינויים כאלה.

כיצד מודדים את ההספק של LED?
ב-LED יש להבחין בין הספק חשמלי להספק אופטי. ההספק החשמלי הוא מכפלת הזרם במתח. ההספק האופטי נמדד כשטף קרינה בוואט, ועבור רכיבי LED בתחום הנראה גם כשטף אור בלומן – באמצעות כדור אינטגרציה הלוכד את הקרינה מכל כיווני הפליטה. היחס בין שטף הקרינה להספק החשמלי הוא הנצילות של ה-LED. כמה אור מפיקות נורות שונות מוואט אחד של הספק חשמלי, מראה השוואת הנורות בדף זה.

מדוע חשוב הכיול של מכשיר מדידת LED?
הכיול קובע את הקשר בין אות החיישן לבין הגודל הפיזיקלי. ברכיבי LED הוא חייב להתאים למקור מבחינה ספקטרלית, מאחר שפליטה צרת סרט רגישה לסטיות ברגישות הספקטרלית של החיישן. Opsytec מכיילת בעקיבות מטרולוגית ל-PTB, ולפי בקשה גם במעבדת הכיול המוסמכת לפי ISO/IEC 17025.

בחירת מערכת מדידת LED מתאימה תלויה בגודל הנמדד, בתחום אורכי הגל, בגאומטריית המדידה ובאי-הוודאות הנדרשת במדידה. על בסיס זה אנו מרכיבים עבורכם את השילוב המתאים של רדיומטר, ספקטרורדיומטר, חיישן וכדור אינטגרציה. תארו לנו את משימת המדידה שלכם – LED בודד, מודול או גוף תאורה, הגודל המבוקש ומקום השימוש.

לבקשת מכשיר מדידת LED מתאים

ד"ר-אינג' מארק פאראוויה הוא המנהל המנהל של חברת Opsytec Dr. Gröbel GmbH באטלינגן ועומד בראש מעבדת הכיול המוכרת. בעקבות מחקרו על פריקות אקסימר קסנון פועמות במכון לטכנולוגיית תאורה ב-KIT, תחום התמקדותו כיום הוא מדידת קרינה אופטית. הוא ממלא תפקיד סגן יו"ר בוועדת התקינה הגרמנית DIN FNL 7 "קרינה אופטית" וחבר בקבוצת הפרויקט של DVGW לחיטוי באמצעות UV.