Misurazione con strumenti tarati dello spettro, dell'irradianza e del flusso luminoso dei LED – dall'UV al vicino infrarosso.

Tecnica di misura per LED – misurare irradianza, spettro e flusso luminoso

A seconda del compito di misura, i misuratori LED rilevano l'irradianza, lo spettro, il flusso radiante o il flusso luminoso di un LED. Per ottenere risultati riproducibili, grandezza misurata, intervallo spettrale, geometria di misura e taratura devono essere adeguati all'applicazione.

Opsytec offre strumentazione tarata per la misura di LED UV, visibili e NIR: lo spettroradiometro SR900, i radiometri RMD Pro e RMD Touch con sensori radiometrici tarati e sfere integratrici su misura. Consentono di caratterizzare sia singoli LED sia moduli e sistemi LED.

La scelta del metodo di misura dipende dalla grandezza fisica. Per l'irradianza si impiegano radiometri tarati. Per determinare la distribuzione spettrale di un LED è necessario uno spettroradiometro. Il flusso radiante totale o il flusso luminoso si misura con una sfera integratrice in combinazione con uno spettroradiometro.

Oltre alla grandezza misurata, sul risultato influiscono l'intervallo spettrale, la distanza di misura, l'angolo di incidenza e la taratura. In particolare con i LED UV a banda stretta, la sensibilità spettrale del sensore deve corrispondere alla lunghezza d'onda di emissione. Per ottenere risultati confrontabili, la geometria di misura deve essere mantenuta costante e documentata in modo verificabile.

Quale grandezza serve dipende dall'applicazione. La tabella associa a ciascuna grandezza lo strumento di misura adatto e le applicazioni tipiche:

Per il puro controllo di processo è spesso sufficiente un radiometro tarato. Una caratterizzazione spettrale completa richiede uno spettroradiometro. Quando sia adeguato ciascun metodo è illustrato nell'articolo Spettroradiometro o radiometro a banda larga.

Lo spettro di emissione di un LED descrive la distribuzione spettrale della radiazione emessa. Da esso uno spettroradiometro determina la lunghezza d'onda di picco, la larghezza di banda spettrale e l'irradianza spettrale.

Lo spettroradiometro SR900 misura la radiazione ottica da 200 a 1100 nm ed è quindi adatto a LED UV, LED visibili e molte sorgenti NIR. Quando la lunghezza d'onda di emissione varia o sono presenti più componenti spettrali, la misura spettrale valuta un LED in modo molto più preciso di un sensore a banda larga. Variazioni spettrali, spostamenti della lunghezza d'onda di picco e differenze tra lotti di LED diventano direttamente visibili.

Per i LED visibili, il software SRpro calcola dallo spettro anche grandezze fotometriche e colorimetriche, come cromaticità, lunghezza d'onda dominante e temperatura di colore correlata.

Applicazioni tipiche sono:

• Sviluppo di LED e moduli LED
• Controllo qualità
• Controllo in accettazione
• Studi di invecchiamento
• Prove di temperatura
• Caratterizzazione di LED UV
• Misura del colore
• Illuminazione per piante
• Studi fotobiologici

L'irradianza descrive la potenza radiante ottica incidente su una superficie ed è espressa in W/m² o mW/cm². In molte applicazioni industriali conta proprio questa grandezza assoluta, non lo spettro completo.

Ciò vale ad esempio per la polimerizzazione UV, l'incollaggio UV, l'esposizione, la disinfezione e i processi fotochimici. Per le misure in linea di processo e i controlli ricorrenti si impiegano i radiometri RMD Pro e RMD Touch con sensori spettralmente adatti; entrambi misurano irradianza e dose su due ingressi sensore. Per ottenere risultati riproducibili, distanza di misura, angolo di incidenza e posizione del sensore devono rimanere costanti.

I sensori radiometrici sono disponibili in sette intervalli spettrali: UVC (200–280 nm), UVB (280–315 nm), UVA (315–400 nm), UVA+ (330–455 nm), UVBB (230–400 nm), VISB (400–480 nm) e LUX (380–780 nm, con ponderazione V(λ)). Teste di misura tarate consentono misure riproducibili in laboratorio e in ambienti di produzione.

I LED presentano spesso una marcata distribuzione spaziale dell'emissione. Una misura in un'unica direzione non rileva quindi completamente la potenza ottica totale emessa.

Una sfera integratrice rileva il flusso ottico totale di un LED. Per i LED visibili viene indicato come flusso luminoso in lumen; per i LED UV e NIR la grandezza rilevante è il flusso radiante in watt. In combinazione con uno spettroradiometro, la sfera misura in modo integrato sull'angolo e quindi indipendentemente dalla distribuzione dell'emissione – così è possibile confrontare anche LED con emissione spaziale fortemente direzionale o complessa.

A tale scopo l'SR900 può essere combinato con le sfere integratrici Opsytec. Come sono correlati flusso luminoso, luminanza e cromaticità per LED e display è spiegato in modo più approfondito nella pagina Illuminotecnica, tecnologia LED & display.

Con i LED UV l'intervallo spettrale del sensore deve corrispondere all'emissione effettiva. Nel campo delle onde corte il disadattamento spettrale di un radiometro a banda larga può falsare sensibilmente il risultato; nella transizione tra UVA e luce visibile può farlo il fronte del filtro del sensore.

I LED UVA diffusi nell'industria emettono a 365, 385, 395 e 405 nm con una larghezza a metà altezza da circa 10 a 16 nm. Il sensore UVA termina a 400 nm. Negli spettri misurati del database spettrale Opsytec, circa il 95 % della potenza radiante di un LED a 385 nm si trova al di sotto di 400 nm, per un LED a 395 nm solo circa il 70 % e per un LED a 405 nm poco meno del 30 %. Anche piccoli spostamenti della lunghezza d'onda di picco dovuti a temperatura o corrente modificano quindi notevolmente il valore misurato. Per i LED UV da 365 a 405 nm Opsytec raccomanda perciò il sensore UVA+ con 330–455 nm, che rileva l'intera emissione.

In alternativa, l'SR900 valuta il LED spettralmente a partire da 200 nm, indipendentemente dalla caratteristica di un filtro. Ciò è particolarmente vantaggioso quando si studiano lotti di LED, effetti di invecchiamento o spostamenti di lunghezza d'onda dovuti alla temperatura. Per le misure di produzione e di controllo sono disponibili sensori UVC, UVB, UVA e UVA+ tarati.

Se il flusso radiante di LED UV deve essere misurato in una sfera integratrice, la lunghezza d'onda determina il rivestimento: al di sotto di 300 nm la riflettanza del solfato di bario diminuisce e il PTFE è l'unico rivestimento con una riflettanza utilizzabile in quel campo. Tecnologia, rendimento e durata dei LED UV sono descritti nell'articolo LED UV per UVA, UVB e UVC.

Con i LED visibili, oltre alle grandezze radiometriche interessano spesso parametri fotometrici e colorimetrici.

A seconda della configurazione di misura, la misura spettrale determina tra l'altro coordinate cromatiche, temperatura di colore e grandezze fotometriche. Anche la valutazione fotobiologica, ad esempio del rischio da luce blu secondo EN 62471, si basa sullo spettro misurato – maggiori informazioni in Sicurezza sul lavoro e sicurezza fotobiologica. Per l'illuminamento dei LED bianchi è spesso sufficiente un luxmetro con sensore ponderato V(λ).

In combinazione con una sfera integratrice è possibile rilevare l'emissione luminosa totale di un LED, di un modulo LED o di un apparecchio di illuminazione compatto.

Quanta luce produce una lampada da un watt di potenza elettrica è indicato nella scheda tecnica come efficienza luminosa in lm/W. Il confronto utilizza valori tipici da scheda tecnica di una lampada alogena, di una lampada fluorescente e di una lampada LED a pari potenza elettrica; i valori possono essere sovrascritti. Dagli spettri misurati del database spettrale Opsytec risultano cromaticità, temperatura di colore correlata, indice di resa cromatica R_a e la quota di potenza elettrica emessa come radiazione visibile. La selezione comprende anche gli spettri di riferimento di lampade fluorescenti e LED tipici secondo CIE 015:2018. Per ogni tipo di lampada è indicato lo stato ai sensi della direttiva RoHS.

A seconda della grandezza e dell'applicazione si impiegano sistemi di misura diversi: l'SR900 per spettro, lunghezza d'onda di picco, irradianza spettrale e grandezze colorimetriche; RMD Pro e RMD Touch per irradianza e dose nel processo, in laboratorio e nell'assicurazione qualità; i sensori radiometrici per l'intervallo spettrale adatto; e la sfera integratrice per flusso luminoso e flusso radiante di LED visibili, UV e NIR.

I compiti di misura sui LED vanno da semplici controlli di intensità fino alla caratterizzazione completa, spettrale e integrata nello spazio. Combinando radiometro, spettroradiometro, guida di luce, testa di misura e sfera integratrice, il sistema di misura viene adattato allo specifico LED, alla geometria e alla grandezza misurata.

I sistemi di misura sono tarati per intervalli spettrali definiti con riferibilità metrologica al PTB; una taratura accreditata DAkkS viene eseguita dal laboratorio di taratura Opsytec. Tarature riferibili e condizioni di misura documentate sono la base per risultati confrontabili nello sviluppo, nell'assicurazione qualità e nel controllo dei processi industriali.

Quale misuratore è adatto a quale misura sui LED?
Per l'irradianza su un piano di misura, ad esempio nella polimerizzazione UV o nella disinfezione, è sufficiente un radiometro tarato come l'RMD Pro o l'RMD Touch con un sensore per l'intervallo spettrale adatto. Spettro, lunghezza d'onda di picco, lunghezza d'onda dominante, cromaticità e temperatura di colore richiedono uno spettroradiometro come l'SR900. L'SR900 misura il flusso luminoso totale o il flusso radiante di un LED in combinazione con una sfera integratrice, perché solo la sfera rileva la radiazione proveniente da tutte le direzioni di emissione.

È possibile misurare i LED con un luxmetro?
Sì, se serve l'illuminamento e il LED emette luce bianca o a banda larga. Un luxmetro pondera la luce con un sensore modellato sulla curva di sensibilità spettrale dell'occhio V(λ). Con LED colorati a banda stretta, ogni scostamento tra sensore e V(λ) alla lunghezza d'onda di emissione incide pienamente sul valore misurato; in questi casi la misura spettrale con l'SR900 è più precisa. Un luxmetro non è adatto ai LED UV, perché V(λ) è nulla al di sotto di 380 nm; la radiazione UV si misura con un radiometro o uno spettroradiometro. Un luxmetro non misura il flusso luminoso in lumen – per questo occorre una sfera integratrice.

Quale campo spettrale è adatto ai LED UV da 365 a 405 nm?
Per i LED UV Opsytec consiglia il campo UVA+ di 330–455 nm. Il sensore UVA classico termina a 400 nm; un LED da 395 o 405 nm si trova quindi con parte della sua emissione sul margine del filtro, e piccoli spostamenti della lunghezza d'onda di picco dovuti a temperatura o corrente modificano sensibilmente la lettura. Il campo UVA+ acquisisce l'intera emissione del LED e rende la misura insensibile a tali spostamenti.

Come si misura la potenza di un LED?
Per un LED occorre distinguere tra potenza elettrica e potenza ottica. La potenza elettrica è il prodotto di corrente e tensione. La potenza ottica si misura come flusso radiante in watt e, per i LED visibili, anche come flusso luminoso in lumen – con una sfera integratrice che rileva la radiazione proveniente da tutte le direzioni di emissione. Il rapporto tra flusso radiante e potenza elettrica è il rendimento del LED. Quanta luce producono diverse lampade da un watt di potenza elettrica lo mostra il confronto tra lampade in questa pagina.

Perché è importante la taratura di un misuratore LED?
La taratura stabilisce la relazione tra il segnale del sensore e la grandezza fisica. Per i LED deve essere spettralmente adeguata alla sorgente, perché l'emissione a banda stretta reagisce in modo sensibile agli scostamenti della sensibilità spettrale del sensore. Opsytec esegue tarature con riferibilità metrologica al PTB e, su richiesta, nel laboratorio di taratura accreditato secondo ISO/IEC 17025.

La scelta di un sistema di misura LED adatto dipende dalla grandezza misurata, dall'intervallo di lunghezze d'onda, dalla geometria di misura e dall'incertezza di misura richiesta. Su questa base componiamo la combinazione adatta di radiometro, spettroradiometro, sensore e sfera integratrice. È sufficiente descriverci il compito di misura – singolo LED, modulo o apparecchio, la grandezza cercata e il luogo di impiego.

Richiesta di un misuratore LED adatto

Il Dr.-Ing. Mark Paravia è l'amministratore delegato di Opsytec Dr. Gröbel GmbH a Ettlingen e dirige il laboratorio di taratura accreditato. In seguito alle sue ricerche sulle scariche a eccimeri di xeno pulsato presso l'Institute of Lighting Technology del KIT, oggi si concentra sulla misurazione della radiazione ottica. È vicepresidente del comitato normativo DIN FNL 7 "Radiazione ottica" e membro del gruppo di progetto DVGW sulla disinfezione UV.