Gekalibreerde meting van spectrum, bestralingssterkte en lichtstroom van LED's – van het UV tot het nabij-infrarood.

LED-meettechniek – bestralingssterkte, spectrum en lichtstroom meten

Afhankelijk van de meettaak registreren LED-meters de bestralingssterkte, het spectrum, de stralingsflux of de lichtstroom van een LED. Voor reproduceerbare resultaten moeten meetgrootheid, spectraal bereik, meetgeometrie en kalibratie op de toepassing zijn afgestemd.

Opsytec biedt gekalibreerde LED-meettechniek voor UV-, zichtbare en NIR-LED's: de spectroradiometer SR900, de radiometers RMD Pro en RMD Touch met gekalibreerde radiometersensoren, en integrerende bollen op maat. Hiermee worden zowel afzonderlijke LED's als LED-modules en LED-systemen gekarakteriseerd.

De keuze van de meetmethode hangt af van de fysische grootheid. Voor de bestralingssterkte worden gekalibreerde radiometers gebruikt. Om de spectrale verdeling van een LED te bepalen, is een spectroradiometer nodig. De totale stralingsflux of lichtstroom wordt gemeten met een integrerende bol in combinatie met een spectroradiometer.

Naast de meetgrootheid beïnvloeden ook het spectrale bereik, de meetafstand, de invalshoek en de kalibratie het resultaat. Vooral bij smalbandige UV-LED's moet de spectrale gevoeligheid van de sensor passen bij de emissiegolflengte. Voor vergelijkbare resultaten moet de meetgeometrie constant worden gehouden en herleidbaar worden gedocumenteerd.

Welke grootheid nodig is, hangt af van de toepassing. De tabel wijst aan elke grootheid het passende meetinstrument en typische toepassingen toe:

Voor zuivere procesbewaking is een gekalibreerde radiometer vaak voldoende. Een volledige spectrale karakterisering vereist een spectroradiometer. Wanneer welke methode volstaat, wordt vergeleken in het artikel Spectroradiometer of breedbandradiometer.

Het emissiespectrum van een LED beschrijft de spectrale verdeling van de uitgezonden straling. Een spectroradiometer bepaalt daaruit de piekgolflengte, de spectrale bandbreedte en de spectrale bestralingssterkte.

De spectroradiometer SR900 meet optische straling van 200 tot 1100 nm en is daardoor geschikt voor UV-LED's, zichtbare LED's en veel NIR-lichtbronnen. De spectrale meting beoordeelt een LED aanzienlijk nauwkeuriger dan een breedbandsensor wanneer de emissiegolflengte verandert of er meerdere spectrale componenten aanwezig zijn. Spectrale veranderingen, verschuivingen van de piekgolflengte en verschillen tussen LED-batches worden direct zichtbaar.

Voor zichtbare LED's berekent de software SRpro uit het spectrum ook fotometrische en colorimetrische grootheden, zoals kleurcoördinaten, dominante golflengte en gecorreleerde kleurtemperatuur.

Typische toepassingen zijn:

• Ontwikkeling van LED's en LED-modules
• Kwaliteitscontrole
• Ingangscontrole
• Verouderingsonderzoek
• Temperatuurtests
• Karakterisering van UV-LED's
• Kleurmeting
• Plantenbelichting
• Fotobiologisch onderzoek

De bestralingssterkte beschrijft het optische stralingsvermogen dat op een oppervlak invalt en wordt uitgedrukt in W/m² of mW/cm². In veel industriële toepassingen is juist deze absolute grootheid – en niet het volledige spectrum – doorslaggevend.

Dit geldt bijvoorbeeld voor UV-uitharding, UV-verlijming, belichting, desinfectie en fotochemische processen. Voor procesgeïntegreerde en terugkerende controlemetingen worden de radiometers RMD Pro en RMD Touch met spectraal passende sensoren gebruikt; beide meten bestralingssterkte en dosis op twee sensoringangen. Voor reproduceerbare resultaten moeten meetafstand, invalshoek en sensorpositie constant blijven.

De radiometersensoren zijn verkrijgbaar in zeven spectrale bereiken: UVC (200–280 nm), UVB (280–315 nm), UVA (315–400 nm), UVA+ (330–455 nm), UVBB (230–400 nm), VISB (400–480 nm) en LUX (380–780 nm, V(λ)-gewogen). Gekalibreerde meetkoppen maken reproduceerbare metingen in het laboratorium en in productieomgevingen mogelijk.

LED's hebben vaak een uitgesproken ruimtelijke stralingskarakteristiek. Een meting in één richting legt het totale uitgezonden optische vermogen daarom niet volledig vast.

Een integrerende bol vangt de totale optische flux van een LED op. Voor zichtbare LED's wordt deze als lichtstroom in lumen opgegeven; voor UV- en NIR-LED's is de stralingsflux in watt de relevante grootheid. In combinatie met een spectroradiometer meet de bol hoekgeïntegreerd en daardoor onafhankelijk van de stralingskarakteristiek – zodat ook LED's met sterk gerichte of complexe ruimtelijke emissie vergeleken kunnen worden.

Hiervoor kan de SR900 worden gecombineerd met integrerende bollen van Opsytec. Hoe lichtstroom, luminantie en kleurcoördinaten bij LED's en displays samenhangen, wordt uitgebreider toegelicht op de pagina Verlichtingstechniek, LED- & displaytechniek.

Bij UV-LED's moet het spectrale bereik van de sensor overeenkomen met de werkelijke emissie. In het kortgolvige bereik kan de spectrale mismatch van een breedbandradiometer het resultaat merkbaar vertekenen; in de overgang tussen UVA en zichtbaar licht kan de filterrand van de sensor dat doen.

De in de industrie gangbare UVA-LED's stralen uit bij 365, 385, 395 en 405 nm met een halfwaardebreedte van ongeveer 10 tot 16 nm. De UVA-sensor eindigt bij 400 nm. In gemeten spectra uit de spectrale database van Opsytec ligt bij een LED van 385 nm ongeveer 95 % van het stralingsvermogen onder 400 nm, bij een LED van 395 nm slechts ongeveer 70 % en bij een LED van 405 nm net onder 30 %. Zelfs kleine verschuivingen van de piekgolflengte door temperatuur of stroom veranderen de meetwaarde dan aanzienlijk. Opsytec raadt daarom voor UV-LED's van 365 tot 405 nm de UVA+-sensor met 330–455 nm aan, omdat deze de volledige emissie omvat.

Als alternatief beoordeelt de SR900 de LED spectraal vanaf 200 nm, onafhankelijk van een filterkarakteristiek. Dit is vooral voordelig wanneer LED-batches, verouderingseffecten of temperatuurafhankelijke golflengteverschuivingen worden onderzocht. Voor productie- en controlemetingen zijn gekalibreerde UVC-, UVB-, UVA- en UVA+-sensoren beschikbaar.

Als de stralingsflux van UV-LED's in een integrerende bol moet worden gemeten, bepaalt de golflengte de coating: onder 300 nm daalt de reflectiegraad van bariumsulfaat, en PTFE is daar de enige coating met een bruikbare reflectiegraad. Technologie, efficiëntie en levensduur van UV-LED's worden beschreven in het artikel UV-LED's voor UVA, UVB en UVC.

Bij zichtbare LED's zijn naast radiometrische grootheden vaak ook fotometrische en colorimetrische parameters van belang.

Afhankelijk van de meetopstelling bepaalt de spectrale meting onder meer kleurcoördinaten, kleurtemperatuur en fotometrische grootheden. Ook de fotobiologische beoordeling, bijvoorbeeld van het blauwlichtgevaar volgens EN 62471, is gebaseerd op het gemeten spectrum – meer hierover onder Arbeidsveiligheid en fotobiologische veiligheid. Voor de verlichtingssterkte van witte LED's is een luxmeter met V(λ)-gewogen sensor vaak voldoende.

In combinatie met een integrerende bol kan de totale lichtopbrengst van een LED, een LED-module of een compact armatuur worden vastgelegd.

Hoeveel licht een lamp uit één watt elektrisch vermogen produceert, staat in het gegevensblad als lichtrendement in lm/W. De vergelijking gebruikt typische gegevensbladwaarden van een halogeenlamp, een fluorescentielamp en een LED-lamp bij gelijk elektrisch vermogen; de waarden kunnen worden overschreven. Uit de gemeten spectra uit de spectrale database van Opsytec volgen de kleurcoördinaten, de gecorreleerde kleurtemperatuur, de kleurweergave-index R_a en het aandeel van het elektrische vermogen dat als zichtbare straling wordt uitgezonden. De selectie omvat ook de referentiespectra van typische fluorescentielampen en LED's volgens CIE 015:2018. Voor elk lamptype wordt de status volgens de RoHS-richtlijn weergegeven.

Afhankelijk van grootheid en toepassing worden verschillende meetsystemen gebruikt: de SR900 voor spectrum, piekgolflengte, spectrale bestralingssterkte en colorimetrische grootheden; RMD Pro en RMD Touch voor bestralingssterkte en dosis in proces, laboratorium en kwaliteitsborging; de radiometersensoren voor het passende spectrale bereik; en de integrerende bol voor lichtstroom en stralingsflux van zichtbare, UV- en NIR-LED's.

LED-meettaken variëren van eenvoudige intensiteitscontroles tot een volledige spectrale en ruimtelijk geïntegreerde karakterisering. Door radiometer, spectroradiometer, lichtgeleider, meetkop en integrerende bol te combineren, wordt het meetsysteem aangepast aan de specifieke LED, de geometrie en de meetgrootheid.

De meetsystemen worden voor gedefinieerde spectrale bereiken gekalibreerd, herleidbaar naar de PTB; een door DAkkS geaccrediteerde kalibratie wordt uitgevoerd door het kalibratielaboratorium van Opsytec. Herleidbare kalibraties en gedocumenteerde meetomstandigheden vormen de basis voor vergelijkbare resultaten in ontwikkeling, kwaliteitsborging en industriële procesbewaking.

Welke meter is geschikt voor welke LED-meting?
Voor de bestralingssterkte in een meetvlak, bijvoorbeeld bij UV-uitharding of desinfectie, volstaat een gekalibreerde radiometer zoals de RMD Pro of RMD Touch met een sensor voor het passende spectrale bereik. Spectrum, piekgolflengte, dominante golflengte, kleurcoördinaten en kleurtemperatuur vereisen een spectroradiometer zoals de SR900. De totale lichtstroom of stralingsflux van een LED meet de SR900 in combinatie met een integrerende bol, omdat alleen de bol de straling uit alle uitstralingsrichtingen opvangt.

Kunnen LED's met een luxmeter worden gemeten?
Ja, als de verlichtingssterkte nodig is en de LED wit of breedbandig licht uitstraalt. Een luxmeter weegt het licht met een sensor die is afgestemd op de ooggevoeligheidscurve V(λ). Bij gekleurde, smalbandige LED's werkt elke afwijking tussen sensor en V(λ) bij de emissiegolflengte volledig door in de meetwaarde; daar is de spectrale meting met de SR900 nauwkeuriger. Voor UV-LED's is een luxmeter ongeschikt, omdat V(λ) onder 380 nm nul is; UV-straling wordt gemeten met een radiometer of spectroradiometer. Een luxmeter meet niet de lichtstroom in lumen – daarvoor is een integrerende bol nodig.

Welk spectraal bereik is geschikt voor UV-LED's van 365 tot 405 nm?
Voor UV-LED's raadt Opsytec het UVA+-bereik van 330–455 nm aan. De klassieke UVA-sensor eindigt bij 400 nm; een LED van 395 of 405 nm ligt dan met een deel van zijn emissie op de filterrand, en kleine verschuivingen van de piekgolflengte door temperatuur of stroom veranderen de meetwaarde merkbaar. Het UVA+-bereik omvat de volledige LED-emissie en maakt de meting ongevoelig voor dergelijke verschuivingen.

Hoe meet u het vermogen van een LED?
Bij een LED moet onderscheid worden gemaakt tussen elektrisch en optisch vermogen. Het elektrische vermogen is het product van stroom en spanning. Het optische vermogen wordt gemeten als stralingsflux in watt en bij zichtbare LED's daarnaast als lichtstroom in lumen – met een integrerende bol die de straling uit alle uitstralingsrichtingen opvangt. De verhouding van stralingsflux tot elektrisch vermogen is het rendement van de LED. Hoeveel licht verschillende lampen uit één watt elektrisch vermogen produceren, laat de lampvergelijking op deze pagina zien.

Waarom is de kalibratie van een LED-meter belangrijk?
De kalibratie legt het verband vast tussen het sensorsignaal en de fysische grootheid. Bij LED's moet ze spectraal bij de bron passen, omdat smalbandige emissie gevoelig reageert op afwijkingen in de spectrale gevoeligheid van de sensor. Opsytec kalibreert herleidbaar naar de PTB en op verzoek in het volgens ISO/IEC 17025 geaccrediteerde kalibratielaboratorium.

De keuze van een geschikt LED-meetsysteem hangt af van de meetgrootheid, het golflengtebereik, de meetgeometrie en de vereiste meetonzekerheid. Op basis daarvan stellen wij de juiste combinatie van radiometer, spectroradiometer, sensor en integrerende bol samen. Beschrijft u ons uw meettaak – afzonderlijke LED, module of armatuur, de gezochte grootheid en de plaats van gebruik.

Vraag een geschikte LED-meter aan

Dr.-Ing. Mark Paravia is algemeen directeur van Opsytec Dr. Gröbel GmbH in Ettlingen en leidt het geaccrediteerde kalibratielaboratorium. Na zijn onderzoek naar gepulseerde xenon-excimerontladingen aan het Institute of Lighting Technology van het KIT, ligt zijn focus vandaag op optische stralingsmeting. Hij is vicevoorzitter van het DIN-normcomité FNL 7 „Optische straling" en lid van de DVGW-projectgroep over UV-desinfectie.