Kalibrert måling av spektrum, irradians og lysfluks fra LED-er – fra UV til nær infrarødt.

LED-måleteknikk – måling av irradians, spektrum og lysfluks

Avhengig av måleoppgaven registrerer LED-målere irradiansen, spekteret, strålingsfluksen eller lysfluksen fra en LED. For reproduserbare resultater må målestørrelse, spektralområde, målegeometri og kalibrering være tilpasset bruksområdet.

Opsytec tilbyr kalibrert LED-måleteknikk for UV-, synlige og NIR-LED-er: spektroradiometeret SR900, radiometrene RMD Pro og RMD Touch med kalibrerte radiometersensorer samt kundetilpassede integrerende kuler. De karakteriserer både enkelt-LED-er og LED-moduler og LED-systemer.

Valget av målemetode avhenger av den fysiske størrelsen. For irradians brukes kalibrerte radiometre. For å bestemme den spektrale fordelingen til en LED kreves et spektroradiometer. Den totale strålingsfluksen eller lysfluksen måles med en integrerende kule i kombinasjon med et spektroradiometer.

I tillegg til målestørrelsen påvirker også spektralområde, måleavstand, innfallsvinkel og kalibrering resultatet. Særlig ved smalbåndede UV-LED-er må sensorens spektrale følsomhet samsvare med emisjonsbølgelengden. For sammenlignbare resultater bør målegeometrien holdes konstant og dokumenteres sporbart.

Hvilken størrelse som trengs, avhenger av bruksområdet. Tabellen tilordner hver størrelse det passende måleinstrumentet og typiske bruksområder:

For ren prosesskontroll er et kalibrert radiometer ofte tilstrekkelig. En fullstendig spektral karakterisering krever et spektroradiometer. Når hvilken metode er tilstrekkelig, sammenlignes i artikkelen Spektroradiometer eller bredbåndsradiometer.

Emisjonsspekteret til en LED beskriver den spektrale fordelingen av den utsendte strålingen. Et spektroradiometer bestemmer ut fra dette toppbølgelengde, spektral båndbredde og spektral irradians.

Spektroradiometeret SR900 måler optisk stråling fra 200 til 1100 nm og egner seg derfor for UV-LED-er, synlige LED-er og mange NIR-lyskilder. Den spektrale målingen vurderer en LED langt mer nøyaktig enn en bredbåndssensor når emisjonsbølgelengden endrer seg eller flere spektrale komponenter er til stede. Spektrale endringer, forskyvninger av toppbølgelengden og forskjeller mellom LED-batcher blir direkte synlige.

For synlige LED-er beregner programvaren SRpro i tillegg fotometriske og kolorimetriske størrelser ut fra spekteret, som fargekoordinater, dominerende bølgelengde og korrelert fargetemperatur.

Typiske bruksområder er:

• Utvikling av LED-er og LED-moduler
• Kvalitetskontroll
• Mottakskontroll
• Aldringsstudier
• Temperaturtester
• Karakterisering av UV-LED-er
• Fargemåling
• Plantebelysning
• Fotobiologiske studier

Irradiansen beskriver den optiske strålingseffekten som treffer en flate, og angis i W/m² eller mW/cm². I mange industrielle bruksområder er det denne absolutte størrelsen – ikke hele spekteret – som er avgjørende.

Dette gjelder for eksempel UV-herding, UV-liming, eksponering, desinfeksjon og fotokjemiske prosesser. For prosessintegrerte og gjentatte kontrollmålinger brukes radiometrene RMD Pro og RMD Touch med spektralt egnede sensorer; begge måler irradians og dose på to sensorinnganger. For reproduserbare resultater må måleavstand, innfallsvinkel og sensorposisjon holdes konstante.

Radiometersensorene finnes for sju spektralområder: UVC (200–280 nm), UVB (280–315 nm), UVA (315–400 nm), UVA+ (330–455 nm), UVBB (230–400 nm), VISB (400–480 nm) og LUX (380–780 nm, V(λ)-vektet). Kalibrerte målehoder muliggjør reproduserbare målinger i laboratoriet og i produksjonsmiljøer.

LED-er har ofte en utpreget romlig strålingskarakteristikk. En måling i én enkelt retning fanger derfor ikke fullt ut opp den totale utsendte optiske effekten.

En integrerende kule fanger opp den totale optiske fluksen fra en LED. For synlige LED-er oppgis den som lysfluks i lumen; for UV- og NIR-LED-er er strålingsfluksen i watt den relevante størrelsen. I kombinasjon med et spektroradiometer måler kulen vinkelintegrert og dermed uavhengig av strålingskarakteristikken – slik at også LED-er med sterkt rettet eller kompleks romlig emisjon kan sammenlignes.

For dette formålet kan SR900 kombineres med integrerende kuler fra Opsytec. Hvordan lysfluks, luminans og fargekoordinater henger sammen for LED-er og skjermer, forklares mer inngående på siden Belysningsteknikk, LED- & skjermteknologi.

For UV-LED-er må sensorens spektralområde samsvare med den faktiske emisjonen. I det kortbølgede området kan en bredbåndsradiometers spektrale mistilpasning merkbart forvrenge resultatet; i overgangen mellom UVA og synlig lys kan sensorens filterkant gjøre det.

UVA-LED-ene som er vanlige i industrien, emitterer ved 365, 385, 395 og 405 nm med en halvverdibredde på ca. 10 til 16 nm. UVA-sensoren slutter ved 400 nm. I målte spektre fra Opsytecs spektraldatabase ligger ca. 95 % av strålingseffekten fra en 385 nm-LED under 400 nm, for en 395 nm-LED bare ca. 70 % og for en 405 nm-LED knapt 30 %. Selv små forskyvninger av toppbølgelengden på grunn av temperatur eller strøm endrer da måleverdien betydelig. Opsytec anbefaler derfor UVA+-sensoren med 330–455 nm for UV-LED-er fra 365 til 405 nm, fordi den fanger opp hele emisjonen.

Alternativt vurderer SR900 LED-en spektralt fra 200 nm, uavhengig av en filterkarakteristikk. Dette er særlig fordelaktig når LED-batcher, aldringseffekter eller temperaturbetingede bølgelengdeforskyvninger skal undersøkes. For produksjons- og kontrollmålinger finnes kalibrerte UVC-, UVB-, UVA- og UVA+-sensorer.

Skal strålingsfluksen fra UV-LED-er måles i en integrerende kule, bestemmer bølgelengden belegget: under 300 nm synker refleksjonsevnen til bariumsulfat, og PTFE er der det eneste belegget med brukbar refleksjonsevne. Teknologi, virkningsgrad og levetid for UV-LED-er beskrives i artikkelen UV-LED-er for UVA, UVB og UVC.

For synlige LED-er er det i tillegg til radiometriske størrelser ofte også fotometriske og kolorimetriske parametere som er av interesse.

Avhengig av måleoppsettet bestemmer den spektrale målingen blant annet fargekoordinater, fargetemperatur og fotometriske størrelser. Også den fotobiologiske vurderingen, for eksempel av blålysfaren etter EN 62471, bygger på det målte spekteret – mer om dette under Arbeidssikkerhet og fotobiologisk sikkerhet. For belysningsstyrken fra hvite LED-er er en luksmeter med V(λ)-vektet sensor ofte tilstrekkelig.

I kombinasjon med en integrerende kule kan den totale lysavgivelsen fra en LED, en LED-modul eller en kompakt armatur registreres.

Hvor mye lys en lampe produserer per watt elektrisk effekt, oppgis i databladet som lysutbytte i lm/W. Sammenligningen bruker typiske databladverdier for en halogenpære, et lysrør og en LED-pære ved samme elektriske effekt; verdiene kan overskrives. Ut fra de målte spektrene fra Opsytecs spektraldatabase beregnes fargekoordinater, korrelert fargetemperatur, fargegjengivelsesindeks R_a og andelen av den elektriske effekten som avgis som synlig stråling. Utvalget omfatter også referansespektrene for typiske lysrør og LED-er etter CIE 015:2018. For hver lampetype vises statusen etter RoHS-direktivet.

Avhengig av størrelse og bruksområde brukes ulike målesystemer: SR900 for spektrum, toppbølgelengde, spektral irradians og kolorimetriske størrelser; RMD Pro og RMD Touch for irradians og dose i prosess, laboratorium og kvalitetssikring; radiometersensorene for det passende spektralområdet; og den integrerende kulen for lysfluks og strålingsfluks fra synlige, UV- og NIR-LED-er.

LED-måleoppgaver spenner fra enkle intensitetskontroller til fullstendig spektral og romlig integrert karakterisering. Ved å kombinere radiometer, spektroradiometer, lysleder, målehode og integrerende kule tilpasses målesystemet til den aktuelle LED-en, geometrien og målestørrelsen.

Målesystemene kalibreres for definerte spektralområder, sporbart til PTB; en DAkkS-akkreditert kalibrering utføres av Opsytecs kalibreringslaboratorium. Sporbare kalibreringer og dokumenterte måleforhold er grunnlaget for sammenlignbare resultater innen utvikling, kvalitetssikring og industriell prosesstyring.

Hvilken måler egner seg for hvilken LED-måling?
For irradians i et måleplan, for eksempel ved UV-herding eller desinfeksjon, er et kalibrert radiometer som RMD Pro eller RMD Touch med en sensor for det passende spektralområdet tilstrekkelig. Spektrum, toppbølgelengde, dominerende bølgelengde, fargekoordinater og fargetemperatur krever et spektroradiometer som SR900. Den totale lysfluksen eller strålingsfluksen fra en LED måler SR900 i kombinasjon med en integrerende kule, fordi bare kulen fanger opp strålingen fra alle utstrålingsretninger.

Kan LED-er måles med en luksmeter?
Ja, hvis det er belysningsstyrken som trengs, og LED-en avgir hvitt eller bredbåndet lys. En luksmeter vekter lyset med en sensor som er tilpasset øyets følsomhetskurve V(λ). Ved fargede, smalbåndede LED-er slår ethvert avvik mellom sensor og V(λ) ved emisjonsbølgelengden fullt ut i måleverdien; der er den spektrale målingen med SR900 mer nøyaktig. For UV-LED-er er en luksmeter uegnet, fordi V(λ) er null under 380 nm; UV-stråling måles med et radiometer eller spektroradiometer. En luksmeter måler ikke lysfluksen i lumen – til det kreves en integrerende kule.

Hvilket spektralområde passer for UV-LED-er fra 365 til 405 nm?
For UV-LED-er anbefaler Opsytec UVA+-området på 330–455 nm. Det klassiske UVA-sensorområdet slutter ved 400 nm; en 395 eller 405 nm LED havner da med deler av utstrålingen sin på filterkanten, og små forskyvninger av toppbølgelengden på grunn av temperatur eller strøm endrer avlesningen merkbart. UVA+-området fanger opp hele LED-utstrålingen og gjør målingen ufølsom for slike forskyvninger.

Hvordan måler man effekten til en LED?
For en LED må man skille mellom elektrisk og optisk effekt. Den elektriske effekten er produktet av strøm og spenning. Den optiske effekten måles som strålingsfluks i watt og for synlige LED-er i tillegg som lysfluks i lumen – med en integrerende kule som fanger opp strålingen fra alle utstrålingsretninger. Forholdet mellom strålingsfluks og elektrisk effekt er LED-ens virkningsgrad. Hvor mye lys ulike lamper produserer per watt elektrisk effekt, viser lampesammenligningen på denne siden.

Hvorfor er kalibreringen av en LED-måler viktig?
Kalibreringen fastslår sammenhengen mellom sensorsignalet og den fysiske størrelsen. For LED-er må den passe spektralt til kilden, fordi smalbåndet emisjon reagerer følsomt på avvik i sensorens spektrale følsomhet. Opsytec kalibrerer sporbart til PTB og på forespørsel i det ISO/IEC 17025-akkrediterte kalibreringslaboratoriet.

Valget av et egnet LED-målesystem avhenger av målestørrelsen, bølgelengdeområdet, målegeometrien og den nødvendige måleusikkerheten. På dette grunnlaget setter vi sammen riktig kombinasjon av radiometer, spektroradiometer, sensor og integrerende kule. Beskriv måleoppgaven din for oss – enkelt-LED, modul eller armatur, størrelsen du ser etter, og bruksstedet.

Be om en egnet LED-måler

Dr.-Ing. Mark Paravia er daglig leder for Opsytec Dr. Gröbel GmbH i Ettlingen og leder det akkrediterte kalibreringslaboratoriet. Etter sin forskning på pulserende xenon-eksimerutladninger ved Institute of Lighting Technology ved KIT, er hans fokus i dag optisk strålingsmåling. Han er nestleder for DIN-standardkomiteen FNL 7 «Optical radiation» og medlem av DVGW-prosjektgruppen for UV-desinfeksjon.