Wzorcowany pomiar widma, natężenia napromienienia i strumienia świetlnego diod LED – od UV po bliską podczerwień.

Technika pomiarowa LED – pomiar natężenia napromienienia, widma i strumienia świetlnego

W zależności od zadania pomiarowego mierniki LED rejestrują natężenie napromienienia, widmo, strumień promieniowania lub strumień świetlny diody LED. Aby uzyskać powtarzalne wyniki, wielkość mierzoną, zakres widmowy, geometrię pomiaru i wzorcowanie należy dopasować do zastosowania.

Opsytec oferuje wzorcowaną technikę pomiarową LED dla diod LED UV, widzialnych i NIR: spektroradiometr SR900, radiometry RMD Pro i RMD Touch ze wzorcowanymi czujnikami radiometrycznymi oraz wykonywane na zamówienie kule całkujące. Służą one do charakteryzacji zarówno pojedynczych diod LED, jak i modułów oraz systemów LED.

Wybór metody pomiarowej zależy od wielkości fizycznej. Do pomiaru natężenia napromienienia stosuje się wzorcowane radiometry. Do wyznaczenia rozkładu widmowego diody LED potrzebny jest spektroradiometr. Całkowity strumień promieniowania lub strumień świetlny mierzy się za pomocą kuli całkującej w połączeniu ze spektroradiometrem.

Oprócz wielkości mierzonej na wynik wpływają również zakres widmowy, odległość pomiarowa, kąt padania i wzorcowanie. Szczególnie w przypadku wąskopasmowych diod LED UV czułość widmowa czujnika musi być dopasowana do długości fali emisji. Aby uzyskać porównywalne wyniki, geometrię pomiaru należy utrzymywać bez zmian i dokumentować w sposób umożliwiający jej odtworzenie.

To, która wielkość jest potrzebna, zależy od zastosowania. Tabela przyporządkowuje każdej wielkości odpowiedni przyrząd pomiarowy i typowe zastosowania:

Do samej kontroli procesu często wystarcza wzorcowany radiometr. Pełna charakterystyka widmowa wymaga spektroradiometru. To, kiedy która metoda jest wystarczająca, porównano w artykule Spektroradiometr czy radiometr szerokopasmowy.

Widmo emisyjne diody LED opisuje rozkład widmowy emitowanego promieniowania. Spektroradiometr wyznacza na jego podstawie szczytową długość fali, szerokość pasma widmowego i widmowe natężenie napromienienia.

Spektroradiometr SR900 mierzy promieniowanie optyczne w zakresie od 200 do 1100 nm i dzięki temu nadaje się do diod LED UV, diod LED światła widzialnego i wielu źródeł promieniowania NIR. Pomiar widmowy ocenia diodę LED znacznie dokładniej niż czujnik szerokopasmowy, gdy długość fali emisji się zmienia lub występuje kilka składowych widmowych. Zmiany widmowe, przesunięcia szczytowej długości fali i różnice między partiami diod LED stają się bezpośrednio widoczne.

W przypadku diod LED światła widzialnego oprogramowanie SRpro oblicza z widma także wielkości fotometryczne i kolorymetryczne, takie jak chromatyczność, dominująca długość fali i skorelowana temperatura barwowa.

Typowe zastosowania to:

• Rozwój diod LED i modułów LED
• Kontrola jakości
• Kontrola wejściowa
• Badania starzeniowe
• Testy temperaturowe
• Charakteryzacja diod LED UV
• Pomiar barwy
• Oświetlenie roślin
• Badania fotobiologiczne

Natężenie napromienienia opisuje moc promieniowania optycznego padającego na powierzchnię i jest wyrażane w W/m² lub mW/cm². W wielu zastosowaniach przemysłowych decydujące znaczenie ma właśnie ta wielkość bezwzględna – a nie pełne widmo.

Dotyczy to na przykład utwardzania UV, klejenia UV, naświetlania, dezynfekcji oraz procesów fotochemicznych. Do pomiarów w trakcie procesu i okresowych pomiarów kontrolnych stosuje się radiometry RMD Pro i RMD Touch z czujnikami o odpowiednim zakresie widmowym; oba przyrządy mierzą natężenie napromienienia i dawkę na dwóch wejściach czujnikowych. Aby uzyskać powtarzalne wyniki, odległość pomiarowa, kąt padania i położenie czujnika muszą pozostać stałe.

Czujniki radiometryczne są dostępne w siedmiu zakresach widmowych: UVC (200–280 nm), UVB (280–315 nm), UVA (315–400 nm), UVA+ (330–455 nm), UVBB (230–400 nm), VISB (400–480 nm) i LUX (380–780 nm, z ważeniem V(λ)). Wzorcowane głowice pomiarowe umożliwiają powtarzalne pomiary w laboratorium i w środowisku produkcyjnym.

Diody LED mają często wyraźnie ukierunkowaną przestrzenną charakterystykę promieniowania. Pomiar w jednym kierunku nie obejmuje więc w pełni całkowitej emitowanej mocy optycznej.

Kula całkująca rejestruje całkowity strumień optyczny diody LED. W przypadku diod LED światła widzialnego podaje się go jako strumień świetlny w lumenach; dla diod LED UV i NIR miarodajną wielkością jest strumień promieniowania w watach. W połączeniu ze spektroradiometrem kula mierzy w sposób scałkowany po kątach, a więc niezależnie od charakterystyki promieniowania – dzięki temu można porównywać nawet diody LED o silnie kierunkowej lub złożonej przestrzennej charakterystyce emisji.

W tym celu SR900 można połączyć z kulami całkującymi Opsytec. Związek między strumieniem świetlnym, luminancją i chromatycznością w przypadku diod LED i wyświetlaczy wyjaśniono szerzej na stronie Technika oświetleniowa, LED i technologia wyświetlaczy.

W przypadku diod LED UV zakres widmowy czujnika musi odpowiadać rzeczywistej emisji. W zakresie krótkofalowym wynik może wyraźnie zniekształcić niedopasowanie widmowe radiometru szerokopasmowego, a w obszarze przejścia między UVA a światłem widzialnym – krawędź filtra czujnika.

Powszechnie stosowane w przemyśle diody LED UVA emitują przy 365, 385, 395 i 405 nm, z szerokością połówkową od około 10 do 16 nm. Czujnik UVA kończy się na 400 nm. W zmierzonych widmach z bazy danych widm Opsytec około 95 % mocy promieniowania diody LED 385 nm leży poniżej 400 nm, w przypadku diody LED 395 nm tylko około 70 %, a w przypadku diody LED 405 nm niecałe 30 %. Nawet niewielkie przesunięcia szczytowej długości fali spowodowane temperaturą lub prądem znacznie zmieniają wówczas odczyt. Dlatego do diod LED UV od 365 do 405 nm Opsytec zaleca czujnik UVA+ o zakresie 330–455 nm, ponieważ obejmuje on całą emisję.

Alternatywnie SR900 ocenia diodę LED widmowo od 200 nm, niezależnie od charakterystyki filtra. Jest to szczególnie korzystne, gdy badane są partie diod LED, efekty starzenia lub przesunięcia długości fali zależne od temperatury. Do pomiarów produkcyjnych i kontrolnych dostępne są wzorcowane czujniki UVC, UVB, UVA i UVA+.

Jeśli strumień promieniowania diod LED UV ma być mierzony w kuli całkującej, o rodzaju powłoki decyduje długość fali: poniżej 300 nm współczynnik odbicia siarczanu baru spada, a PTFE jest tam jedyną powłoką o użytecznym współczynniku odbicia. Technologię, sprawność i trwałość diod LED UV opisano w artykule Diody LED UV dla UVA, UVB i UVC.

W przypadku diod LED światła widzialnego oprócz wielkości radiometrycznych często istotne są również parametry fotometryczne i kolorymetryczne.

W zależności od układu pomiarowego pomiar widmowy wyznacza m.in. współrzędne chromatyczności, temperaturę barwową i wielkości fotometryczne. Na zmierzonym widmie opiera się również ocena fotobiologiczna, na przykład zagrożenia światłem niebieskim zgodnie z EN 62471 – więcej na ten temat w sekcji Bezpieczeństwo pracy i bezpieczeństwo fotobiologiczne. Do pomiaru natężenia oświetlenia od białych diod LED często wystarcza luksomierz z czujnikiem o charakterystyce V(λ).

W połączeniu z kulą całkującą można zmierzyć całkowity strumień świetlny diody LED, modułu LED lub kompaktowej oprawy.

To, ile światła lampa wytwarza z jednego wata mocy elektrycznej, podaje się w karcie katalogowej jako skuteczność świetlną w lm/W. W porównaniu wykorzystano typowe wartości katalogowe lampy halogenowej, świetlówki i lampy LED przy jednakowej mocy elektrycznej; wartości można nadpisać. Ze zmierzonych widm z bazy danych widm Opsytec wyznaczane są chromatyczność, skorelowana temperatura barwowa, wskaźnik oddawania barw R_a oraz udział mocy elektrycznej emitowany jako promieniowanie widzialne. Wybór obejmuje także widma odniesienia typowych świetlówek i diod LED według CIE 015:2018. Dla każdego typu lampy pokazano jej status według dyrektywy RoHS.

W zależności od wielkości i zastosowania stosuje się różne systemy pomiarowe: SR900 do pomiaru widma, szczytowej długości fali, widmowego natężenia napromienienia i wielkości kolorymetrycznych; RMD Pro i RMD Touch do pomiaru natężenia napromienienia i dawki w procesie, w laboratorium i w zapewnieniu jakości; czujniki radiometryczne do odpowiedniego zakresu widmowego; a kulę całkującą do pomiaru strumienia świetlnego i strumienia promieniowania diod LED światła widzialnego, UV i NIR.

Zadania pomiarowe dotyczące diod LED obejmują zarówno proste sprawdzanie intensywności, jak i pełną charakterystykę widmową i scałkowaną przestrzennie. Dzięki połączeniu radiometru, spektroradiometru, światłowodu, głowicy pomiarowej i kuli całkującej system pomiarowy zostaje dopasowany do konkretnej diody LED, geometrii i wielkości mierzonej.

Systemy pomiarowe są wzorcowane dla określonych zakresów widmowych z zachowaniem spójności pomiarowej z wzorcami PTB; wzorcowanie akredytowane przez DAkkS wykonuje laboratorium wzorcujące Opsytec. Wzorcowania zapewniające spójność pomiarową i udokumentowane warunki pomiaru są podstawą porównywalnych wyników w pracach rozwojowych, zapewnieniu jakości i przemysłowym sterowaniu procesami.

Który miernik nadaje się do jakiego pomiaru LED?
Do pomiaru natężenia napromienienia w płaszczyźnie pomiarowej, na przykład przy utwardzaniu UV lub dezynfekcji, wystarcza wzorcowany radiometr, taki jak RMD Pro lub RMD Touch, z czujnikiem o odpowiednim zakresie widmowym. Widmo, szczytowa długość fali, dominująca długość fali, chromatyczność i temperatura barwowa wymagają spektroradiometru, takiego jak SR900. Całkowity strumień świetlny lub strumień promieniowania diody LED SR900 mierzy w połączeniu z kulą całkującą, ponieważ dopiero kula rejestruje promieniowanie ze wszystkich kierunków emisji.

Czy diody LED można mierzyć luksomierzem?
Tak, jeśli potrzebne jest natężenie oświetlenia, a dioda LED emituje światło białe lub szerokopasmowe. Luksomierz waży światło czujnikiem, którego czułość odwzorowuje krzywą względnej skuteczności świetlnej V(λ). W przypadku kolorowych, wąskopasmowych diod LED każde odchylenie czujnika od V(λ) przy długości fali emisji w pełni przekłada się na odczyt; tam dokładniejszy jest pomiar widmowy za pomocą SR900. Luksomierz nie nadaje się do diod LED UV, ponieważ poniżej 380 nm V(λ) wynosi zero; promieniowanie UV mierzy się radiometrem lub spektroradiometrem. Luksomierz nie mierzy strumienia świetlnego w lumenach – do tego potrzebna jest kula całkująca.

Który zakres widmowy pasuje do diod LED UV od 365 do 405 nm?
Do diod LED UV firma Opsytec zaleca zakres UVA+ 330–455 nm. Klasyczny czujnik UVA kończy się na 400 nm; dioda LED 395 lub 405 nm znajduje się wówczas częściowo na krawędzi filtra, a niewielkie przesunięcia szczytowej długości fali spowodowane temperaturą lub prądem wyraźnie zmieniają odczyt. Zakres UVA+ obejmuje całą emisję diody LED i sprawia, że pomiar jest niewrażliwy na takie przesunięcia.

Jak mierzy się moc diody LED?
W przypadku diody LED należy rozróżnić moc elektryczną i moc optyczną. Moc elektryczna jest iloczynem prądu i napięcia. Moc optyczną mierzy się jako strumień promieniowania w watach, a w przypadku diod LED światła widzialnego dodatkowo jako strumień świetlny w lumenach – za pomocą kuli całkującej, która rejestruje promieniowanie ze wszystkich kierunków emisji. Stosunek strumienia promieniowania do mocy elektrycznej to sprawność diody LED. Ile światła różne lampy wytwarzają z jednego wata mocy elektrycznej, pokazuje porównanie lamp na tej stronie.

Dlaczego wzorcowanie miernika LED jest ważne?
Wzorcowanie ustala zależność między sygnałem czujnika a wielkością fizyczną. W przypadku diod LED musi ono być dopasowane widmowo do źródła, ponieważ emisja wąskopasmowa reaguje czule na odchylenia czułości widmowej czujnika. Opsytec wykonuje wzorcowania z zachowaniem spójności pomiarowej z wzorcami PTB, a na życzenie w laboratorium wzorcującym akredytowanym zgodnie z ISO/IEC 17025.

Wybór odpowiedniego systemu pomiarowego LED zależy od wielkości mierzonej, zakresu długości fal, geometrii pomiaru i wymaganej niepewności pomiaru. Na tej podstawie dobieramy właściwe połączenie radiometru, spektroradiometru, czujnika i kuli całkującej. Prosimy o opisanie Państwa zadania pomiarowego – pojedyncza dioda LED, moduł czy oprawa, poszukiwana wielkość oraz miejsce zastosowania.

Zapytanie o odpowiedni miernik LED

Dr inż. Mark Paravia jest dyrektorem zarządzającym Opsytec Dr. Gröbel GmbH w Ettlingen i kieruje akredytowanym laboratorium wzorcującym. Po prowadzeniu badań nad pulsacyjnymi wyładowaniami ekscymerowymi w ksenonie w Instytucie Techniki Świetlnej na KIT, jego dzisiejszym obszarem zainteresowań jest pomiar promieniowania optycznego. Jest zastępcą przewodniczącego komitetu normalizacyjnego DIN FNL 7 „Promieniowanie optyczne" oraz członkiem grupy projektowej DVGW ds. dezynfekcji UV.