Medição calibrada do espectro, da irradiância e do fluxo luminoso de LEDs – do UV ao infravermelho próximo.

Tecnologia de medição de LED – medir irradiância, espectro e fluxo luminoso

Dependendo da tarefa de medição, os medidores de LED registram a irradiância, o espectro, o fluxo radiante ou o fluxo luminoso de um LED. Para resultados reprodutíveis, a grandeza medida, a faixa espectral, a geometria de medição e a calibração devem ser adequadas à aplicação.

A Opsytec oferece tecnologia de medição calibrada para LEDs UV, visíveis e NIR: o espectrorradiômetro SR900, os radiômetros RMD Pro e RMD Touch com sensores radiométricos calibrados e esferas integradoras sob medida. Eles caracterizam tanto LEDs individuais quanto módulos e sistemas de LED.

A escolha do método de medição depende da grandeza física. Para a irradiância, são utilizados radiômetros calibrados. Para determinar a distribuição espectral de um LED, é necessário um espectrorradiômetro. O fluxo radiante total ou o fluxo luminoso é medido com uma esfera integradora em combinação com um espectrorradiômetro.

Além da grandeza medida, a faixa espectral, a distância de medição, o ângulo de incidência e a calibração influenciam o resultado. Especialmente com LEDs UV de banda estreita, a responsividade espectral do sensor deve corresponder ao comprimento de onda de emissão. Para resultados comparáveis, a geometria de medição deve ser mantida constante e documentada de forma rastreável.

A grandeza necessária depende da aplicação. A tabela associa a cada grandeza o instrumento de medição adequado e as aplicações típicas:

Para o simples controle de processos, um radiômetro calibrado costuma ser suficiente. Uma caracterização espectral completa requer um espectrorradiômetro. Em que casos cada método é adequado é comparado no artigo Espectrorradiômetro ou radiômetro de banda larga.

O espectro de emissão de um LED descreve a distribuição espectral da radiação emitida. A partir dele, um espectrorradiômetro determina o comprimento de onda de pico, a largura de banda espectral e a irradiância espectral.

O espectrorradiômetro SR900 mede a radiação óptica de 200 a 1100 nm e, portanto, é adequado para LEDs UV, LEDs visíveis e muitas fontes de luz NIR. A medição espectral avalia um LED com muito mais precisão do que um sensor de banda larga quando o comprimento de onda de emissão varia ou quando há várias componentes espectrais. Alterações espectrais, deslocamentos do comprimento de onda de pico e diferenças entre lotes de LEDs tornam-se diretamente visíveis.

Para LEDs visíveis, o software SRpro também calcula, a partir do espectro, grandezas fotométricas e colorimétricas, como cromaticidade, comprimento de onda dominante e temperatura de cor correlata.

Aplicações típicas são:

• Desenvolvimento de LEDs e módulos de LED
• Controle de qualidade
• Inspeção de recebimento
• Estudos de envelhecimento
• Testes de temperatura
• Caracterização de LEDs UV
• Medição de cor
• Iluminação de plantas
• Estudos fotobiológicos

A irradiância descreve a potência radiante óptica incidente sobre uma superfície e é expressa em W/m² ou mW/cm². Em muitas aplicações industriais, o que importa é essa grandeza absoluta – e não o espectro completo.

Isso se aplica, por exemplo, à cura UV, à colagem UV, à exposição, à desinfecção e a processos fotoquímicos. Para medições no processo e medições de controle recorrentes, são utilizados os radiômetros RMD Pro e RMD Touch com sensores espectralmente adequados; ambos medem irradiância e dose em duas entradas de sensor. Para resultados reprodutíveis, a distância de medição, o ângulo de incidência e a posição do sensor devem permanecer constantes.

Os sensores radiométricos estão disponíveis em sete faixas espectrais: 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, ponderado por V(λ)). Cabeçotes de medição calibrados permitem medições reprodutíveis em laboratório e em ambientes de produção.

Os LEDs costumam ter uma distribuição espacial de radiação acentuada. Uma medição em uma única direção, portanto, não abrange totalmente a potência óptica total emitida.

Uma esfera integradora capta o fluxo óptico total de um LED. Para LEDs visíveis, ele é indicado como fluxo luminoso em lúmens; para LEDs UV e NIR, a grandeza relevante é o fluxo radiante em watts. Em combinação com um espectrorradiômetro, a esfera mede de forma integrada no ângulo e, portanto, independentemente da distribuição da radiação – assim, até mesmo LEDs com emissão espacial fortemente direcional ou complexa podem ser comparados.

Para isso, o SR900 pode ser combinado com as esferas integradoras da Opsytec. A relação entre fluxo luminoso, luminância e cromaticidade em LEDs e displays é explicada com mais detalhes na página Luminotécnica, tecnologia LED & de displays.

Com LEDs UV, a faixa espectral do sensor deve corresponder à emissão real. Na região de ondas curtas, o descasamento espectral de um radiômetro de banda larga pode distorcer consideravelmente o resultado; na transição entre UVA e luz visível, a borda do filtro do sensor pode ter o mesmo efeito.

Os LEDs UVA comuns na indústria emitem em 365, 385, 395 e 405 nm, com uma largura a meia altura de cerca de 10 a 16 nm. O sensor UVA termina em 400 nm. Nos espectros medidos do banco de dados espectral da Opsytec, cerca de 95 % da potência radiante de um LED de 385 nm fica abaixo de 400 nm, apenas cerca de 70 % no caso de um LED de 395 nm e pouco menos de 30 % no caso de um LED de 405 nm. Mesmo pequenos deslocamentos do comprimento de onda de pico causados pela temperatura ou pela corrente alteram então consideravelmente o valor medido. Por isso, a Opsytec recomenda o sensor UVA+ de 330–455 nm para LEDs UV de 365 a 405 nm, pois ele capta toda a emissão.

Alternativamente, o SR900 avalia o LED espectralmente a partir de 200 nm, independentemente da característica de um filtro. Isso é particularmente vantajoso quando se investigam lotes de LEDs, efeitos de envelhecimento ou deslocamentos de comprimento de onda relacionados à temperatura. Para medições de produção e de controle, estão disponíveis sensores UVC, UVB, UVA e UVA+ calibrados.

Se o fluxo radiante de LEDs UV for medido em uma esfera integradora, o comprimento de onda determina o revestimento: abaixo de 300 nm, a refletância do sulfato de bário diminui, e o PTFE é o único revestimento com uma refletância utilizável nessa região. A tecnologia, a eficiência e a vida útil dos LEDs UV são descritas no artigo LEDs UV para UVA, UVB e UVC.

Em LEDs visíveis, além das grandezas radiométricas, muitas vezes interessam também parâmetros fotométricos e colorimétricos.

Dependendo da configuração de medição, a medição espectral determina, entre outros, as coordenadas de cromaticidade, a temperatura de cor e grandezas fotométricas. A avaliação fotobiológica, por exemplo do risco de luz azul segundo a EN 62471, também se baseia no espectro medido – mais informações em Segurança do trabalho e segurança fotobiológica. Para a iluminância de LEDs brancos, muitas vezes basta um luxímetro com sensor ponderado por V(λ).

Em combinação com uma esfera integradora, é possível captar a emissão luminosa total de um LED, de um módulo de LED ou de uma luminária compacta.

A quantidade de luz que uma lâmpada produz a partir de um watt de potência elétrica é indicada na folha de dados como eficiência luminosa em lm/W. A comparação utiliza valores típicos de folha de dados de uma lâmpada halógena, uma lâmpada fluorescente e uma lâmpada LED com a mesma potência elétrica; os valores podem ser substituídos. A partir dos espectros medidos do banco de dados espectral da Opsytec, obtêm-se a cromaticidade, a temperatura de cor correlata, o índice de reprodução de cor R_a e a parcela da potência elétrica emitida como radiação visível. A seleção inclui também os espectros de referência de lâmpadas fluorescentes e LEDs típicos segundo a CIE 015:2018. Para cada tipo de lâmpada, é indicada a situação em relação à Diretiva RoHS.

Dependendo da grandeza e da aplicação, são utilizados diferentes sistemas de medição: o SR900 para espectro, comprimento de onda de pico, irradiância espectral e grandezas colorimétricas; RMD Pro e RMD Touch para irradiância e dose no processo, no laboratório e na garantia da qualidade; os sensores radiométricos para a faixa espectral adequada; e a esfera integradora para o fluxo luminoso e o fluxo radiante de LEDs visíveis, UV e NIR.

As tarefas de medição de LEDs vão desde simples verificações de intensidade até a caracterização completa, espectral e integrada espacialmente. Com a combinação de radiômetro, espectrorradiômetro, guia de luz, cabeçote de medição e esfera integradora, o sistema de medição é adaptado ao LED específico, à geometria e à grandeza medida.

Os sistemas de medição são calibrados para faixas espectrais definidas, com rastreabilidade metrológica ao PTB; uma calibração acreditada pela DAkkS é realizada pelo laboratório de calibração da Opsytec. Calibrações rastreáveis e condições de medição documentadas são a base para resultados comparáveis no desenvolvimento, na garantia da qualidade e no controle de processos industriais.

Qual medidor é adequado para cada medição de LED?
Para a irradiância em um plano de medição, por exemplo na cura UV ou na desinfecção, basta um radiômetro calibrado, como o RMD Pro ou o RMD Touch, com um sensor para a faixa espectral adequada. Espectro, comprimento de onda de pico, comprimento de onda dominante, cromaticidade e temperatura de cor exigem um espectrorradiômetro, como o SR900. O SR900 mede o fluxo luminoso total ou o fluxo radiante de um LED em combinação com uma esfera integradora, pois somente a esfera capta a radiação de todas as direções de emissão.

É possível medir LEDs com um luxímetro?
Sim, se for necessária a iluminância e o LED emitir luz branca ou de banda larga. Um luxímetro pondera a luz com um sensor ajustado à curva de sensibilidade espectral do olho V(λ). Com LEDs coloridos de banda estreita, qualquer desvio entre o sensor e V(λ) no comprimento de onda de emissão afeta integralmente o valor medido; nesses casos, a medição espectral com o SR900 é mais precisa. Um luxímetro não é adequado para LEDs UV, pois V(λ) é zero abaixo de 380 nm; a radiação UV é medida com um radiômetro ou espectrorradiômetro. Um luxímetro não mede o fluxo luminoso em lúmens – para isso é necessária uma esfera integradora.

Qual faixa espectral é adequada para LEDs UV de 365 a 405 nm?
Para LEDs UV, a Opsytec recomenda a faixa UVA+ de 330–455 nm. O sensor UVA clássico termina em 400 nm; um LED de 395 ou 405 nm fica, então, com parte de sua emissão na borda do filtro, e pequenos deslocamentos do comprimento de onda de pico devido à temperatura ou à corrente alteram sensivelmente a leitura. A faixa UVA+ capta toda a emissão do LED e torna a medição insensível a esses deslocamentos.

Como se mede a potência de um LED?
Em um LED, é preciso distinguir entre potência elétrica e potência óptica. A potência elétrica é o produto da corrente pela tensão. A potência óptica é medida como fluxo radiante em watts e, para LEDs visíveis, também como fluxo luminoso em lúmens – com uma esfera integradora que capta a radiação de todas as direções de emissão. A relação entre o fluxo radiante e a potência elétrica é a eficiência do LED. Quanta luz diferentes lâmpadas produzem a partir de um watt de potência elétrica é mostrado pela comparação de lâmpadas nesta página.

Por que a calibração de um medidor de LED é importante?
A calibração estabelece a relação entre o sinal do sensor e a grandeza física. No caso de LEDs, ela deve ser espectralmente adequada à fonte, pois a emissão de banda estreita reage de forma sensível a desvios na responsividade espectral do sensor. A Opsytec calibra com rastreabilidade metrológica ao PTB e, sob solicitação, no laboratório de calibração acreditado segundo a ISO/IEC 17025.

A escolha de um sistema de medição de LED adequado depende da grandeza medida, da faixa de comprimentos de onda, da geometria de medição e da incerteza de medição exigida. Com base nisso, montamos a combinação adequada de radiômetro, espectrorradiômetro, sensor e esfera integradora. Descreva-nos sua tarefa de medição – LED individual, módulo ou luminária, a grandeza procurada e o local de uso.

Solicite um medidor de LED adequado

Dr.-Ing. Mark Paravia é o diretor-gerente da Opsytec Dr. Gröbel GmbH em Ettlingen e chefia o laboratório de calibração acreditado. Após suas pesquisas sobre descargas de excímero de xenônio pulsado no Institute of Lighting Technology do KIT, seu foco atual é a medição de radiação óptica. Ele é vice-presidente do comitê de normas DIN FNL 7 "Optical radiation" e membro do grupo de projeto da DVGW sobre desinfecção por UV.