Kalibrerad mätning av spektrum, irradians och ljusflöde hos LED – från UV till nära infrarött.

LED-mätteknik – mäta irradians, spektrum och ljusflöde

Beroende på mätuppgiften registrerar LED-mätare irradiansen, spektrumet, strålningsflödet eller ljusflödet hos en LED. För reproducerbara resultat måste mätstorhet, spektralområde, mätgeometri och kalibrering vara anpassade till tillämpningen.

Opsytec erbjuder kalibrerad LED-mätteknik för UV-, synliga och NIR-LED: spektroradiometern SR900, radiometrarna RMD Pro och RMD Touch med kalibrerade radiometersensorer samt kundanpassade integrerande sfärer. De karakteriserar såväl enskilda LED som LED-moduler och LED-system.

Valet av mätmetod beror på den fysikaliska storheten. För irradians används kalibrerade radiometrar. För att bestämma en LED:s spektrala fördelning krävs en spektroradiometer. Det totala strålningsflödet eller ljusflödet mäts med en integrerande sfär i kombination med en spektroradiometer.

Utöver mätstorheten påverkar även spektralområde, mätavstånd, infallsvinkel och kalibrering resultatet. Särskilt vid smalbandiga UV-LED måste sensorns spektrala känslighet stämma överens med emissionsvåglängden. För jämförbara resultat bör mätgeometrin hållas konstant och dokumenteras spårbart.

Vilken storhet som behövs beror på tillämpningen. Tabellen tilldelar varje storhet lämpligt mätinstrument och typiska tillämpningar:

För ren processkontroll räcker ofta en kalibrerad radiometer. En fullständig spektral karakterisering kräver en spektroradiometer. När vilken metod räcker jämförs i artikeln Spektroradiometer eller bredbandsradiometer.

En LED:s emissionsspektrum beskriver den spektrala fördelningen av den utsända strålningen. En spektroradiometer bestämmer utifrån det toppvåglängd, spektral bandbredd och spektral irradians.

Spektroradiometern SR900 mäter optisk strålning från 200 till 1100 nm och lämpar sig därför för UV-LED, synliga LED och många NIR-ljuskällor. Den spektrala mätningen bedömer en LED betydligt noggrannare än en bredbandssensor när emissionsvåglängden förändras eller flera spektrala komponenter förekommer. Spektrala förändringar, förskjutningar av toppvåglängden och skillnader mellan LED-batcher blir direkt synliga.

För synliga LED beräknar programvaran SRpro dessutom fotometriska och kolorimetriska storheter ur spektrumet, som färgkoordinater, dominant våglängd och korrelerad färgtemperatur.

Typiska tillämpningar är:

• Utveckling av LED och LED-moduler
• Kvalitetskontroll
• Ankomstkontroll
• Åldringsstudier
• Temperaturtester
• Karakterisering av UV-LED
• Färgmätning
• Växtbelysning
• Fotobiologiska studier

Irradiansen beskriver den optiska strålningseffekt som faller in mot en yta och anges i W/m² eller mW/cm². I många industriella tillämpningar är det denna absoluta storhet – inte hela spektrumet – som är avgörande.

Det gäller till exempel UV-härdning, UV-limning, exponering, desinfektion och fotokemiska processer. För processintegrerade och återkommande kontrollmätningar används radiometrarna RMD Pro och RMD Touch med spektralt lämpliga sensorer; båda mäter irradians och dos på två sensoringångar. För reproducerbara resultat måste mätavstånd, infallsvinkel och sensorposition hållas konstanta.

Radiometersensorerna finns för sju spektralområden: UVC (200–280 nm), UVB (280–315 nm), UVA (315–400 nm), UVA+ (330–455 nm), UVBB (230–400 nm), VISB (400–480 nm) och LUX (380–780 nm, V(λ)-viktad). Kalibrerade mäthuvuden möjliggör reproducerbara mätningar i laboratoriet och i produktionsmiljöer.

LED har ofta en utpräglad rumslig strålningskarakteristik. En mätning i en enda riktning fångar därför inte fullständigt upp den totala utsända optiska effekten.

En integrerande sfär fångar upp det totala optiska flödet från en LED. För synliga LED anges det som ljusflöde i lumen; för UV- och NIR-LED är strålningsflödet i watt den relevanta storheten. I kombination med en spektroradiometer mäter sfären vinkelintegrerat och därmed oberoende av strålningskarakteristiken – så att även LED med starkt riktad eller komplex rumslig emission kan jämföras.

För detta kan SR900 kombineras med integrerande sfärer från Opsytec. Hur ljusflöde, luminans och färgkoordinater hänger ihop för LED och displayer förklaras mer ingående på sidan Belysningsteknik, LED- & displayteknik.

För UV-LED måste sensorns spektralområde stämma med den faktiska emissionen. I det kortvågiga området kan en bredbandsradiometers spektrala missanpassning märkbart förvränga resultatet; i övergången mellan UVA och synligt ljus kan sensorns filterkant göra det.

De UVA-LED som är vanliga inom industrin emitterar vid 365, 385, 395 och 405 nm med en halvvärdesbredd på cirka 10 till 16 nm. UVA-sensorn slutar vid 400 nm. I uppmätta spektra från Opsytecs spektraldatabas ligger cirka 95 % av strålningseffekten hos en 385 nm-LED under 400 nm, hos en 395 nm-LED bara cirka 70 % och hos en 405 nm-LED knappt 30 %. Redan små förskjutningar av toppvåglängden på grund av temperatur eller ström ändrar då mätvärdet avsevärt. Opsytec rekommenderar därför UVA+-sensorn med 330–455 nm för UV-LED från 365 till 405 nm, eftersom den fångar upp hela emissionen.

Alternativt bedömer SR900 LED:en spektralt från 200 nm, oberoende av en filterkarakteristik. Det är särskilt fördelaktigt när LED-batcher, åldringseffekter eller temperaturberoende våglängdsförskjutningar undersöks. För produktions- och kontrollmätningar finns kalibrerade UVC-, UVB-, UVA- och UVA+-sensorer.

Om strålningsflödet hos UV-LED ska mätas i en integrerande sfär avgör våglängden beläggningen: under 300 nm sjunker reflektansen hos bariumsulfat, och PTFE är där den enda beläggningen med användbar reflektans. Teknik, verkningsgrad och livslängd hos UV-LED beskrivs i artikeln UV-LED för UVA, UVB och UVC.

För synliga LED är utöver radiometriska storheter ofta även fotometriska och kolorimetriska parametrar av intresse.

Beroende på mätuppställningen bestämmer den spektrala mätningen bland annat färgkoordinater, färgtemperatur och fotometriska storheter. Även den fotobiologiska bedömningen, till exempel av blåljusrisken enligt EN 62471, bygger på det uppmätta spektrumet – mer om detta under Arbetarskydd och fotobiologisk säkerhet. För belysningsstyrkan hos vita LED räcker ofta en luxmätare med V(λ)-viktad sensor.

I kombination med en integrerande sfär kan det totala ljusutflödet från en LED, en LED-modul eller en kompakt armatur registreras.

Hur mycket ljus en lampa ger per watt elektrisk effekt anges i databladet som ljusutbyte i lm/W. Jämförelsen använder typiska databladsvärden för en halogenlampa, ett lysrör och en LED-lampa vid samma elektriska effekt; värdena kan skrivas över. Ur de uppmätta spektrumen från Opsytecs spektraldatabas beräknas färgkoordinater, korrelerad färgtemperatur, färgåtergivningsindex R_a och den andel av den elektriska effekten som avges som synlig strålning. Urvalet omfattar även referensspektra för typiska lysrör och LED enligt CIE 015:2018. För varje lamptyp visas statusen enligt RoHS-direktivet.

Beroende på storhet och tillämpning används olika mätsystem: SR900 för spektrum, toppvåglängd, spektral irradians och kolorimetriska storheter; RMD Pro och RMD Touch för irradians och dos i process, laboratorium och kvalitetssäkring; radiometersensorerna för lämpligt spektralområde; och den integrerande sfären för ljusflöde och strålningsflöde hos synliga, UV- och NIR-LED.

LED-mätuppgifter sträcker sig från enkla intensitetskontroller till fullständig spektral och rumsligt integrerad karakterisering. Genom att kombinera radiometer, spektroradiometer, ljusledare, mäthuvud och integrerande sfär anpassas mätsystemet till den specifika LED:en, geometrin och mätstorheten.

Mätsystemen kalibreras för definierade spektralområden, spårbart till PTB; en DAkkS-ackrediterad kalibrering utförs av Opsytecs kalibreringslaboratorium. Spårbara kalibreringar och dokumenterade mätförhållanden är grunden för jämförbara resultat inom utveckling, kvalitetssäkring och industriell processtyrning.

Vilken mätare passar för vilken LED-mätning?
För irradians i ett mätplan, till exempel vid UV-härdning eller desinfektion, räcker en kalibrerad radiometer som RMD Pro eller RMD Touch med en sensor för lämpligt spektralområde. Spektrum, toppvåglängd, dominant våglängd, färgkoordinater och färgtemperatur kräver en spektroradiometer som SR900. Det totala ljusflödet eller strålningsflödet från en LED mäter SR900 i kombination med en integrerande sfär, eftersom endast sfären fångar upp strålningen från alla utstrålningsriktningar.

Kan LED mätas med en luxmätare?
Ja, om belysningsstyrkan efterfrågas och LED:en avger vitt eller bredbandigt ljus. En luxmätare viktar ljuset med en sensor som är anpassad efter ögats känslighetskurva V(λ). Vid färgade, smalbandiga LED slår varje avvikelse mellan sensor och V(λ) vid emissionsvåglängden igenom fullt på mätvärdet; där är den spektrala mätningen med SR900 noggrannare. För UV-LED är en luxmätare olämplig, eftersom V(λ) är noll under 380 nm; UV-strålning mäts med en radiometer eller spektroradiometer. En luxmätare mäter inte ljusflödet i lumen – för det krävs en integrerande sfär.

Vilket spektralt område passar UV-LED från 365 till 405 nm?
För UV-LED rekommenderar Opsytec UVA+-området 330–455 nm. Den klassiska UVA-sensorn slutar vid 400 nm; en 395 eller 405 nm-LED hamnar då med en del av sin emission på filterkanten, och små förskjutningar av toppvåglängden på grund av temperatur eller ström förändrar avläsningen märkbart. UVA+-området fångar hela LED-emissionen och gör mätningen okänslig för sådana förskjutningar.

Hur mäter man effekten hos en LED?
För en LED måste man skilja mellan elektrisk och optisk effekt. Den elektriska effekten är produkten av ström och spänning. Den optiska effekten mäts som strålningsflöde i watt och för synliga LED dessutom som ljusflöde i lumen – med en integrerande sfär som fångar upp strålningen från alla utstrålningsriktningar. Förhållandet mellan strålningsflöde och elektrisk effekt är LED:ens verkningsgrad. Hur mycket ljus olika lampor ger per watt elektrisk effekt visar lampjämförelsen på den här sidan.

Varför är kalibreringen av en LED-mätare viktig?
Kalibreringen fastställer sambandet mellan sensorsignalen och den fysikaliska storheten. För LED måste den spektralt passa ljuskällan, eftersom smalbandig emission reagerar känsligt på avvikelser i sensorns spektrala känslighet. Opsytec kalibrerar spårbart till PTB och på begäran i det enligt ISO/IEC 17025 ackrediterade kalibreringslaboratoriet.

Valet av ett lämpligt LED-mätsystem beror på mätstorheten, våglängdsområdet, mätgeometrin och den erforderliga mätosäkerheten. Utifrån detta sätter vi ihop rätt kombination av radiometer, spektroradiometer, sensor och integrerande sfär. Beskriv din mätuppgift för oss – enskild LED, modul eller armatur, den storhet du söker och användningsplatsen.

Begär en lämplig LED-mätare

Dr.-Ing. Mark Paravia är verkställande direktör för Opsytec Dr. Gröbel GmbH i Ettlingen och leder det ackrediterade kalibreringslaboratoriet. Efter sin forskning om pulsade xenon-excimerurladdningar vid Institute of Lighting Technology på KIT ligger hans fokus idag på mätning av optisk strålning. Han är vice ordförande för DIN-standardiseringskommittén FNL 7 "Optisk strålning" och medlem i DVGW:s projektgrupp för UV-desinfektion.