LED'lerin spektrumunun, ışınım yoğunluğunun ve ışık akısının kalibre edilmiş ölçümü – UV'den yakın kızılötesine kadar.

LED ölçüm tekniği – ışınım yoğunluğu, spektrum ve ışık akısı ölçümü

Ölçüm görevine bağlı olarak LED ölçüm cihazları bir LED'in ışınım yoğunluğunu (irradyans), spektrumunu, ışınım akısını veya ışık akısını kaydeder. Tekrarlanabilir sonuçlar için ölçülen büyüklük, spektral aralık, ölçüm geometrisi ve kalibrasyon uygulamaya göre uyarlanmalıdır.

Opsytec, UV, görünür ve NIR LED'ler için kalibre edilmiş LED ölçüm tekniği sunar: SR900 spektroradyometresi; RMD Pro ve RMD Touch radyometreleri ile bunlarla kullanılan kalibre edilmiş radyometre sensörleri; ayrıca müşteriye özel integre küreler. Bu sistemler tekil LED'lerin yanı sıra LED modüllerini ve LED sistemlerini de karakterize eder.

Ölçüm yönteminin seçimi fiziksel büyüklüğe bağlıdır. Işınım yoğunluğu için kalibre edilmiş radyometreler kullanılır. Bir LED'in spektral dağılımını belirlemek için bir spektroradyometre gerekir. Toplam ışınım akısı veya ışık akısı, bir spektroradyometre ile birlikte kullanılan bir integre küre ile ölçülür.

Ölçülen büyüklüğün yanı sıra spektral aralık, ölçüm mesafesi, geliş açısı ve kalibrasyon da sonucu etkiler. Özellikle dar bantlı UV LED'lerde sensörün spektral duyarlılığı emisyon dalga boyuna uygun olmalıdır. Karşılaştırılabilir sonuçlar için ölçüm geometrisi sabit tutulmalı ve izlenebilir biçimde belgelenmelidir.

Hangi büyüklüğün gerektiği uygulamaya bağlıdır. Tablo, her büyüklüğe uygun ölçüm cihazını ve tipik uygulamaları eşleştirir:

Salt proses kontrolü için çoğu zaman kalibre edilmiş bir radyometre yeterlidir. Eksiksiz spektral karakterizasyon için bir spektroradyometre gerekir. Hangi yöntemin ne zaman yeterli olduğu, Spektroradyometre mi, geniş bantlı radyometre mi? başlıklı makalede karşılaştırılmaktadır.

Bir LED'in emisyon spektrumu, yayılan ışınımın spektral dağılımını tanımlar. Spektroradyometre bundan tepe dalga boyunu, spektral bant genişliğini ve spektral ışınım yoğunluğunu belirler.

SR900 spektroradyometresi optik ışınımı 200 ila 1100 nm aralığında ölçer ve bu nedenle UV LED'ler, görünür LED'ler ve birçok NIR ışık kaynağı için uygundur. Emisyon dalga boyu değiştiğinde veya birden fazla spektral bileşen bulunduğunda spektral ölçüm, bir LED'i geniş bantlı bir sensöre göre çok daha doğru değerlendirir. Spektral değişiklikler, tepe dalga boyundaki kaymalar ve LED partileri arasındaki farklar doğrudan görünür hale gelir.

Görünür LED'ler için SRpro yazılımı spektrumdan ayrıca kromatiklik, baskın dalga boyu ve ilişkili renk sıcaklığı gibi fotometrik ve kolorimetrik büyüklükleri de hesaplar.

Tipik uygulamalar şunlardır:

• LED'lerin ve LED modüllerinin geliştirilmesi
• Kalite kontrolü
• Giriş kontrolü
• Yaşlanma çalışmaları
• Sıcaklık testleri
• UV LED'lerin karakterizasyonu
• Renk ölçümü
• Bitki aydınlatması
• Fotobiyolojik çalışmalar

Işınım yoğunluğu (irradyans), bir yüzeye düşen optik ışınım gücünü tanımlar ve W/m² veya mW/cm² cinsinden ifade edilir. Birçok endüstriyel uygulamada belirleyici olan, spektrumun tamamı değil, bu mutlak büyüklüktür.

Bu durum örneğin UV kürleme, UV yapıştırma, pozlama, dezenfeksiyon ve fotokimyasal prosesler için geçerlidir. Proses içi ve periyodik kontrol ölçümleri için RMD Pro ve RMD Touch radyometreleri spektral olarak uygun sensörlerle kullanılır; her ikisi de iki sensör girişinde ışınım yoğunluğunu ve dozu ölçer. Tekrarlanabilir sonuçlar için ölçüm mesafesi, geliş açısı ve sensör konumu sabit kalmalıdır.

Radyometre sensörleri yedi spektral aralıkta mevcuttur: UVC (200–280 nm), UVB (280–315 nm), UVA (315–400 nm), UVA+ (330–455 nm), UVBB (230–400 nm), VISB (400–480 nm) ve LUX (380–780 nm, V(λ) ağırlıklı). Kalibre edilmiş ölçüm başlıkları, laboratuvarda ve üretim ortamlarında tekrarlanabilir ölçümler sağlar.

LED'ler çoğu zaman belirgin bir uzamsal ışıma karakteristiğine sahiptir. Bu nedenle tek bir yönde yapılan ölçüm, yayılan toplam optik gücü tam olarak kapsamaz.

İntegre küre, bir LED'in toplam optik akısını yakalar. Görünür LED'lerde bu, lümen cinsinden ışık akısı olarak belirtilir; UV ve NIR LED'lerde ise watt cinsinden ışınım akısı esas alınan büyüklüktür. Bir spektroradyometre ile birlikte küre açısal olarak entegre, dolayısıyla ışıma karakteristiğinden bağımsız ölçüm yapar – böylece güçlü yönlü veya karmaşık uzamsal ışımaya sahip LED'ler bile karşılaştırılabilir.

Bu amaçla SR900, Opsytec integre küreleri ile birleştirilebilir. LED'lerde ve ekranlarda ışık akısı, lüminans ve kromatiklik arasındaki ilişki, Aydınlatma teknolojisi, LED ve ekran teknolojisi sayfasında daha ayrıntılı açıklanmaktadır.

UV LED'lerde sensörün spektral aralığı gerçek emisyonla örtüşmelidir. Kısa dalga bölgesinde geniş bantlı bir radyometrenin spektral uyumsuzluğu, UVA ile görünür ışık arasındaki geçiş bölgesinde ise sensörün filtre kenarı sonucu belirgin şekilde bozabilir.

Endüstride yaygın olan UVA LED'ler, yaklaşık 10 ila 16 nm'lik yarı maksimumdaki tam genişlikle 365, 385, 395 ve 405 nm'de ışıma yapar. UVA sensörü 400 nm'de sona erer. Opsytec spektral veritabanındaki ölçülmüş spektrumlarda, 385 nm'lik bir LED'in ışınım gücünün yaklaşık %95'i 400 nm'nin altında yer alırken bu oran 395 nm'lik bir LED'de yalnızca yaklaşık %70, 405 nm'lik bir LED'de ise %30'un biraz altındadır. Bu durumda sıcaklık veya akımdan kaynaklanan tepe dalga boyundaki küçük kaymalar bile okunan değeri önemli ölçüde değiştirir. Bu nedenle Opsytec, 365 ila 405 nm arasındaki UV LED'ler için emisyonun tamamını kapsayan 330–455 nm aralıklı UVA+ sensörünü önerir.

Alternatif olarak SR900, LED'i filtre karakteristiğinden bağımsız olarak 200 nm'den itibaren spektral olarak değerlendirir. Bu, özellikle LED partileri, yaşlanma etkileri veya sıcaklığa bağlı dalga boyu kaymaları incelendiğinde avantajlıdır. Üretim ve kontrol ölçümleri için kalibre edilmiş UVC, UVB, UVA ve UVA+ sensörleri mevcuttur.

UV LED'lerin ışınım akısı bir integre kürede ölçülecekse kaplamayı dalga boyu belirler: 300 nm'nin altında baryum sülfatın yansıtma oranı düşer ve orada kullanılabilir yansıtma oranına sahip tek kaplama PTFE'dir. UV LED'lerin teknolojisi, verimliliği ve ömrü UVA, UVB ve UVC için UV LED'ler başlıklı makalede anlatılmaktadır.

Görünür LED'lerde radyometrik büyüklüklerin yanı sıra çoğu zaman fotometrik ve kolorimetrik parametreler de önem taşır.

Ölçüm düzeneğine bağlı olarak spektral ölçüm, diğerlerinin yanı sıra renk koordinatlarını, renk sıcaklığını ve fotometrik büyüklükleri belirler. Örneğin EN 62471'e göre mavi ışık tehlikesi gibi fotobiyolojik değerlendirme de ölçülen spektruma dayanır – ayrıntılar İş güvenliği ve fotobiyolojik güvenlik sayfasındadır. Beyaz LED'lerin aydınlık düzeyi için çoğu zaman V(λ) ağırlıklı sensöre sahip bir lüksmetre yeterlidir.

Bir integre küre ile birlikte bir LED'in, bir LED modülünün veya kompakt bir armatürün toplam ışık çıkışı ölçülebilir.

Bir lambanın bir watt elektrik gücünden ne kadar ışık ürettiği, veri sayfasında lm/W cinsinden ışık verimliliği olarak belirtilir. Karşılaştırmada, eşit elektrik gücünde bir halojen lamba, bir floresan lamba ve bir LED lambanın tipik veri sayfası değerleri kullanılır; bu değerlerin üzerine yazılabilir. Opsytec spektral veritabanındaki ölçülmüş spektrumlardan kromatiklik, ilişkili renk sıcaklığı, renksel geriverim indeksi R_a ve elektrik gücünün görünür ışınım olarak yayılan payı elde edilir. Seçimde ayrıca CIE 015:2018'e göre tipik floresan lambaların ve LED'lerin referans spektrumları da yer alır. Her lamba tipi için RoHS Direktifi kapsamındaki durum gösterilir.

Büyüklüğe ve uygulamaya bağlı olarak farklı ölçüm sistemleri kullanılır: spektrum, tepe dalga boyu, spektral ışınım yoğunluğu ve kolorimetrik büyüklükler için SR900; proseste, laboratuvarda ve kalite güvencesinde ışınım yoğunluğu ve doz için RMD Pro ve RMD Touch; ilgili spektral aralık için radyometre sensörleri; görünür, UV ve NIR LED'lerin ışık akısı ve ışınım akısı için ise integre küre.

LED ölçüm görevleri basit yoğunluk kontrollerinden eksiksiz spektral ve uzamsal olarak entegre karakterizasyona kadar uzanır. Radyometre, spektroradyometre, ışık kılavuzu, ölçüm başlığı ve integre kürenin birleştirilmesiyle ölçüm sistemi ilgili LED'e, geometriye ve ölçülen büyüklüğe göre uyarlanır.

Ölçüm sistemleri, tanımlı spektral aralıklar için PTB'ye metrolojik izlenebilirlikle kalibre edilir; DAkkS akreditasyonlu kalibrasyon Opsytec kalibrasyon laboratuvarı tarafından yapılır. İzlenebilir kalibrasyonlar ve belgelenmiş ölçüm koşulları, geliştirme, kalite güvencesi ve endüstriyel proses kontrolünde karşılaştırılabilir sonuçların temelini oluşturur.

Hangi LED ölçümü için hangi ölçüm cihazı uygundur?
Örneğin UV kürleme veya dezenfeksiyonda bir ölçüm düzlemindeki ışınım yoğunluğu için, ilgili spektral aralığa uygun sensörlü RMD Pro veya RMD Touch gibi kalibre edilmiş bir radyometre yeterlidir. Spektrum, tepe dalga boyu, baskın dalga boyu, kromatiklik ve renk sıcaklığı için SR900 gibi bir spektroradyometre gerekir. SR900, bir LED'in toplam ışık akısını veya ışınım akısını bir integre küre ile birlikte ölçer; çünkü tüm ışıma yönlerinden gelen ışınımı ancak küre yakalar.

LED'ler lüksmetre ile ölçülebilir mi?
Evet, aydınlık düzeyi gerekiyorsa ve LED beyaz ya da geniş bantlı ışık yayıyorsa. Bir lüksmetre, ışığı V(λ) göz duyarlılık eğrisi örnek alınarak tasarlanmış bir sensörle ağırlıklandırır. Renkli, dar bantlı LED'lerde sensör ile V(λ) arasında emisyon dalga boyundaki her sapma okunan değere tamamen yansır; bu durumda SR900 ile spektral ölçüm daha doğrudur. V(λ) 380 nm'nin altında sıfır olduğundan lüksmetre UV LED'ler için uygun değildir; UV ışınımı bir radyometre veya spektroradyometre ile ölçülür. Lüksmetre, lümen cinsinden ışık akısını ölçmez – bunun için bir integre küre gerekir.

365 ila 405 nm arasındaki UV LED'ler için hangi spektral aralık uygundur?
UV LED'ler için Opsytec, 330–455 nm'lik UVA+ aralığını önermektedir. Klasik UVA sensörü 400 nm'de sona erer; bu durumda 395 veya 405 nm'lik bir LED'in emisyonunun bir kısmı filtre kenarında kalır ve tepe dalga boyunun sıcaklık veya akıma bağlı küçük kaymaları okumayı fark edilir şekilde değiştirir. UVA+ aralığı LED'in tüm emisyonunu kapsar ve ölçümü bu tür kaymalara karşı duyarsız kılar.

Bir LED'in gücü nasıl ölçülür?
Bir LED'de elektriksel ve optik güç arasında ayrım yapılmalıdır. Elektriksel güç, akım ile gerilimin çarpımıdır. Optik güç, watt cinsinden ışınım akısı olarak ve görünür LED'lerde ek olarak lümen cinsinden ışık akısı olarak ölçülür – tüm ışıma yönlerinden gelen ışınımı yakalayan bir integre küre ile. Işınım akısının elektriksel güce oranı LED'in verimidir. Farklı lambaların bir watt elektrik gücünden ne kadar ışık ürettiğini bu sayfadaki lamba karşılaştırması gösterir.

Bir LED ölçüm cihazının kalibrasyonu neden önemlidir?
Kalibrasyon, sensör sinyali ile fiziksel büyüklük arasındaki ilişkiyi kurar. LED'lerde kalibrasyon spektral olarak kaynağa uygun olmalıdır; çünkü dar bantlı emisyon, sensörün spektral duyarlılığındaki sapmalara hassas tepki verir. Opsytec, PTB'ye izlenebilir şekilde ve talep üzerine ISO/IEC 17025'e göre akredite kalibrasyon laboratuvarında kalibrasyon yapar.

Uygun bir LED ölçüm sisteminin seçimi; ölçülen büyüklüğe, dalga boyu aralığına, ölçüm geometrisine ve gerekli ölçüm belirsizliğine bağlıdır. Bu temelde radyometre, spektroradyometre, sensör ve integre kürenin doğru kombinasyonunu bir araya getiriyoruz. Lütfen ölçüm görevinizi bize anlatınız – tekil LED, modül veya armatür, aradığınız büyüklük ve kullanım yeri.

Uygun bir LED ölçüm cihazı için teklif isteyin

Dr.-Ing. Mark Paravia, Ettlingen'de bulunan Opsytec Dr. Gröbel GmbH'nin genel müdürüdür ve akredite kalibrasyon laboratuvarını yönetmektedir. KIT'teki Aydınlatma Teknolojisi Enstitüsü'nde darbeli ksenon eksimer deşarjları üzerine yürüttüğü araştırmaların ardından, bugünkü çalışma alanı optik radyasyon ölçümüdür. DIN standart komitesi FNL 7 "Optik radyasyon"un başkan yardımcısı ve DVGW UV dezenfeksiyonu proje grubunun üyesidir.