OPTISCHE MESSTECHNIK
Vermessung von LEDs
Qualitätssteigerung durch optimale LED-Messtechnik PHOTOMETRIE UND COLORIMETRIE IN DER LED-TECHNIK Die Kabinenbeleuchtung von Flugzeugen, Statusanzeigen in Smartphones oder die Hintergrundbeleuchtung von topmodernen LC-Fernsehern – kein Gerät kommt heute ohne LEDs aus. Feinste Nuancen im Farbort oder der Farbtemperatur verderben das Gefühl der Hochwertigkeit eines Produkts, das menschliche Auge ist hier unbestechlich. HELGE BRÜGGEMANN
ie Kombination aus Langlebigkeit und extremer mechanischer Robustheit sowie die erwartete hohe Lichtausbeute sind bei LEDs einzigartig. Neben den milliardenfach hergestellten 3mmLEDs und den superlichtstarken 400mAHalbraumstrahlern werden auch organische LEDs immer beliebter. Bei hohen Intensitäten oder großflächigen Ausleuchtungen werden ausschließlich LEDs gebündelt, deren Eigenschaften sehr ähnlich sind. Nicht ohne Grund sind die Anforderungen an eine einheitliche Farbe bei der
D
KONTAKT Laser 2000 GmbH 82234 Wessling, Deutschland Tel. +49 (0)8153 405-0 Fax +49 (0)8153 405-33 www.laser2000.de
28
Laser+Photonik
Gruppierung von LEDs extrem hoch. Das gilt nicht nur für farbige LEDs, deren temperaturabhängige Schwerpunktwellenlänge schwankt, ebenso führt ein ungleichmäßiger Phosphorauftrag bei weißen LEDs zu Gelb-/Blaueindrücken (Bild 1).
Qualitätssicherung mittels Photometrie und Colorimetrie Die Photometrie setzt die von einem Detektor gemessene optische Strahlungsleistung in Beziehung zum Sinneseindruck durch das menschliche Auge. Sie bildet also die Lichtwahrnehmung des Auges messtechnisch nach. Grundlage sind jene Kurven V(l), die die mittlere physiologische Hellempfindlichkeit des menschlichen Auges in Abhängigkeit von der Wellenlänge l und der Intensität beschreiben. Die Kalibrierung der Detektoren erfolgt in Lux, Candela (cd), cd/m2 oder Lumen. Die Colorimetrie (Farbmessung) versucht mittels standardisierter mathe-
1 ›c1b‹ und ›c2‹ stellen bei diesem CIE-Farbdiagramm beispielsweise den eng definierten Farbraum für weiße LEDs dar
matischer Formeln das visuelle Ergebnis einer Farbbetrachtung oder eines Farbvergleichs zahlenmäßig darzustellen.
4 | 2009
Vermessung von LEDs
OPTISCHE MESSTECHNIK
INFO: Color Rendering Index, CRI
Tristimuluskurven
Der bereits oben erwähnte CRI ist eine errechnete Messgröße, die sich auf 14 Testfarben bezieht. Bei einer LED stellt der CRI die Fähigkeit dar, spezielle Farben zu repräsentieren. Beispielsweise ist der CRI-14 (blau) einer roten LED nahezu null. Da auch weiße LEDs naturgemäß kein kontinuierliches Spektrum aufweisen, kommt es durch LED-Beleuchtung zu erheblichen Farbverfälschungen. http://de.wikipedia.org/wiki/farbwiedergabeindex
Der Strahlungsfluss (gemessen in Watt) sowie der Lichtstrom (gemessen in Lumen), den eine LED oder ein LED-Array in den vollen Raum abgibt, wird als total flux bezeichnet. Emittiert ein Leuchtkörper tatsächlich in den 4π-Raum, so erfolgt die Montage während des Messvorgangs am besten im Zentrum einer Ulbrichtkugel auf einem hierfür vorgesehenen Montagetisch. Eine Kugelschale(-hälfte) ist zum Zwecke des LED-Wechsels durch Schwenken leicht zu öffnen. Das Gesamtsystem, bestehend aus Kugel und integriertem Leuchtkörper, wird kalibriert, sodass mithilfe eines fasergekoppelten Spektralradiometers eine Aussage über die LEDEigenschaften getroffen wird (Bild 3). Typische Ausgabewerte der Software sind: Strahlungsfluss, Lichtstrom, domi-
nante Wellenlänge, Schwerpunktswellenlänge, Farbort, CRI et cetera. Die Aufnahme von LIV-Kurven oder die Effizienzmessung sind problemlos möglich, wenn programmierbare Netzteile durch die Software angesprochen werden. Darüber hinaus sind, da die Serienfertigung von LEDs nur wenig Zeit für elektronische, mechanische und optische Tests vorsieht, neben cw Messungen auch gepulste Messungen durchführbar, bei denen der thermische Einfluss auf die LED-Eigenschaften kontrolliert wird. Die Vermessung von SLEDs (sehr hellen oder super-luminescent LEDs) erfolgt ebenfalls mit einer Ulbrichtkugel, hier befindet sich jedoch der Prüfling am Kugelrand montiert. Die Abstrahlung erfolgt aufgrund der notwendigen LEDKühlung in einen Halbraum ≤2π, deswegen hat sich die Bezeichnung forward flux etabliert. Die Versorgungsleitungen für Bestromung und Kühlung der LED müssen nun nicht in das Kugelinnere gelegt werden, zudem kann ein LED-Wechsel bei Außenmontage schneller erfolgen. Beide Messungen (4π und 2π) können V
3 Messaufbau zur Lichtstrommessung
4 Adapter nach ›CIE 127‹ für die LED-Messung
2 Tristimuluskurven des CIE-Normsystems
Über drei standardisierte Bewertungsfunktionen (Tristimulusfunktion des menschlichen Auges, Bild 2) für Rot, Grün und Blau werden so die drei gewonnenen Farbsignale zu einem Farbeindruck, der sich als Vektor mit den drei Komponenten x, y und z im Normfarbraum darstellen lässt. Solche Messsysteme sind spezifisch für die Vermessung des Farbverhaltens von Displays und an deren selbstleuchtenden Quellen ausgelegt.
Qualitative und quantitative Bestimmung von Licht Die Vermessung von LEDs lässt sich in drei Hauptmessreihen unterteilen: ■ Wie viel Licht gibt eine LED insgesamt ab? ■ Wie viel Licht strahlt eine LED entlang der mechanischen Achse ab? ■ Wie viel Licht strahlt eine LED in beliebige Richtungen ab? Zur Beantwortung dieser drei Fragen stehen speziell gefertigte Messmittel zur Verfügung, die nachfolgend näher erläutert werden. Zu beachten ist, dass die Verarbeitung des erfassten Lichts vorzüglich mithilfe von Spektralradiometern erfolgt. Das heißt, obwohl die relativ günstigen photometrischen Messsysteme bestimmte Parameter in Lux, Candela, cd/m2 or Lumen angeben können, so sind doch nur spektralradiometrische Messsysteme in der Lage, zusätzliche Messgrößen wie chromaticity, correlated color temperature (CCT), Farbwiedergabeindex (CRI) und dominante Wellenlänge sowie peak Wellenlänge und Bandbreite anzugeben.
4 | 2009
Wie viel Licht gibt eine LED insgesamt ab?
Laser+Photonik
29
OPTISCHE MESSTECHNIK
Vermessung von LEDs
INFO: Ulbrichtkugeln Ulbrichtkugeln haben sich in der Messtechnik als vielseitige und effektive Hilfsmittel durchgesetzt. Einige Anwendungen sind ohne deren Einsatz nicht denkbar. Grundvoraussetzung für die Funktionsweise ist der Einsatz von möglichst diffus reflektierenden Materialien für die Kugelinnenwände mit möglichst hohem Reflexionsgrad. Seit Jahrzehnten werden sie zum spektralen und räumlichen Homogenisieren von Strahlquellen eingesetzt. Hierbei wird die gesamte Strahlung der Lichtquelle in die Kugel eingebracht und dort durch Mehrfachreflexionen an den Kugelinnenwänden gemischt. Diese Strahlung kann nun an einem oder mehreren Ausgängen vermessen werden. Ob das Licht dabei direkt (von einem Laser oder einer Glühlampe), oder indirekt (zum Beispiel von einer Transmissions- oder Reflexionsprobe) kommt, ist ohne Bedeutung.
V an Ulbrichtkugeln mit gängigen Durchmessern (15, 25 und 50 cm) durchgeführt werden. Passende LED-Adapter (mit oder ohne Temperaturstabilisierung) sowie hinreichend starke Kalibrierlampen ergänzen das System.
Lichtmenge entlang der mechanischen Achse Die ›CIE 127‹ [1] ist die verbindliche Richtlinie, welche zur Vermessung von LEDs verwendet werden sollte, wenn die Strahlstärke als Kriterium herausgestellt werden soll. Die meisten LEDs werden in ihren Datenblättern mithilfe des photometrischen Äquivalents Candela spezifiziert. Die Messung der Größen W/sr und cd erfolgt mit sogenannten intensity heads (Bild 4), wobei beachtet werden muss, dass die CIE 127 zwischen zwei Messanordnungen unterscheidet: Bei einer konstanten Messfläche von 1 cm2 beträgt der Abstand der Messfläche zur LED-Spitze 100 beziehungsweise 316 mm. Hieraus ergeben sich die bekannten Raumwinkel 0,01 sr (›Condition B‹) und 0,001 sr (›Condition A‹).
Speziell gefertigte Messköpfe erfüllen diese Forderungen nach Abstand und aktiver Fläche, ohne dass interne Wandreflexionen größerer Abstrahlwinkel für Verfälschungen sorgen. Ein Diffusor sorgt für homogenisiertes Licht und die entsprechende Ankopplung an den Sensor. Typische Messköpfe sind sowohl mit Spektralradiometern als auch mit photoelektrischen single-channel Sensoren kompatibel.
Abstrahlung in beliebige Richtungen Zum Aufzeichnen der winkelabhängigen Intensitätsverteilung werden LED-Goniometer verwendet. Ein Spezialgerät zum Vermessen von LEDs der Firma Gamma Scientific ist das ›LED-940‹ (Bild 5). Wie in allen Zwei-Achsen-Goniometern wird auch hier die LED vollautomatisch geschwenkt, sodass eine Charakterisierung schnell erfolgt. Bei maximaler Auflösung liegt die kleinste Schrittweite bei 0,1°. Eigene Messintervalle und Messmakros können mithilfe der Software leicht erstellt werden.
Spektralradiometer schaffen Hilfe bei der Verarbeitung Passend zu den Messaufnehmern bietet Laser 2000 Spektralradiometer an, die für Messungen an LEDs geeignet sind. Der wichtigste Punkt hierbei ist das spektrale Auflösungsvermögen, das besser als 5 nm sein sollte. Weitere Parameter wie Langzeitstabilität, Streulichtunterdrückung oder Temperaturgang werden erst nach der Inbetriebnahme relevant. Hier unterscheidet sich ein einfaches Kompaktspektrometer deutlich von einem Highend-Gerät. Gamma Scientific bietet die Produktreihe ›RadOMA‹ in vier verschiedenen Wellenlängenbereichen an, wobei jedes Gerät, mit einem variablen Schlitz ausgestattet, fünf Auflösungen erreichen kann (Bild 6). RadOMA Spektralradiometer bieten zusätzlich state-of-the-art Stabilität, ein optimiertes Signal-Rausch-Verhältnis und eine ideale Streulichtunterdrückung.
Steuerung und Kontrolle mit der richtigen Software ›Light Touch‹ ist eine interaktive Windows2000/XP-Software für die spektrale Analyse (Bild 7). Sie ist mit allem Messzubehör von Gamma Scientific kompatibel und taugt auch als stand-alone Daten-Analyse-Paket. Photometrische Messgrößen können mit allen Standardeinheiten ausgegeben werden. Colorimetrische Parameter wie Farbort, CCT oder CRI werden auch automatisch berechnet und dargestellt. Das Durchführen von grundlegenden mathematischen Operationen innerhalb der Software zur halbautomatischen Datenvorbearbeitung ist bereits vorgesehen. Aber auch ein Datenexport zu
5 a LED-Goniometer mit Spektralradiometer; b Beispieldiagramm für winkelabhängige Intensitätsverteilung
30
Laser+Photonik
4 | 2009
Vermessung von LEDs
7 Highend-Spektral-Teleradiometer für anspruchsvolle Messaufgaben
8 Windows-kompatible Steuer- und Auswertungssoftware
gängigen Tabellenkalkulationsprogrammen oder zur Erstellung von Berichten ist problemlos möglich.
Fazit: einheitlich ist schöner LEDs haben im Automotive-Bereich ihren Siegeszug bereits angetreten und drängen nunmehr in Bereiche vor, die bislang den klassischen Leuchtmitteln vorbehalten waren. Dementsprechend wichtig sind komplette Messsysteme, die die wichtigsten photometrischen und colorimetrischen Messgrößen von LEDs schnell und zuverlässig ermitteln. LITERATUR 1 The International Committee on Illumination (Commission Internationale de l'Éclairage, www.cie.co.at) ist eine unabhängige Non-profit-Organisation, die für alle Entwicklungen in den Bereichen Beleuchtung, Abbildungen und deren Farbwiedergabe Kooperationen und Informationsaustausch auf internationalen Ebene fördert.
AUTOR Dr. HELGE BRÜGGEMANN ist Vertriebsingenieur bei Laser 2000 und ist für die Fachbereiche Optische Messtechnik, Strahlanalyse, Lichtmesstechnik, Spektroskopie sowie IR-Technologie zuständig.
■ www.laser-photonik.de
Diesen Artikel finden Sie online unter der Dokumentennummer LP110017
4 | 2009
Laser+Photonik