HELGE BRÜGGEMANN

Die Kombination aus Langlebigkeitund extremer mechanischer Robust-heit sowie die erwartete hohe Licht-

ausbeute sind bei LEDs einzigartig. Nebenden milliardenfach hergestellten 3mm-LEDs und den superlichtstarken 400mA-Halbraumstrahlern werden auch organischeLEDs immer beliebter. Bei hohen Intensitä-ten oder großflächigen Ausleuchtungenwerden ausschließlich LEDs gebündelt,deren Eigenschaften sehr ähnlich sind.

Nicht ohne Grund sind die Anforderun-gen an eine einheitliche Farbe bei der

Gruppierung von LEDs extrem hoch. Dasgilt nicht nur für farbige LEDs, derentemperaturabhängige Schwerpunktwellen-länge schwankt, ebenso führt ein ungleich-mäßiger Phosphorauftrag bei weißen LEDszu Gelb-/Blaueindrücken (Bild 1).

Qualitätssicherung mittelsPhotometrie und Colorimetrie

Die Photometrie setzt die von einemDetektor gemessene optische Strahlungs-leistung in Beziehung zum Sinneseindruckdurch das menschliche Auge. Sie bildetalso die Lichtwahrnehmung des Augesmesstechnisch nach. Grundlage sind jeneKurven V(l), die die mittlere physiolo-gische Hellempfindlichkeit des mensch-lichen Auges in Abhängigkeit von der Wel-lenlänge l und der Intensität beschreiben.Die Kalibrierung der Detektoren erfolgt inLux, Candela (cd), cd/m2 oder Lumen.

Die Colorimetrie (Farbmessung) ver-sucht mittels standardisierter mathe-

matischer Formeln das visuelle Ergebniseiner Farbbetrachtung oder eines Farb-vergleichs zahlenmäßig darzustellen.

Vermessung von LEDsOPTISCHE MESSTECHNIK

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Qualitätssteigerung durch optimale LED-Messtechnik

PHOTOMETRIE UND COLORIMETRIE IN DER LED-TECHNIK

Die Kabinenbeleuchtung von Flugzeugen, Statusanzeigen in Smartphones oder die Hinter-

grundbeleuchtung von topmodernen LC-Fernsehern – kein Gerät kommt heute ohne LEDs

aus. Feinste Nuancen im Farbort oder der Farbtemperatur verderben das Gefühl der Hochwer-

tigkeit eines Produkts, das menschliche Auge ist hier unbestechlich.

K O N TA K T

Laser 2000 GmbH 82234 Wessling, Deutschland Tel. +49 (0)8153 405-0 Fax +49 (0)8153 405-33 www.laser2000.de

1 ›c1b‹ und ›c2‹ stellen bei diesem CIE-Farb-diagramm beispielsweise den eng definiertenFarbraum für weiße LEDs dar

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Über drei standardisierte Bewertungs-funktionen (Tristimulusfunktion desmenschlichen Auges, Bild 2) für Rot, Grünund Blau werden so die drei gewonnenenFarbsignale zu einem Farbeindruck, dersich als Vektor mit den drei Komponentenx, y und z im Normfarbraum darstellenlässt. Solche Messsysteme sind spezifischfür die Vermessung des Farbverhaltens vonDisplays und an deren selbstleuchtendenQuellen ausgelegt.

Qualitative und quantitativeBestimmung von Licht

Die Vermessung von LEDs lässt sich in dreiHauptmessreihen 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 zurVerfügung, die nachfolgend nähererläutert werden. Zu beachten ist, dass dieVerarbeitung des erfassten Lichts vor-züglich mithilfe von Spektralradiometernerfolgt. Das heißt, obwohl die relativgünstigen photometrischen Messsystemebestimmte Parameter in Lux, Candela,cd/m2 or Lumen angeben können, so sinddoch nur spektralradiometrische Mess-systeme in der Lage, zusätzliche Mess-größen wie chromaticity, correlated colortemperature (CCT), Farbwiedergabeindex(CRI) und dominante Wellenlänge sowiepeak Wellenlänge und Bandbreite anzu-geben.

Wie viel Licht gibt eine LED insgesamt ab?

Der Strahlungsfluss (gemessen in Watt)sowie der Lichtstrom (gemessen in Lu-men), den eine LED oder ein LED-Array inden vollen Raum abgibt, wird als total fluxbezeichnet. Emittiert ein Leuchtkörpertatsächlich in den 4π-Raum, so erfolgt dieMontage während des Messvorgangs ambesten im Zentrum einer Ulbrichtkugel aufeinem hierfür vorgesehenen Montage-tisch. Eine Kugelschale(-hälfte) ist zumZwecke des LED-Wechsels durch Schwen-ken leicht zu öffnen. Das Gesamtsystem,bestehend aus Kugel und integriertemLeuchtkörper, wird kalibriert, sodass mit-hilfe eines fasergekoppelten Spektral-radiometers eine Aussage über die LED-Eigenschaften getroffen wird (Bild 3).

Typische Ausgabewerte der Softwaresind: Strahlungsfluss, Lichtstrom, domi-

nante Wellenlänge, Schwerpunktswellen-länge, Farbort, CRI et cetera. Die Aufnahmevon LIV-Kurven oder die Effizienzmessungsind problemlos möglich, wenn program-mierbare Netzteile durch die Software an-gesprochen werden. Darüber hinaus sind,da die Serienfertigung von LEDs nur wenigZeit für elektronische, mechanische undoptische Tests vorsieht, neben cw Messun-gen auch gepulste Messungen durchführ-bar, bei denen der thermische Einfluss aufdie LED-Eigenschaften kontrolliert wird.

Die Vermessung von SLEDs (sehr hellenoder super-luminescent LEDs) erfolgtebenfalls mit einer Ulbrichtkugel, hierbefindet sich jedoch der Prüfling amKugelrand montiert. Die Abstrahlungerfolgt aufgrund der notwendigen LED-Kühlung in einen Halbraum ≤2π, des-wegen hat sich die Bezeichnung forwardflux etabliert. Die Versorgungsleitungenfür Bestromung und Kühlung der LEDmüssen nun nicht in das Kugelinneregelegt werden, zudem kann ein LED-Wech-sel bei Außenmontage schneller erfolgen.Beide Messungen (4π und 2π) können

Vermessung von LEDs OPTISCHE MESSTECHNIK

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Der bereits oben erwähnte CRI ist eineerrechnete Messgröße, die sich auf 14Testfarben bezieht. Bei einer LED stelltder CRI die Fähigkeit dar, spezielle Far-ben zu repräsentieren. Beispielsweise istder CRI-14 (blau) einer roten LED na-hezu null. Da auch weiße LEDs naturge-mäß kein kontinuierliches Spektrum auf-weisen, kommt es durch LED-Beleuch-tung zu erheblichen Farbverfälschungen. http://de.wikipedia.org/wiki/farbwiedergabeindex

INFO: Color Rendering Index, CRI

3 Messaufbau zur Lichtstrommessung 4 Adapter nach ›CIE 127‹ für die LED-Messung

2 Tristimuluskurven des CIE-Normsystems

Tristimuluskurven

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an Ulbrichtkugeln mit gängigenDurchmessern (15, 25 und 50 cm) durch-geführt werden. Passende LED-Adapter(mit oder ohne Temperaturstabilisierung)sowie hinreichend starke Kalibrierlampenergänzen das System.

Lichtmenge entlang der mechanischen Achse

Die ›CIE 127‹ [1] ist die verbindliche Richt-linie, welche zur Vermessung von LEDsverwendet werden sollte, wenn die Strahl-stärke als Kriterium herausgestellt werdensoll. Die meisten LEDs werden in ihrenDatenblättern mithilfe des photometri-schen Äquivalents Candela spezifiziert. DieMessung der Größen W/sr und cd erfolgtmit sogenannten intensity heads (Bild 4),wobei beachtet werden muss, dass dieCIE 127 zwischen zwei Messanordnungenunterscheidet: Bei einer konstanten Mess-fläche von 1 cm2 beträgt der Abstand derMessfläche zur LED-Spitze 100 beziehungs-weise 316 mm. Hieraus ergeben sich diebekannten Raumwinkel 0,01 sr (›ConditionB‹) und 0,001 sr (›Condition A‹).

Speziell gefertigte Messköpfe erfüllendiese Forderungen nach Abstand und ak-tiver Fläche, ohne dass interne Wandre-flexionen größerer Abstrahlwinkel für Ver-fälschungen sorgen. Ein Diffusor sorgt fürhomogenisiertes Licht und die entspre-chende Ankopplung an den Sensor. Typi-sche Messköpfe sind sowohl mit Spektralra-diometern als auch mit photoelektrischensingle-channel Sensoren kompatibel.

Abstrahlung in beliebige Richtungen

Zum Aufzeichnen der winkelabhängigenIntensitätsverteilung werden LED-Gonio-meter verwendet. Ein Spezialgerät zumVermessen von LEDs der Firma GammaScientific ist das ›LED-940‹ (Bild 5). Wiein allen Zwei-Achsen-Goniometern wirdauch hier die LED vollautomatisch ge-schwenkt, sodass eine Charakterisierungschnell erfolgt. Bei maximaler Auflösungliegt die kleinste Schrittweite bei 0,1°.Eigene Messintervalle und Messmakroskönnen mithilfe der Software leichterstellt werden.

Spektralradiometer schaffenHilfe bei der Verarbeitung

Passend zu den Messaufnehmern bietetLaser 2000 Spektralradiometer an, die fürMessungen an LEDs geeignet sind. Derwichtigste Punkt hierbei ist das spektraleAuflösungsvermögen, das besser als 5 nmsein sollte. Weitere Parameter wie Lang-zeitstabilität, Streulichtunterdrückungoder Temperaturgang werden erst nach derInbetriebnahme relevant. Hier unterschei-det sich ein einfaches Kompaktspektro-meter deutlich von einem Highend-Gerät.Gamma Scientific bietet die Produktreihe›RadOMA‹ in vier verschiedenen Wellen-längenbereichen an, wobei jedes Gerät,mit einem variablen Schlitz ausgestattet,fünf Auflösungen erreichen kann (Bild 6).RadOMA Spektralradiometer bieten zu-sätzlich state-of-the-art Stabilität, einoptimiertes Signal-Rausch-Verhältnis undeine ideale Streulichtunterdrückung.

Steuerung und Kontrolle mitder richtigen Software

›Light Touch‹ ist eine interaktive Windows-2000/XP-Software für die spektrale Ana-lyse (Bild 7). Sie ist mit allem Mess-zubehör von Gamma Scientific kompatibelund taugt auch als stand-alone Daten-Ana-lyse-Paket. Photometrische Messgrößenkönnen mit allen Standardeinheiten aus-gegeben werden. Colorimetrische Parame-ter wie Farbort, CCT oder CRI werden auchautomatisch berechnet und dargestellt.Das Durchführen von grundlegendenmathematischen Operationen innerhalbder Software zur halbautomatischenDatenvorbearbeitung ist bereits vorge-sehen. Aber auch ein Datenexport zu

Vermessung von LEDsOPTISCHE MESSTECHNIK

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5 a LED-Goniometer mit Spektralradiometer; b Beispieldiagramm für winkelabhängige Intensitätsverteilung

Ulbrichtkugeln haben sich in der Messtechnik als vielseitige und effektive Hilfsmitteldurchgesetzt. Einige Anwendungen sind ohne deren Einsatz nicht denkbar. Grund-voraussetzung für die Funktionsweise ist der Einsatz von möglichst diffus reflek-tierenden Materialien für die Kugelinnenwände mit möglichst hohem Reflexionsgrad.Seit Jahrzehnten werden sie zum spektralen und räumlichen Homogenisieren vonStrahlquellen eingesetzt. Hierbei wird die gesamte Strahlung der Lichtquelle in dieKugel eingebracht und dort durch Mehrfachreflexionen an den Kugelinnenwänden gemischt. Diese Strahlung kann nun an einem oder mehreren Ausgängen vermessenwerden. Ob das Licht dabei direkt (von einem Laser oder einer Glühlampe), oder indirekt (zum Beispiel von einer Transmissions- oder Reflexionsprobe) kommt, istohne Bedeutung.

INFO: Ulbrichtkugeln

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gängigen Tabellenkalkulationsprogrammen oder zur Erstellungvon Berichten ist problemlos möglich.

Fazit: einheitlich ist schöner

LEDs haben im Automotive-Bereich ihren Siegeszug bereitsangetreten und drängen nunmehr in Bereiche vor, die bislangden klassischen Leuchtmitteln vorbehalten waren. Dement-sprechend wichtig sind komplette Messsysteme, die diewichtigsten photometrischen und colorimetrischen Mess-größen 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 Farbwieder-

gabe Kooperationen und Informationsaustausch auf internationalen Ebene fördert.

AUTOR Dr. HELGE BRÜGGEMANN ist Vertriebsingenieur bei Laser 2000 und ist für die Fach-

bereiche Optische Messtechnik, Strahlanalyse, Lichtmesstechnik, Spektroskopie

sowie IR-Technologie zuständig.

■ www.laser-photonik.de Diesen Artikel finden Sie online unter der Dokumenten-nummer LP110017

Vermessung von LEDs

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7 Highend-Spektral-Teleradiometer für anspruchsvolle Messaufgaben

8 Windows-kompatible Steuer- und Auswertungssoftware

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