LED: Leistung und Strahlungsdichte - günstig und präzise messen

 

LEDs ersetzen in vielen Industrien traditionelle, breitbandige Lichtquellen wie Quecksilber-, Deuterium-, Xenon- und Halogenleuchten. Dementsprechend werden die Fertigungstechnologien sowie die Anwendungsprodukte u.a. hinsichtlich Optik, Elektronik oder dem Management der Wärmeentwicklung komplett überarbeitet. Simultan wird die Anpassung der Qualitätskontrollen – sprich der eingesetzten Messgeräte - an die LEDs erforderlich. Welche Optionen bieten sich hier und welche lassen sich effizient in den Produktionsprozess integrieren?

 

Bislang setzte man bei breitbandigen Quellen in der Regel Radiometer oder Photometer ein. Diese zeigen eine breite und ungleichmäßige Empfindlichkeit über ein gewisses Spektrum wie UVA, UVB, UVC usw. Sensoren dieser Art liefern ein Integral der gemessenen spektralen Leistungsdichte gewichtet mit der eigenen spektralen Empfindlichkeit. Für LEDs eignen sich die Radiometer-Messungen allerdings nicht. Abgesehen von weißen LEDs mit einer Bandbreite von 300 nm oder mehr, liegen typische LED Bandbreiten zwischen 10 und 25 nm. Die optische Leistung einer LED mit einem Radiometer zu messen, kann – abhängig davon wo das optische Spektrum der LED im Vergleich zur spektralen Sensitivitätskurve (Empfindlichkeitsverteilung) des Radiometers liegt – zu erheblichen Fehlern führen.

 


 Abb. 1: Spektralempfindlichkeit eines UVA Sensors und die spektrale Leistungsdichte von zwei LEDs bei 365 nm und 395 nm

 

Abbildung 1 zeigt die typische spektrale Empfindlichkeit eines UVA Sensors sowie die spektrale Leistungsdichte von zwei LEDs bei 365 bzw. 395 nm. Während der Peak der 365nm LED exakt innerhalb der Empfindlichkeit des Sensors liegt, befindet sich die 395nm LED am äußersten Rand, die Sensitivität fällt hier auf weniger als 10%. Daraus resultiert bei dieser LED ein Messfehler von 90%!

 

Doch welche Alternativen stehen für die Qualitätsprüfung von LEDs zur Verfügung? Verglichen werden sollen hier ein Spektroradiometer und eine kalibrierte Photodiode.

 

Spektroradiometer können für alle Formen von Lichtquellen eingesetzt werden, seien diese breitbandig, LED oder Laser. Dabei werden – in Abhängigkeit des eingesetzten Messequipments und der Wellenlänge – Messgenauigkeiten im Bereich von 2% bis 10% erzielt, wobei die Ungenauigkeiten bei kürzeren Wellenlängen zum UV-Spektrum hin zunehmen. Der große Vorteil eines Spektroradiometers liegt darin, dass kein Vorwissen über die spektrale Form der Strahlungsquelle benötigt wird, um die Leistung korrekt zu messen. Allerdings sind Spektroradiometer teuer. Kalibrierte Photodioden hingegen arbeiten am bestem mit Lasern: Die spektrale Empfindlichkeit eines Photodioden-Sensors wird gemessen und gespeichert, der Anwender gibt die Wellenlänge des Lasers in das Leistungsmessgerät ein und erhält anschießend die kalibrierte Messung der Laserleistung.

 

Zwar unterscheiden sich LEDs definitiv von Lasern, doch handelt es sich um relativ schmalbandige Quellen und die Peak-Wellenlänge ist spezifiziert. Stellt sich die Frage, welche Unsicherheit zu erwarten ist, wenn man die Leistung von LEDs mit einer kalibrierten Photodiode misst.

 

Unsicherheit bei der Leistungsmessung von LEDs
 Zunächst analysiert man das typische LED Spektrum und vergleicht die optische Leistung, die definiert wird als:

 

 

Und die optische Leistung gemessen mit einer kalibrierten Photodiode:

 

 

 

 

Dabei ist l (λ) die spektrale Leistungsdichte der LED, R (λ) ist die spektrale Ansprechempfindlichkeit er Photodiode und λ0 ist die Wellenlänge, die vom Anwender gewählt wurde, um das Spektrum der LED zu beschreiben – meistens wird dafür die Peak-Wellenlänge der LED angegeben.

 

Zwei LED Spektren wurden für die Analyse herangezogen: Eine LED mit 22nm Bandbreite und eine UV LED mit einer typischen Bandbreite von 10nm. Zusätzlich gaben wir eine Messunsicherheit von +/- 3nm für die LED Peak-Wellenlänge hinzu. Als Messköpfe kamen der PD300RM Cosine Corrected Sensor (nach dem Lambertschen Kosinusgesetz) für die Strahlungsdichte sowie der 3A-IS Integrating Sphere Sensor nach dem Prinzip der Ulbrichtkugel mit einer Photodiode zum Einsatz. Der Photodioden-Sensor ist für die vollständige Leistungsmessung kalibriert und besitzt eine Eigenabsortionskorrektur, die AUX-LED. Der PD300RM Sensor ist zur Messung der Strahlungsdichte und -dosis kalibriert.

Abb. 2: PD300RM Abb. 3: 3A-IS Integrating Sphere Sensor mit AUX-LED

Die nachfolgenden Abbildungen zeigen die Ergebnisse der beiden Messungen. Die Höhe der Messunsicherheit hängt mit der spektralen Empfindlichkeit des Sensors zusammen, die bei kurzen und langen Wellenlängen dort ansteigt, wo die Empfindlichkeit steile Flanken aufzeigt. Die zusätzliche Messunsicherheit beträgt in der Regel weniger als 2% und steigt in bestimmten Abschnitten auf 12%.

 


 Abb. 4: Messunsicherheit bei der LED-Messung mit einem Sensor vom Typ 3A-IS Integrating Sphere und Produktfoto

 


 Abb. 5: Messunsicherheit bei der LED-Messung mit einem Sensor vom Typ PD300RM Irradiance Sensor

 

Fazit
 Die Messunsicherheit hängt im Wesentlichen von der Linearität der spektralen Empfindlichkeit der eingesetzten Photodiode ab. Dadurch, dass LEDs sehr schmalbandige Quellen mit bekannten Peak-Wellenlängen sind, lässt sich ihre Leistung oder Strahlungsdichte mittels einer kalibrierten Photodiode durchaus mit einer guten Genauigkeit messen.

 

Die vollständige Messgenauigkeit hängt ab von der präzisen Spezifikation des gewählten Sensormodells und der zusätzlichen Messunsicherheit, die hier aufgezeigt wurde.

 


 Abb. 6: Die Tabelle zeigt die unterschiedlichen Quellen und die Messoptionen, die in diesem Artikel diskutiert wurden, im Überblick.

 

Dr. Efi Rotem, Projektmanager