LEDs – Dominierende Lichttechnik
Wenn es jemals Zweifel geben sollte, ob LEDs eine so dominierende Lichttechnologie sind, schauen Sie sich einfach um. Sie sind praktisch überall. Von Standardanzeigen an Stereoanlagen, Laptops und Spielzeug bis hin zu Ampeln, Wechselverkehrszeichen und Fahrzeugbeleuchtung – LEDs haben in den letzten Jahren ein explosionsartiges Wachstum erlebt, ohne dass ein Ende in Sicht ist. Ein Großteil davon ist auf die ständig steigenden Helligkeitsniveaus zurückzuführen, die mit neuen Materialien und Wafer-Fertigungsverfahren erzielt werden, sowie auf das Aufkommen blauer und weißer LEDs für RGB (Vollfarbe) und allgemeine Beleuchtungsanwendungen. Mit zunehmender Komplexität der Verwendung von LEDs steigt auch der Bedarf an genauen Messungen der optischen Eigenschaften der LEDs. Ich bin seit fast 25 Jahren in der Optoelektronik-Branche tätig und die mit Abstand häufigste Frage, die mir immer gestellt wird, bezieht sich auf die Messung einer LED. (Was ist ein Lumen? Wie rechne ich Lumen in Candela um? Wie messe ich die Helligkeit genau? Warum ist meine Messung nicht mit Ihrer identisch?) Ich hoffe, diese und viele ähnliche Probleme im folgenden Artikel zu behandeln. Die Details der optischen Messung in dieser Diskusssion werden in vier separate, aber miteinander verbundene Themen unterteilt. Dies sind: Photometrische Größen, Radiometrische Größen, Wellenlängen- oder Chromatizitätsgrößen und schließlich Winkel- oder Goniometrische Größen. Obwohl man leicht ein ganzes Buch über die oben genannten Einheiten, Standards und Testmethoden schreiben kann, werde ich versuchen, die allgemeineren und grundlegenderen Interessengebiete zusammenzufassen.
Fotometrie
Photometrie ist einfach die Messung von Licht im sichtbaren Spektrum (ca. 380 nm-770 nm). Dies ist Licht, das ein durchschnittlicher menschlicher Beobachter mit bloßem Auge sieht. Es gibt viele verschiedene Arten von photometrischen Einheiten wie Nits (cd/m2), Lux (Lumen/m2), Footcandles (Lumen/ft2), Stilb (cd/cm2) usw. All diese basieren auf zwei grundlegenden photometrischen Standards, das LUMEN und die CANDELA. Die Candela ist die Einheit der Lichtstärke, die als die Menge des Lichtstroms (von einer Quelle emittierte Gesamtlichtleistung und ausgedrückt in Lumen) pro Raumwinkeleinheit in einer bestimmten Richtung definiert werden kann. Das Lumen kann als der Lichtstrom definiert werden, der pro Raumwinkeleinheit von einer gleichmäßigen Punktquelle mit einer Lichtstärke von 1 Candela emittiert wird. (1 Candela=1 Lumen/Steradiant) Es ist auch wichtig, die Definition von Steradiant zu verstehen, d. h. der Raumwinkel (Kegel) im Zentrum einer Kugel mit dem Radius „r“, der eine Fläche „r2“ auf der Oberfläche von begrenzt Die Sphäre. (Siehe Abbildung 1) Die Oberfläche einer Kugel beträgt 4π r2; daher hat eine Kugel 4π Steradiant. Die meisten heute gelieferten Standard-LEDs werden in Candela gemessen. Aufgrund der steigenden Nachfrage nach LEDs als Ersatz für Glühlampen auf dem allgemeinen Beleuchtungsmarkt wird jedoch Lumen heute oft als Maßeinheit für die Lichtleistung verwendet. Eine einfache Methode zum Umrechnen von Candela in Lumen ist in Abbildung 2 (unten) dargestellt. Schritt 1.) Ermitteln des Raumwinkels der LED w=π * (θ1/2)2 w=π(25)2, unter der Annahme, dass der LED-Halbwinkel 25° beträgt w=π(.43633)2, Grad in Bogenmaß umrechnen .598 Schritt 2.) Berechnen Sie Lumen f=Iv * wf=2.00 * .598, unter der Annahme, dass die LED-Helligkeit 2000mcd beträgt f=1.196 Lumen Obwohl empirische Berechnungen zur Umrechnung vieler verschiedener Arten von photometrischen Einheiten möglich sind, kann der tatsächlich gemessene Wert von der berechnete Wert aufgrund von Variationen in den räumlichen Strahlungseigenschaften der LED. In den meisten Fällen ist die empirische Berechnung ausreichend genau. Weitere photometrische Umrechnungen sind in Abbildung 3 dargestellt. Obwohl unzählige andere Umrechnungen möglich sind, zum Beispiel Candela in Nit oder Lambert in Candela, gibt es keinen einfachen direkten Multiplikationsfaktor, der verwendet werden kann. Informationen wie der Bereich der Quelle und/oder des Detektors oder die Messentfernung und Winkeleigenschaften können erforderlich sein. Die photometrische Messung von LEDs kann eher eine Kunst als eine exakte Wissenschaft sein. Es gibt verschiedene Geometrie-, Elektro- und Montageprobleme, die die optischen Eigenschaften von LEDs stark beeinflussen können. Da keine zwei LEDs genau gleich sind, gibt es Schritte, die die Genauigkeit Ihrer Messung erheblich verbessern. Diese umfassen, sind aber nicht beschränkt auf:
Das optische Zentrum der LED-Lichtemission im Vergleich zum mechanischen Zentrum kennen. Beim Platzieren von LEDs in einer typischen Testhalterung wird diese normalerweise so platziert, dass angenommen wird, dass das Licht von der mechanischen Mitte des Geräts ausgeht. Dies ist häufig nicht der Fall. (Siehe Abbildung 4) Das optische Zentrum weicht oft um 5° oder mehr vom mechanischen Zentrum der LED ab. Obwohl dies bei Messgeräten mit einem weiten Betrachtungswinkel wie 40° oder mehr kein großes Problem darstellt, können bei Geräten mit schmalem Winkel die Messwertunterschiede beträchtlich sein. (Es ist zu beachten, dass die Empfehlung der CIE (Commission Internationale de l'Eclairage) lautet, die mechanische Achse der LED anstelle der optischen Achse als Messreferenz zu verwenden.)
Messung der Ausgabe in einem bestimmten Zeitintervall oder bei Stabilisierung. Wenn die LED zum ersten Mal mit Strom versorgt wird, erhöht sich die Temperatur der Sperrschicht aufgrund der verbrauchten elektrischen Leistung. (Die Sperrschichttemperatur der LED wird bestimmt durch Tj=Ta+(Vf*If)*Rth(ja)) Es kann einige Sekunden oder mehrere Minuten dauern, bis die Lichtleistung ein thermisches Gleichgewicht und einen stabilisierten Wert erreicht hat. Ein Produktionsrückgang von 5-20% oder mehr ist keine Seltenheit. Dies ist keine dauerhafte Verschlechterung und erholt sich beim Abschalten. Es ist oft nicht praktikabel, längere Zeiträume zu warten, wenn viele LEDs getestet werden müssen, daher wird oft ein festgelegtes Zeitintervall wie beispielsweise 5 Sekunden festgelegt, auch wenn der Ausgang möglicherweise nicht stabilisiert ist.
Sicherstellen, dass die Umgebungstemperatur während des Tests konstant ist. LEDs ändern sich in der Regel in Helligkeit und Farbe mit der Temperatur. Mit steigender Temperatur nimmt die Leistung ab und die Farbe verschiebt sich zum oberen Ende des Spektrums. Dies wird in der Kolorimetrie-Diskussion näher erläutert.
Verwenden Sie immer eine Konstantstromquelle. Die Durchlassspannung (Vf) einer LED kann von Gerät zu Gerät schwanken. Wenn daher ein Standardnetzteil oder eine Spannungsquelle verwendet wird, erhält jede LED möglicherweise nicht den gleichen Strom.
Verwenden Sie einen leicht reproduzierbaren Testaufbau. Aufwendige Setups können für Labormessungen in Ordnung sein, wenn jedoch viele LEDs getestet werden müssen, jede mit unterschiedlichen Gehäusetypen, Betrachtungswinkeln, Farben usw., ein System, das schnell modifiziert werden kann und gleichzeitig eine identische Ausrichtung der mechanischen Achse gewährleistet und den Detektor garantiert sieht immer den gleichen Abschnitt des Emissionskegels erforderlich ist.
Stellen Sie sicher, dass alle Geräte ordnungsgemäß gewartet und kalibriert sind
Radiometrie
Radiometrie bezieht sich auf die Gesamtstrahlung oder die Messung des gesamten Lichts, sei es im sichtbaren, infraroten oder ultravioletten Spektrum. Die Basiseinheit der radiometrischen optischen Leistung (Radiant Power) ist das Watt (W). Das Watt ist eine absolute Einheit, da es wellenlängenunabhängig ist. Ein Watt Infrarotlicht enthält so viel Leistung wie ein Watt sichtbares Licht. Andere radiometrische Begriffe, die üblicherweise gemessen werden, sind Strahlungsintensität (Watt/Steradian), Einstrahlung (W/m2) und Strahlung (W/m2 sr). Die primäre Methode zur Messung der Gesamtstrahlungsleistung/des Lichtstroms ist die Verwendung einer Ulbrichtkugel. (Siehe Abbildung 5) Die Ulbrichtkugel misst das von der LED in alle Richtungen emittierte Licht. Im Allgemeinen sind diese Messungen blickwinkelunabhängig und unterliegen keinen Winkelmessungenauigkeiten, die bei der photometrischen Prüfung auftreten, jedoch sind dennoch Fehler möglich. Kugeldurchmesser von ungefähr 3 und 6 Zoll sind weit verbreitet. Wenn es auf die Genauigkeit ankommt, werden aufgrund des günstigen Verhältnisses von Kugelfläche zu Größe von LED und Ports die Typen mit größerem Durchmesser bevorzugt, dies führt jedoch auch zu einem Intensitätsverlust. Eine Hauptquelle für Messfehler war die Positionierung der LED innerhalb der Ulbrichtkugel. Die neueste von der CIE angenommene Spezifikation, Publikation 127, besagt, dass sich das gesamte Gehäuse der LED innerhalb der Kugel befinden sollte, was als 2-Lichtstrommessung bezeichnet wird. Dieselben Vorsichtsmaßnahmen, die für die photometrische Messung von LEDs verwendet werden, sollten auch bei radiometrischen Messungen befolgt werden. Wie bei photometrischen Umrechnungen gibt es unzählige radiometrische Umrechnungen, die mit den entsprechenden Informationen möglich sind. Radiometrische Werte werden normalerweise für Anwendungen benötigt, die in Verbindung mit einem Fotodetektor verwendet werden, wie zum Beispiel in der Faseroptik, beim Scannen oder bei der Sensorik.
Farbmetrik
Die wissenschaftliche Messung und Quantifizierung der LED-Farbe wird Farbmetrik genannt. Seine Einheiten werden typischerweise als Chromatizitätskoordinaten oder in Wellenlängen angegeben. Die Farbwahrnehmung ist sehr kompliziert, da sie nicht nur von den verschiedenen physikalischen Eigenschaften des Lichts abhängt, sondern auch von Dingen wie umgebenden Objekten, den mechanischen Eigenschaften des Geräts, der Augenreaktion des Betrachters sowie seinem psychologischen Zustand. Die CIE hat Standards für die Messung von sichtbarem Licht in Bezug auf die „Standardreaktion des menschlichen Auges“ aufgestellt. Diese sogenannte Standardbeobachterkurve wurde erstmals 1931 erstellt (siehe Abbildung 6a). Aus dieser Kurve werden die Tristimuluswerte zum genauen Definieren einer Farbe erhalten. Das X-, Y-, Z-Tristimulussystem basiert auf der Annahme, dass jede Farbe eine Kombination von drei Primärfarben ist; rot, grün und blau. Das CIE-Chromatizitätsdiagramm von 1931 (siehe Abbildung 6b) wird aus den Tristimulus-Werten wie folgt abgeleitet: x=X/(X+Y+Z) oder x=Rot/(Rot {{6} } Grün + Blau) y=Y/(X+Y+Z) oder y=Grün/(Rot + Grün + Blau) Da ( x + y + z) =1, die dritte Achse, z=1 – (x + y)
Die Farbkoordinaten werden normalerweise nur durch die x- und y-Achse angegeben. Im Allgemeinen enthalten die meisten Spezifikationen von LED-Herstellern nicht die Farbkoordinaten, sondern die Spitzen- und die dominante Wellenlänge (es sei denn, die LED ist weiß). Die dominante Wellenlänge, angegeben in Nanometern, ergibt sich aus den oben diskutierten Farbkoordinaten. Es ist im Wesentlichen die Farbe, die das menschliche Auge tatsächlich wahrnimmt. Die Spitzenwellenlänge ist die Wellenlänge bei der maximalen spektralen Intensität. Der Spitzenwert ist leicht zu ermitteln und wird daher von LED-Herstellern am häufigsten angegeben, hat jedoch für Anwendungen, die mit dem menschlichen Auge betrachtet werden, wenig praktische Bedeutung, da zwei LEDs die gleiche Spitzenwellenlänge haben können, aber unterschiedlich wahrgenommen werden können Farben. Derzeit ist die genaueste Methode zur Farbmessung die Verwendung eines Spektroradiometers. Dieses Gerät führt eine vollständige spektrale Leistungsverteilung der zu messenden Quelle durch, aus der alle photometrischen, radiometrischen und kolorimetrischen Parameter mathematisch berechnet werden können. Die Wellenlängengenauigkeit des Geräts sollte besser als 0,5 nm sein, wobei 0,1 nm bevorzugt werden. Wie bereits erwähnt, gibt es mehrere Faktoren, die den erhaltenen Wert beeinflussen können. Eine davon ist die Temperatur. Mit steigender Umgebungstemperatur steigt auch die LED-Wellenlänge. Dieser Anstieg beträgt typischerweise 0,1 nm/°C–0,2 nm/°C, abhängig vom verwendeten LED-Typ.
Goniometrische / Winkelcharakterisierung
Das letzte Diskussionsthema ist die goniometrische oder winkelförmige Charakterisierung. Ein Goniometer ist ein Gerät, das die räumliche Verteilung oder das Strahlungsmuster einer LED misst (siehe Abbildung 8). Dies kann entweder durch Bewegen des Detektors um die LED oder durch Neigen der LED erreicht werden, während der Detektor stationär bleibt. In jedem Fall werden mehrere Ausgangsmessungen für jeden Winkel vorgenommen, wenn eine Drehung von 0°-180° durchgeführt wird. Nach Fertigstellung wird ein Profil des abgestrahlten Strahls in einer Ebene erhalten. Da die meisten LEDs rund sind, wird oft angenommen, dass das Strahlungsmuster symmetrisch ist. Dies scheint sogar durch die grafischen Darstellungen des Betrachtungswinkels vieler LED-Hersteller angedeutet zu sein. Dies ist oft nicht der Fall. Wie bereits erwähnt, können die bei der Herstellung von LEDs auftretenden Geometrie- und Montageabweichungen die optischen Eigenschaften stark beeinflussen. Es kann erforderlich sein, einen zusätzlichen Scan durchzuführen und mehrere Sichtebenen aufzuzeichnen. Darüber hinaus haben einige speziell geformte LEDs wie der ovale oder elliptische Typ im Wesentlichen zwei Strahlungsmuster (zum Beispiel 30° x 70°), daher ist sowohl eine 0°- als auch eine 90°-Abtastung des Geräts erforderlich. Wenn kein Goniometer verfügbar ist, ist es möglich, ein grobes Strahlungsmuster zu erhalten, indem man einen Fotodetektor verwendet und die LED oder den Detektor manuell dreht, die Ausgangspegel aufzeichnet und die Datenpunkte aufzeichnet, dies kann jedoch sehr mühsam und zeitaufwändig sein . Aus dem Besprochenen sollte klar sein, dass die Messung von Licht im Vergleich zu anderen spezifischeren elektrischen Eigenschaften wie Spannung, Strom oder Widerstand sehr ungenau sein kann. Es gibt viele Faktoren wie Farbe, Gerätegeometrie, Ausrichtung der LED in einer Testhalterung, Temperatur usw., die zu Messfehlern führen können. Es wird oft eher als Kunst denn als Wissenschaft eingestuft. Obwohl eine Messgenauigkeit von ±5% noch als Standard gilt und in der Industrie weithin akzeptabel ist, sind bei sorgfältiger Betrachtung Genauigkeiten von besser als ±2,5% möglich.
