LED-Messtechnik Das Licht der weißen LED als besondere Messaufgabe

Weiße LEDs lichttechnisch zu beurteilen ist eine anspruchsvolle Aufgabe. Zum Einsatz kommen spektralradiometrische Messinstrumente, um die Charakteristika der LEDs zu ermitteln.

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Die rasante technologische Entwicklung bei LEDs hat dem Licht aus dem Halbleiterchip in den letzten Jahren mehr und mehr Anwendungsgebiete erschlossen. Dabei ebnen vor allem die geringe Baugröße, die hohe Energieeffizienz, die inzwischen erreichbare Lichtausbeute und die lange Lebensdauer den Leuchtdioden den Weg in Bereiche, die bis vor kurzem noch klassischen Lichtquellen vorbehalten waren.

LEDs hinterleuchten beispielsweise LC-Bildschirme und andere Anzeigesysteme etwa im Straßenverkehr und verlängern bei akkubetriebenen Geräten wie Notebooks und Handys die verfügbare Einsatzdauer deutlich.

Die in Normen vorgeschriebenen lichttechnischen Standards müssen nicht nur erreicht und gesichert werden. Sie stellen für die industriellen Hersteller von LEDs immer noch große Herausforderungen. Um die im Produktionsprozess bedingten Qualitätsschwankungen von LEDs zu reduzieren und zu kontrollieren, wird viel Entwicklungsarbeit geleistet. Dabei kommt der optischen Charakterisierung der lichttechnischen Eigenschaften der Leuchtdioden eine zentrale Bedeutung zu.

Das Spektralradiometer als erste Wahl bei LEDs

Damit sich die späteren Messergebnisse später besser vergleichen lassen, spielen verschiedene Parameter eine wichtige Rolle. Diese sind zum einen von der Technologie der LED selbst, zum anderen von der verwendeten Messtechnik abhängig. Um eine möglichst präzise Vermessung der LEDs zu erreichen, hat sich inzwischen der Einsatz von Spektralradiometern gegenüber herkömmlichen Photometern und Colorimetern durchgesetzt.

Diese bestehen im wesentlichen aus einem Sensor und optischen Filtern, welche die spektrale Augenempfindlichkeit, die so genannten Tristimuls-Funktionen, nachbilden. Selbst hochwertigste Filter dieser Art tragen jedoch leichte Abweichungen vom exakten Verlauf der spektralen Sensitivität des menschlichen Auges, wie sie in Normen festgelegt wurde. Dies hat bei der Messung von breitbandigen Lichtquellen nur geringe Auswirkungen, führt jedoch bei der Bewertung von schmalbandigen Quellen, wie es LEDs sind, zu signifikanten Fehlern.

Das Bild 1 zeigt wie deutlich die Messfehler der filterbasierenden Messsysteme gerade im blauen Spektralbereich ausfallen. Dies macht sich insbesondere bei der Messung von weißen LEDs, welche auf einem blau emittierenden LED-Chip basieren, negativ bemerkbar. Bei Verwendung von Spektralradiometern ist dieses Problem durch den Wegfall der optischen Filter und die rein rechnerische Bestimmung der photometrischen und colorimetrischen Größen aus dem LED-Spektrum, eliminiert und die erzielbare absolute Messgenauigkeit ist deutlich höher. Jedoch gilt, wie bei anderen Technologien auch, Spektralradiometer ist nicht gleich Spektralradiometer.

Spektralauflösung und das Streulichtverhalten einer LED

Die optische Qualität des verwendeten Spektrometers ist für die Verlässlichkeit der Messergebnisse entscheidend. Zwei wichtige Parameter sind dabei die Spektralauflösung, auch Bandpass genannt, und das Streulichtverhalten des Gerätes. Zudem steckt in der Kalibrierung des spektralradiometrischen Messsystems eine nicht zu unterschätzende Herausforderung mit tiefgreifender Wirkung auf die Güte der erzielbaren Resultate. Insbesondere die Qualität einer Kalibrierung ist für den Anwender in der Regel jedoch nur schwer zu beurteilen. Daher ist es empfehlenswert bei der Kalibrierung auf eine entsprechende Zertifizierung, wie DIN ISO 17025, des ausführenden Prüflabors zu achten.

Einen großen Einfluss auf die Messergebnisse von LEDs haben auch ihre natürlichen, aus dem Produktionsprozess resultierenden Eigenschaften. Gerade bei weißen LEDs, die als Kombination eines blauem Chips mit einem Konvertierungsphospor gefertigt werden, ist es äußerst schwierig einen immer gleichen Gesamtlichteindruck herzustellen. Darüber hinaus wirken sich Einflussgrößen wie Einbrenndauer, Temperatur oder Alterungsverhalten auf besondere Weise aus.

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