PRC Krochmann GmbH. radiation technology. Promis Electro Optics B.V. W

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1 PRC Krochmann GmbH radiation technology

2 2 1. Einführung Das Goniophotometer 760 ist ein Gerät zur Messung der Licht- und der Beleuchtungsstärkeverteilung von kleinen Lampen und Leuchten. Die Lichtquelle wird dabei computergesteuert um zwei Achsen gedreht. Das Gerät wurde als kompaktes (Höhe 50 cm) und preiswertes System für Messungen in industriellen Laboratorien konstruiert. Alle Anforderungen für die Messung in Bezug auf Fehler-Toleranzen für das Photometer und die Genauigkeit der Messungen gemäß der CIE (Publ ) und CEN (TC 169/WG7) sind erfüllt. Die Messung der Lichtstärkeverteilung erfolgt im C-Ebenen System (mit Ausgabe im EULUMDAT- oder IES-Format). Außerdem können auch nur Teilbereiche des Raums und einzelne Winkel gemessen werden. In der Version für Fahrradleuchtenmessung ist es durch einen speziellen Rechenalgorithmus möglich, die Beleuchtungsstärkeverteilung auf einem virtuellen Messschirm zu messen und zu berechnen. Der Messablauf wird durch die zugehörige Software vollautomatisch durchgeführt. Einzelne Messwinkel können computergesteuert angefahren werden. Folgende Lichtquellen können in der Messanlage geprüft werden: kleinere Lampen oder Leuchten, z.b. Leuchten mit Halogenreflektorlampen mit einem maximalen Gewicht von 1 kg einzelne LED oder LED-Leuchten mit einem speziellen Photometerkopf nach CIE- Publikation 127 und mit Schiene zur Einstellung von verschiedenen Abständen Fahrradfrontleuchten bis 0,5 kg mit spezieller Software und Halterung zur Messung der Beleuchtungsstärkeverteilung nach StVZO oder anderen Normen Fahrradrückleuchten mit spezieller Software und Halterung zu Messung der Lichtstärkeverteilung nach StVZO oder anderen Normen 2. Systemkomponenten Wir bieten angepasst an die verschiedenen Messaufgaben verschiedene Versionen des Goniophotometers 760 & Goniospektrometers 760 an. Zur Grundausstattung gehören: Mechanisches Drehgestell Motorsteuerkarte (in den Steuercomputer integriert) Justagelaser Computereinheit (nicht im Lieferumfang enthalten) Software Goniophotometer 760 oder Goniospectrometer 760 für Windows Für die Messung der Lichtstärkeverteilung und Beleuchtungsstärkeverteilung enthält das System zusätzlich: Photometerkopf mit Streulichttubus Anzeigegerät PRC Luxmeter 110 Für die Messung der spektralen Strahlstärkeverteilung und enthält das System zusätzlich: Spektrometermodul mit PCI-Karte für den Steuerungscomputer Die Kombination aus Luxmeter mit Photometerkopf und Spektrometer ermöglicht die Korrektur der photometrischen Daten nach dem Aktinitätsverfahren. Dieses Softwaremodul ist als Option erhältlich.

3 3 3. Prinzip der Messungen Die Messungen der Lichtstärkeverteilung von Lampen und Leuchten in industriellen photometrischen Laboratorien werden oft mit Goniophotometern durchgeführt, wobei die Lichtquelle gedreht wird. Die Leuchte wird um zwei zueinander senkrechte Achsen gedreht. Dadurch kann das Messobjekt in beliebige Positionen gebracht werden, so dass die Richtung, in der dessen Lichtstärke gemessen werden soll, immer horizontal auf den Photometerkopf des Beleuchtungsstärkemessgerätes zeigt. Die Lichtquelle wird in der Art gedreht, dass die Ebene, in der die Lichtstärke gemessen werden soll, horizontal ist und durch die vertikale Achse der Winkel Gamma eingestellt wird. Für Messungen auf einem virtuellem Messschirm werden die Winkeleinstellungen entsprechend umgerechnet. Der Photometerkopf ist in einer Entfernung außerhalb der photometrischen Grenzentfernung aufgestellt. Zur Berechnung der Lichtstärke wird das photometrische Entfernungsgesetz I=E. r² angewandt. 4. Mechanisches Drehgestell Der mechanische Aufbau besteht aus Aluminiumprofilen und einer Grundplatte, die für die notwendige Stabilität sorgt. Dadurch wird eine vom Gewicht her leichte Konstruktion erzielt. Für die Leuchtenmontage ist eine Universalmontageplatte vorgesehen. Zur Messung von Front- und Rückleuchten für Fahrräder sind spezielle Halterungen im Lieferumfang enthalten. Andere Halterungen können nach Kundenwunsch gefertigt werden. Der Lichtschwerpunkt der Leuchte kann durch Verschieben der oberen Motor/Aluminiumprofil-Einheit in den Schnittpunkt der beiden Achsen des Goniophotometers gesetzt werden. Leuchten bis zu einem Gesamtgewicht von 1 kg bzw. 0,5 kg bei Fahrradfrontleuchten können ohne beachtenswerte Verzerrung des Gestells oder Motorproblemen montiert werden. Beide Achsen werden durch Schneckengetriebe und Schrittmotor angetrieben. Jede Achse enthält ein Winkelmesssystem, welches eine Auflösung von 0.01 bereitstellt. Das Goniophotometer-Gestell erlaubt eine kontinuierliche und präzise horizontale Nivellierung. Mit Hilfe der Bohrungen neben den verstellbaren Füßen kann die Grundplatte nach der Justage auf einer Holzplatte mit Schrauben befestigt werden. 5. Leuchtenhalter Die Montageplatte bietet vielfältige Möglichkeiten der Befestigung. Für einige Lampen- und LED-Typen gibt es angepasste Halter von PRC oder es werden Halter nach Ihren Wünschen gefertigt. Die Lampenhalter für Fahrradleuchten simulieren eine Lenkerstange für Frontleuchten und eine Sattelstange für Rückleuchten. Durch die vielfältigen Verstellmöglichkeiten ist eine optimale Ausrichtung der Leuchten möglich. Die Halter werden durch zwei Kreuzschlitzschrauben befestigt. 6. Computersystem Der Computer kann als Teil des Komplettsystems direkt bei der PRC Krochmann GmbH bezogen werden. Es kann aber auch ein Rechner mit folgenden Voraussetzungen benutzt werden: 1 freier PCI-BUS-Steckplatz für die Motorkarte 1 weiterer freier PCI-BUS-Steckplatz für die Spektrometerkarte (mit Option Spektrometer) 1 freie serielle Schnittstelle für das Luxmeter (bei Bestellung eines Luxmeters) Betriebssystem Windows 95 oder höher

4 4 7. Motorsteuerkarte Die in den Rechner integrierte Motorsteuerkarte erlaubt eine komplett automatische Messung von Leuchten. Sie wird durch die Software Goniophotometer 760 angesteuert. Bei der Installation des Goniometers müssen die Motoren über die mitgelieferten Verbindungsleitungen mit der Steuerkarte verbunden werden. Die Stromversorgung der Motoren erfolgt ebenfalls über die Steuerkarte mit Hilfe des Netzgerätes des Rechners. 8. Photometerkopf Für präzise Messungen beinhaltet das System einen Photometerkopf von hoher Qualität. Er liefert eine hervorragende Linearität der Empfindlichkeit über den gesamten Messbereich. Es werden thermostatisierte und nichtthermostatisierte Photometerköpfe angeboten. Damit Streulicht nicht bei der Messung erfasst wird, ist ein Streulichttubus mitgeliefert. Wir empfehlen je nach Messobjekt verschiedene Durchmesser (4 mm, 8 mm oder 11,3 mm) für die Empfängerfläche. Bei konventionellen Lichtquellen werden die Lichtstärkemessungen mit Photometerköpfen im Allgemeinen unter Fernfeldbedingungen durchgeführt. Das bedeutet, dass die Entfernung zwischen Lichtquelle und Photometerkopf im Vergleich zur längsten Ausdehnung der leuchtenden Fläche sehr groß, und der Durchmesser des Empfängers im Vergleich zur Messentfernung sehr klein ist. Wenn man dagegen eine LED-Messung in der Entfernung von einigen Zentimetern mit einem Durchmesser der Empfängerfläche von z.b. 8 mm macht, kommt es zu einer Mittelwertbildung der Lichtstärkewerte, die von der geometrischen Anordnung und der Lichtstärkeverteilung der LED abhängt. Wegen der unterschiedlichen Messanordnungen in verschiedenen Laboren sind die Messergebnisse nicht vergleichbar. Aufgrund dieses Problems hat die CIE zwei Standardbedingungen für die Gemittelte LED Lichtstärke definiert. Beide Anordnungen beinhalten die Benutzung eines Empfängers mit einer kreisförmigen Empfängerfläche von 100 mm² (entspricht einem Durchmesser von 11,3 mm). Der Empfänger soll in der Ausstrahlungsrichtung der LED liegen und so ausgerichtet werden, dass die mechanische Achse der LED senkrecht zum Empfänger steht und den Mittelpunkt der Empfängerfläche schneidet. Der Abstand zwischen der Spitze der LED und der Empfängerfläche stellt den Unterschied zwischen den beiden Standardbedingungen A und B dar. Die Abstände betragen - bei Standardbedingung A: 316 mm (entspricht einem Öffnungswinkel von 2 ) - bei Standardbedingung B: 100 mm (entspricht einem Öffnungswinkel von 6,5 ) Diese Definitionen ermöglichen es, verschiedene LEDs zu vergleichen. Allerdings sollte bei der Anwendung dieser Messanordnung beachtet werden, dass es sich bei der gemessenen Lichtstärke nicht um das Maximum handelt. Bei engstrahlenden LEDs kann die tatsächliche Lichtstärke viel größer sein. 9. Photometer Das Photometer, welches zusammen mit dem Goniometer geliefert wird, ist ein Luxmeter 110 (siehe Datenblatt). Seine Auflösung ist für Lichtstärkemessungen auf 0,0001 lx verfeinert. Es ist mit einer RS 232 Schnittstelle für eine leichte Datenerfassung ausgestattet. 10. Spektrometer Um die Lichtstärkeverteilung zu messen, ist es auch möglich, die spektrale Strahlstärke in Abhängigkeit des Abstrahlwinkels mit einem Spektrometer zu messen und die Lichtstärken mit der Software zu berechnen. Diese Berechnung hat keinen Fehler aufgrund der V(λ)-Anpassung, da mit den definierten Werten gerechnet wird. Ein kleiner Nachteil der Spektrometermessung ist die schlechtere Stabilität im Vergleich zum Photometerkopf.

5 5 Weil für jeden Messwinkel eine spektrale Messung gemacht werden muss, kommen für die Messung nur Spektroradiometer mit schneller Messzeit in Frage. Spektroradiometer mit Dioden- Array sind hierfür am besten geeignet: Lichtleiter Reflexonsgitter Dioden-Array Prinzipielle Anordnung des Spektrometers für Goniospektrometer 760 Die Messzeit für eine spektrale Messung beträgt je nach Lichtquelle 6 ms-6,5 s. Für LED- Messungen wird eine spektrale Bandbreite von 3 nm mit einer Genauigkeit von ca. 0,5 nm benutzt. Das Spektroradiometer wird mit einer Glühlampe (FEL, 1000 W, kalibriert von der PTB) mit einer angenommenen Genauigkeit von ± 4-5 % im Spektralbereich von nm (1024 Pixel Version) oder im Bereich 380 nm nm (512 Pixel Version) kalibriert. Für die Messung im sichtbaren Bereich hat das Spektrometer mit dem erweiterten Wellenlängenbereich den Vorteil, dass die Empfindlichkeit über den gesamten sichtbaren Bereich sehr groß ist. 11. Datenerfassung Die Messungen laufen computergesteuert ab, wobei der zu messende Winkelbereich und die Winkelschrittweite vom Benutzer einstellbar sind. Sämtliche Messungen werden in einer Datenbank verwaltet. PRC bietet drei verschiedene Versionen der Software entsprechend der verwendeten Messinstrumente an: Software zur Messung der Lichtstärkeverteilung mit Luxmeter und Photometerkopf (Standard) - automatische Messung der Lichtstärkeverteilung im C-Ebenensystem und Speicherung im EULUMDAT- oder IES-Format - Messung von Fahrradleuchten nach StVZO TA Nr.23 und TA14b (in Fahrradlampenversion) - manuelle Ansteuerung von Messwinkeln möglich - Berechnung des Lichtstroms oder Betriebswirkungsgrads (wahlweise) - Darstellung und Ausdruck der gemessenen Daten Software zur Messung der winkelabhängigen spektralen Strahlungsfunktion und Berechnung der Lichtstärkeverteilung mit Spektrometer (Option) - automatische Messung der spektralen Strahlstärkeverteilung in Abhängigkeit des Abstrahlwinkels - Berechnung von Lichtstärke, Strahlstärke, Farbort nach CIE, ähnlichste Farbtemperatur und Farbwiedergabeindex aus der spektralen Strahlstärkeverteilung für jeden gemessenen Winkel und Darstellung im C-Ebenensystem - Berechnung von Gesamtlichtstrom und Gesamtstrahlungsleistung - Speicherung der Lichtstärkeverteilung im C-Ebenensystem im EULUMDAT- oder IES-Format - manuelle Ansteuerung von Messwinkeln möglich - Möglichkeit der spektralen Bestrahlungsstärkemessung und Berechnung der Farbparameter ohne Goniometer - Darstellung und Ausdruck der gemessenen Daten

6 6 Software zur Messung der winkelabhängigen spektralen Strahlungsfunktion und Messung bzw. Berechnung der Lichtstärkeverteilung mit Luxmeter und Spektrometer (Option) - Alle Funktion aus den beiden anderen Versionen plus Abgleich der spektralen Daten mit den photometrischen Daten des Luxmeters nach dem Aktinitätsverfahren zur Verbesserung der Messgenauigkeit 12. Datenausgabe Lichtstärke (Luxmeter oder Spektrometer) Lichtstrom (Luxmeter oder Spektrometer) Die Gesamtlichtemission einer Lichtquelle wird durch den Lichtstrom angegeben. Für Leuchten ist der Leuchtenbetriebswirkungsgrad (Quotient aus Leuchtenlichtstrom und Gesamtlampenlichtstrom) entscheidend. Mit der Software für das PRC Goniophotometer 760 wird der Lichtstrom mit dem Zonenlichtstromverfahren aus der Lichtstärkeverteilung, gemessen mit dem Photometer oder Spektrometer, berechnet. Diese Methode ist genauer als die Messung mit einer Ulbrichtkugel, wenn die Lampe bei der Drehung stabil betrieben werden kann. Strahlungsphysikalische Daten (Spektrometer) Das Spektrometer erfasst die spektralen Strahlstärken in Funktion der Abstrahlwinkel. Auf dieser Datenbasis berechnet die Software die Strahlstärken in wählbaren Wellenlängenbereichen und den Gesamtstrahlungsfluss. Nach einer spektralen Messung können die Messwerte mit einem benutzerdefinierten Filter multipliziert werden. Farbparameter (Spektrometer) Im Bereich der LEDs spielen Farbparameter eine wichtige Rolle. Nicht nur die Gesamtwerte, sondern auch die Verteilung in Funktion der Abstrahlwinkel sind von Bedeutung. Das menschliche Auge ist sehr empfindlich in Bezug auf Farbdifferenzen. Deshalb muss ein Produzent von LEDs und LED-Feldern die Farbparameter der LEDs genau kennen. Eine Vielzahl von Parametern kann basierend auf den Spektralmessungen berechnet werden.

7 7 Die Farbkoordinaten werden in CIExy und CIELUV-Koordinaten angegeben. Um die Daten anschaulich darzustellen, werden sie im CIE Farbdreieck markiert. Die Messabweichung der Farbkoordinaten wird mit x = ±0.002 und y = ± abgeschätzt. CIE Farbdreieck Zur Charakterisierung von weißen LEDs spielen die ähnlichste Farbtemperatur und der Farbwiedergabeindex eine wichtige Rolle. Die ähnlichste Farbtemperatur gibt eine Information über den optischen Eindruck der LED und ihren Weißton. Dieser Wert kann ebenso wie alle anderen Parameter mit dem Abstrahlwinkel variieren (siehe Diagramm 10). Um die Normen für Innenraumbeleuchtung zu erfüllen, muss ein Minimum entsprechend der Sehaufgabe für den Farbwiedergabeindex erfüllt werden. Um diesen Standard zu erreichen, muss der LED- Produzent die Lichtqualität verbessern. Statt weißer LED können auch LED-Felder mit verschieden-farbigen LEDs eingesetzt werden, um weißes Licht mit guter Farbwiedergabe zu erzeugen. Spektraler Korrekturfaktor Wenn LEDs mit Emissionsspektren, die hauptsächlich im Bereich von unter 470 nm (blaue LEDS) oder über 680 nm (rote LEDs) liegen, mit einem V(λ)-angepassten Photometerkopf gemessen werden, kommt es selbst mit sehr guten Photometerköpfen mit f1 <1,5 % zu ziemlich großen Messfehlern, da die V(λ)-Anpassung in diesen Bereichen einen recht großen relativen Fehler hat. Eine besondere Ausstattung der PRC 760 Version mit Photometer und Spektrometer verbindet die Vorteile von beiden Empfängern, um ein möglichst genaues Messergebnis zu erzielen. Nach der Messung der photometrischen und spektralen Daten berechnet die Software die Aktinität als spektralen Korrekturfaktor für jeden Messwinkel. Er errechnet sich aus der relativen spektralen Empfindlichkeit des Photometerkopfs, der relativen spektralen Verteilung der Probe (gemessen mit dem Spektrometer) und der relativen spektralen Verteilung der Kalibrierlichtquelle des Photometerkopfs. Die mit dem Photometer gemessenen Lichtstärkewerte werden mit diesen berechneten Faktoren multipliziert, um die korrigierten aktinischen Werte zu bekommen. Die Aktinität ist wie folgt definiert:

8 8 F = S λ,c 0 0 S λ,c s ( λ) s ( λ) eff, rel rel dλ dλ 0 0 S S λ,z λ,z s s ( λ) ( λ) rel eff, rel mit: S λ,c - spektrale Verteilung der Kalibrierlichtquelle, die für die Kalibrierung des Photometerkopfs benutzt wurde. In den meisten Fällen, wie auch im PRC Krochmann Labor, ist es CIE Normlichtart A. S λ,z - spektrale Verteilung der gemessenen LED-Strahlung s(λ) eff,rel - relative spektrale Bewertungsfunktion = V(λ)-Funktion s(λ) rel - relative spektrale Empfindlichkeit des Photometerkopfs Für einen perfekt angepassten Photometerkopf ist der Korrekturfaktor F gleich 1. Die relative Messunsicherheit aufgrund der spektralen Fehlanpassung gibt folgende Gleichung an: E = 1-F *100 % Sie ist gleich 0 für einen perfekt angepassten Photometerkopf. Für einen Photometerkopf mit f1 < 1.35 %, mit dem das Goniophotometer 760 meistens ausgerüstet wird, und die LED- Spektren aus folgendem Diagramm zeigt Tabelle 1 die Messunsicherheit E: relative unit 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 Spektren einiger LED-Typen von OSRAM Beispiele von Spektren von Osram-LEDs dλ dλ Blue LV T673 verde green LA T676 amber LO T676 orange LH K376 hyper red Wellenlänge/nm Tabelle 1: LED-type E Blue 25.4 % Verde green 0.44 % Amber 2.39 % Orange 0.99 % Mit Ausnahme der blauen LEDs ist der Messfehler für farbige LEDs sehr klein. Mit einem Photometerkopf, der speziell für den blauen Bereich zwischen 390 nm und 480 nm angepasst wurde, kann der Messfehler auf 5-8 % statt 25 % reduziert werden. Hyper Red 0.49 %

9 9 13. Technische Daten Zubehör Mechanisches Drehgestell Typ Leuchtenabmessungen Drehgestell Gewicht Winkelfehler Goniophotometer mit Leuchtenwender Lichtschwerpunkt / Montageplatte Horizontale Achse / Maschinentisch Höhe: Breite: Länge: Radius maximal um unteren Drehpunkt (Mittelpunkt der Platte): horizontale Achse: vertikale Achse Typ 3 gemäß CIE und DIN einstellbar bis 200 mm 320 mm 500 mm 320 mm (Untergestell) 320 mm (Untergestell) 300 mm ca. 8 kg Photometer Typ Luxmeter 110 Anzeigenbereich lx bis lx Photometerkopf Empfänger: Spektralanpassung: Besondere Ausstattung: Si-Photoelement Vollfilterung Streulichttubus Halterung für Wandmontage oder optische Schiene mit einstellbarer Messentfernung aufsteckbarer Laser Spektrometer: Typ: Wellenlängenbereich: Spektrale Auflösung: -Genauigkeit Zeiss MCS Diodenarray 1024/512 Pixel 300 nm bis 1000 nm oder 380 nm bis 780 nm < 3 nm 0.3 nm