WIR BRINGEN QUALITÄT ANS LICHT. Innovative LED-Messtechnik für das Licht der Zukunft

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1 WIR BRINGEN QUALITÄT ANS LICHT. Innovative LED-Messtechnik für das Licht der Zukunft

2 2 Ohne Maß kein Meter. Ohne Instrument Systems keine LED-Messtechnik. Foto mit freundlicher Genehmigung von Hewlett Packard (Agilent) In der sich schnell wandelnden Welt der Technologie zählt vor allem eines: Sichere Maßstäbe. Für eine sich rasch entwickelnde Technik wie LED-Licht gilt dies ganz besonders. Nur genaueste und vor allem international vergleichbare Messtechnik dient der Innovation. Die Internationale Beleuchtungskommission CIE (Commission Internationale De L Eclairage) hat in dem Dokument TC-127 eine weltweit gültige Empfehlung für LED-Messtechnik veröffentlicht. Instrument Systems ist Mitglied der CIE-Ausschüsse und hat als solches diesen international anerkannten Standard mitdefiniert. Dieser ist uns heilig: Unsere Messadapter implementieren in einzigartiger Weise die empfohlenen Messanordnungen der CIE in Verbindung mit einem Spektrometer. Deshalb sind die LED-Messplätze von Instrument Systems auch allen filterbasierten Photometern deutlich überlegen, insbesondere, wenn blaue, rote und weiße LEDs gemessen werden sollen. Für die Kalibrierung der Messgeräte werden ferner temperaturstabilisierte LED-Standards der PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) verwendet. So profitieren unsere Kunden von exakten Messergebnissen, die mit den unterschiedlichsten Herstellern und Labors weltweit korrelieren. Dabei können Sie einen weiteren Vorteil unserer Geräte nutzen: Durch das flexible Lichtleiterkonzept der Messadapter sind die Spektrometer von Instrument Systems ohne Verlust der Kalibrierung für Lichtstärke, Lichtstrom und Leuchtdichte rekonfigurierbar. Das spart Ihnen wertvolle Zeit und Kosten und garantiert eine hohe Messsicherheit. Denn die Spektrometer von Instrument Systems sind weitaus präziser und schneller als herkömmliche Geräte, was Ihnen einen Vorsprung für Ihren Erfolg verschafft.

3 3 Das Licht der Zukunft: LED Foto mit freundlicher Genehmigung von Sarah Taylor, Heriot-Watt University Seit der Entwicklung der lichtstarken blauen und weißen LED verzeichnet der Markt für LED-Licht ein enormes Wachstum. LEDs verbergen sich in immer mehr Displays, Leuchtanzeigen und Lampen: In Autos, Flugzeugen, Ampeln oder Verkehrsanzeigen. Auch in der klassischen Architekturbeleuchtung wird das neue Licht der weißen LED künftig eingesetzt. Kein Wunder, dass der LED eine strahlende Zukunft vorausgesagt wird: LED-Licht leuchtet heller und energiesparender als das Licht herkömmlicher Glühlampen und hat eine Lebensdauer von bis zu Stunden. Konzerne wie Siemens/Osram, Hewlett Packard (Agilent), Philips und General Electric arbeiten Tag und Nacht an der Verbesserung des LED-Lichts. Instrument Systems kooperiert schon heute mit diesen Konzernen, wenn es um die Messtechnik geht. Eine Investition, die der Zukunft dient, denn dadurch wissen wir, worauf es der Industrie bei der Messung von LEDs ankommt. Nicht zuletzt deshalb ist Instrument Systems heute der Markt- und Technologieführer in Sachen LED-Messtechnik. Darauf gründet sich die Zufriedenheit unserer Kunden und unsere Motivation, diese Stellung auszubauen. Instrument Systems wirkt auch weiterhin an der Standardisierung von LED-Messtechnik mit, wie beispielsweise den zukünftigen ISO-Normen. Der Marktführer in der LED-Messtechnik, Instrument Systems, definiert schon heute in Zusammenarbeit mit internationalen Kommissionen die Standards für das Licht der Zukunft. Die weiße LED revolutioniert die Beleuchtungstechnik. Instrument Systems hat von Anfang an die Messtechnik für weiße LEDs geprägt und sich auf diesem Gebiet eine hohe Kompetenz erarbeitet. (Foto mit freundlicher Genehmigung von Liane Marek, Fraunhofer- Gesellschaft)

4 4 Eine Reise ins Licht Von der Idee bis zum Endprodukt: Auf Bandbreite der LED und hat für jede ihrer Reise gilt es für die LED, vor Phase der Entwicklung und Fertigung das Gefahren gewappnet zu sein. Dies entsprechende Messgerät. Auf ihrer beginnt schon bei der Prozessgestaltung Reise bis zum Einbau in ein Endprodukt des Halbleiterchips in der Entwicklung. prüfen wir genauestens, ob die LED ihrer Hier wird die LED geboren, und die Bestimmung als neues Licht würdig ist. Konfiguration des Gehäuses bestimmt Angefangen beim Chiptest, über den Test später die Funktion der LED in der der fertigen LED, den Test der LED in Endanwendung. einer Baugruppe (z.b. Hintergrundbe- Das LED-Goniospektralradiometer von leuchtung für ein Symbol) und schließlich Instrument Systems unterstützt Sie im Endprodukt (z.b. LED-Großdisplay). bereits beim Design des Gehäuses, Mit unseren Messgeräten umschiffen Sie indem es die Abstrahlcharakteristik der diese Klippen gekonnt und souverän, LED bestimmt. denn Sie erhalten zuverlässige und Instrument Systems versteht die gesamte genaue Messergebnisse. Bond-Draht LED-Chip Epoxy Linse Für jede Herstellungsphase ein spezieller Test In der Produktion beginnt die erste Teststufe beim Halb- meter von Instrument Systems mit dem Die-Sorter gekoppelt, um die gewünschten Messparameter vollautomatisch zu leiter-wafer, wo viele LED-Chips gleich- bestimmen. Reflektor Kathode Anode zeitig entstehen. Beim Wafertest entscheidet sich, inwieweit später die LED ihren Brüdern und Schwestern ähneln Schließlich wird die LED im fertigen Zustand mit Gehäuse getestet und nochmals selektiert. Oftmals sind in der wird. Die Messdaten dienen zur Klassifi- Endanwendung sehr enge Toleranzen in zierung des Wafers und bieten wertvolle Helligkeit und Farbe nötig und es erfolgt Informationen für die Prozess-Ingenieure. eine Trennung in fein abgestufte Klassen. In der nächsten Station wird der Wafer in Genaueste Messungen sorgen hier für die einzelnen LED-Chips, auch Dies die nötige Zuverlässigkeit, denn selbst genannt, zerteilt. Ein Die-Sorter ermög- kleinste Farbunterschiede nimmt das licht bereits eine erste Sortierung der Auge des Endverbrauchers wahr, wenn einzelnen LED-Chips in verschiedene mehrere LEDs nebeneinander leuchten. Helligkeits- und Farbklassen. Hierfür Damit gehen Sie auf Nummer sicher, daß werden besonders schnelle Spektro- der Endkunde Ihre LEDs auch annimmt. Siemens/Osram/Infineon: Wafertest in der Fertigung. Hier wird der Halbleiter-Chip vor dem Einbau in ein Gehäuse gemessen. Dies kann am ganzen Wafer oder bei den individuellen LED- Chips mittels eines DIE-Sorters geschehen. Siemens/Osram/Infineon: Fertige LEDs werden end-getestet und nach Farbe und Helligkeit in verschiedene Klassen sortiert. Hierfür integriert Instrument Systems Array-Spektrometer und CIE kompatible Einkoppeloptiken in automatische Handlersysteme. Diese Komplettanlagen erlauben eine genaue Bestimmung der dominanten Wellenlänge sowie der Lichtstärke bzw. des Lichtstroms in weniger als 20 msec pro LED.

5 5 Genaue Messungen auch in der Endanwendung Hat die LED den Produktionstest bestanden, gelangt sie zur Endstation ihrer Reise. Sie wird dort eingebaut, wo sie der Endverbraucher sieht: In Anzeigenlampen, in LED-Großdisplays oder ganz klein bei der Hintergrundbeleuchtung von Tasten und Symbolen. Und in naher Zukunft schon leuchten weiße LEDs in architektonisch schön anmutenden Beleuchtungskörpern. Genaueste Messungen mit den Messgeräten von Instrument Systems sind auch in diesen Endanwendungen unerlässlich, denn feine Unterschiede erkennt das Auge sofort. Beispielsweise bedingt der Fertigungsprozess bei weißen LEDs, dass der Weißgrad nicht immer gleichbleibend ist. Abhängig vom Blickwinkel haben weiße LEDs mitunter einen Blau- oder Gelbstich. Werden mehrere LEDs in einer Anwendung eingesetzt, ist dies besonders störend. Auch in der Innenbeleuchtung von Auto- oder Flugzeugcockpits ist eine konstante sowie gleichmäßige Helligkeit und Farbe wichtig. Um diese bei den zahlreichen Bedienelementen zu erreichen, sind sehr enge Toleranzen erforderlich. Genaue Tests sind umso wichtiger, wenn LEDs verschiedener Hersteller im gleichen Endprodukt eingesetzt werden. Ähnlich ist das bei den Vollfarben- Displays: Die vielen tausend LEDs müssen neben Helligkeit und Farbe auch in der Abstrahlcharakteristik gleich sein, damit das Display in allen Blickwinkeln homogen erscheint. Weitere Anwendungen betreffen Messgeräte, in denen LEDs als Strahlungsquelle eingesetzt werden. Dies können z.b. Analysegeräte für die Bestimmung des Blutzuckergehaltes sein. Hier steht nicht die Farbempfindung für das Auge im Vordergrund, sondern die radiometrische Strahlungsverteilung der LED, denn diese beeinflusst unmittelbar die Genauigkeit des Analysegerätes. Vom Entwicklungslabor bis zur Endanwendung: Instrument Systems begleitet die Reise der LED bis zum Schluss und ebnet gekonnt den Weg ins neue Licht. BMW/ Mannesmann VDO: Testen von LEDs und Displays in einer Baugruppe, z.b. Taster und Anzeigen in einem Navigationssystem. Schrittmotorgesteuerte Positioniersysteme von Instrument Systems unterstützen hier den automatisierten Messvorgang.

6 6 Drei typische Abstrahlkeulen von LEDs: eine diffuse LED mit nahezu Lambert scher Verteilung, eine engwinklige, gerichtete LED und eine LED mit zwei Intensitätsmaxima unter 30 und 150. Das averaged luminous intensity Konzept der CIE. Die Detektorfläche beträgt stets 1 cm 2. LED steht für Light Emitting Diode oder Lumineszenzdiode. Für die Strahlung der LEDs sorgt ein Halbleiterchip. Aufgrund der verschiedenen physikalischen Eigenschaften des zum Halbleiterbau verwendeten Materials entsteht verschiedenfarbiges Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen. Teilweise werden Linsen, Spiegel oder Diffusoren in das Gehäuse eingebaut, um eine bestimmte Abstrahlform zu erreichen. Mit den lichtstarken blauen LEDs auf GaN-Basis wurden erstmals Vollfarben-Displays ermöglicht. Die Kombination dieser blauen LEDs mit Phosphoren führte zur Entwicklung der weißen LED. LEDs: So funktioniert das neue Licht Räumliche Abstrahlcharakteristik und Gehäuse- Design Die Vielzahl an Gehäusebauformen und Typen führt zu sehr unterschiedlichen Abstrahlcharakteristiken. Eine genaue Kenntnis der winkelabhängigen Strahlungsverteilung ist für eine Reihe von Anwendungen erforderlich. Beispielsweise ruft ein Vollfarb-Display in Abhängigkeit von der Beobachtungsrichtung einen unterschiedlichen Farbeindruck hervor, wenn nicht alle verwendeten LED-Farbtypen die gleiche räumliche Strahlungsverteilung aufweisen. Für LEDs in Verkehrsampeln gibt es ferner genaue gesetzliche Vorschriften über deren Abstrahleigenschaften. Fertigungstoleranzen bei der Herstellung des LED-Gehäuses haben ebenfalls einen Einfluss auf die Abstrahlcharakteristik, beispielsweise können mechanische und optische Achse nicht übereinstimmen. Für eine exakte Lichtstärkemessung ist deshalb ein reproduzierbarer Testaufbau eine wichtige Voraussetzung. So schlägt die CIE auch vor, als Bezugsachse nicht die optische, sondern die mechanische Achse zu benutzen. Lichtstärke und Strahlstärke für exakte CIE-Messung Am häufigsten wird die Lichtstärke und Strahlstärke von LEDs gemessen. Das Konzept der Lichtstärkemessung im streng physikalischen Sinne setzt hierbei die Annahme einer Punktlichtquelle voraus. Die meisten LEDs haben jedoch eine relativ große emittierende Fläche im Vergleich zu dem kurzen Abstand, der bei einer Messung verwendet wird, sodass die Annahme einer Punktlichtquelle nicht mehr gegeben ist. Die CIE hat zur Lösung dieses Problems bei Nahfeld-Bedingungen das Averaged LED Intensity Konzept entwickelt. Dieses Konzept entspricht nicht mehr der physikalisch exakten Definition der Lichtstärke, sondern vielmehr einer Teil- Lichtstrommessung, wobei Abstand und Detektorfläche genau festgelegt sind. RADIOMETRISCHE UND PHOTOMETRISCHE KENNGRÖSSEN Die für die LED-Messtechnik relevanten optischen Größen sind in der Radiometrie und Photometrie definiert. Radiometrische Größen beschreiben die physikalischen Strahlungseigenschaften, während photometrische Größen die Wirkung auf das menschliche Auge berücksichtigen. Hierzu findet in der Photometrie eine Bewertung der radiometrischen Größe, die eine Funktion der Wellenlänge λ ist, mit der sogenannten V(λ)-Kurve statt. Diese beschreibt die Empfindlichkeitsfunktion des menschlichen Auges im Wellenlängenbereich von 380 nm bis 780 nm. RADIOMETRISCHE BZW. FORMEL DEFINITION PHOTOMETRISCHE GRÖSSE Strahlungsleistung [W] Φ e/v = dq/dt Die Strahlungsleistung Φ e ist die von einer Lichtquelle in den ganzen Lichtstrom [lm] Raum abgestrahlte Energie dq e pro Zeiteinheit dt. Strahlstärke [W/sr] I e/v = dφ e/v/dω Die Strahlstärke I e ist definiert als die in einem Raumwinkel dω Lichtstärke [lm/sr = cd] dω = da/r 2 abgestrahlte Strahlungsleistung dφ e. Der Raumwinkel dω berechnet sich aus einem Flächenelement da einer Kugeloberfläche und dem Abstand r 2 dieser Fläche vom Kugelmittelpunkt. Strahldichte [W/sr cm 2 ] L e/v = dφ e/v/da dω Die Strahldichte L e wird bei ausgedehnten, d.h. nichtpunktförmigen Leuchtdichte [cd/m 2 ] Lichtquellen gemessen und entspricht der Strahlungsleistung dφ e, die von einer Oberfläche da in einen Raumwinkel dω emittiert wird.

7 7 Die CIE-Empfehlung hat sich weltweit durchgesetzt, weil damit vergleichbare Messungen in unterschiedlichen Labors gewährleistet werden. CIE Empfehlung Abstand LED- Raumwinkel Anwendung Spitze zum Detektor Bedingung A 316 mm 0,001 sr Für engwinklige LEDs Bedingung B 100 mm 0,01 sr Standard-Anordnung Spektroradiometer Lichtstrom und Strahlungsleistung Der Lichtstrom ist die von einer LED in den gesamten Raum abgestrahlte photometrische Leistung und lässt sich mittels einer Ulbricht-Kugel oder eines Goniophotometers bestimmen. Bei einer Ulbricht-Kugel ist deren innere Fläche mit einem diffus reflektierenden Material beschichtet, um so die gesamte Strahlung auf optischem Wege zu integrieren. Für die Positionierung der LED in der Ulbricht-Kugel wird eine Anordnung favorisiert, wonach der Körper der LED bis zum Beginn der Kontakte in die Ulbricht- Kugel ragt. Diese Anordnung kommt den Bedingungen im realen Einsatz einer LED am nächsten. Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung des Lichtstroms bzw. der Strahlungsleistung bietet das Goniophotometer. Bei diesem Gerät wird die gesamte Abstrahlkeule der LED mit einem Detektor abgetastet und der Lichtstrom durch die Integration der Messwerte errechnet. Spektrale Kenngrößen von LEDs Die spektrale Verteilung von LEDs weicht in vielen Aspekten von anderen Strahlungsquellen ab. Sie ist weder monochromatisch wie ein Laser noch breitbandig wie eine Glühbirne. Je nach Herstellungsprozess weist das Spektrum einer LED eine bestimmte Peakwellenlänge λp auf mit einer Halbwertsbreite von einigen 10 nm. Zur Messung der spektralen Kenngrößen eignen sich Spektralradiometer, die das Strahlungsspektrum einer LED erfassen und daraus alle Werte berechnen. LED Schnitt durch eine Ulbricht-Kugel. Seitlich befindet sich die Öffnung für die LED, unter 90 ist der Strahlungsaustritt für den Anschluss an das Spektralradiometer angeordnet. Eine Blende verhindert, dass direkte Strahlung von der LED detektiert wird. Grundlagen der Farbmetrik Die CIE Farbmetrik befasst sich mit der qualitativen und quantitativen Beschreibung von Farbe und basiert auf der Annahme, dass jede Farbe eine Kombination von den drei Grundfarben Rot, Grün und Blau ist etablierte die CIE das Tristimulus-System X,Y,Z, deren Werte aus der Integration der spektralen Strahlungsverteilung S(λ) und den drei Augenempfindlichkeitskurven x(λ), y(λ) und z(λ) im Wellenlängenbereich von 380 nm bis 780 nm gewonnen werden. Von den Tristimuluswerten werden schließlich die bekannten Farbkoordinaten x, y und z abgeleitet. Die spektrale Verteilung einer blauen LED und wichtige spektrale Kenngrößen zu deren Charakterisierung. Die Tristimulusfunktionen x(λ) (gestrichelt), y(λ) (durchgezogen) und z(λ) (gepunktet) CIE Farbdiagramm von 1931 für 2 Beobachter Peakwellenlänge λ p Wellenlänge mit der maximalen Intensität des Spektrums. Die Spezifikation der Peakwellenlänge hat weitgehend an Bedeutung verloren, da die dominante Wellenlänge bzw. Schwerpunktwellenlänge eine LED besser charakterisieren. Halbwertsbreite Die spektrale Bandbreite bei der halben Intensität λ 0,5 wird aus den zwei Wellenlängen λ`0,5 und λ``0,5 zu beiden Seiten von λ p berechnet: λ 0,5 = λ`0,5 - λ``0,5 Schwerpunktwellenlänge λ c Die Schwerpunktwellenlänge λ c ist die Wellenlänge, die das Integral eines Spektrums in zwei gleiche Teile aufteilt. Die Schwerpunktwellenlänge bietet sich zur radiometrischen Charakterisierung von LEDs (z.b. Infrarot-LEDs) an. Dominante Wellenlänge Die dominante Wellenlänge wird aus den x,y-farbkoordinaten des Spektrums ermittelt. Dazu wird eine Gerade durch die Farbkoordinaten einer Bezugslichtart und dem Farbort im Farbdiagramm gelegt. Der Schnittpunkt der Geraden mit der äußeren Begrenzung des Farbdiagramms ergibt die dominante Wellenlänge. Sie ist ein Maß für den Farbeindruck, den das menschliche Auge von der LED gewinnt. Farbsättigung Die Farbsättigung wird als das Verhältnis der Strecke von der Bezugslichtart zum Farbort und zum Schnittpunkt im Farbdiagramm definiert. Bei den meisten LEDs beträgt die Farbsättigung 100 %, d.h. die Farbe ist von monochromatischer Strahlung nicht unterscheidbar. Farbtemperatur (CCT) Diejenige Temperatur eines schwarzen Strahlers, dessen Farbort am besten dem Farbort der LED-Strahlung entspricht. Die Farbtemperatur eignet sich zur Charakterisierung von weißen LEDs.

8 8 Ganz genau: Die LED-Messgeräte von Instrument Systems Unsere Messgeräte sind die einzigen, die auf Spektrometer basieren und gemäß den CIE-Empfehlungen messen. Erreicht wird dies durch das besondere Konzept der Geräte: Die Instrument Systems Messadapter realisieren exakt die von der CIE vorgeschlagenen Messgeometrien für Lichtstärke (d.h. 100 mm bzw. 316 mm Abstand von der LED-Spitze zur Sensorfläche). Als Sensor dient ein spezieller Diffusor mit einer Blende von genau 1 cm 2. Für die Bestimmung des Lichtstromes bzw. der gesamten Strahlungsleistung wurden ferner spezielle Ulbricht- Kugeln entwickelt. Um einen kompletten Messplatz zu bilden, wird das Instrument Systems Spektralradiometer mit einem LED-Testadapter per Lichtleiter verbunden und als Gesamtsystem kalibriert. Aufgrund des universellen Faseranschlusses kann der Testadapter leicht getauscht werden, ohne dass die Kalibrierung ungültig wird ein besonderer Vorteil unserer Geräte. Daher lässt sich ein Spektralradiometer von Instrument Systems mit mehreren Testadaptern kalibrieren, wobei die jeweils aktuelle Kalibrierdatei per Software ausgewählt wird. Mit nur einem Gerät können Sie somit Lichtstärke, Lichtstrom und Leuchtdichte sowie alle radiometrischen und farbmetrischen Werte bestimmen. Der Vorteil: Spektral-Messgeräte von Instrument Systems Wir setzen konsequent auf Spektralradiometer, die bei allen LED-Farben eine hohe Messgenauigkeit bieten. Traditionelle Photometer hingegen sind auf die Messung von breitbandigen Strahlungsquellen wie Halogenlampen optimiert und weisen am Rand des sichtbaren Spektralbereiches eine schlechte Anpassung des Detektors an die Augenempfindlichkeitsfunktion auf. Deshalb ergeben sich insbesondere bei blauen, roten und weißen LEDs erhebliche Messfehler, wenn Photometer verwendet werden. Relative Empfindlichkeit 1,0000 0,1000 0,0100 0,0010 0,0001 0, CIE V(Lambda) Kurve Photometer Wellenlänge (nm) In dem Diagramm ist die V(Lambda)-Kurve der CIE eingezeichnet sowie die reale Empfindlichkeitskurve eines Photometers. In logarithmischer Darstellung sind die Abweichungen von bis zu 100% im blauen und roten Spektralbereich leicht zu erkennen, obwohl das betreffende Photometer eine Genauigkeit von 2% bei der Messung von Halogenlampenlicht aufweist. Bei den Spektral-Messgeräten von Instrument Systems wird dieser systematische Fehler vermieden, da die exakte V(Lambda)-Kurve als Tabelle abgespeichert ist und per Software mit dem Strahlungsspektrum der LED verrechnet wird.

9 Klappen 10 mm verkürzt für Lochung!! 9 Gesamtmessplatz mit CAS140B Spektralradiometer, LED-430 Einkoppeloptik, LED-511 LED-Fassung, PC und Keithley Stromquelle

10 10 Spektralradiometer: Für verschiedene Anwendungen Instrument Systems bietet für die verschiedenen Anwendungen jeweils optimierte Spektralradiometer an, die auf Array- bzw. Scanning-Technologie basieren. Die Bedienung der Geräte und Auswertung der Messergebnisse erfolgt durch die SpecWin oder SpecWin-Lite Software unter Windows 95/98 oder NT. Darüber hinaus sind für alle Spektralradiometer Windows-DLLs verfügbar, die für kundenspezifische Programme verwendet werden können. Da nur die wenigsten Spektrometer genaue LED- Messungen ermöglichen, sind bei der Auswahl strenge Kriterien zu beachten. Die Spektralradiometer von Instrument Systems sind darauf optimiert, diese Kriterien zu erfüllen und bieten damit die erforderliche Präzision und Zuverlässigkeit. Array-Spektrometer: Für kurze Messzeiten. Die Array-Spektrometer MAS30 und CAS140B sind einfach zu bedienen, sehr robust und weisen kurze Messzeiten auf, weil außer dem Shutter für die Dunkelstrommessung keine mechanisch beweglichen Teile im Gerät enthalten sind. Aufgrund dieser Eigenschaften sind Array-Spektrometer besonders für Anwendungen in der Qualtitätssicherung und in der Produktion geeignet. MAS30 Mini-Arrayspektrometer, das preiswerte Einstiegsmodell. HAUPTKRITERIEN AN EIN SPEKTRALRADIOMETER FÜR EXAKTE LED-MESSUNGEN Streulichtunterdrückung Linearität Signal/Rausch-Verhältnis Empfindlichkeit CAS140B Compact-Array-Spektrometer für Qualitätssicherung und Produktionstest. 3 bis 4 Größenordnungen Besser als ± 1,5 % über den gesamten Mess- und Integrationsbereich 3 bis 4 Größenordnungen, daher sind gekühlte Detektoren empfehlenswert Die Lichtverluste durch CIE-konforme Einkoppeloptiken erfordern eine sehr hohe Messempfindlichkeit SPECTRO170 Scanning Spektrometer für alle Laboranwendungen. SPECTRO320 Scanning Spektrometer für den High-End-Bereich Scanning-Spektrometer: Für präzise Messergebnisse. Die scannenden Spektrometer SPECTRO170 und SPECTRO320 bieten aufgrund der hohen Signaldynamik und Wellenlängenauflösung besonders präzise Messergebnisse. Sie basieren auf einem innovativen Gitterantrieb, mit dem eine hohe Wellenlängengenauigkeit und Auflösung bei gleichzeitig kurzen Messzeiten erreicht wird. Das besonders geringe Streulicht im Monochromator sowie die dynamische Anpassung der Signalverstärkung während der Spektrumsaufnahme garantieren eine hohe Dynamik und absolute Messgenauigkeit. SPEKTROMETER MAS30 CAS140B SPECTRO170 SPECTRO320 Einsatzbereich Preiswertes Produktion und Standard- Referenzgerät für Einstiegsmodell Qualitätssicherung Labormeßgerät Kalibrierzwecke Hauptmerkmal Stromversorgung Sehr kurze Hohe Signal- Sehr hohe Wellenüber PC; klein Meßzeiten im dynamik und längengenauigkeit und leicht ms-bereich Empfindlichkeit Technologie Dioden-Array CCD-Array Scanning Scanning ( 10 C, back- Spektrometer Spektrometer illuminated) SPEZIFIKATIONEN Spektralbereich * nm nm nm nm Spektralauflösung * nm 2 3,5 nm 0,5 5 nm 0,07 10 nm Messzeit (Bereich) 4 msec 6 sec 9 msec 30 sec 3 sec *4 5 min 1 sec *4 1 min Messzeit bei 10 mcd *3 3 sec 0,04 sec 5 sec 4 sec EMPFINDLICHKEIT Lichtstärke *3 0,5 mcd 5 cd 0,02 mcd 50 cd 0,01 mcd 1000 cd 0,01 mcd 2000 cd Lichtstrom *3 1 mlm 8 lm 0,04 mlm 80 lm 0,01 mlm 2000 lm 0,02 mlm 4000 lm GENAUIGKEIT Lichtstärke *5 ± 8 % ± 5 % ± 4 % ± 4 % Lichtstrom *5 ± 9 % ± 6 % ± 5 % ± 5 % Dominante ± 1 bzw. 1,5 nm ± 0,5 nm ± 0,4 nm ± 0,3 nm Wellenlänge *6 Farbort (x,y) *6 ± 0,004 ± 0,002 ± 0,0015 ± 0,0015 *1 Gilt jeweils für die gesamte Modellreihe; der genaue Spektralbereich und die Spektralauflösung sind den jeweiligen Datenblättern zu entnehmen *2 Bei CAS140B je nach Eintrittsspalt und Modell; bei SPECTRO170/320 programmierbar *3 Gilt für ein Signal/Rausch-Verhältnis im Spektrum von 10 : 1, bei gelber LED mit 585 nm und für das jeweilige VIS Modell *4 Für nm Spektralbereich *5 Unmittelbar nach Kalibrierung relativ zum Kalibrierstandard und für diffuse LEDs *6 Bei ausreichender Signaldynamik und nach gültiger Kalibrierung. Die Fehlerangaben beziehen sich auf die zweifache Standardabweichung Änderung in der technischen Ausführung und in den Spezifikationen behalten wir uns jederzeit vor.

11 11 Software für Windows 95/98 und NT Die SpecWin Laborsoftware bietet zahlreiche Funktionen, die speziell auf den Test von LEDs zugeschnitten sind. Die Funktionen Tabellenkalkulation, Reportgenerator und Watch-Window unterstützen die Auswertung von Messergebnissen. SpecWin: Die Software für Spektralmessungen im Labor. SpecWin verfügt über umfangreiche Leistungsmerkmale und eignet sich daher besonders für alle Anwendungen im Bereich der Forschung und Entwicklung. Der spezielle Messmodus für LEDs bietet eine übersichtliche Auswertung und Darstellung aller optischen Parameter einer LED. SpecWin bietet ferner folgende Funktionen: MS-Excel kompatible Tabellenkalkulation für benutzerdefinierte Auswertungen und Berechnungen MS-Word kompatibler Reportgenerator für eine maßgeschneiderte Dokumentation der Ergebnisse Watch-Window mit Pass/Fail- Auswertung von Messwerten optionale Ablaufsteuerung für automatisierte Messreihen mit Interface zu externen Geräte- DLLs. Verfügbar ist beispielsweise eine DLL für die Keithley 2400 Stromquelle. SpecWin-Lite: Für die Qualitätssicherung. SpecWin-Lite ist eine Version der SpecWin Software, die einfacher zu bedienen ist. Die Vorteile liegen in der Reduzierung der Funktionen sowie einer Konzentration auf die Auswertung und die Darstellung der wesentlichen radiometrischen, photometrischen und farbmetrischen Messwerte. SpecWin-Lite ist auch für angelernte Personen geeignet, z.b. in der Qualitätskontrolle. Spektrometer DLLs: Für kundenspezifische Programme. Für kundenspezifische Programme gibt es Windows-DLLs, die sämtliche Funktionen unserer Spektralradiometer ansprechen. Darüber hinaus sind umfangreiche Berechnungsroutinen für photometrische und farbmetrische Auswertungen enthalten. Kundenspezifische Programme lassen sich somit schnell und sicher erstellen. Die DLLs sind insbesondere auf Geschwindigkeit und den Einsatz in der Produktion optimiert. Folgende Parameter einer LED können bestimmt werden: PHOTOMETRISCHE GRÖSSEN Lichtstärke Lichtstrom Iv [candela] Φv [lumen] Leuchtdichte Lv [cd/m 2 ] RADIOMETRISCHE GRÖSSEN Strahlstärke Strahlungsleistung Ie [W/sr] Φe [W] Strahldichte Le [W/sr cm 2 ] SPEKTRALE GRÖSSEN Dominante Wellenlänge Peakwellenlänge Schwerpunktwellenlänge Halbwertsbreite FARBMETRISCHE GRÖSSEN Farbort λdom λpeak λcentroid FWHM Farbsättigung [%] Farbwiedergabeindex Farbtemperatur (CCT) x,y,z / u,v CRI [K] Einkoppeloptiken für Strahl- und Lichtstärke Unsere LED-Einkoppeloptiken für Strahlund Lichtstärkemessung entsprechen genau den Empfehlungen der CIE. Das Besondere dabei ist, dass diese Einkoppeloptiken für den Anschluss an Spektralradiometer optimiert wurden. Daher können neben der Lichtstärke auch die Spektralparameter und die dominante Wellenlänge CIE konform gemessen werden. Von Instrument Systems gibt es verschiedene LED-Einkoppeloptiken, wobei zwischen CIE Condition A und CIE Condition B unterschieden wird (siehe nachfolgende Tabelle). Die Sensorfläche beträgt jeweils 1 cm 2. Für jede Einkoppeloptik gibt es ferner eine Bestellversion, die ein 1,5 mm Faserbündel und einen Faserbündel-Stecker für den Anschluss an das Spektrometer beinhaltet. Die Lichtstrahlung wird vom LED- Adapter über ein Faserbündel, bestehend aus vielen Einzelfasern, an das Spektrometer geleitet. Deshalb gibt es keine Beeinträchtigung der Messgenauigkeit aufgrund von Änderungen in der Faserlage.

12 12 EINKOPPEL- KOMPLETT CIE- RAUM- ABSTAND DER BEMERKUNG OPTIK MIT 1,5 MM CONDITION WINKEL LED-SPITZE FASERBÜNDEL ZUM SENSOR UND STECKER LED-430 LED B 0,01 sr 100 mm Für alle Standardanwendungen LED-432 LED B 0,01 sr 100 mm UV-Version nm LED-440 LED A 0,001 sr 316 mm Für enge Abstrahlwinkel LED-445 LED A 0,001 sr 316 mm Mit justierbarer LED-Halterung und Kontrollmattscheibe Verschiedene LED-Einkoppeloptiken für Strahl- und Lichtstärke Die Ulbricht-Kugeln ISP80 und ISP150 Der LED-445 ermöglicht die Beurteilung der Lichtstärke von LEDs, die einen erheblichen Schielwinkel haben. Durch die justierbare LED-Halterung kann man in Verbindung mit der Kontrollmattscheibe die LED per Hand so verkippen, dass das Intensitätsmaximum der Strahlungskeule vom Sensor erfasst wird. Ulbricht-Kugeln für Lichtstrom und Strahlungsleistung Instrument Systems bietet zwei verschiedene Ulbricht-Kugeln an, die die Strahlungsleistung sowie den Lichtstrom in Verbindung mit einem Spektralradiometer messen. Beide Kugeln sind mit Barium-Sulfat beschichtet und weisen eine Öffnung für die LED-Testfassungen sowie für den Faserbündelanschluss auf. Die Messgeometrie entspricht der aktuellen CIE-Empfehlung, wonach der Lichtstrom eines Halbraumes der LED erfasst wird. Dazu ragt der gesamte Körper der LED bis zum Beginn der elektrischen Kontakte in die Ulbricht- Kugel. Beide Kugeln werden komplett mit Faserbündel und Stecker geliefert. Die ISP80 hat einen Innendurchmesser von 80 mm und eignet sich für alle Standard-Anwendungen sowie mit geringer Modifikation für Produktionstester. Die ISP150 weist einen Innendurchmesser von 150 mm auf und ist dann empfehlenswert, wenn aufgrund der größeren Innenfläche eine Reduzierung der kugelspezifischen Messfehler gewünscht wird. Soll eine besonders hohe Genauigkeit erzielt werden, so eignet sich am besten das LED-Goniospektralradiometer von Instrument Systems.

13 13 LED-Testfassungen und Stromquellen: Präzise und einfach Verschiedene LED- Testfassungen der Standardreihe LED-6xx mit Stromquelle LED-700 Die Präzisions- Testfassungen LED-5xx bieten eine besonders reproduzierbare Ausrichtung der mechanischen Achse. Instrument Systems hat zwei verschiedene Baureihen an LED-Testfassungen entwickelt, nämlich die Standard-Versionen für allgemeine Anwendungen und die Präzisions-Versionen, bei denen eine besonders gute Ausrichtung der mechanischen Achse der LED gewährleistet ist. Alle LED-Testfassungen haben ein Verbindungskabel mit Bananensteckern für den Anschluss an eine Stromquelle. Die Liste der verfügbaren Testfassungen wird laufend um zusätzliche Herstellertypen erweitert. Als Stromquelle wurde unser Modell LED-700 entwickelt, das für einfache Anforderungen geeignet ist. Der Strom ist in einem Bereich von 2 bis 35 ma einstellbar. Ein Schutzmechanismus sorgt außerdem dafür, dass empfindliche LEDs auf GaN-Basis nicht durch Überspannung zerstört werden. Für Präzisionsmessungen empfiehlt sich das Sourcemeter 2400 der Firma Keithley, das über umfangreiche Funktionen speziell für LEDs verfügt. Von Instrument Systems wurde eine DLL für das Keithley 2400 entwickelt, um automatisierte Messungen mit der SpecWin Software durchzuführen. Testen von LED-Displays: Von ganz klein bis ganz groß Für Leuchtdichte bzw. Strahldichtemessungen von Symbolen, deren Hintergrundbeleuchtung aus einer LED besteht (beispielsweise Schalter oder Armaturenbrett im Auto), steht die Teleskop-Optik TOP100 zur Verfügung. Der kleine Messfleck von bis zu 0,15 mm Durchmesser ermöglicht die Messung auch von sehr feinen Strukturen bei gleichzeitig geringen Leuchtdichten bis unter 0,1 cd/m 2. Darüber hinaus stehen weitere Objektive zur Auswahl, die sehr große Entfernungen zum Messobjekt bei großen Messfleckdurchmessern erlauben, um beispielsweise ein LED-Großdisplay zu testen.

14 14 Das LED-Goniospektralradiometer: Für besondere Abstrahlcharaktere Das LED-Goniospektralradiometer von lösung von 0,1 ergeben sich auch für Instrument Systems bestimmt die winkel- engwinklige LEDs exakte Messungen. In abhängige Abstrahlcharakteristik von Verbindung mit unserem Spektralradio- LEDs und Miniaturlampen. Dabei ist man meter lassen sich ferner spektrale nicht nur auf eine Schnittebene begrenzt, Parameter winkelabhängig bestimmen. vielmehr läßt sich auch die gesamte So ändert sich beispielsweise die Farb- räumliche Abstrahlkeule automatisch temperatur einer weißen LED erheblich in messen. Aufgrund der hohen Winkelauf- Abhängigkeit vom Abstrahlwinkel. LED-Goniospektralradiometer Gesamtansicht mit offenem Deckel Lichtstrom und Strahlungsleistung: Sehr genau Das LED- Goniospektralradiometer eignet sich auch zur sehr genauen Bestimmung der bei Ulbricht-Kugeln aufgrund deren Geometrie auftreten, sind nicht vorhanden. Instrument Systems hat ein entsprechendes Modul für die SpecWin Software ent- Der Geräteaufbau: Lichtdicht ohne Dunkelraum. Das Gerät besteht aus einer optischen Bank, wobei an einem Ende zwei Drehtische für die Winkel Phi und Theta fest montiert sind. Der Drehtisch für den Winkel Phi weist eine Hohlwelle auf, in die eine LED-Testfassung (alle LED- Testfassungen sind verwendbar) von Instrument Systems geschoben wird. Am anderen Ende der optischen Bank ist der Detektor angeordnet, wobei ein Abstand von 5 cm bis 50 cm zur LED eingestellt werden kann. Der gesamte Aufbau befindet sich in einem lichtdichten Gehäuse mit aufklappbarem Deckel, sodass kein Dunkelraum erforderlich ist. Als Sensor stehen ein Photodetektor mit und ohne V(Lambda)- Filter oder ein Einkoppelsensor für ein Instrument Systems Spektralradiometer zur Auswahl. Strahlungsleistung bzw. des Licht- wickelt, mit der die Messung automa- stromes. Messfehler, die üblicherweise tisch durchgeführt wird. Ein eigens für das LED Goniospektralradiometer entwickelter Messmodus bietet vielfältige Auswertemöglichkeiten. Z. B. die Überlagerung der Abstrahlprofile einer LED in 0 und 90. Weiße LEDs in Radial-Bauform zeigen eine deutliche Blauverschiebung der Farbe in senkrechter und seitlicher Abstrahlrichtung. Mit dem LED-Goniospektralradiometer können Sie diese Eigenschaft durch die Messung der xy-farbkoordinaten quantitativ bestimmen.

15 15 In einem 19 Schrank befindet sich ein CAS140B CCD-Array- Spektrometer, eine Keithley 2400 Stromquelle und ein Windows NT Steuerrechner. Am laufenden Band: Die neuen Maßstäbe in der Produktion Bestens verbunden: Schnittstellen zu Handler-Maschinen, DIE-Sorter und Waferprober DLL- Treiber und Hardware-Interfaces stehen für Sortiermaschinen der Firma MBL (Radial LEDs), ASM (DIE-Sorter), sowie diverse Wafer-Prober zur Verfügung. Aufgrund des modularen Aufbaus lassen sich alle Handler-Systeme ohne großen Aufwand einbinden. So wurden bereits mehrfach Programme und Schnittstellen für Inhouse-Systeme von LED-Herstellern entwickelt. Instrument Systems erspart Ihnen in der Produktion mit modernster Messtechnik Zeit und Geld. Speziell für die Anforderungen in der Produktion bietet Instrument Systems einen kompletten LED-Tester an, der sich an eine mechanische Sortiermaschine anschließen lässt. Der LED-Tester besteht aus einem CAS140B CCD-Array-Spektrometer, einem Keithley 2400 Sourcemeter und einem WindowsNT Rechner mit einer umfangreichen Steuersoftware. Das gesamte System befindet sich in einem stabilen 19 -Schrank. Als Einkoppeloptik stehen gekürzte Lichtstärke-Adapter der Reihe LED-4xx und eine modifizierte ISP80 Ulbricht-Kugel zur Verfügung. Sämtliche radiometrische, photometrische und spektrale Kenngrößen werden typischerweise innerhalb von 20 msec gemessen. Darüber hinaus werden elektrische Parameter wie der tatsächliche Strom und die Flussspannung bei jeder LED bestimmt. Die Steuersoftware verfügt ferner über Funktionen zum Klassifizieren und Sortieren der LEDs in bis zu 32 Bin-Klassen. Die gesamten Daten werden in einer Datenbank gespeichert und am Ende der Sortierung statistisch ausgewertet. Da im Produktionstest die LEDs nur sehr kurzzeitig bestromt werden, ist zu beachten, dass sich trotz vergleichbarem Leistungsverbrauch zwischen Puls- Betrieb und Konstantstrom-Betrieb Unterschiede im Lichtstärkewert ergeben. Eine Stabilisierung der Temperatur der LED ist in dieser Betriebsart nicht möglich. In der Regel ist jedoch eine eindeutige Korrelation der Messergebnisse zwischen Puls-Betrieb und Konstantstrom-Betrieb vorhanden, die bei der Auswertung mittels Korrekturfaktoren berücksichtigt wird. Die LED-Testersoftware von Instument Systems integriert sämtliche Funktionen bis hin zur Bin-Klassifizierung und statistischen Analyse.

16 16 Sichere Beweise: Mit präzisen Kalibrier-LEDs Genaue LED-Messungen machen eine präzise Kalibrierung erforderlich, die auf internationale Standards rückführbar sind. Instrument Systems verfügt über ein komplett ausgestattetes Kalibrierlabor, in dem alle radiometrischen und photometrischen Größen für den Test von LEDs kalibriert werden. Für die Überprüfung und Nachkalibrierung der absoluten Intensität bietet Instrument Systems darüber hinaus kalibrierte LEDs mit einem Steuergerät an. Damit geben Sie Ihren Kunden vor Ort die Sicherheit, dass Sie ganz genau nach ISO 9000 messen. Das LED-Kalibriersystem von Instrument Systems eignet sich zum Überprüfen der Messgenauigkeit sowie zum Nachkalibrieren der absoluten Intensität. Es besteht aus einer speziellen LED- Fassung mit einer eingebrannten und selektierten LED sowie aus einem Steuergerät für den Konstantstrom. Da die Strahlungseigenschaften von LEDs sehr von der Umgebungstemperatur abhängig sind, befindet sich in dem Steuergerät ferner eine Elektronik für die Stabilisierung der Chip-Temperatur. Hierzu wird die LED gezielt auf eine Temperatur aufgeheizt, die über der Umgebungstemperatur liegt. Unterschiedliche LED-Typen stehen zur Verfügung, die sich mit dem Steuergerät betreiben lassen. Dies ist vor allem bei genauen Lichtstrommessungen mit der Ulbricht- Kugel entscheidend, weil dann jeweils Kalibrierfaktoren für LEDs mit unterschiedlichen Abstrahlcharakteristiken erstellt werden können. Temperatur- und stromstabilisierte Kalibrier-LED mit Steuergerät

17 17 Ein Kaliber für sich: Das Kalibrierlabor von Instrument Systems Kalibrierraum von Instrument Systems Direkte Rückführbarkeit der Kalibrierung auf internationale Standards steht im Vordergrund bei Instrument Systems. Wir haben deshalb im eigenen Hause ein Kalibrierlabor aufgebaut, das ständig auf den neuesten technischen Stand gebracht wird. Sämtliche am Kalibriervorgang beteiligten Geräte und Komponenten sind nach PTB, DKD oder NIST Standards kalibriert. Gerade die absolute Messung der Lichtstärke und des Lichtstroms von LEDs mit einem Spektralradiometer erfordert einen aufwendigen Kalibrierprozess: Nach der Wellenlängenkalibrierung mittels eines Lasers und einer Hg-Linienlampe erfolgt die Bestimmung der spektralen Empfindlichkeitsfunktion mit Hilfe einer 1000 W FEL Lampe, deren Strahlungsverteilung besonders stabil ist. Die Absolutkalibrierung für Lichtstärke bzw. Lichtstrom wird dann mit Standard- LEDs durchgeführt, die von Siemens/ Osram speziell entwickelt und bei der PTB kalibriert wurden. Dabei wird genauestens die von der CIE empfohlene Messgeometrie angewendet. Dieses Verfahren entspricht der Substitutionsmethode, die am besten die direkte Rückführbarkeit auf internationale Standards gewährleistet. Instrument Systems kümmert sich im eigenen Labor um die Kalibrierung Ihrer LEDs und konvertiert die internationalen Normen in Referenz- und Arbeits-Standards.

18 18 Der beste Maßstab: Unsere Kunden Audi Boeing BMW Delco Electronics EBT/Kingbright Ford GELcore Hewlett Packard Mannesmann VDO Nichia Chemicals NIST Osram PTB Siemens Samsung Stanley Toshiba TRW VW Vishay (Temic Telefunken) Wustlich Optoelektronik Instrument Systems entwickelt und produziert seit 1986 Geräte und Systeme für die optische Messtechnik. Innovation war schon damals das Maß aller Dinge. Zum Beispiel die Entwicklung des Grundprinzips für eine völlig neuartige Spektrometergeneration. Damit wurden erstmals präzise Spektralmessungen bei gleichzeitig hoher Messgeschwindigkeit möglich. Schnelle und innovative Umsetzung Wer wie Instrument Systems in weiten Bereichen der Messtechnik führend sein will, sollte immer etwas schneller sein als andere. Und innovativer. Wir sind es bei der Umsetzung der Kundenanforderungen. Das Ergebnis sind z.b. Produkte mit teilweise drastisch kürzeren Messzeiten. Neben der herausragenden Kompetenz in der LED-Messtechnik bietet Instrument Systems bewährte und innovative Lösungen in folgenden Bereichen der optischen Messtechnik: Display-Testsysteme Mini-/ Kompakt-Array- Spektrometer Scannende Spektrometer in Einzel- und Doppel- Monochromator-Ausführung Polarisations-Messgeräte Testsysteme für Spannnungsdoppelbrechung Ausgewähltes Zubehör für Spektralradiometrie, Photometrie, Transmissionsund Reflexionsmessung WIR BRINGEN QUALITÄT ANS LICHT.

19 19 Beratung schafft Mehrwert Bei Instrument Systems werden Sie gut beraten. So ist von Anfang an dafür gesorgt, dass Ihre Investition besonders effektiv sowie bedarfsorientiert arbeitet und lange lebt. Versteht sich von selbst, dass Sie auch nach dem Kauf immer einen zuverlässigen Partner zur Seite haben unser Service und Support sind Garant dafür.

20 X INSTRUMENT SYSTEMS GMBH Neumarkter Str. 83, München Telefon 089/ Telefax 089/