Optische Charakterisierung von Leuchtdioden

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1 De # QUALITÄTS Optische Charakterisierung von Leuchtdioden Ralf Hellmann, Tilo Gockel Mit der rasanten Entwicklung der LED-Technologie und den breit gefächerten Anwendungen in der Beleuchtungs- und Displaytechnik, der Automobilindustrie sowie im industriellen Umfeld geht die Forderung einher, die optischen Eigenschaften der einzelnen Leuchtdioden und der LED-basierten Produkte zu bestimmen. Da die lichttechnischen Eigenschaften der Leuchtdioden maßgeblich die Produkteigenschaften und deren Qualität bestimmen, wird die LED-Messtechnik damit zu einem wichtigen Werkzeug für die Entwicklung, für die Produktionstechnik und für die Qualitätssicherung. [1] 40 Elektor Special Project: LEDs 4

2 SICHERUNG Bereits im Herstellungsprozess der Leuchtdioden ist es wichtig, die elektrooptischen Eigenschaften zu charakterisieren, so die Produktionsausbeute zu optimieren und eine korrekte Bündelung (engl. Binning) der Emitter zu gewährleisten. Hier erfolgt die Messung der optischen Eigenschaften in der kompletten Prozesskette vom Halbleiter-Wafer bis hin zur kontaktierten und gehausten LED. Im Ergebnis werden die Leuchtdioden gemäß dieser Charakterisierung in einer Spezifikationsklasse gebündelt, und der Entwickler wählt den Emitter nach dieser Spezifikation entsprechend seinen Anforderungen aus. Gegenüber den radiometrischen Größen berücksichtigen die photometrischen Größen die Empfindlichkeit des menschlichen Auges im sichtbaren Spektralbereich zwischen 380nm und 780nm. Sie sind insbesondere im Bereich der Beleuchtungs- und Display-Technologie relevant. Die Empfindlichkeit des Sehvermögens des menschlichen Auges wird durch die so genannte Hellempfindlichkeitskurve V(λ) beschrieben, wobei zwischen der photopischen Anpassung (Tagsehen oder Zäpfchensehen) und der skotopischen Anpassung (Nachtsehen oder Stäbchensehen) zu unterscheiden ist. Aber auch der Entwickler LED-basierter Produkte wird eine optische Charakterisierung durchführen, um die Leistungsfähigkeit und die Betriebsbedingungen der Leuchtdioden in der angestrebten Applikation zu prüfen. Und schließlich wird auch der industrielle Anwender selbst bestrebt sein, die Leistungsfähigkeit der LED-Komponenten in der spezifischen Anwendung zu testen. Je nach Anwendungsgebiet sind bei der optischen Charakterisierung die radiometrischen oder die photometrischen Größen relevant. [2, 3] Hierbei gehen die radiometrischen Größen als physikalische Messgrößen allgemein von der Strahlungsleistung der Lichtquelle (gemessen in Watt) aus und umfassen das komplette Spektrum von der ultravioletten bis hin zur infraroten Strahlung. Von dieser Größe abgeleitet werden weitere wichtige radiometrische Größen wie beispielsweise die Bestrahlungsstärke (Strahlungsleistung pro Fläche) oder die Strahlstärke (abgestrahlte Strahlungsleistung in einen definierten Raumwinkel). Die relevanten photometrischen Größen sowie die entsprechenden radiometrischen Größen (in Klammern) sind: der Lichtstrom (Strahlungsleistung), die Lichtstärke (Strahlstärke), die Beleuchtungsstärke (Bestrahlungsstärke) und die Leuchtdichte (Strahldichte). Grundsätzlich erhält man die photometrischen Größen aus den gemessenen radiometrischen Größen, indem man die Empfindlichkeitskurve V(λ) mit der korrespondierenden radiometrischen Größe multipliziert, über den relevanten Wellenlängenbereich integriert und weiterhin mit einem Faktor multipliziert, der die Beziehung zwischen physikalischer und physiologischer Größe herstellt. Im Falle des Lichtstroms verknüpft dieser Faktor die Einheit der Strahlungsleistung [Watt] mit der korrespondierenden photometrischen Einheit [Lumen] und beträgt 683 lm/w für das Tagsehen und 1699 lm/w für das Nachtsehen. [4] Für die Entwickler von LED-Beleuchtungs- und Display- Produkten ist zudem die Farbmetrik von Bedeutung. [5] Diese bezieht sich meist auf das etablierte CIE-Norm- 41 Theorie und Anwendung

3 Bild 1. CIE-1931-Normfarbtafel. valenzsystem, welches von der Internationalen Beleuchtungskommission CIE (Commission Internationale d Eclairage) als Normfarbsystem entwickelt wurde. [6, 7] Die Angabe der Normfarbwertanteile erfolgt grafisch in der heute weit verbreiteten, zweidimensionalen Normfarbtafel (auch als CIE-Farbdiagramm bezeichnet) für den Farbton und die Sättigung (Bild 1). Der dritte Wert (die Helligkeit, aufgetragen auf der nicht dargestellten z-achse) ergibt sich aufgrund einer Normierung auf Eins aus den beiden anderen Werten. Die physikalisch durch ihre Wellenlängen definierten Spektralfarben bilden den Rand der Farbtafel und die so genannte Purpurlinie verbindet die kürzeste und längste wahrnehmbare Wellenlänge. Innerhalb der aufgespannten Fläche befinden sich die Farborte, wobei diese um so näher an der Außenlinie der Spektralfarben liegen, um so höher ihre Farbsättigung ist. Die Kurve im Inneren zeigt die Farbkoordinaten des Planckschen Strahlers bei unterschiedlichen Temperaturen in der Form der sog. Black-body-Kurve. Abschließend ist für den Entwickler auch die räumliche Abstrahlcharakteristik von Interesse, um beispielsweise eine vom Beobachtungswinkel unabhängige Farbwahrnehmung eines Displays zu gewährleisten. Die Abstrahlcharakteristik ist abhängig vom Aufbau des Halbleiterchips, von der verwendeten Aufbau- und Verbindungstechnik, der Bauform des LED-Gehäuses und von gegebenenfalls verwendeten optischen Komponenten wie Linsen oder Diffusoren. Ziel dieses Beitrags ist es, einen Einblick in die Messtechnik zur optischen Charakterisierung von Leuchtdioden zu geben. Der Fokus liegt hierbei auf der Erfassung der radiometrischen und photometrischen Kenngrößen sowie der räumlichen Abstrahlcharakteristik. Messtechnik zur optischen Charakterisierung Die wichtigsten Messgeräte zur LED-Charakterisierung sind eine Ulbrichtkugel zur Aufnahme der gesamten Strahlungsleistung und davon abgeleiteter Größen, ein Spektrometer zur Auflösung der spektralen Information der LED-Emission sowie ein Goniometer zur Messung der räumlichen Abstrahlcharakteristik [8] Bild 2 zeigt einen solchen Messaufbau. Hinzu kommen Testfassungen für die Leuchtdioden unterschiedlicher Bauformen, die in das Goniometer beziehungsweise in die Ulbrichtkugel eingesetzt werden. Diese Präzisionstestfassungen gewährleisten einerseits einen reproduzierbaren Einbau und damit Bild 2. Fasergebundener Messaufbau des Labors für Photonik an der Hochschule Aschaffenburg zur Charakterisierung von Leuchtdioden. Rechts das 2-Achsen-Goniometer, mittig eine Ulbrichtkugel und links unten das Spektrometer. 42 Elektor Special Project: LEDs 4

4 eine Ausrichtung der LED im Messaufbau, andererseits kann bei LED-Modulen hiermit auch bereits eine Kühlung vorgesehen werden. Bild 3. Ulbrichtkugel der Firma Instrument Systems [10]. Ulbrichtkugel Aufgrund der divergenten Emission von Leuchtdioden oder LED-Modulen wird ihre Gesamtstrahlungsleistung entweder über eine Ulbrichtkugel oder für Einzel-LEDs und kleinere Module auch über ein Goniophotometer aufgenommen. Eine Ulbrichtkugel ist ein Hohlkörper, dessen Innenseite diffus reflektierend beschichtet ist (Bild 3, [9]). Die Bauweise der Kugel stellt sicher, dass sich ausgehend von der eingestrahlten LED-Emission von einer Eingangsöffnung der Kugel aus über Mehrfachreflexion in ihrem Innenraum ein homogenes Strahlungsfeld ergibt und somit über eine Leistungsmessung an einem Ausgang der Kugel Aussagen über die Gesamtleistung getroffen werden können. Der Detektor wird dabei durch ein Schild vor direkter Bestrahlung geschützt. Die Auswahl des Detektors erfolgt in Hinblick auf die LED-Emission unter Berücksichtigung seiner spektralen Empfindlichkeit. die Messungen relevanten Spektralbereich sowie auf die Zerstörschwelle zu achten. Die Reflektivität sollte möglichst hoch sein und eine geringe spektrale Abhängigkeit aufweisen. Wegen des guten Preis-/Leistungsverhältnisses werden häufig Bariumsulfat-Verbindungen für den ultravioletten, sichtbaren und nahinfraroten Spektralbereich verwendet. Für das nahe und mittlere Infrarot werden Goldbeschichtungen gewählt. Die besten Reflexionseigenschaften über einen weiten Spektralbereich werden mit optischem Polytetrafluorethylen erzielt. Die Auswahl einer geeigneten Ulbrichtkugel orientiert sich an der Größe der zu messenden LED-Anordnung, an der spektralen Position der Emission sowie an der Ausgangsleistung des LED-Emitters. Die Größe richtet sich bei einer LED-Quelle, die von außen an den Eingang einer Ulbrichtkugel angebracht wird, nach der Leistung der Quelle unter Berücksichtigung der Zerstörschwelle der Beschichtung und des Detektors. Eine kleine Kugel erhöht die Intensität und das Signal-zu-Rausch-Verhältnis. Kritischer wird es, wenn große, leistungsstarke LED-Quellen in die Ulbrichtkugel eingebracht werden sollen. In diesem Fall muss die Kugel so groß gewählt werden, dass einerseits die mechanische Einbringung der Quelle möglich ist, andererseits diese aber das Strahlungsfeld im Innern der Kugel nicht zu sehr stört (die Störeffekte sind Abschattung und Temperaturerhöhung). Als Richtwert hat sich hier ein Faktor 5 10 für das Verhältnis Kugelinnendurchmesser zu Ausdehnung der Quelle etabliert. In der Praxis haben sich zur Messung von Einzel-LED, Hochleistungs-LED oder kleineren LED-Modulen Innendurchmesser von bis zu 250mm sowie für die Messung von leistungsstarken Modulen und Leuchtmitteln mit mehreren Hundert Watt Strahlungsleistung Innendurchmesser von bis zu drei Metern etabliert. Bei der Auswahl des Beschichtungsmaterials der Innenseite der Ulbrichtkugel ist auf dessen Reflektivität in dem für Hinsichtlich der Ausgangsleistung der zu vermessenden Leuchtdioden ist zu beachten, dass eine Ulbrichtkugel im Grunde wie ein Abschwächer wirkt, da die Leistung auf die komplette Innenfläche der Kugel homogen verteilt wird. Als typischer Richtwert kann 1μW Eingangsleistung angenommen werden ein Wert, der noch zu einem guten Signal-zu-Rausch-Verhältnis führt. Hier ist aber sowohl die Größe der Kugel als auch die Detektorvariante zu beachten. [11] Wenn im Inneren der Ulbrichtkugel aufgrund der spektralen Reflexionseigenschaften des Beschichtungsmaterials sowie aufgrund von Abschattungseffekten durch absorbierende Flächen kein homogenes Strahlungsfeld über den kompletten Spektralbereich erzeugt wird, weichen die Messergebnisse von der zuvor beschriebenen Idealvorstellung eines Lambertschen Strahlers ab. Andere Störeinflüsse können sein, dass die Ein- und Ausgänge, die Reflektivität der Innenfläche stören und dass der Detektor keine perfekte Kosinuskorrektur aufweist. In Abhängigkeit von der zu vermessenden LED-Quelle werden daher gegenüber jeglicher Kalibrierung der Ulbrichtkugel Abweichungen auftreten. Diese können durch einen großen Kugeldurchmesser verringert werden, wenngleich das zu einem Intensitätsverlust am Detektor führt, was wiederum eine Betrachtung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses erfordert. Für die Praxis ist schließlich zu entscheiden, mit wie viele Eingängen und Ausgängen die Ulbrichtkugel 43 Theorie und Anwendung

5 Bild 4. Gemessene Abstrahlcharakteristik einer 310-nm UV-LED von Seoul Optodevice. ausgestattet werden soll. Auch kann die Position des Detektors variiert werden. So kann beispielsweise der Detektor in die Nähe des Eingangsports gelegt werden, um die bereits zuvor erwähnte Abschirmung des Detektors vor direkter Bestrahlung überflüssig zu machen und dadurch Abschattungseffekte zu eliminieren. Am Markt finden sich hierzu neben Anbietern von Standardprodukten auch Hersteller kundenspezifischer Ulbrichtkugeln. Goniometer Mit dem Goniometer kann die räumliche Abstrahlcharakteristik der LED bestimmt werden (siehe Bild 4). Hierzu wird der Emitter zunächst um seine Spitze und zudem um seine mechanische Achse gedreht. Damit kann in einem sphärischen Koordinatensystem die Strahlungsleistung in Abhängigkeit die beiden Winkel ϑ und ϕ aufgenommen werden. Detektorseitig kann das Goniometer auch mit einer kleinen Ulbrichtkugel als Messkopf ausgestattet sein, die wiederum über einen Faserausgang an ein Spektrometer angeschlossen werden kann, so dass alle spektralen Informationen wie beispielsweise die Peak-Wellenlänge, die dominante Wellenlänge oder die Farbkoordinaten zugänglich werden. In der Praxis ist zu beachten, dass der Abstand zwischen Emitter und Detektor auf die räumliche Strahlcharakteristik abzustimmen ist. So ist für eine sinnvolle Winkelauflösung einer LED mit starker Vorwärtscharakteristik (d.h. engwinklige, gerichtete Emission) ein größerer Abstand von typisch 300mm zu wählen. Zudem kann der Detektor räumlich durch eine vorgeschaltete Apertur begrenzt werden und es ist in kleineren Winkelschritten abzurastern. Bei weitwinkliger, diffuser Emission der Quelle kann dagegen ein kleiner Abstand von typisch 100mm gewählt werden. Spektrometer Die spektrale Information der LED-Emission wird mit gitterbasierten Spektrometern aufgenommen. Die spektralen Kenngrößen sind dabei Die Peak-Wellenlänge: Sie stellt das Maximum der spektralen Verteilung dar und wird im Allgemeinen bei der Typenbezeichnung einer LED angegeben. In der Praxis jedoch ist sie - insbesondere in der Displayund Beleuchtungstechnik - häufig von geringerer Bedeutung, da Leuchtdioden gleicher Peak-Wellenlängen unterschiedliche Farbwirkung aufweisen können. 44 Elektor Special Project: LEDs 4

6 Bild 5. Gemessene Spektren verschiedener Leuchtdioden. Durchgezogene Linie: UV- LED, strichpunktierte Linie: Weißlicht-LED, gestrichelte Linie: grüne LED, gepunktete Linie: rote LED. Die Dominante: Sie gibt an, welchen Farbeindruck das menschliche Auge von der LED zurückliefert. Die dominante Wellenlänge wird auch als empfundene Wellenlänge oder farbtongleiche Wellenlänge bezeichnet. Die Schwerpunktswellenlänge: Sie definiert die Hälfte der über den gesamten emittierten Spektralbereich integrierten Strahlungsleistung. Sie kann zur radiometrischen Charakterisierung von Leuchtdioden herangezogen werden. Die Halbwertsbreite: Sie bezeichnet die spektrale Breite bei der Hälfte der Maximalleistung der Peak- Wellenlänge. Zentrumswellenlänge: Sie bezeichnet die Mitte der Halbwertsbreite Bild 5 zeigt gemessene Spektren verschiedener Leuchtdioden, deren maximale Strahlungsleistung auf 1 normiert wurde (aufgenommen mit dem Messaufbau aus Bild 2). Im Einzelnen sind dort die Emissionsspektren einer UV-A-LED (durchgezogene Linie), einer Weißlicht-LED mit der deutlich erkennbaren Emission der anregenden blauen LED sowie der breitbandigen Emission des Fluoreszenzfarbstoffes (strichpunktierte Linie), eine grüne LED (gestrichelte Linie) sowie eine rote LED (gepunktete Linie) gezeigt. Bei den gitterbasierten Spektrometern sind grundsätzlich scannende Systeme und Array-Spektrometer zu unterscheiden. Scannende Spektrometer besitzen einen einzelnen Detektor und ein drehendes Gitter. Bei Array- Systemen steht dagegen das Gitter fest und die durch das Gitter räumlich aufgefächerte spektrale Information wird auf ein Dioden-Array oder ein CCD abgebildet. Scannende Systeme zeichnen sich in der Regel durch einen großen zugänglichen Spektralbereich sowie eine hohe spektrale Auflösung und Wellenlängengenauigkeit aus. Hinzu kommen eine gute Streulichtunterdrückung durch eine Spalte vor dem Detektor und damit eine hohe Dynamik. Nachteilig für diese Spektrometer ist die längere Messzeit durch die mechanische Scan-Bewegung des Gitters. Im Vergleich dazu sind Array-Spektrometer schneller, da bei diesen Systemen das gesamte Spektrum gleichzeitig aufgenommen wird. Dafür ist hier die spektrale Auflösung geringer, und auch die Dynamik ist im Vergleich zu scannenden Systemen kleiner, da hier die Streulichtunterdrückung durch einen Austrittsspalt vor dem Detektor nicht möglich ist. Die technisch motivierte Auswahl eines Spektrometers erfolgt anhand des zugänglichen Spektralbereiches und der spektralen Empfindlichkeit (bestimmt durch die Empfindlichkeit des Detektors, des Gitters und der Optiken) sowie der erzielbaren spektralen Auflösung und der Wellenlängengenauigkeit. Der optomechanische Aufbau des Systems bestimmt zudem die Streulichtunterdrückung. Weitere wichtige Kenngrößen sind das Signal-zu-Rausch- Verhältnis und die Linearität des Detektors. Die bisher genannten Komponenten eines LED-Messplatzes (Ulbrichtkugel, Spektrometer und Faserbündel) weisen unterschiedliche spektrale Grenzen auf. Bei der 45 Theorie und Anwendung

7 Bild 6. Gemessene Spektren verschiedener UV- Leuchtdioden. Die Peak-Wellenlängen sind im oberen Bereich der Bild angegeben. Bild 7. Screenshot der SpecWin-Pro- Software der Firma Instrument Systems [10]. Zusammenstellung eines solchen Systems sind daher die Eigenschaften der Einzelkomponenten insbesondere bei Anwendungen an den spektralen Randbereichen, z. B. im UV-C, aufeinander abzustimmen. Bild 6 zeigt Spektren verschiedener UV-A-, UV-B- und UV-C-Leuchtdioden, die mit dem Aufbau aus Bild 2 aufgenommen wurden. Moderne Messplätze für die Charakterisierung von Leuchtdioden sind mit einer umfangreichen Auswerte-Software ausgestattet, die die Bestimmung aller relevanten radiometrischen und photometrischen Größen übernimmt. Bild 7 zeigt einen Screenshot einer solchen Software mit Spektrum (zentral), dem Farbort in einem Ausschnitt der CIE-Normfarbtafel (links unten) sowie einer Aufstellung wichtiger spektraler Kennwerte wie der Farbtemperatur, der dominanten Wellenlänge oder der Peak-Wellenlänge (links oben). Quellen [1] Dan Scharf: Optical testing is an essential aspect of making LEDs. In: Laser Focus World, Ausgabe 2/2011, Seite 55 57, [2] Tilo Gockel: Es werde Licht Physikalische Grundlagen zu Licht und Beleuchtung. In: Zeitschrift ELEKTOR, Sonderheft LED- Special 1 Leuchtdioden in Theorie und Praxis (erschienen: November 2009). [3] Tilo Gockel: Illuminati Beleuchtungstechnik: Grundlagen und Anwendungen. In: Zeitschrift ELEKTOR, Sonderheft LED- Special 1 Leuchtdioden in Theorie und Praxis. [4] Pedram Azad, Tilo Gockel, Rüdiger Dillmann: Computer Vision Das Praxisbuch. Elektor-Verlag, Aachen, [5] Paul Scheidt: Die Kunst der LED-Farbmischung. In: Zeitschrift Laser und Photonik, Ausgabe 3/2011, Seite 50 53, [6] Commission International de l Eclairage, Calorimetry, Publikation CIE 15.2, [7] Commission International de l Eclairage, Measurements of LEDs, Publikation CIE 127, [8] T. Nägele, R. Distl: Handbuch der LED- Messtechnik, [9] T. Q. Kahn, W. Dähn: Die Ulbrichtsche Kugel, Photonik 4, [10] Fa. Instrument Systems in München. Online-Produktspektrum und Datenblätter. URL: [11] V.C. Coffey: How to select an integrating sphere for your application. Online- Whitepaper, Laser Focus World, Focus on Products URL: 46 Elektor Special Project: LEDs 4