Photometrische Messtechnik für LEDs

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1 Photometrische Messtechnik für LEDs Armin Sperling Physikalisch-Technische Bundesanstalt 1 Motivation Messgrößen Eigenschaften von Leuchtdioden Empfohlene Messvorschriften Ausblick über laufende Arbeiten der CIE Physikalisch-Technische Bundesanstalt 2

2 Motivation Aufgaben und Ziele der photometrischen Messtechnik am Beispiel von LEDs und LED- Beleuchtungsanwendung Gewinnung von Daten für die Bewertung von LEDs Lichtstärke und Lichtfarbe in Bezug auf andere LEDs Farbwiedergabe in Bezug auf konventionelle Lichtquellen Bestimmung von Messunsicherheiten Konsistenz der gewonnenen Daten weltweit Normung und Standardisierung Einbindung der erforderlichen Messtechnik (Sensorik) in die Produktion Physikalisch-Technische Bundesanstalt 3 Motivation Probleme in der Messtechnik? Farbige LEDs sind sehr viel schmalbandiger als konventionelle Lampen Messgeräte sind oft nicht entsprechend Charakterisiert Bauform und Abstrahlcharakteristik von LEDs sehr unterschiedlich, in der Regel stark gerichtet Geringer Lichtstrom; LED-Clustern pixellierte Strukturen Farbwiedergabe von weißen LEDs berechneter CRI stimmt oft nicht mit dem Farbempfinden überein Physikalisch-Technische Bundesanstalt 4

3 Messgrößen Betriebsparameter Strom I F, Spannung U F Sperrschichttemperatur T j Geometrische Größen Lichtweganfang, Messabstände, Raumwinkel Photometrische/Radiometrische Größen Lichtstärke I LED, Lichtstrom φ LED ; (rad.: Strahlstärke,Strahlungsleistung) Strahlungsfunktion S LED Ähnlichste Farbtemperatur T N, CRI (weiße LEDs) Dominante Wellenlänge λ dom, Purity p Centroidwellenlänge λ C Lichtstärke-Verteilungskörper (LVK) Strahlenmodell Physikalisch-Technische Bundesanstalt 5 Messgrößen Photometrische Beobachter Em pfindlichkeit [A m m ²/W] 1.0E E E E E E E Wellenlänge [nm] Candela: 10 Die Candela ist die Normspektralwertfunktionen Lichtstärke in einer bestimmten 2 Beobacher Richtung einer Strahlungsquelle, die die z(λ) monochromatische y(λ) 1 Strahlung der Frequenz x(λ) Hz aussendet und deren Strahlung in dieser Richtung 1/683 Watt durch 400 Steradiant 500 beträgt a.u. 1, ,0 0,5 0.5 Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad V(λ) Wellenlänge 700 X = Km S Y = Km S x,y Normfarbtafel nach CIE 1931 λ λ Z = Km S λ ( λ) y( λ) dλ Physikalisch-Technische Bundesanstalt 6 LED LED LED K = 683 lm m W ( λ) x( λ) dλ ( λ) z( λ) dλ mit X x = X + Y + Z Y y = X + Y + Z 1 = x + y + y z ( λ) V (λ)

4 Messgrößen Betriebsparameter Strom I F, Spannung U F Sperrschichttemperatur T j Geometrische Größen Lichtweganfang, Messabstände, Raumwinkel Photometrische/Radiometrische Größen Lichtstärke I LED, Lichtstrom φ LED ; (rad.: Strahlstärke,Strahlungsleistung) Strahlungsfunktion S LED Ähnlichste Farbtemperatur T N, CRI (weiße LEDs) Dominante Wellenlänge λ dom, Purity p Centroidwellenlänge λ C Lichtstärke-Verteilungskörper (LVK) Strahlenmodell Physikalisch-Technische Bundesanstalt 7 Geometrische Größen Durch Linsen ist der scheinbare Lichtweganfang oft abhängig von der Blickrichtung Durch die Abbildungseigenschaft der Linse wird LVK zusätzlich stark vom Aufbau des Diodenchips beeinflusst Barrakuda Leistungs-LED Physikalisch-Technische Bundesanstalt 8

5 T N / K Durch die chromatische Aberration der einfachen Linsen kommt es insbesondere bei weißen LEDs zu einer Wellenlängendispersion im Fernfeld Ähnlichste Farbtemperatur T N als Funktion des Abstrahlwinkels α Geometrische Größen y nm 515 nm 530 nm 535 nm 510 nm 540 nm 545 nm 550 nm 505 nm 555 nm 560 nm 565 nm 570 nm 500 nm 575 nm 580 n m 585 nm 2856 K 590 nm 495 nm 595 nm 600 nm E 5000 K 610 nm 6500 K 620 nm 490 nm 8000 K 485 nm Normfarbtafel 750 nm α / nm 475 nm 470 nm 460 nm 385 nm x Physikalisch-Technische Bundesanstalt 9 Geometrische Größen Fazit Mechanische Ausrichtung während der Messung kritisch Information über spektralen Lichstärke/Strahlstärke- Verteilungskörper erforderlich Für absolute Messungen sind Messvorschriften und standardisierte geometrische Bedingungen erforderlich Physikalisch-Technische Bundesanstalt 10

6 Messgrößen Betriebsparameter Strom I F, Spannung U F Sperrschichttemperatur T j Geometrische Größen Lichtweganfang, Messabstände, Raumwinkel Photometrische/Radiometrische Größen Lichtstärke I LED, Lichtstrom φ LED ; (rad.: Strahlstärke,Strahlungsleistung) Strahlungsfunktion S LED Ähnlichste Farbtemperatur T N, CRI (weiße LEDs) Dominante Wellenlänge λ dom, Purity p Centroidwellenlänge λ C Lichtstärke-Verteilungskörper (LVK) Strahlenmodell Physikalisch-Technische Bundesanstalt 11 Messung der Lichtstärke Technical Report CIE 127:2007 [1] Mittlere LED Lichtstärke: I LED, A und I LED, B Ein Maß für die mittlere Lichtstärke einer LED in der vorgegebene Entfernung; Zwei Entfernungen >>> Nahfeld, Fernfeld Das verwendete Photometer muss für Beleuchtungsstärke kalibriert sein Berechnung: I LED = E. d² Anwendung des photometrisches Abstandsgesetzes streng genommen nicht möglich! I LED, A und I LED, B lassen sich nicht ineinander umrechnen! TIP Kreisförmige Blende Blendenfläche A=100 mm² Blendendurchmesser d = 11,284 mm Ω B = 0.01 sr Δϑ B = 6.5 d = 100 mm CIE Standard Condition B I LED,B Ω A = sr Δϑ A = 2 d = 316 mm Photometer mechanische Achse CIE Standard Condition A I LED,A Physikalisch-Technische Bundesanstalt 12

7 Messung und Auswertung Photometer: Beleuchtungsstärke E = v y s LED v Anzeigewert (Photostrom) Photometrische Empfindlichkeit I LED,A = CCF c Elek,Phot d y LED,Hell y s v LED,Dunkel mit: Photometer-Anpasskorrektur: CCF = V s rel ( λ) SLED( λ) ( λ) S ( λ) LED Strahlungsfunktion der LED dλ dλ V s rel ( λ) P( λ, TA ) dλ ( λ) P( λ, T ) dλ A Relative spektrale Empfindlichkeit des Photometers Planck für Lichtart A (Normierung f. s v ) Spektrale Fehlanpassung Photometer: Für die Korrektur der spektralen Fehlanpassung CCF des Photometers benötigt man neben der Strahlungsfunktion der LED zusätzlich die relative spektrale Empfindlichkeit des Photometers. Alle anderen Funktionen aus der Literatur. Physikalisch-Technische Bundesanstalt 13 Messung und Auswertung Relative Messunsicherheit U Rel (CCF-Photometer) der Anpasskorrektur (Colour Correction Factor CCF) URel (CCF) 10 1 Δλ 0,5 = 20 nm U (S) = 0,001 U (λ) = 0,2 nm λ peak nm Physikalisch-Technische Bundesanstalt 14

8 Messung mit Spektroradiometer Nach CIE 127:2007 Kalibrierung des Spektrometers Bedingung gemäß I LED,A oder I LED,B 1) Spektroradiometer A/D-Counts S(λ) 10 8 Response auf FEL- Lampe λ/nm S(λ) ) Spektroradiometer Spektroradiometer Diffusor 2) weitere Messgeometrien Referenzfunktion FEL-Lampe Empfindlichkeitsverteilung λ/nm λ/nm 800 Physikalisch-Technische Bundesanstalt 15 Messung des Lichtstroms Technical Report CIE Messung des LED (Gesamt-)Lichtstroms [4] Hilfs-LED LED-Transfernormal Hilfs-LED Substitution Substitution Schatter Schatter Photometer Für alle Typen LEDs ohne Rückwärtsemission Physikalisch-Technische Bundesanstalt 16

9 Messung des Lichtstroms Technical Report CIE Messung des LED (Gesamt-)Lichtstroms [4] Hilfslampe Transfernormal Hilfslampe Substitution Substitution? Schatter Schatter Spektroradiometer Für alle Typen LEDs ohne Rückwärtsemission Physikalisch-Technische Bundesanstalt 17 Messung des Teillichtstroms Technical Report CIE Messung des partiellen LED Lichtstroms [1] 25 mm d = x tan 2 für 0 x 180 z. B. φ LED, x d Hilfs-LED Substitution 50 mm x Schatter LED-Transfernormal Präzisionsblende x = 40,60, 90, 120 empfohlen Photometer Physikalisch-Technische Bundesanstalt 18

10 Messung des Teillichtstroms Technical Report CIE Messung des partiellen LED Lichtstroms [1] 25 mm d = x tan 2 für 0 x 180 z. B. φ LED, x d Hilfslampe für Kalibrierung 50 mm x Schatter Transfernormal Präzisionsblende x = 40,60, 90, 120 empfohlen Spektroradiometer Physikalisch-Technische Bundesanstalt 19 Dominate Wellenlänge Technical Report CIE Bestimmung der dominanten Wellenlänge λ dom von LEDs Ort auf dem spektralen Kurvenzug im (x,y)-diagramm, der sich durch Verlängerung der Verbindung vom Unbuntpunkt zum Farbort der LED hin zum spektralen Kurvenzug ergibt y Dnm 515 nm 530 nm 535 nm 510 nm 540 nm 545 nm 550 nm 505 nm 555 nm 560 nm X 565 nm 570 nm 500 nm 575 nm 495 nm 490 nm 2856 K W E 5000 K 6500 K 8000 K Tn 580 n m 585 nm 590 nm 595 nm 600 nm LED, weiß 610 nm 620 nm 750 nm nm nm 475 nm 470 nm 460 nm 385 nm x Physikalisch-Technische Bundesanstalt 20

11 Messung und Auswertung Messunsicherheit Uλ dom bei der Bestimmung der dominanten Wellenlänge Uλ dom Δλ 0,5 = 20 nm U (S) = 0,001 U (λ) = 0,2 nm λ peak / nm Physikalisch-Technische Bundesanstalt 21 Colorimetrische Größen Technical Report CIE Bestimmung der Purity p e (spektraler Farbanteil) Als Verhältnis der Abstände Farbort-Unbuntpunkt zu λ dom - Farbort der LED. XE p e = DE weiße LED (W) y Dnm 515 nm 530 nm 535 nm 510 nm 540 nm 545 nm 550 nm 505 nm 555 nm 560 nm X 565 nm 570 nm 500 nm 575 nm 495 nm 490 nm 485 nm 2856 K W E 5000 K 6500 K 8000 K Tn 580 n m 585 nm 590 nm 595 nm 600 nm LED, weiß 610 nm 620 nm 750 nm Ähnlichste Farbtemperatur T N Kürzeste Abstand vom Farbort W zum Planckschen Kurvenzug im u,v-diagramm u=4x/(-2x+12y+3) v=6y/(-2x+12y+3) nm 475 nm 470 nm 460 nm 385 nm x Definition von λ peak, λ 0.5, λ c Physikalisch-Technische Bundesanstalt 22

12 Messung und Auswertung Messunsicherheiten bei der Bestimmung der Farbortkoordinaten U(x,y) U(x)-> blau U(y)-> rot Δλ 0,5 = 20 nm U (S) = 0,001 U (λ) = 0,2 nm λ peak / nm Physikalisch-Technische Bundesanstalt 23 Farbwiedergabeindex (CRI) Zu kennzeichnende Lichtquelle Referenzlichtquelle Spezieller Farbwiedergabe-Index: R = 100 4, 6Δ i E i Allgemeiner Farbwiedergabe-Index: 8 1 R a = R i 8 i= 1 Aus den ersten 8 Testfarben spektr. Strahldichtefaktor, β i(λ) CIE Pub Wellenlänge, λ Eine von 14Testfarben spektr. Strahldichtefaktor, β i(λ) Wellenlänge, λ Physikalisch-Technische Bundesanstalt 24

13 Farbwiedergabeindex (CRI) Beispiele für CRI Plancksche Strahler und Normlichart D65 haben per Definition einen CRI = 100 Farbwiedergabeindex Farbwiedergabeeigenschaft Beispiel konventioneller Lampen Beispiel LEDs Sehr gut gut >90 (1A) (1B) (2A) (2B) Glühlampen! Dreibanden Leuchtstofflampe Hochdruck- Entladungslampen Dreibanden Leuchtstofflampe Hochdruck- Entladungslampen Phosphor-LED cool Phosphor-LED warm RGB-LED Für ähnlichste Farbtemperaturen unterhalb 5000K muss der Plancksche Strahler bei der Berechnung verwendet werden, über 5000K eine D65-ähnliche Referenzquelle genügend ungenügend (3) (4) Einfache Leuchtstofflampe Na-Dampf RGB-LED RGB-LED Berechneter Farbwiedergabe- Index und Wahrnehmung stimmen oft nicht überein! Physikalisch-Technische Bundesanstalt 25 Internationale Bestrebungen USA: DOE Engergy Star Programm for SSL [2] Einsatz von SSL für allgemeine Beleuchtung Mindestanforderungen für Lichtausbeute Mindestanforderungen für CRI CIE TC1-69 Investigation of new methods for assessing the colour rendition properties of white-light sources used for illumination, including solid-state light sources, with the goal of recommending new assessment procedures. Aufbau einer neuen Metrik für die Farbwiedergabe Widerstand aus der Industrie zu erwarten, falls sich Zahlenwerte für gängige Produkte negativ verändern. Physikalisch-Technische Bundesanstalt 26

14 Nationale und internationale Normung Weitere Arbeitsgruppen der Division 2 der CIE zum Thema LED TC2-46 Herausgabe eines CIE-Standards für die Messung der Lichtstärke von Lumineszensdioden Grundlage des Standards ist die CIE-Publikation TC2-50 Ziel: Technischer Report zur Messung optischer Eigenschaften von LED-Cluster und Arrays im sichtbaren Spektralbereich um optische Größen für große LED-Arrays herzuleiten und Empfehlungen zur Messtechnik und den Messbedingungen zu geben. TC2-58 Ziel: Technischer Report zur Empfehlung von Messmethoden für die Bestimmung der Leuchtdichte und Strahldichte von LEDs unter besonderer Berücksichtigung der speziellen Anforderungen biologischer Sicherheitsstandards. Arbeitsgruppen im FNL3 AK 3.1 Ergänzung der Norm DIN 5032 zur Messung von LEDs und LED-Systemen Physikalisch-Technische Bundesanstalt 27 Referenzen: [1] Technical Report CIE 127:2007; Measurement of LEDs (2nd ed.) ISBN [2] %20SSL%20Final% pdf Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit [3] CIE Webseite: Physikalisch-Technische Bundesanstalt 28