LED-Leuchtmittel: Photometrische Größen bei einer LED messen

| Autor / Redakteur: Günther Leschhorn * / Hendrik Härter

LED-Lichtquellen: Für konsistente und hochpräzise Messergebnisse sind hochwertige Messinstrumente notwendig. Aber auch einheitliche und umsetzbare Standards.
LED-Lichtquellen: Für konsistente und hochpräzise Messergebnisse sind hochwertige Messinstrumente notwendig. Aber auch einheitliche und umsetzbare Standards. (Bild: Andreas Acktun)

Wer ein LED-Leuchtmittel kauft, wird mit vielen technischen Angaben konfrontiert. Hier helfen Standards, damit die photometrischen Größen präzise gemessen werden können und die Werte vergleichbar sind. Hier helfen Ulbricht-Kugel und Goniophotometrie.

Bevor die LED ihren Siegeszug in der Beleuchtung angetreten hat, war die Welt der Glühlampen sehr einfach. Bei einem Defekt konnte man noch schnell in den Baumarkt gehen und eine 40-W-Glühlampe kaufen. Anders bei der LED-Technik: Hier steht der Anwender vor vielen neuen Begriffen wie Lichtstrom, Farbtemperatur oder sogar Color Rendering Index (CRI), die auf den Verkaufsverpackungen genannt, aber nicht erklärt werden.

So wurde aus dem Kauf einer 40-W-Lampe eine „Checkliste für den Kauf einer neuen LED-Lampe im Einzelhandel“ [1]. Der Anwender muss sich an die neuen Größen und Begriffe gewöhnen und erwartet Konsistenz. Das wiederum ist eine Herausforderung für Lampen- und Leuchtenhersteller: Wie werden diese Größen richtig und vergleichbar gemessen? Was ist eine genaue Messung?

LED-Lichtquelle und die Energieeffizienzklasse

Das Bild 1 zeigt die Musterverpackung einer LED-Lampe aus dem Einzelhandel. Hier finden sich relevante optische Größen wie der Lichtstrom. Er gibt die gesamte in alle Richtungen abgestrahlte, vom menschlichen Auge empfundene optische Leistung im sichtbaren Spektralbereich an. Er ersetzt die Watt-Angabe der Glühlampe, wobei ein Lichtstrom von etwa 800 lm in etwa der Helligkeit einer 60-W-Lampe entspricht.

Ebenfalls abgebildet ist die Energieeffizienzklasse mit einem eigenen Label. Für die Einordnung einer Lichtquelle in eine Energieeffizienzklasse ist nicht nur der Lichtstrom und die aufgenommene elektrische Leistung wichtig, sondern auch die räumliche Abstrahlcharakteristik des Prüflings. Für die Klassifizierung ist eine winkelabhängige, goniophotometrische Vermessung notwendig. Weitere kaufentscheidende Größen kommen aus dem farbmetrischen Bereich. Die Begriffe Warmweiß, Neutralweiß oder Kaltweiß beziehen sich auf die korrelierte Farbtemperatur oder kurz CCT. Die Zahl in Kelvin gibt Aufschluss darüber, ob die Lampe eher warm oder kühl wirkendes Licht abgibt.

Je höher der Kelvin-Wert, desto kühler ist die Lichtwirkung. Der Farbwiedergabeindex Ra oder CRI ist ebenfalls abgebildet und führt gerne zu Verwirrung. Dieser Wert gibt an, wie natürlich die Farben beleuchteter Gegenstände wiedergegeben werden. Der maximale Wert liegt bei Ra = 100, hier ist die Farbwiedergabe am natürlichsten. Im Normalfall ist ein Wert von Ra = 80 ausreichend. Der Farbwiedergabeindex ist nur mit einem Spektrometer bestimmbar, wie es in der Kugelphotometrie eingesetzt wird.

Optische Vermessung mit einer Ulbricht-Kugel

Die optische Vermessung einer LED-basierten Lichtquelle mit Hilfe einer Ulbricht-Kugel wird Kugelphotometrie genannt (Bild 2). Bei dieser Technik ist die Abstrahlcharakteristik der Lichtquelle grundlegend nicht von Bedeutung. Die Innenfläche der Kugel, in deren Zentrum sich das zu vermessende Objekt befindet, ist mit einem diffus reflektierenden Material wie Bariumsulfat [BaSO4] beschichtet. Das Licht wird möglichst oft an den Wänden reflektiert und es kommt zu einer Durchmischung. Folge davon ist eine gleichmäßige Beleuchtungsstärke an der Kugelwand, die mit einem geeigneten Detektor wie einem hochwertigen Spektralradiometer mit kosinusförmiger Empfangscharakteristik an einer beliebigen Stelle der Kugelwand gemessen werden kann.

Bild 2: Mit der Kugelphotometrie sind sehr schnelle Messungen von Lichtstrom und räumlich integrierten farbmetrischen Messgrößen möglich.
Bild 2: Mit der Kugelphotometrie sind sehr schnelle Messungen von Lichtstrom und räumlich integrierten farbmetrischen Messgrößen möglich. (Bild: Instrumentsystems)

Die Kugelphotometrie ist eine relative Messung und benötigt einen Bezugswert. Die gemessene Beleuchtungsstärke wird mit der Beleuchtungsstärke einer Lichtstrom-Standardlampe kalibriert. Dadurch kann direkt der Lichtstrom des Prüflings bestimmt werden. Wird ein Spektralradiometer als Detektor verwendet, können auch räumlich integrierte farbmetrische Messgrößen wie CCT, CRI oder Farbkoordinaten bestimmt werden.

Die Kugelphotometrie ist ein sehr schnelles Messverfahren und dauert wenige Millisekunden. Dabei ist die Messausstattung vergleichsweise günstig und leicht zu bedienen. Daher wird dieses Verfahren sehr gerne und häufig verwendet. Jedoch erfordert die Kugelherstellung ein hohes Maß an Qualität und Erfahrung. Die Kugel enthält typischerweise Blenden, Öffnungen für den Detektor, eine Hilfslichtquelle und muss geöffnet und geschlossen werden. Die Anordnung beziehungsweise das Design dieser Elemente sollte wohldurchdacht sein, da sie direkten Einfluss auf die Qualität der Messung nimmt. Auch das richtige Einbrennen der Lichtquelle, die Durchführung einer Selbstabsorptionskorrektur und die verwendete Kugelgröße tragen maßgeblich zur Messqualität bei und sind potentielle Fehlerquellen.

Jede Lichtquelle sollte vor der Messung lang genug einbrennen. Wird das unterlassen, so sind Messfehler von mehreren 10% keine Ausnahme. Die optische Abstrahlung und die aufgenommene elektrische Leistung der einbrennenden Lichtquelle sollten über einen standardmäßig definierten Zeitraum beobachtet werden und gewisse Schwankungsgrenzen in diesem Zeitraum nicht überschreiten. Erst dann ist die Lichtquelle als stabil anzusehen. Die Kugel ist während des Einbrennens geöffnet zu halten, um Aufheizeffekte zu vermeiden. Ist die Lichtquelle stabil, schließt man die Kugel sanft und startet die Messung.

Die Selbstabsorption und die Kugelgröße

Je größer und dunkler eine Lichtquelle ist, desto mehr optische Strahlung wird von ihr absorbiert, auch die von ihr selbst emittierte. Dieser Teil fehlt bei der Messung. Es ist deshalb notwendig, für jeden Prüfling individuell die Selbstabsorption mit einer sogenannten Hilfslichtquelle zu bestimmen und dieses Verhalten bei der Messung zu korrigieren. Auch hier sind zweistellige Fehler keine Seltenheit. Als Hilfslichtquelle wird meistens eine spektral breitbandige Halogenlampe verwendet. Man vergleicht Messungen in der Kugel ohne und mit Hilfslichtquelle und berechnet daraus einen spektralen Korrekturfaktor. Bei guten Kugelsystemen übernimmt diese Routine und die Berechnung eine Software.

Die Größe der verwendeten Kugel muss abhängig von der Größe des Prüfobjektes gewählt werden. Je größer ein Prüfling, desto größer sollte die Kugel sein, damit das Messprinzip der Mehrfachreflektionen greifen kann. Eine zu große Kugel hat gegebenenfalls einen zu kleinen optischen Durchsatz, was zu einer Reduzierung des Signal-Rausch-Verhältnisses führt. Hinweise und Richtlinien für die Größe der Kugel finden sich in den einschlägigen Messstandards. So wird empfohlen, dass die Fläche der Lichtquelle maximal 2% der Innenfläche der Kugel betragen sollte. Im Zweifel ist eine größere Kugel zu wählen.

Goniophotometrie als ein absolutes Messverfahren

Bild 3: Die Goniophotometrie bietet eine höhere Messgenauigkeit und ermöglicht eine allumfassende Charakterisierung von Leuchten.
Bild 3: Die Goniophotometrie bietet eine höhere Messgenauigkeit und ermöglicht eine allumfassende Charakterisierung von Leuchten. (Bild: Instrumentsystems)

Die Goniophotometrie ist im Gegensatz zur Kugelphotometrie ein absolutes Messverfahren. Ein Lichtstromstandard wird nicht benötigt. Im Gegenteil, häufig werden Standardlampen für den Lichtstrom mit Goniophotometern kalibriert. Mithilfe der Goniophotometrie lassen sich zusätzlich zum Lichtstrom die photometrische Abstrahlcharakteristik, die sogenannten Lichtstärkeverteilungskurven und die farbmetrische Abstrahlverteilung der Lichtquelle bestimmen. Ebenso ist es möglich, nicht nur den gesamten Lichtstrom, sondern auch Teillichtströme, also die photometrische Strahlungsleistung in einem eingeschränkten Raumwinkelbereich, zu messen. Teillichtströme werden beispielsweise für die Bewertung der Energieeffizienz-Klasse eines Prüflings benötigt.

Zum Messprinzip: Der Detektor befindet sich in einem festen Abstand zur Lichtquelle und wird um diese herum bewegt (äquivalent: die Lichtquelle wird um den stationären Detektor bewegt). Dabei misst er in einem vorgegebenen Raster die spektrale Bestrahlungsstärke unter verschiedenen Winkeln (Bild 3). Aus der Gesamtheit dieser winkelabhängigen Daten lassen sich alle charakteristischen Kenngrößen wie Lichtstärkeverteilung, farbmetrische Verteilung, Lichtstrom und Teillichtströme berechnen. Dazu wird eine im Fernfeld des Prüflings gültige Beziehung zwischen der Detektorgröße Bestrahlungsstärke E und der Quellengröße Lichtstärke I (I = E x r²) ausgenutzt. Das Fernfeld wird durch die sogenannte Photometrische Grenzentfernung definiert, ab der der Prüfling als Punktlichtquelle angesehen werden kann. Eine große Lichtquelle besitzt dementsprechend eine große Grenzentfernung. Als Daumenregel gilt: der Abstand ist 10x größer als die maximale Ausdehnung der Lichtquelle. Ein Prüfling mit 50 cm braucht eine Messstrecke von mindestens fünf Metern.

Goniophotometrie vs. Kugelphotometrie

Bild 4: Leuchtenwender mit Detektortubus. Eine ungenügende Fremdlichtunterdrückung ist eine typische Fehlerquelle im Messlabor.
Bild 4: Leuchtenwender mit Detektortubus. Eine ungenügende Fremdlichtunterdrückung ist eine typische Fehlerquelle im Messlabor. (Bild: Andreas Acktun)

Die Goniophotometrie ist ein fast allumfassendes Messverfahren, das eine höhere Genauigkeit im Vergleich zur Kugelphotometrie erreicht. Von ihm gibt es diverse Ausführungen von Fernfeld-Goniophotometern wie Spiegelgoniometer oder Goniometer mit bewegtem Detektor. Es lässt sich einfach bedienen, ist kompakt und lässt sich vielfach einsetzen. Der Leuchtenwender ist die verbreitetste Variante. Bei allen Varianten ist die goniophotometrische Messung zeitintensiv: von mehreren 10 Minuten bis Stunden. Hinzu kommt teures Messequipment und eine anspruchsvolle Bedienung. Auch die Goniophotometrie kennt typische Fehlerquellen: Zum einen ist das korrekte Einbrennen der Lichtquelle hier ebenso wichtig wie in der Kugelphotometrie.

Zum anderen geht der Abstand zwischen Detektor und Lichtquelle quadratisch in die Messgleichungen ein und hat damit einen großen Einfluss auf das zu erwartende Messergebnis. Deshalb sollte ein genauer Laserentfernungsmesser unter Berücksichtigung der kalibrierten Referenzfläche des Detektors und der genauen Bestimmung der lichtabstrahlenden Fläche des Prüflings zum Einsatz kommen. Weitere Fehlerquellen liegen in der Ausstattung des Messlabors und in der Brennlage des Prüflings. Das Messlabor muss eine gute Fremdlichtunterdrückung zulassen, in seinen Dimensionen ausreichend groß und im besten Fall vollständig mit einer hochabsorbierenden schwarzen Farbe gestrichen sein (Bild 4).

Messstandards sind notwendig

Bild 5: Das Akzeptanzintervall ist das um die Messunsicherheit reduzierte Toleranzintervall. Eine standardkonforme Messung muss im Akzeptanzintervall liegen.
Bild 5: Das Akzeptanzintervall ist das um die Messunsicherheit reduzierte Toleranzintervall. Eine standardkonforme Messung muss im Akzeptanzintervall liegen. (Bild: Instrumentsystems)

Häufig werden Reflexionen an der Wand hinter dem Goniometer unterschätzt. Die Wand ist maximal weit vom Detektor entfernt, wird aber von der Lichtquelle direkt angestrahlt. Selbst mit streulichtabschirmendem Tubus wird reflektiertes Fremdlicht leicht detektiert und beeinflusst massiv die Messung. Kommt ein Leuchtenwender zum Einsatz, ist eine eventuelle Lageabhängigkeit des Prüflings zu berücksichtigen. Einige Lichtquellen benötigen eine konstante Brennlage oder erfordern eine Korrektur, wenn der Prüfling bewegt wird. Bei passiv gekühlten LED-Lampen ist der Grund für diese Lageabhängigkeit meistens ein Abriss der konvektiven Luftströme durch die Kühlrippen. Messungen an solchen Lichtquellen sollten mit dem sogenannten Hilfsphotometer-Verfahren korrigiert werden.

Für gute und vergleichbare Messergebnisse sind international anerkannte Messstandards wichtig. Für die Kugel-und Goniophotometrie ist der wichtigste Standard CIE S025. Dieser Standard enthält keine Einschränkungen in den anzuwendenden Messtechniken. Auch nicht explizit erwähnte Techniken dürfen verwendet werden, wenn ein Äquivalenznachweis zu etablierten Techniken erbracht wird. Der CIE S025 fordert erstmals vom Anwender die Aufstellung eines detaillierten Messunsicherheitsbudgets nach ISO/IEC Guide 98-3 (GUM) oder CIE 198.

Der Standard definiert die Anforderungen an die Messausstattung durch Normprüfbedingungen und Toleranzintervalle. Für jede Normprüfbedingung gibt es einen Bezugswert und ein Toleranzintervall. Reduziert man das Toleranzintervall um die Messunsicherheit, ergibt sich das Akzeptanzintervall. Standardkonform ist eine Messung dann, wenn sie im Akzeptanzintervall (Bild 5) liegt. Dieses ist für hochwertige Messgeräte größer, was die Messung vereinfacht: Denn standardkonform ist eine Messung nur dann, wenn sie im Akzeptanzintervall liegt.

Beispiel einer Temperaturmessung

Das folgende Beispiel macht dies anschaulich: Der Standard schreibt für die Messung der Umgebungstemperatur einen Bezugswert von 25 °C und ein Toleranzintervall ±1,2 °C vor. Die Umgebungstemperatur wird mit einem Thermometer gemessen, das eine Kalibrierunsicherheit von 0,2 °C aufweist. Reduziert man das Toleranzintervall um die Messunsicherheit, ergibt sich das Akzeptanzintervall von ±1,0 °C.

Eine Anzeige des Thermometers von 24 bis 26 °C ergibt also eine standardkonforme Messung. Zeigt das Thermometer beispielsweise 25,5 °C an, so ist keine Korrektur notwendig und man nimmt 0,7 °C (0,5 °C für die Abweichung zum Bezugswert und 0,2 °C für die Messunsicherheit) ins Messunsicherheitsbudget auf. Ist eine Reduzierung des Beitrags zum Messunsicherheitsbudget gewünscht, so kann eine Korrektur auf den Bezugswert durchgeführt werden.

Messunsicherheiten und die Qualität der Ergebnisse

Messtechniker müssen auf die Messunsicherheiten besonders achten. Jede Messung unterliegt Messunsicherheiten und ein Messergebnis ist nur dann vollständig, wenn es mit einer Aussage zur Messunsicherheit verbunden ist. Die detaillierte Aufstellung von Messunsicherheiten sollte nach dem „Guide on Measurement Uncertainties (GUM)“ erfolgen. Damit lässt sich die Messqualität, der Prüfling sowie dessen Qualität beurteilen. Wird die Messunsicherheit ausführlich betrachtet, ist der Vergleich von Ergebnissen aus verschiedenen Messlaboren und eine Konformitätsbewertung von Standards (Gut/Schlecht Bewertung von Toleranzintervallen) möglich. Zudem bieten sie die Möglichkeit, den Messaufbau zu optimieren. Dominante Beiträge können identifiziert und reduziert werden.

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29.08.14 - Mit dem Siegeszug der LED und der OLED als moderne Lichtquellen müssen sich Leuchtenentwickler zunehmend mit den messtechnischen Größen auseinandersetzen. Die wichtigsten Parameter stellen wir vor. lesen

Referenz

[1] Bundesministerium für Wirtschaft und Energie

Dieser Beitrag ist erschienen im Sonderheft LED- und OLED-Lichttechnik II der ELEKTRONIKPRAXIS (Download PDF)

* Günther Leschhorn ist Leiter des Produktmanagements und stellvertretender Bereichsleiter bei Instrument Systems Optische Messtechnik in München.

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