Grundlagen Lichtmesstechnik LED und OLED messtechnisch charakterisieren

Autor / Redakteur: Eike Friedrichs * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

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.

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LED-Messplatz: Zur Grundausrüstung gehören eine Ulbricht-Kugel und ein Spektralradiometer.
LED-Messplatz: Zur Grundausrüstung gehören eine Ulbricht-Kugel und ein Spektralradiometer.
(Instrument Systems)

In der Lichtmesstechnik wird zwischen radiometrischen und photometrischen Größen unterschieden, wobei letztere die Eigenschaften des Auges berücksichtigen. Zu jeder radiometrischen Größe existiert ein photometrisches Äquivalent. Dieses lässt sich mit Kenntnis der spektralen Zusammensetzung der radiometrischen Größe sowie der V(λ)-Kurve des menschlichen Auges berechnen.

Die V(λ)-Kurve beschreibt den Verlauf der Empfindlichkeit des Auges beim Tagsehen im sichtbaren Licht. Dies ist der Wellenlängenbereich elektromagnetischer Strahlung zwischen 380 und 780 nm. Dabei ist die Empfindlichkeit des Auges bei einer Wellenlänge von 555 nm am größten und nimmt zu den Rändern des sichtbaren Spektralbereichs hin ab.

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Der Lichtstrom ist eine wesentliche Größe zur Beschreibung einer Lichtquelle. Gemessen wird er in Lumen und ist das photometrische Äquivalent zur Strahlungsleistung, die in Watt gemessen wird. Vereinfacht ausgedrückt beschreibt der Lichtstrom den sichtbaren Anteil einer „Gesamtstrahlungsmenge“.

Die photometrischen Größen Lichtstrom und Leuchtdichte

Wird die Verteilung des Lichtstroms in Bezug auf die verschiedenen Raumrichtungen angegeben, so erfolgt das mit der Lichtstärke – dem pro Raumwinkelelement abgestrahlten Lichtstrom. Sie wird in Candela (Lumen/Steradiant) gemessen. Soll beispielsweise ein Gemälde beleuchtet werden, so ist nicht der Lichtstrom, sondern dessen Anteil in Richtung des Objekts entscheidend.

Die Angabe einer Lichtstärke auf der Verpackung eines Leuchtmittels bezieht sich üblicherweise auf die Abstrahlrichtung maximaler Lichtstärke in Verlängerung der Achse des Leuchtmittels. Wird außerdem ein Abstrahlwinkel spezifiziert, so ist das der Winkel, bei dem die Lichtstärke noch die Hälfte des Maximalwerts beträgt. Bei bestimmten Applikationen wird eine Lichtverteilungskurve (LVK) angegeben, die den kontinuierlichen Verlauf der Lichtstärke als Funktion des Beobachtungswinkels beschreibt.

Eine weitere photometrische Größe ist die Leuchtdichte. Das ist die Lichtstärke pro Fläche der Lichtquelle oder präziser der projizierte Anteil dieser Fläche normal zur Beobachtungsrichtung. Die Leuchtdichte kann man sich als die empfundene Helligkeit einer Lichtquelle bei direkter Betrachtung vorstellen. So entsteht bei der Gestaltung von Räumen mit flächigen Lichtquellen nur dann ein hochwertiger Eindruck, wenn die leuchtende Fläche gleichmäßig hell, also ihre Leuchtdichte homogen ist.

Während Lichtstrom, Lichtstärke und Leuchtdichte Charakteristika einer Lichtquelle darstellen, quantifiziert die Beleuchtungsstärke, wie stark eine Fläche ausgeleuchtet wird. Sie definiert den eintreffenden Lichtstrom pro Fläche. Die Einheit der Beleuchtungsstärke ist Lux mit Lumen/m². Für Bildschirmarbeitsplätze in Deutschland ist beispielsweise eine Beleuchtungsstärke von mindestens 500 Lux vorgeschrieben, denn die Bemessungsgrundlage für die zulässige Helligkeit ist die tatsächliche Ausleuchtung des Arbeitsplatzes – unabhängig von den unmittelbaren Eigenschaften der Lichtquelle.

Von der Effizienz und Lichtausbeute von LEDs

Weiße LEDs werden häufig realisiert, indem ein Teil des Lichts einer blauen LED in das grün-gelbe Spektrum eines Leuchtstoffs umgewandelt wird. Das Kombinationsspektrum erscheint dann weiß. Der absolute Wirkungsgrad einer solchen weißen LED ist dabei immer niedriger als der der rein blauen, da bei der Umwandlung im Leuchtstoff grundsätzlich Energie verloren geht. Das wird durch die höhere Augenempfindlichkeit bezüglich des Kombinationsspektrums soweit überkompensiert, dass die weiße dennoch heller als die ursprüngliche blaue LED erscheint.

Anstelle des absoluten Wirkungsgrades ist daher für eine aussagekräftige Effizienzbewertung einer Lichtquelle unbedingt ihr photometrisches Äquivalent, die Lichtausbeute (Lumen/Watt), vorzuziehen. Als grobe Faustregel gilt: Die Lichtausbeute kaltweißer LEDs ist höher als die von warmweißen. LEDs mit einem Grünstich weisen die höchste Lichtausbeute auf, sie werden jedoch häufig als unangenehm empfunden.

Die bisher betrachteten Größen betreffen lediglich die Helligkeitswirkung von Lichtquellen. Ein weiterer wichtiger, aber schwieriger zu erfassender Aspekt ist die Farbwahrnehmung. Die Berechnung farbmesstechnischer Größen aus einem Spektrum geschieht im Prinzip analog zur Berechnung photometrischer Größen. Jedoch werden anstelle der Hellempfindlichkeitskurve V(λ) die Spektralwertkurven aus Formel 1 herangezogen. Sie entsprechen den jeweiligen Empfindlichkeitskurven der drei unterschiedlichen Sehzellenarten, die beim Tagsehen sowohl für die Helligkeits-, wie auch die Farbempfindung verantwortlich sind. Aus der Integration der spektralen Leistungsdichte ergeben sich unter Gewichtung mit den drei Spektralwertkurven die Tristimuluswerte X, Y, Z als Ausgangsgrößen für alle weiteren Berechnungen.

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