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.

Was der Farbort einer Lichtquelle aussagt

Der Farbort x, y, z einer Lichtquelle beschreibt den Farbeindruck bei ihrer direkten Betrachtung. Rechnerisch ergibt er sich durch die Normierung der jeweils einzelnen Tristimuluswerte X, Y, Z mit deren Summe. Da dadurch automatisch x+y+z=1 gilt, ist z jederzeit aus x und y ermittelbar. In der Darstellung des Farborts kann deshalb immer auf seine zweidimensionale x-y-Projektion zurückgegriffen werden. Die Menge aller möglichen Farborte x, y ergibt den xy-Farbraum, und dessen projizierte Darstellung das CIE-Diagramm. Der Punkt mit der Koordinate x=y=z=0,33 wird als Unbunt- oder Weißpunkt bezeichnet.

Daneben gibt es weitere Farbräume, deren Koordinaten sich gemäß gegebener Transformationsvorschriften grundsätzlich ineinander überführen lassen. Für die Allgemeinbeleuchtung spielt insbesondere der u'v'-Farbraum eine Rolle, da in ihm die Abstände zwischen zwei Farborten besser mit der entsprechend wahrgenommenen Farbdifferenz übereinstimmen, als das im xy-Farbraum der Fall ist. Grundsätzlich können verschiedene Spektren denselben Farbort besitzen, ohne identisch zu sein. Dieser Umstand wird als Metamerie bezeichnet.

Besonders bei weißen Lichtquellen wird zur Charakterisierung ihres Farbeindrucks nicht ihr Farbort, sondern die korrelierte Farbtemperatur (Correlated Color Temperature, CCT) herangezogen. Damit wird auf das physikalische Konzept eines schwarzen Körpers (oder Planckschen Strahlers) zurückgegriffen. Vereinfacht ausgedrückt, hängt das von einem solchen Körper abgestrahlte Spektrum nur von seiner Temperatur ab. Dadurch ist es allein durch die Angabe der Temperatur eindeutig bestimmt.

Die Abfolge aller Farborte dieser charakteristischen Spektren für Temperaturen von Null bis Unendlich ergibt im CIE-Diagramm die Plancksche Kurve. Eine Glühlampe besitzt in etwa das Spektrum eines schwarzen Körpers bei 2700 K, daher befindet sich ihr Farbort auf der Planckschen Kurve und entsprechend ist ihre Farbtemperatur 2700 K. Der Farbort vieler Lichtquellen liegt jedoch nicht auf der Planckschen Kurve. In diesem Fall wird der Lichtquelle die ähnlichste oder korrelierte Farbtemperatur (CCT) zugewiesen. Sie ergibt sich durch die Farbtemperatur am Schnittpunkt der Planckschen Kurve mit dem vom Farbort der Lichtquelle auf sie gefällten Lot (Judd-Gerade).

Wie die Farben wirken – der Farbeindruck

Wird anstelle des Farbeindrucks der Lichtquelle der Farbeindruck betrachtet, den ein beleuchtetes Objekt hinterlässt, so ist dieser auch von der verwendeten Lichtquelle abhängig und keine alleinige Eigenschaft des Objekts. Ein unter weißem Licht grüner Apfel wird unter rotem Licht nicht mehr grün, sondern rot oder braun erscheinen. Die Frage nach der Wiedergabe der Farbe eines Objekts kann daher grundsätzlich nicht beantwortet werden, ohne auf das Vergleichsspektrum einer Referenzlichtquelle Bezug zu nehmen.

Bei Farbtemperaturen <5000 K wird als Referenz jeweils das entsprechende Schwarzkörperspektrum herangezogen, oberhalb ist es das Tageslichtspektrum der Sonne. Der Farbwiedergabeindex (CRI) wird bestimmt, indem die Reflexionsspektren von 14 Testfarben (nach DIN 6169 spezifiziert) unter Beleuchtung mit der Referenz- und Testlichtquelle miteinander verglichen werden.

Ein Wert von 100 bedeutet, dass die Reflexionsspektren identisch sind. Kleinere Zahlenwerte werden als entsprechend schlechtere Farbwiedergabeeigenschaften interpretiert. Während Glühlampen naturgemäß einen CRI nahe 100 besitzen, liegt der Wert bei weißen LEDs typischerweise zwischen 60 und 95 und bei weißen OLEDs über 80.

Der Farbort ideal monochromatischer Lichtquellen befindet sich auf der Umrandung des CIE-Diagramms. Je breiter und ungesättigter das Spektrum, desto mehr bewegt sich der Farbort zur Mitte des Diagramms, also zum Unbuntpunkt. Die prozentuale Sättigung ist ein Maß für die Schmalbandigkeit eines Spektrums. Die dominante Wellenlänge beschreibt, welchem gesättigten Spektrum bzw. welcher Wellenlänge eine Lichtquelle vom Farbeindruck her am ehesten gleicht. Sie wird aus dem Schnittpunkt der Gerade durch Unbuntpunkt und Farbort mit dem Diagrammrand bzw. der diesem Punkt auf der Umrandung zugeordneten Wellenlänge bestimmt. Die Sättigung ist das Verhältnis der beiden durch diese Gerade definierten Abstände zwischen Unbuntpunkt und Farbort einerseits bzw. Unbuntpunkt und Umrandungsschnittpunkt andererseits.

LEDs lichtmesstechnisch charakterisieren

Bereits während ihres Herstellungsprozesses werden LEDs lichtmesstechnisch charakterisiert. Als Halbleiterbauelemente unterliegen sie bezüglich ihrer Charakteristika einer Streuung, daher wird die fertige LED am Ende der Produktion nochmals vermessen und gemäß ihrer Eigenschaften einem Binning unterzogen, also einer Gruppe von LEDs mit ähnlichen elektro-optischen Eigenschaften zugeordnet. Das erfolgt in der Praxis mit einer Kombination aus Ulbricht-Kugel und Spektralradiometer. Die Kugel ist an der Innenseite mit einer hochweißen Beschichtung versehen. Dadurch wird die gesamte eingekoppelte Strahlung innerhalb der Kugel vielfach diffus reflektiert.

Die integrierende Wirkung führt dazu, dass die am Ausgang gemessene Beleuchtungsstärke direkt proportional zum gesamten eingekoppelten Lichtstrom ist. Bei Messungen mit der Kugel geht die Information über die räumliche Verteilung des Lichts verloren. Es lassen sich nur integrale Größen wie Lichtstrom, CRI, Farbort, CCT oder dominante Wellenlänge bestimmen. Ulbricht-Kugeln gibt es typischerweise in Durchmessern von 75mm bis 2 m.

Soll die Lichtstärke oder die Richtungsabhängigkeit von integralen Größen wie CCT, Farbort oder CRI bestimmt werden, so kommen Goniometer zum Einsatz. Anstatt in einer integrierenden Kugel sitzt der Detektorkopf bei dieser Anordnung auf einer fiktiven Kugeloberfläche, welche Position um Position abgerastert wird. Praktisch werden allerdings verschiedene Geometrien realisiert, bei denen sich nicht der Detektorkopf, sondern der Prüfling selbst bewegt.

Abhängig vom zu vermessenden Objekt wird ein kompakter Goniometer-Tischaufbau oder ein raumfüllendes System verwendet. Aus der Raumwinkelintegration über die einzelnen Messpunkte lassen sich mit goniometerbasierten Systemen prinzipiell alle integralen Größen mit höheren Messgenauigkeiten als Ulbricht-Kugeln errechnen – allerdings bei deutlich längeren Messzeiten.

* Dr. Eike Friedrichs ist Produkt Manager für den Bereich Display-Messtechnik bei Instrument Systems in München.

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